Modeling radiative transfer of Sun-Induced Fluorescence, thermal emission and radiative budget of 3D vegetation canopies : towards a comprehensive 3D SIF model
Modélisation du transfert radiatif de la fluorescence induite par le soleil, de l'émission thermique et du bilan radiatif des couverts végétaux 3D : vers un modèle SIF complet
Résumé
The photosynthetic activity of vegetation is of major interest given current environmental concerns such as climate change and water resources. In this process, chlorophyll molecules excited by absorption of photosynthetically active radiation (PAR), dissipate some of the energy not used for photosynthesis in the form of heat and fluorescence radiation (SIF) which turns out to be a reliable and instantaneous indicator of photosynthetic activity. However, many factors complicate the interpretation of remote sensing measurements in terms of SIF and thus photosynthetic activity. In particular, the 3D architecture of the vegetation greatly affects radiation propagation, and thus PAR absorption, SIF emission in the canopy, and the remote sensing measurement. Accurate modeling of SIF emission and remote sensing measurements is therefore essential to accurately interpret these measurements in terms of SIF emitted (i.e., photosynthetic activity) by the vegetation. Moreover, it must be adapted to complex landscapes of large dimensions, at least larger than the resolution of the relevant satellite sensors (e.g., 300m for the upcoming ESA FLEX satellite mission to measure SIF). Given the number, complexity and diversity of terms to be taken into account, this modeling uses strong approximations that often lead to significant errors in the interpretation of remote sensing measurements. The model developed in this thesis deals mainly with the radiative aspect. It is based on the DART radiative transfer model (https://dart.omp.eu). Based on the discrete ordinate method, DART-FT, the initial mode of DART, simulates the SIF emission and the remotely sensed SIF signal, but has computational requirements (i.e., memory, computational time) that are prohibitive for the simulation of large landscapes. The new mode of DART, called DART-Lux, solves this problem with a very efficient two-way Monte Carlo algorithm. To complement the functionality of DART-Lux, four original models have been designed and implemented. (1) Modeling of landscapes with turbid volumes and facets, as the "turbid" representation is often useful for simulating large landscapes. (2) Modeling of SIF emission and the SIF signal that is measured by satellite, airborne and in-situ sensors. It takes into account local bioclimatic conditions via a coupling with the SCOPE energy balance model. Applied to eight forest plots realistically reconstructed with LiDAR measurements, this modeling allowed one to study the impact of the 3D structure of the vegetation on the SIF emission and on the SIF observed by a sensor at nadir, from morning to evening. It highlighted that the relative error made by neglecting the 3D architecture of the canopies, as in the 1D models, is often greater than 30%, especially in the morning and evening when the solar direction is very oblique. 3) Modeling of remote sensing images corresponding to the thermal emission of the landscape. As DART is not an energy balance model, the 3D temperature distribution is imported or approximated via short-wave illumination. 4) 3D radiation balance modeling with the ability to simulate it by sub-scene and feature type. All of these modeling, with the exception of the radiation balance modeling, were found to be very accurate and efficient in terms of computation time and memory volume, with gains often greater than 100. The resulting new DART model opens very interesting perspectives for the study of land surfaces using remote sensing observations in the visible to thermal infrared range. This work is currently being pursued in order to take into account the multiple biophysical interactions within the canopies that condition their SIF emission and their 3D temperature.
L'activité photosynthétique de la végétation revêt un intérêt majeur compte tenu des préoccupations environnementales actuelles comme le changement climatique et les ressources en eau. Dans ce processus, les molécules de chlorophylle excitées par absorption de rayonnement photosynthétiquement actif (PAR), dissipent une part de l'énergie non utilisée pour la photosynthèse sous forme de chaleur et de rayonnement de fluorescence (SIF) qui ainsi est un indicateur fiable et instantané de l'activité photosynthétique. Cependant, de nombreux facteurs compliquent l'interprétation des mesures de télédétection en termes de SIF et donc d'activité photosynthétique. En particulier, l'architecture 3D de la végétation affecte beaucoup la propagation du rayonnement, et donc l'absorption du PAR, l'émission de SIF dans le couvert végétal, et la mesure de télédétection. Une modélisation précise de l'émission SIF et des mesures de télédétection est donc essentielle pour interpréter avec précision ces mesures en termes de SIF émis (i.e., activité photosynthétique) par la végétation. De plus, elle doit être adaptée aux paysages complexes de grandes dimensions, du moins plus grands que la résolution des capteurs satellites concernés (e.g., 300m pour la prochaine mission satellite FLEX de l'ESA pour mesurer la SIF). Vu le nombre, complexité et diversité des termes à prendre en compte, cette modélisation utilise de fortes approximations qui induisent souvent de grandes erreurs lors de l'interprétation des mesures de télédétection. La modélisation développée dans cette thèse traite principalement de l'aspect radiatif. Elle s'appuie sur le modèle de transfert radiatif DART (https://dart.omp.eu). Le mode initial, DART-FT, de DART, basé sur la méthode des ordonnées discrètes, simule l'émission SIF et le signal SIF mesuré par télédétection, mais a des besoins informatiques (i.e., volume mémoire, temps de calcul) prohibitifs pour simuler de grands paysages. Le nouveau mode, appelé DART-Lux, résout ce problème via un algorithme bidirectionnel Monte Carlo très efficace. Pour compléter les fonctionnalités de DART-Lux, quatre modélisations originales ont été conçues et implémentées. (1) Modélisation de paysages avec des volumes turbides et des facettes, car la représentation "turbide" est souvent utile pour simuler de grands paysages. 2) Modélisation de l'émission et mesure satellite de la SIF, en tenant compte des conditions bioclimatiques locales via le couplage avec le modèle de bilan d'énergie SCOPE. A partir de huit parcelles forestières reconstruites de manière réaliste avec des mesures LiDAR, cette modélisation a permis d'étudier l'impact de la structure 3D de la végétation sur la SIF émise et observée par un capteur au nadir, du matin au soir. Ainsi, l'erreur relative commise en négligeant l'architecture3D des couverts, comme dans les modèles 1D, est souvent supérieure à 30%, surtout les matins et soirs quand la direction solaire est très oblique. 3) Modélisation des images de télédétection correspondant à l'émission thermique du paysage. DART n'étant pas un modèle de bilan d'énergie, la distribution3D des températures est importée ou calculée de manière approchée via un éclairement dans les courtes longueurs d'onde. 4) Modélisation du bilan radiatif 3D avec possibilité de le simuler par sous scène et par type d'élément. Toutes ces modélisations, excepté la modélisation du bilan radiatif, se sont avérées très précises et efficaces en termes de temps de calcul et de volume mémoire, avec des gains souvent supérieurs à 100. La modélisation implémentée dans DART ouvre donc des perspectives très intéressantes pour l'étude des surfaces terrestres avec l'aide d'observations de télédétection visible à infrarouge thermique. Ce travail est actuellement poursuivi, pour tenir compte des multiples interactions biophysiques qui au sein des couverts conditionnent leur émission SIF et température 3D.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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