Cartographie Numérique Des Propriétés Des Sols En Zone .

Utilisation de l’imagerie hyperspectrale pour lacartographie numérique des propriétés des solsen zone méditerranéenneCécile Gomez et Philippe Lagacherie,1: IRD Laboratoire d’étude des Interactions Sol Agrosystème Hydrosystèmecampus Supagro INRA Montpellier ,2 INRA, Laboratoire d’étude des Interactions Sol AgrosystèmeHydrosystème campus Supagro INRA Montpellier

Contexte Capacités limitées d’investigation de la couverture pédologique Nombreux travaux sur les analyses de sol par spectrométrie au laboratoire Développement de la spectrométrie spatiale Capteurs aéroportés (HYMAP) et satellitaires (HYPERION,ENMAP) Applications en géologie (Chabrillat et al, 2005, Gomez et al, 2005), enffplanétologie ( Poulet et al,2005) Premières applications en cartographie des propriétés des sols(Ben Dor,2002, Chabrillat et al, 2002, Ben Dor et al, 2008, Lagacherie et al, 2008, Gomez et al, 2008, Stevenset al, 2010) Estimations directes de propriétés de sol de surfaces ( C,argile, CaCO3, Fe) Nouvelle donnée spatiale pour prédire d’autres propriétésdes sols moins accessibles (Digital Soil mapping)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20102

Projet DIGISOL-HYMED: Cartographie Numérique des Sols par imageriehyperspectrale pour la modélisation environnementale en rég. méditerranéenneDurée : 1/01/2009-31/12/ 2011 (2012)PartenairesINRA IRD LISAH Montpellier, INRA EMMAH Avignon, INRA BioSp AvignonINAT, CNCT, ENIT (LTSIRS), Min. Agriculture et ress. Hydraul. (DG/ACTA)Université de SydneyObjectifs Généraux Développer des méthodes de prédiction de propriétés de surface de sol àsspartir d’images hyperspectrales Proposer une approche de cartographie numérique des sols adaptée auxxcontexte méditerranéen Evaluer la valeur ajoutée de la cartographie numérique des sols pour laxxmodélisation agro-environnementale : Erosion Bilan hydriqueJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20103

Terrains d’étudeBassin versant de la Peyne(Mise au point méthodologique)Gouvernorat de Nabeul (Application)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20104

Plan de l’exposé Introduction Site d’étude et données Prédiction de propriétés de surface de sol nue à partir d’une imagehyperspectrale ( Gomez et al, en prep.) Utilisation d’une image hyperspectrale pour la cartographienumérique des propriétés de sol d’une petite région ( Lagacherie et al, enprep.)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20105

Site d’étude3 Zone viticole de 23.9 km² (Bassin versantde la Peyne, Hérault)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20106

Variabilité des surfaces de sol à prédireFersialsol (sols sur alluvions « villafranchiennes »)Calcisol (sols sur alluvions quaternaires anciennes)CaCO3 : 0 g/kgFer : 2.92 g/100gCaCO3 : 175g/kgFer : 1.88 g/100gArgile : 397 g/kgCO : 10.4 g/kgCalcosol (sols développés sur molasse)CaCO3 : 336g/kgFer : 0.72 g/100gArgile : 234 g/kgCO : 5.4 g/kgJournée HéliospirArgile : 356 g/kgCO : 4.61 g/kgFluviosol (sols sur bordures de petits coursd’eau)CaCO3 : 202g/kgFer : 0.8 g/100gArgile : 125 g/kgCO : 18.2 g/kgMontpellier, 25 septembre 20107

Image HYMAP prise de vue en Juillet 2003 ( conditionssèches, vigne en végétation) gamme de longueur d’onde : 400nm 2500 nm Résolution spectrale : 19 nm Résolution spatiale 5 m Masquée par la végétation(192 parcelles en sol nu)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20108

200 sites mesurés Parcelles de sol nu (137 sites) 95 sitesavec analyses de sol spectres VIS-NIRttten labo (2008)42 sites avec analyses de sol (2003 et 2005) Parcelles de vigne (63 sites) 63 sitesavec analyses de sol spectres VIS-NIRttten labo (2008)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 20109

Introduction Site d’étude et données Prédiction de propriétés de surface de sol nu à partir d’une imagehyperspectrale ( Gomez et al, en prep.) Utilisation d’une image hyperspectrale pour la cartographienumérique des propriétés de sol d’une petite région ( Lagacherie et al, enprep.)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201010

Démarche générale 10 propriétés primaires du sol étudiées: granulométrie 5 fractions Carbone organique CaCO3 Capacité d’échange cationique Fer libre pH Prédictions à partir de spectres de laboratoire et de spectres HYMAP Construction des modèles de prédiction(PLSR ) à partir de 2/3 desttt95 sites de 2009 Validations locales sur 31 sites (1/3 des sites de 2009) spatiales sur 137 sites (42 sites 2003-2005 95 en « leave one out »)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201011

Performances des prédictions à partir de spectre labo etHYMAP (31 sites)1,00Vis-NIR Lab Spectra"Vis-NIR Hymap 00g)CECClay (g/kg) Coarse Silt(cmol /kg)(g/kg)OrganicCarbon(g/kg)Fine Silt(g/kg)Fine SandCoarse(g/kg)Sand (g/kg)pH-0,20Propriétés primaires de solJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201012

Résultat : Spatialisation des propriétés de solsJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201013

Validation par étude de structures spatiales: 1. Argile.mesuréPrédit par spectres HYMAPTous les sitesavec donnéeshyperspectralesJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201014

Validation par étude de structures spatiales: 2. CaCO3Prédit par spectres HYMAPmesuréTous les sitesavec donnéeshyperspectralesJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201015

Conclusion partielle Démarche caractérisée par Une large gamme de propriétés de sol étudiée (10) Une méthode de validation basée sur sites indépendants La prise en compte de la représentation des structures spatiales 5 des 10 propriétés de sol « correctement » prédites en local Les structures spatiales de propriétés obtenues par HYMAP sontproches mais pas identiques aux structures spatiales mesurées Significativité des différences (nombre de sites) ? Nouveau modèles de prédictions qui privilégient les représentationsde structures spatiales ? Prédictions uniquement sur surfaces de sol nuJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201016

Introduction Site d’étude et données Prédiction de propriétés de surface de sol nu à partir d’une imagehyperspectrale ( Gomez et al, en prep.) Utilisation d’une image hyperspectrale pour la cartographienumérique des propriétés de sol d’une petite région ( Lagacherie et al, enprep.)Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201017

Démarche générale Données 200 sites avec mesures d’argile 192 parcelles de sol nu avec unestimateur spectrométrique du tauxd’argile ( CR2206) (R² 0.58) Principe :Lagacherie et al, 2008 Interpolation et agrégation spatiale Outil : Cokrigeage par blocs ( R) Points mesurésBloc concerné par prédictionStratégie d’estimation d’erreurs de spatialisation Validation des valeurs et erreurs prédites sur sites ponctuels parcokrigeage Erreur sur bloc variance d’erreur estimée par cokrigeage par blockJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201018

Modèle spatial: modèle de corégionalisation linéaireargile clay clay clay CR2206 3693 3.786 Sph h 1872 5.339 Sph h 5.339 0.0188 CR2206 clay CR2206 CR2206 3.786 0.01102652000loglogCR2206Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201019

Performances de prédictions Cokrigeage ponctuelRMSEPvc 51 g/kg RMSEPest 50 g/kg bonne estimation des erreurs de prédiction Cokrigeage par blocs 100m42131.Proche site mesuré et données hyperspectrales ( 200m) :RMSEP 43 g/kg2.Proche site mesuré et loin données hyperspectralesRMSEP 49 g/kg3.Loin site mesuré et proche données hyperspectrales:RMSEP 53 g/kg4.Loin site mesuré et loin données hyperspectrales:RMSEP 58 g/kgJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201020

Co-krigeage par bloc à différentes résolutions spatialesTauxd’argileErreurestiméeRMSEPR²49 g/kg46g/kg0.540.49Journée Héliospir33g/kg0.6222g/kg0.74Montpellier, 25 septembre 201021

Conclusions partielles Le co-krigeage par bloc permet d’exploiter des imageshyperspectrales incomplètes pour cartographier des propriétés dessols Les données hyperspectrales apportent une amélioration significativesur la prédiction d’argile à l’échelle sub-régionale La démarche permet une variété de représentations possibles enmodulant résolution spatiale et précision de prédiction Peut être étendue à toutes les propriétés prédites par l’imageriehyperspectrale et autres capteurs géophysiques;Journée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201022

Conclusions-perspectives L’imagerie hyperspectrale peut être une source d’informationimportante pour la cartographie des sols méditerranéens Transposition de l’approche sur terrain Tunisien démarchegénéralisable? Extension de l’imagerie hyperspectrale aux zones (partiellement)végétalisées Valeur ajoutée de la cartographie numérique des sols utilisant desimages hyperspectrales Spatialisation de l’érodibilité des sols Spatialisations des bilans hydriques et potentialités desculturesJournée HéliospirMontpellier, 25 septembre 201023

200 sites avec mesures d’argile 192 parcelles de sol nu avec un estimateur spectrométrique du taux d’argile ( CR 2206) (R² 0.58) Lagacherie et al, 2008 Outil : Cokrigeage par blocs ( R) Principe : Interpolation et agrégation spatiale Stratégie d’estimation d’erreurs de spatialisation