Suivi à haute résolution de la production primaire brute et de l'efficience d'utilisation de l'eau: impact du stress hydrique de la plante issu des données infrarouge thermique des satellites héliosynchrones et géostationnaires // combining high-resoluti

Topic description

La cartographie de la production primaire brute (GPP) à l'échelle des parcelles est nécessaire pour suivre les bilans des gaz à effet de serre, la production de biomasse et les rendements agricoles. À ce jour, la plupart des méthodes permettant d'estimer spatialement la GPP s'appuient soit sur des modèles d'inversion simples, souvent semi-empiriques, alimentés par des données de télédétection couramment disponibles dans le spectre visible-proche infrarouge, soit sur des modèles de fonctionnement plus complexes qui assimilent ces données. Cependant, les variables biophysiques déduites des données visibles-proche infrarouge permettent principalement de dériver une fraction de couverture de la végétation photosynthétiquement active, ou un indice de surface foliaire verte. Elles offrent un aperçu limité de l'activité physiologique réelle des plantes, en particulier de leur capacité photosynthétique et de la régulation de la GPP.
Les progrès récents se sont donc concentrés sur les signaux de télédétection plus directement liés à l'activité photosynthétique, tels que la fluorescence chlorophyllienne induite par le soleil (SIF). Malgré leur forte pertinence théorique, les missions SIF actuelles et à venir, y compris FLEX, n'offrent pas une résolution spatiale suffisante pour résoudre les paysages agricoles hétérogènes composés de multiples champs et types de cultures. De plus, ces observations ne permettent pas d'estimer simultanément l'efficacité de l'utilisation de l'eau (WUE) à des échelles spatiales comparables.
Les futures missions satellitaires dans le domaine de l'infrarouge thermique (TIR), telles que TRISHNA ou LSTM, offrent une occasion unique de compléter les algorithmes existants d'inversion de la GPP. A travers la température de surface, les observations TIR à haute résolution spatiale permettent de restituer les effets du stress hydrique des plantes par le biais de la régulation stomatique, obtenant ainsi des estimations conjointes de la GPP et de la WUE à l'échelle des feuilles et des écosystèmes. Pour atteindre cet objectif, il est nécessaire de mettre à jour les modèles de bilan énergétique à double source basés sur la physique, tels que SPARSE (Boulet et al., ) et TSEB (Kustas et al., ), afin d'y intégrer des formulations plus avancées du contrôle stomatique. Un défi supplémentaire réside dans la caractérisation de la dynamique diurne de la régulation stomatique et de la photosynthèse. Alors que les observations TIR à haute résolution ne sont généralement disponibles qu'aux alentours de midi, les estimations quotidiennes de la GPP et de la WUE nécessitent des informations sur l'ensemble du cycle diurne. Cela nécessite l'intégration de données TIR à haute résolution avec des observations géostationnaires du rayonnement entrant.
Les principaux objectifs de cette thèse de doctorat sont donc les suivants :
- Faire évoluer le modèle existant de restitution du bilan énergétique à double source afin d'y intégrer les contrôles physiologiques sur la GPP par le biais de la régulation stomatique.
- Tester et évaluer les formulations sélectionnées à l'aide des ensembles de données multisites existants couvrant un large éventail de conditions climatiques, allant des environnements subhumides secs aux environnements arides, que ce soit pour la végétation herbacée ou ligneuse.
- Évaluer l'impact de la contrainte supplémentaire dans le domaine TIR sur la précision de la restitution de la GPP et de la WUE à l'échelle des plantes et des écosystèmes, par rapport aux algorithmes semi-empiriques existants.
Ce sujet s'inscrit dans le cadre du projet RIFT « Renforcement des infrastructures : tours de flux » de FairCarbon. Il bénéficie également de l'expertise du groupe scientifique TRISHNA Ecosystem Stress Mission et y contribue. Il s'appuiera également sur le vaste ensemble de données acquises lors du projet ANR HiDRATE en France, en Inde, au Sénégal et en Tunisie.
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Mapping GPP at plot scale is needed to monitor green house gas (GHG) budgets, biomass production, and crop yields. To date, most GPP retrieval approaches rely either on simple, often semi-empirical, retrieval models informed by routinely available remote sensing data in the visible-near infrared spectrum, or more complex land surface models which assimilate those data. However, biophysical variables inferred from visible-near infrared data enables mostly to derive a cover fraction of the photosynthetically active vegetation, or a Green Leaf Area Index. They offer limited insight into the actual physiological activity of plants, particularly their photosynthetic capacity and regulation of GPP.
Recent advances have therefore focused on remote sensing signals more directly linked to photosynthetic activity, such as solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF). Despite their strong theoretical relevance, current and upcoming SIF missions, including FLEX, do not provide spatial resolutions sufficient to resolve heterogeneous agricultural landscapes composed of multiple fields and crop types. In addition, these observations do not allow for the concurrent estimation of water use efficiency (WUE) at comparable spatial scales.
Future satellite missions in the Thermal InfraRed (TIR), such as TRISHNA or LSTM, offer a unique opportunity to complement existing GPP retrieval algorithms. By capturing land surface temperature at high spatial resolution, TIR observations can account for plant water stress effects through stomatal regulation, thereby enabling joint estimates of GPP and WUE at both leaf and ecosystem scales. Achieving this objective requires updating physically based dual-source energy balance models, such as SPARSE (Boulet et al., ) and TSEB (Kustas et al., ), to incorporate more advanced formulations of stomatal control. An additional challenge lies in characterizing the diurnal dynamics of stomatal regulation and photosynthesis. While high-resolution TIR observations are typically available only around midday, daily GPP and WUE estimates require information on the full diurnal cycle. This necessitates the integration of high-resolution TIR data with geostationary observations of incoming radiation.
The main objectives of this PhD thesis are thus:
-To evolve existing dual source energy balance retrieval model to incorporate physiological controls on GPP through stomatal regulation
-To test and evaluate the selected formulations using existing multi-site datasets across a wide range of climatic conditions, from dry sub-humid to arid environments, and for both herbaceous and woody vegetation.
- To assess the impact of the additional constraint in the TIR domain on the accuracy of both GPP and WUE at plant and ecosystem scales, compared to existing semi-empirical algorithms.
This subject is embedded within the FairCarbon “Support to experimental infrastructure: flux towers” RIFT project, it also benefits from and contributes to the TRISHNA Ecosystem Stress Mission Science group expertise. It will also build on the extensive dataset acquired during the ANR HiDRATE project across France, India, Senegal and Tunisia.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral