Couplage entre modélisation opto-physique des scènes de végétation complexes et chimiométrie : application au phénotypage par imagerie hyperspectrale de proximité. (Coupling between opto-physical modeling of complex vegetation scenes and chemometry : application to phenotyping by short range hypersp

L'imagerie hyperspectrale de proximite est un outil prometteur pour le phenotypage ou la surveillance de la vegetation. En association avec la regression des moindres carres partiels ou PLS-R, elle permet de construire des cartographies de haute resolution spatiale du contenu chimique a l’echelle de la canopee. Cependant, plusieurs phenomenes optiques doivent etre pris en compte lors de l'application de cette approche aux scenes de vegetation dans des conditions naturelles. Notamment, les facteurs additifs et multiplicatifs lies respectivement a la reflexion speculaire et a l'inclinaison des feuilles qui peuvent etre surmontes par pretraitement. Mais le phenomene qui pose le plus de defis est la reflexion multiple. Il se produit lorsqu'une feuille est eclairee en partie par la lumiere directe, et en partie par la reflexion ou la transmission de la lumiere des feuilles voisines, induisant de forts effets non lineaires sur son spectre de reflectance. Bien que cet effet puisse etre pris en compte dans certains modeles de teledetection a l’echelle de la canopee, aucune etude n’a ete proposee a ce jour sur la facon dont un tel phenomene affecte les evaluations spectrales de la biochimie vegetale par imagerie de proximite. L'objectif de la presente etude etait d'analyser ces effets dans le contexte de l'imagerie hyperspectrale a des fins de phenotypage vegetal et de proposer des methodes chimiometriques pour les surmonter. Le developpement methodologique a ete base sur des outils de simulation inclus dans la plate-forme open source OpenAlea (http://openalea.gforge.inria.fr/dokuwiki/doku.php). Une scene typique de canopee de ble a ete modelisee a l'aide du modele Adel-Wheat et combinee au modele de propagation de la lumiere Caribu. L'outil propose simule la reflectance apparente de chaque feuille visible dans la canopee pour une reflectance et une transmittance reelles donnees, permettant de synthetiser des images hyperspectrales realistes. Cette approche par simulation nous a permis, dans un premier temps, d’analyser la distribution dans l’espace spectral des perturbations engendrees par les reflexions multiples, puis d’en deduire une methode de correction applicable dans le cas d’une regression PLS. La methode est basee sur la construction de deux sous-espaces W et B generes respectivement par la formulation analytique des reflexions multiples et la variable d'interet. Ceci nous permet alors de definir une matrice de projection sur B selon la direction W (projection oblique), qui permet de supprimer l’effet des reflexions multiples tout en conservant l’information utile. Il suffit ensuite d’appliquer cette projection a chaque spectre lors de l’apprentissage et de la mise en œuvre du modele PLS. La methode a d’abord ete developpee et parametree sur les donnees simulees, dans le contexte de l’evaluation de la teneur en azote (LNC) de feuilles de ble. Pour cela, les spectres de reflectance (450-1100 nm) de 57 feuilles de ble ont ete collectes a l'aide d'un spectrometre ASD (FieldSpec®, Analytical Spectral Devices, Inc., Boulder, Colorado, USA), tandis que leur LNC a ete mesure a l'aide d'analyses chimiques. Des modeles de regression avec et sans projection oblique ont alors ete construits a partir des spectres ASD et appliques sur l’ensemble des donnees simulees. Le modele avec projection oblique a donne d’excellents resultats (R² = 0.931; RMSEP = 0.29% DM) en comparaison du modele classique (R² = 0.915; RMSEP = 0.42% DM). La meme methode a ensuite ete appliquee en conditions reelles, sur des feuilles de ble cultivees en pot et au champ. Pour cela, des feuilles ont ete collectees et imagees a plat sur fond noir pour la construction des modeles PLS, qui ont ensuite ete appliques aux plantes sur pied. Ces experimentations ont confirme d’une part que la PLS-R classique entrainait une forte surestimation du LNC sur les feuilles entourees d’autres feuilles, d’autre part que la projection oblique evitait cette surestimation.