l exemple de la pollution agricole dans le sud-ouest de la France.

Transcription

1 Perspectives de la télédétection dans la modélisation agrohydrologique spatialisée : l exemple de la pollution agricole dans le sud-ouest de la France Juil Avr LAI max (LAX) 0 Séries LAI Nov Occupation du sol Sylvain Ferrant, CR UPS Simon Gascoin, CR CNRS Patrick Durand, CR INRA Vincent Bustillo, MCF UPS N cycle H2O cycle 1

2 Comment utiliser les observations satellites? Formosat-2 (Sentinel-2) série temporelle Modèle Agro-hydrologique Baret et al., 2007 BV-NNET Biophysical Variable Neural NETwork Calibration spatiale Leaf Area Index TNT2 Beaujouan et al., 2002 Topography Nitrogen Transfer and Transformation Green leaf area per unit ground surface area (LAI = leaf area / ground area, m 2 / m 2 ) 2

3 TNT2 Données d entrée spatialisées: Pratiques agricoles Successions culturales TNT2 model: Topography Nitrogen Transfer and Transformation Beaujouan et al., 2002 Ferrant et al., 2011 Carte de Paramètres sol Topographie et Réseau de drainage Variables météo 2

4 TNT2 Données d entrée spatialisées: Pratiques agricoles Successions culturales Carte de Paramètres sol Topographie et Réseau de drainage TNT2 model: Topography Nitrogen Transfer and Transformation Model de culture N,W stress Beaujouan et al., 2002 Ferrant et al., 2011 Leaf Area Index Biomasse N prélevé cult Brisson et al., 1998, 2001 Evapotranspiration Variables météo Modèle Hydrologique distribué TNT Débits Flux N Cal/val 2

5 Site d étude Vineyard Pyrenees Moutains Pasture/Forest Crop land Regional Spatial Observatory : Systematic high resolution images acquisition SPOT since 2002 SPOT4(take5) Formosat-2 since 2006 Ground measurements (Vegetation, Climate, hydrology ) 3

6 Data: LAI time series Formosat-2 ground coverage Experimental catchment area 10 km acquisition d images type Sentinel-2 Acquisition dates 4

7 Data: LAI time series Experimental catchment area Tournesol Formosat-2 derived Leaf Area Index map (July, 12 th 2009) 8m resolution Blé d hiver récolté Claverie et al., 2012, 2013 Acquisition dates 5

8 Methode Données d entrée spatialisées: Succession culturale 6

9 Methode Données d entrée spatialisées: Land cover from Formosat-2 classification Succession culturale

10 4 Methode LAI observés Formosat-2 Jul Occupation du sol issue de la classification Formosat-2 0 Apr. Nov Formosat-2 derived LAI maps 8*8 m resolution Claverie et al., 2012,

11 F-2 time series VS TNT2 LAI: LAI Formosat-2 Observés LAI TNT2 Simulés 4 Jul. Apr. 0 Nov. Formosat-2 derived LAI maps 8*8 m resolution Claverie et al., 2012,

12 Deux applications: Formosat-2 (Sentinel-2) série temporelle Modèle Agro-hydrologique Leaf Area Index Dynamique temporelle Date de semis Dynamique spatiale Paramètres de sol 7

13 Application 1: Ré-évaluer une date de semis à l échelle des parcelles LAI LAI observé Formosat-2 LAI model TNT-2 Comment? Temps en jours Date semis 1 ere estimation = Généralement estimé considéré comme paramètre 8

14 F-2 time series VS TNT2 LAI: Valeur continue de LAI obtenue par ajustement de paramètres de forme d une équation: Parcelle date semis/niveau de fertilisation LAI Kx a -b Kn 0 Ti Tf 4200 Temperatures journalières cumulées ΣT C 9

15 Comment utiliser les profils de F2 LAI? LAI Processus d optimisation Iteration 1 TNT2 LAI=0.7 Kx LAI a -b Date semis 1 st guess Tdiff1 ΣT C Kn Ti Tf ΣT C 10

16 Comment utiliser les profils de F2 LAI? LAI Processus d optimisation Iteration 2 TNT2 LAI=0.7 Kx LAI a -b Tdiff2 Date semis 2 nd guess ΣT C Kn Ti Tf ΣT C 10

17 Comment utiliser les profils de F2 LAI? LAI Processus d optimisation Iteration n TNT2 LAI=0.7 Kx LAI a -b Best fit LAI0.7 Date semis ΣT C Kn Ti Tf ΣT C 10

18 LAI Resultats : Effet sur le couvert moyen Formosat-2 LAI 2006 LAI TNT2 LAI after Optimization TNT2 LAI before Optimization 2007 Moyenne de LAI simulée pour le Blé d hiver 11

19 Resultats : Effet sur le couvert (parcelle expe) Formosat-2 LAI Ground measurement TNT2 après optimisation TNT2 avant optimisation Optimisation du LAI 12

20 Resultats : Effet sur le couvert (parcelle expe) Formosat-2 LAI Ground measurement TNT2 après optimisation TNT2 avant optimisation Optimisation du LAI Augmentation des LAI simulés Ground measurement TNT2 après optimisation TNT2 avant optimisation 13

21 Resultats : Effet sur le couvert (parcelle expe) Formosat-2 LAI Ground measurement TNT2 après optimisation TNT2 avant optimisation Optimisation du LAI: Augmentation du LAI simulé Augmentation de la biomasse Augmentation de l azote prélevé Ground measurement TNT2 après optimisation TNT2 avant optimisation 13

22 Resultats : Effet sur le bilan N Faible impact sur l hydrologie 1 à 2 mm/an; 1% des débits annuels) Baisse importante des flux d azote simulés: Amélioration de l estimation (de 11 à 9 contre 7 kgn/ha/y mesurés à l exutoire) 11% de flux annuels simulés en moins Optimisation du LAI: Augmentation du LAI simulé Augmentation de la biomasse Rendement simulé très impacté (augmentation de 20%) Augmentation de l azote Ferrant et al., 2014 dans Hydrol. Earth Syst. Sci. Prélevé Augmentation du rendement simulé sensibilité importante du modèle 14 importance du LAI satellite

23 Application 2: Valeur continue de LAI obtenue par ajustement de paramètres de forme d une équation: Parcelle date semis/niveau de fertilisation Pixel conditions locale sol-culture LAI Kx a -b Kn 0 Ti Tf 4200 Temperatures journalières cumulées ΣT C 15

24 Application 2: LAX vs réalité terrain Ortho photo IGN 07/2006 VS LAX dérivé des F2 LAI LAX ΣT C Premiers stades de développement du Tournesol Retards de développements sont mesurés via le LAX 16

25 Application 2: LAX vs réalité terrain Ortho photo IGN 07/2008 VS LAX dérivé des F2 LAI LAX ΣT C Premiers stades de développement du Tournesol Retards de développements sont mesurés via le LAX 16

26 Application 2: le LAX Données d entrée spatialisées: A quelles paramètres est-il sensible? Sols peu profonds amont Sols profonds aval Transfert hydrologique subsurface et surface Porosité de drainage Profondeur de sol 17

27 Application 2: le LAX Données d entrée spatialisées: A quelles paramètres est-il sensible? Sols peu profonds amont Sols profonds aval Transfert hydrologique subsurface et surface Porosité de drainage Porosité de rétention Profondeur de sol 17

28 Application 2: le LAX Données d entrée spatialisées: A quelles paramètres est-il sensible? Porosité de rétention * Profondeur de sol = Réserve Utile maximale 17

29 Application 2: étude de sensibilité du modèle au pixel LAX LAI max LAI Calibration pour chaque pixel Blé 2007 satellite RU max 3 RU max 2 RU max simulations Réserve utile optimisée Temps LAI max simulé 19

30 Application 2: étude de sensibilité du modèle au pixel LAX LAX satellite LAX TNT2 154 simulations 20

31 Application 2: étude de sensibilité du modèle au pixel LAX LAX satellite Sensibilité à l hydrologie LAX TNT2 LAX 20

32 Application 2: couples de paramètres possibles 1an LAX 154 simulations LAX satellite 21

33 Application 2: couples de paramètres possibles 1an LAX Calcul de la distance au plan 154 simulations LAX satellite 21

34 Application 2: couples de paramètres possibles 1an LAX Calcul de la distance au plan 154 simulations LAX satellite Distance mini: Min((LAXsat-LAXsim) solutions numériques Mic1 prof1 Mic2 prof2... Micopti Profopti Micn Profn 21

35 Application 2: couples de paramètres possibles 1an LAX LAX satellite 154 solutions numériques Mic1 prof1 Mic2 prof2... «meilleure» solution numérique Micn Profn

36 Application 2: couples de paramètres possibles 1an LAX LAX satellite N solutions numériques Mic1 prof1 Mic2 prof2... LAX simulé par TNT2 Une solution numérique optimale Micn Profn

37 Applications: Les questions que ces résultats posent Date de semis: calibration temporelle du développement du couvert Dépendant des paramètres de développement liés au cultivar cultivars pas connus ou pas calibrés pour STICS Validité des couples de Paramètres de RU: premier proxy qui reste à valider sur le terrain Sensibilité du modèle au schéma de transfert hydro MNT pas toujours réaliste Stress hydrique seul Etude des stress azoté nécessaire Limites observation modèle: Exposition non prise en compte fortes pentes plein sud, LAX max Biais potentiel des reflectances de sol effet sur le LAX? Perspective: Choix de RU associée au LAX seul couplage avec télédétection radar caractérisant la biomasse et l humidité intéressant 20

38 Perspectives: Meilleure spatialisation des stress et excès d azote Sol Parcelles NUE pour Nitrogen Use Efficency: Nplante/Nferti Donc des flux potentiels de dénitrification et lessivage 21

39 Merci pour votre attention! Observation LAI Produit LAX Modèle NUE spatialisé LAX simulée RU spatialisée 22

40 Application 2: couples de paramètres possibles multi années LAX Blé 2007 LAX TO 2008 LAX Blé 2009 LAX TO solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 22

41 Application 2: couples de paramètres possibles multi années LAX Blé 2007 LAX TO 2008 LAX Blé 2009 LAX TO 2010 Calcul de l écart au LAXsat de chaque solution pour: 4 années (EQ4) Distance mini: 2 années en blé (EQBlé) NRMSE=Σ ((LAXsat-LAXsim) 2 années en Tournesol (EQTO) 2 /nb années) 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 154 solutions Mic1 prof1 Mic2 prof2 Micn Profn 22

42 Application 2: Cartes de RU VS NRMSE LAX EQ4 EQBlé EQTO =25% NRMSE LAX RU optim (mm) 23