SPATIALISATION FINE DE LA RESPIRATION DU SOL PAR IMAGERIE HYPERSPECTRALE 1 BENOIT Marie 1, CHEVALLIER Tiphaine 1, GOBRECHT Alexia 2, GORETTA Nathalie 2,

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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., 2006 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

6 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

7 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 415 993 nm 40 cm 30 cm 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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 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 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

15 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

16 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…x415.336336Respiration 336 16 Mesure de respiration = a 0 + a 1 Refl. 425 + a 2 Refl. 428 + … + 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 160 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

17 Respiration mesurée Respiration prédite Performance de l’étalonnage 17 ModèleNR²calR 2 val 415-993 nm316/3330.800.76 E TALONNAGE C ONTEXTE S PATIALISATION I NCUBATIONS Etalonnage Répétition a NR²cal R 2 val 415-993 nm151/1680.82 0.79 Validation Répétition b NR²val 415-993 nm166/1 68 0.59 A B WinISI III 3 M AI 2012, J OURNÉE S CIENTIFIQUE FIRE : NIRS ET MIRS BENOIT M ARIE

18 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 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 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 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 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

23 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

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

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26 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 27 Mise en place de l’Etalonnage ContexteMatériels & MéthodesRésultats AB Photos d’un mésocosme et des étalons représentants les pixels de l’image

28 absorbance Longueurs d’ondes

29 29 Mise en place de l’étalonnage ContexteMatériels & MéthodesRésultats IHS (415-993nm) 10 000 spectres/étalons IHS (415-993nm) 10 000 spectres/étalons CO 2 émis Vis-NIR (450-2500nm) 4 spectres/étalon Vis-NIR (450-2500nm) 4 spectres/étalon 1 spectre moyen Étalonnage vis-NIR 1 spectre moyen Étalonnage IHS AB

30 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

31 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

32 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

33 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

34 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

35 A NALYSE SUR LES SPECTRES 35 100% 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 36 Acquisition des spectres moyens ContexteMatériels & MéthodesRésultats IHS (415-993nm) 10 000 spectres/étalons IHS (415-993nm) 10 000 spectres/étalons 1 spectre moyen A Vis-NIR (450-2500nm) 4 spectres/étalon Vis-NIR (450-2500nm) 4 spectres/étalon 1 spectre moyen

37 Spectre moyen sur un étalon 37 Spectre moyen (IHS) sur le segment 415-993 nm de deux étalons avec deux répétitions ContexteMatériels & MéthodesRésultats

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

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

40 Étalonnage vis-NIR 74% 20 % domaine spectral N R²cal 450-2500 nm317/3330.67 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) 450-2500 nm 40 Relation spectres et %paille floue Relation CO2 et spectres moyenne

41 Comparaisons des techniques 41 Contexte Matériels & MéthodesRésultats ACP spectres moyens (vis-NIR) 450-993 nm 64% 22% 11% 56% 100% paille 75 à 5% paille 0 et 0.04% paille ACP spectres moyens (IHS) 450-993 nm 100% paille 75 et 50% paille 20 à 0% paille 74% 18%

42 Comparaison des techniques 42 Résultats des étalonnages des spectres vis-NIR et IHS (absorbance) Contexte Matériels & MéthodesRésultats Étalonnage 450-979 nm RPDcv R²cvR²cal IHS1.80.70.77 Vis-NIR1.20.30.67

43 C OMPARAISON IHS/ VIS -NIR 43 Résultats des étalonnages des spectres vis-NIR et IHS (absorbance) Contexte Matériels & MéthodesRésultats Étalonnage 450-979 nm RPDcv R²cvR²cal IHS1.80.70.77 Vis-NIR1.20.30.67

44 44 O BTENTION DES MICRO - CARTES IHS (415-993nm) 10 000 spectres/étalons IHS (415-993nm) 10 000 spectres/étalons CO 2 émis CO 2 /pixel 1 spectre moyen Étalonnage IHS prédiction A Vis-NIR (450-2500nm) 4 spectres/étalon Vis-NIR (450-2500nm) 4 spectres/étalon 1 spectre moyen Étalonnage vis-NIR Contexte Matériels & MéthodesRésultats

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

46 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