SPATIALISATION FINE DE LA RESPIRATION DU SOL PAR IMAGERIE HYPERSPECTRALE 1 BENOIT Marie 1, CHEVALLIER Tiphaine 1, GOBRECHT Alexia 2, GORETTA Nathalie 2, ROGER Jean-Michel 2, BARTHES Bernard 1 1 : UMR Eco&Sols, IRD, Montpellier 2 : UMR Itap, Irstea, Montpellier

L A RESPIRATION DU SOL 2 Micro-organismes du sol : - Respiration hétérotrophe Répartition horizontale dépend : -Conditions physico-chimiques du sol -Localisation et qualité des substrats disponibles Cycle du Carbone des écosystèmes, GIEC Atmosphère CO 2 Matière organique morte Sols Respiration du sol 50% Biomasse (Océans, Terrestres) Respiration autotrophe 50% Photosynthèse Mort Sédiments C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

M ESURES DE RESPIRATION 3 Méthodes directes : - Sur le terrain - En conditions contrôlées Méthode indirecte : Spectrométrie quantitative visible et infra-rouge - Prédiction sur sol sec (C, N et MO) -Acquisition rapide, sans consommable et non destructrice - Nécessite un étalonnage C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

La Spectrométrie Infra-rouge 4 C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE La réflectance d’un échantillon contient de l'information sur sa composition (Loi de Beer Lambert) Ex. les six modes vibrationnels possibles de CH 2 Chaque type de liaison vibre à des longueurs d'ondes spécifiques. 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

La Spectrométrie moyen Infra-rouge 5 C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE Les bandes, nettes et individualisées, sont celles des vibrations fondamentales : → assignables à des groupes chimiques -polysaccharides (1050 cm -1 ) -groupes carboxyles (1630 cm -1 ) -CH aliphatiques (2920 cm -1 ) → adapté à l'identification de constituants -Spectrométrie qualitative Gerzabek et al., Soil Use Manage., M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

La Spectrométrie proche Infra-rouge 6 C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE Les bandes sont celles d'harmoniques et de combinaisons, peu nettes en général : → plus difficile de lier pics et constituants → moins d'information directement utile Reeves et al., Environmental Pollution, 2002 Spectrométrie  Composition du sol Imagerie Hyperspectrale  Spatialisation Chimiométrie : la discipline chimique qui utilise les mathématiques et les statistiques pour construire des modèles d’étalonnage pour les capteurs multivariés. - Spectrométrie quantitative 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

L’Imagerie HyperSpectrale 7 Ensemble de pixels dont chacun est caractérisé par un spectre Télédétection ou proxi-détection (0.04 mm 2 ) C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE La caméra hyperspectrale Le dispositif nm 40 cm 30 cm 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

O BJECTIF 8 C ONTEXTE I NCUBATIONS S PATIALISATION E TALONNAGE Spatialiser et estimer finement la respiration sur sol humide au cours du temps au cours du temps Projet innovant  technologie nouvelle sur le sol 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Présentation du sol 9 Sol : Rendzine calcique Carte IGN, localisation de Cazevieille (34) Photo du pic St loup (34) I NCUBATIONS C ONTEXTE S PATIALISATION E TALONNAGE 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Incubation des mésocosmes 10 Témoin +Paille +Stress +Paille +Stress STRESS THERMIQUE T= 60C pendant 24h Images hyperspectrales Conditions contrôlées pF2 T = 28°C j0 j1 j3 j7 j14 j21 j28 temps I NCUBATIONS C ONTEXTE S PATIALISATION E TALONNAGE 1 pixel = 1 spectre gamme d’étalonnage des différents pixels  1 spectre = 1 émission de CO2 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Gamme d’étalonnage 11 7 mélanges x 2 humidités x 2 conditions initiales x 2 répétitions = 56 étalons ABA 2 répétitions I NCUBATIONS C ONTEXTE S PATIALISATION E TALONNAGE 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Mesures de respiration des étalons 12 Dosage de la soude par HCl Etalons dans leur bocaux dans une étuve (28C) étalon soude eau I NCUBATIONS C ONTEXTE S PATIALISATION E TALONNAGE 56 étalons x 6 dates = 336 mesures de respiration (mgC-CO 2.g -1 sol.j -1 ) 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

13 Calcul d’un spectre moyen E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS Moyenne des spectres sur la surface d’un étalon 56 étalons x 6 dates = 336 spectres moyens 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

14 Principe de l’étalonnage 1 spectre moyen 1 spectre moyen CO 2 émis Étalonnage E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Étalonnage au cours du temps 15 Acquisition d’images hyperspectrales Mesures de respiration et calcul de spectres moyens Mésocosmes étalonnage prédiction étalons j0 j1 j3 j7 j14 j21 j28 temps E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Analyses statistiques multi-variées - Régression des moindres carrés partiels (PLS) pour construire le modèle de prédiction étalons Réflectance 425 nm Réflectance 428 nm … Réflectance 979 nm -> étalons Mesures de respiration 1x1.1x2.1…x415.11Respiration 1 2x1.2x2.2…x415.22Respiration 2 ………………… 336x1-336x2-336…x Respiration Mesure de respiration = a 0 + a 1 Refl a 2 Refl … + a 160 Refl. 979 Spectres moyens des étalons E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS Ajuster le système linéaire en déterminant les coefficients de régression a 0, a 1, a 2, a M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Respiration mesurée Respiration prédite Performance de l’étalonnage 17 ModèleNR²calR 2 val nm316/ E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS Etalonnage Répétition a NR²cal R 2 val nm151/ Validation Répétition b NR²val nm166/ A B WinISI III 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

18 Prédiction de la respiration CO 2 émis 1 spectre moyen Modèle d’étalonnage 1 pixel = CO 2 respiré prédiction 1 pixel = 1 spectre Image hyperspectrale (30*40cm) Micro-carte de prédiction de la respiration (30*40cm) 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 S PATIALISATION C ONTEXTE E TALONNAGE I NCUBATIONS 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

19 visible Micro-cartes de respiration prédite visible S PATIALISATION C ONTEXTE E TALONNAGE I NCUBATIONS 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

20 Images hyperspectrales (visible) Paille (j1) Paille (j21) 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 Micro-cartes de prédiction de la respiration S PATIALISATION C ONTEXTE E TALONNAGE I NCUBATIONS Micro-cartes de respiration prédite 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

21 Mésocosme Témoin (j3) Mésocosme Stress (j3) S PATIALISATION C ONTEXTE E TALONNAGE I NCUBATIONS Micro-cartes de respiration prédite Respiration prédite sur les micro-cartes en fonction du stress initial 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

22 Image hyperspectrale (visible)Micro-carte de prédiction S PATIALISATION C ONTEXTE E TALONNAGE I NCUBATIONS Micro-cartes de respiration prédite 0 mg C-CO 2.gC -1.jour -1 0,8 mg C-CO 2.gC -1.jour -1 Structure végétale vivante Le modèle ne prédit pas les structures végétales vivantes Respiration associée non étalonnée 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

C ONCLUSION 23 Etude prospective Spatialisation de la respiration de sol humide par imagerie hyperspectrale C ONTEXTE E TALONNAGE I NCUBATIONS S PATIALISATION Perspectives Traitement d’images plus fine Améliorer l’étalonnage (régression non linéaire, étalons racines) Gamme de longueurs d’onde plus large (proche infra-rouge) Tester d’autres modalités sur les mésocosmes Application sur le terrain 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Merci de votre attention ! 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

Déroulement au cours du temps 26 ContexteMatériels & MéthodesRésultats Témoin Paille Stress Stress+Paille STRESS T=60°C durée:24h Acquisition d ’ image T = 28°C j0 j1 j3 j7 j14 j21 j28 Mésocosmes Suivi des mésocosmes au cours du temps

27 Mise en place de l’Etalonnage ContexteMatériels & MéthodesRésultats AB Photos d’un mésocosme et des étalons représentants les pixels de l’image

absorbance Longueurs d’ondes

29 Mise en place de l’étalonnage ContexteMatériels & MéthodesRésultats IHS ( nm) spectres/étalons IHS ( nm) spectres/étalons CO 2 émis Vis-NIR ( nm) 4 spectres/étalon Vis-NIR ( nm) 4 spectres/étalon 1 spectre moyen Étalonnage vis-NIR 1 spectre moyen Étalonnage IHS AB

Spectre moyen IHS 30 Contexte Matériels & MéthodesRésultats Spectres d'absorbance moyens des IHS de deux étalons 0 et 100% de paille avec les deux répétitions (a et b). 100% paille 0% paille

Spectres moyens vis-NIR 31 Contexte Matériels & MéthodesRésultats Spectres moyens d'absorbance dans le vis-NIR de deux étalons 0 et 100% paille avec les deux répétitions (a et b). 100% paille 0% paille

Étalonnage au cours du temps 32 Conditions contôlées T = 28C étalons j0 j1 j3 j7 j14 j21 j28 temps E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS 56 x 6 dates = 336 de couples de mesure de respiration et d’images hyperspectrales Mesures de respiration et Images hyperspectrales

E FFET % PAILLE SUR LA RESPIRATION 33 N=8 I NCUBATIONS C ONTEXTE S PATIALISATION E TALONNAGE Consommation puis appauvrissement de la matière organique disponible Emission de CO2 augmente en fonction du %paille

E FFET DU STRESS SUR LA RESPIRATION 34 I NCUBATIONS C ONTEXTE S PATIALISATION E TALONNAGE N=28 Forte consommation des substrats pendant le stress 28j : épuisement équivalent des substrats disponibles

A NALYSE SUR LES SPECTRES % paille 20,50,75% 0, 0.04, 5%paille 11% 70 % ACP sur 327 spectres moyens des étalons E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS Effet du %paille sur les spectres moyens des étalons (N=327)

36 Acquisition des spectres moyens ContexteMatériels & MéthodesRésultats IHS ( nm) spectres/étalons IHS ( nm) spectres/étalons 1 spectre moyen A Vis-NIR ( nm) 4 spectres/étalon Vis-NIR ( nm) 4 spectres/étalon 1 spectre moyen

Spectre moyen sur un étalon 37 Spectre moyen (IHS) sur le segment nm de deux étalons avec deux répétitions ContexteMatériels & MéthodesRésultats

Procédure de la modélisation 38 ContexteMatériels & MéthodesRésultats Procédure de la modélisation par chimiométrie

Mesures de respiration des étalons 39 Contexte Matériels & MéthodesRésultats Respiration cumulée des étalons selon le %paille (moyennes et écarts-types).

Étalonnage vis-NIR 74% 20 % domaine spectral N R²cal nm317/ Résultats de la regression (R²cv=0.42) Contexte Matériels & MéthodesRésultats 100%paille 75 à 5% paille 0 et 0.04%paille 40% 27% ACP spectres moyens (vis-NIR) nm 40 Relation spectres et %paille floue Relation CO2 et spectres moyenne

Comparaisons des techniques 41 Contexte Matériels & MéthodesRésultats ACP spectres moyens (vis-NIR) nm 64% 22% 11% 56% 100% paille 75 à 5% paille 0 et 0.04% paille ACP spectres moyens (IHS) nm 100% paille 75 et 50% paille 20 à 0% paille 74% 18%

Comparaison des techniques 42 Résultats des étalonnages des spectres vis-NIR et IHS (absorbance) Contexte Matériels & MéthodesRésultats Étalonnage nm RPDcv R²cvR²cal IHS Vis-NIR

C OMPARAISON IHS/ VIS -NIR 43 Résultats des étalonnages des spectres vis-NIR et IHS (absorbance) Contexte Matériels & MéthodesRésultats Étalonnage nm RPDcv R²cvR²cal IHS Vis-NIR

44 O BTENTION DES MICRO - CARTES IHS ( nm) spectres/étalons IHS ( nm) spectres/étalons CO 2 émis CO 2 /pixel 1 spectre moyen Étalonnage IHS prédiction A Vis-NIR ( nm) 4 spectres/étalon Vis-NIR ( nm) 4 spectres/étalon 1 spectre moyen Étalonnage vis-NIR Contexte Matériels & MéthodesRésultats

S PATIALISATION 45 Contexte Matériels & MéthodesRésultats Micro-carte de prédiction de la respiration du sol sur le mésocosme Témoin (j14), 10*40cm

Spatialisation 46 Contexte Matériels & MéthodesRésultats Comparaison de la respiration prédite sur les mésocosmes Témoin et Stress aux dates j3 et j21. 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 Témoin (j3)Témoin (j21) Stress (j21) Stress (j3) 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1 0,8 mg C-CO 2.g -1 sol.jour -1