Modelling Radiative and Energy Balance on Heterogeneous Areas from Remotely-Sensed Radiances

RÉSUMÉ

L'évapotranspiration (LE), la photosynthèse (A_c), l'albédo et la fraction absorbée du rayonnement photosynthétiquement actif (fAPAR) sont des variables constituant une importante source d'information pour l'analyse et la gestion des écosystèmes agricoles et naturels. Les modèles de Transferts Sol-Végétation-Atmosphère (SVAT) permettent actuellement de quantifier ces variables. Les modèles SVAT incluent des paramétrisations détaillées des échanges d'énergie, d'eau et de quantité de mouvement entre les surfaces terrestres et l'atmosphère. Ces modèles ont en général été établis pour des surfaces «homogènes», i.e. pour lesquelles les caractéristiques des paysages sont considérées homogènes. Les paramètres de ces modèles décrivent la physiologie et la géométrie des plantes; ils sont mesurables à l'échelle d'un milieu homogène, mais ne permettent pas la description des variables intéressantes sur des surfaces hétérogènes. À plus large échelle, comme les modèles SVAT ne sont pas linéaires, l'hétérogénéité des paysages peut entraîner des erreurs substantielles dans l'estimation de ces variables. Ceci est une raison majeure des difficultés d'utilisation de ces modèles avec des données satellitaires (luminances).

Sur la base de résultats théoriques récents, nous définissons un nouveau modèle adapté aux pixels hétérogènes, appelé modèle «spatialisé». Nous considérons des pixels constitués de divers couverts homogènes pour lesquels la connaissance des paramètres individuels permet le calcul des variables précédentes. Le modèle résultant permet de dériver ces variables à partir des mesures de luminances à l'échelle des pixels. L'analyse de ces résultats sur des zones hétérogènes, en utilisant des simulations locales, montre une bonne précision du modèle spatialisé pour quantifier LE, A_c, albédo et fAPAR. Ces résultats démontrent également l'importance des changements d'échelle et ouvrent la voie à diverses applications.

SUMMARY

Evapotranspiration (LE), photosynthesis (A_c), albedo and the fraction of absorbed photosynthetically active radiation (fAPAR) constitute an important source of information for the analysis and management of agricultural and natural ecosystems. Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer (SVAT) models currently allow quantification of these variables. SVAT models are highly parameterized abstractions of energy, moisture, and momentum exchanges between the land and the atmosphere. These models have usually been designed for homogeneous surfaces, where landscapes are considered as having homogeneous surface characteristics. Then, the models depend on various parameters noted (p) of the physiology and geometry of plants, that are only measurable at local scale and do not allow for the description of the variables for heterogeneous areas. At a larger scale, since SVAT models are non-linear, landscape heterogeneity can lead to substantial errors in the estimation of the variables of interest. This is the key reason for the difficulty in using these models with satellite data (radiances).

On the basis of recent theoretical results, we define a new model adapted to heterogeneous pixels, called the spatialized model. Namely, we consider a pixel region covered with various homogeneous cover types for which the knowledge of the individual parameters (pl … pk) allows the computation of the aforementioned variables.

The resulting model yields these variables from global radiances at the pixel scale. The comparison of the results over heterogeneous areas using local simulations shows reliable precision of the spatialized model in the quantification of LE, A_c, albedo and fAPAR. These results demonstrate the importance of the scale change problem and open the way to larger applications.

Keywords:

• Remote Sensing
• Heterogeneity
• Latent Heat Flux
• Photosynthesis
• Albedo
• fAPAR

Mots-clefs:

• Télédétection
• Hétérogénéité
• Flux de chaleur latente
• Photosynthèse
• Albédo
• fAPAR

Additional information

Notes on contributors

F.A. Bouguerzaz

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F.A. Bouguerzaz and M. Raffy are with GRTS (Groupement de Recherche en Télédétection et Spatialisation) Parc d'Innovation, 5 Bd S. Brant 67400 Strasbourg/Illkirch France

A. Olioso

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A. Olioso is with INRA Bioclimatologie, Domaine Saint-Paul, F-84914 Avignon Cedex 9, France. E-mail: [email protected], Tel: [phone], Fax: [phone].

M. Raffy

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F.A. Bouguerzaz and M. Raffy are with GRTS (Groupement de Recherche en Télédétection et Spatialisation) Parc d'Innovation, 5 Bd S. Brant 67400 Strasbourg/Illkirch France