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Agriculture de precision : qu’est-ce que l’indice NDVI ?

par Alexandre de Spotifarm, le 9 juil. 2020 05:30:00
Temps de lecture estimé : 7 min.

L'indice NDVI ou Normalized Difference Vegetative Index permet de déterminer la santé de la végétation en mesurant la teneur en chlorophylle des plantes via des capteurs embarqués sur des satellites ou des drones. Le NDVI est caractérisé par une grandeur physique, la réflectance, qui détermine la capacité des cultures à réfléchir la lumière. En agriculture, cet indice de végétation permet de mesurer le taux de couverture végétale et la vigueur de la culture présente sur une parcelle agricole.

NDVI-2

Définition du NDVI

Le NDVI est un indice de végétation par différence normalisé. Il est utilisé en agriculture pour évaluer la vigueur et la quantité de végétation par analyses des mesures de télédétection. Le NDVI est souvent utilisé dans des outils d' aide à la décision en agriculture de précision.

Comment calculer l'indice NDVI ?

Pour calculer le Normalized Vegetation Index NDVI, on utilise la réflectance des canaux rouge (R) et proche infrarouge (PIR) mesurées dans la bande visible par des capteurs embarqués sur drones ou satellites.
La formule de calcul est : NDVI = NDVI = (PIR-R ) / (PIR+R)

PZ-0720-ndvi-formule

La réflectance, également appelée facteur de réflection, est la proportion de lumière réfléchie par la surface d'un matériau. Elle correspond à la différence entre la quantité de lumière reçue par cette surface, dite lumière incidente, et la quantité de lumière réfléchie par cette même surface.
La réflectance varie en fonction de nombreux paramètres :

  • les propriétés de la surface (nature, couleur, rugosité…)
  • la quantité de lumière incidente
  • De l’inclinaison et de la rugosité de la surface

Utiliser un indice de végétation normalisé comme le NDVI permet de s'affranchir de la quantité de lumière incidente envoyée sur la végétation. Ainsi, contrairement à l'utilisation de la réflectance seule, peu importe l'heure de prise de vue (et donc le flux lumineux), le résultat obtenu permettant d'interpréter la quantité de végétation sera le même.

De plus, la lumière est absorbée par de nombreux autres éléments comme le sol. Il faut donc prendre en compte toutes ces variantes dans le traitement des images. Lorsque le sol n’est pas couvert entièrement par la culture, il absorbe et réfléchit aussi de la lumière de manière variable selon le type de sol, son humidité, ou la quantité de matière organique qu'il contient. 

Pour s'affranchir de la réflectance du sol et ne se concentrer que sur la végétation, on est capable d’établir une équation qui relie la réflectance du sol dans le Proche Infrarouge (PIR) et le rouge (R). C'est l'équation de la droite des sols.

formule PIRPZ-0720-formule-pir

La droite des sols est nécessaire pour atténuer l’effet du sol sur la réflectance du couvert végétal, surtout quand celui-ci est peu couvrant.

PZ-0720-indice-ndvi-solInfluence de la couleur du sol sur le rouge et le proche infrarouge

La télédétection repose sur ce principe de mesure de la réflectance émise par les couverts végétaux à plusieurs gammes de longueur d’onde. Ces longueurs d'onde  se situant à la fois dans le domaine du visible mais aussi et surtout dans des domaines hyperspectraux comme le Red Edge ou proche infrarouge (d'une longueur d'onde de 720 à 740 nm) et l'infrarouge (750-850 nm).

Télédétection : comment est mesuré l'indice  NDVI ?

Le NDVI est mesuré par des capteurs optiques embarqués généralement sur des drones ou des satellites comme Sentinel 2. Ces capteurs acquièrent des données concernant la Terre dans une bande de longueur d'onde.

Ils existent 2 types de capteurs  :

  1. les capteurs « actifs » qui envoient un signal lumineux pour mesurer la réflectance. Ils sont très précis car ils connaissent la valeur du signal incident. Ils calculent donc la réflectance réelle. Cependant ces capteurs sont très coûteux, lourds, et difficiles à mettre en place.
  2. La plupart des capteurs embarqués sont dits « passifs », c’est-à-dire qu’ils n’induisent pas de signal mais mesurent le signal spectral émis par la surface étudiée.

Embarqués sur plusieurs types de véhicules et à différentes altitudes, les capteurs sont utilisés pour évaluer le taux de couverture de la végétation au sol :

  • Satellite : env 400 km d’altitude en orbite autour de la Terre,
  • Avion :  1 km d’altitude,
  • ULM : 500 m d’altitude,
  • Drone de type aile volante : 120 m d’altitude,
  • Drone de type hexacoptère :  30 m d’altitude,
  • Matériel agricole :  2 m au-dessus du sol.

Le choix du véhicule embarquant le capteur va influencer la précision de la mesure, l’étendue spatiale et la fréquence de prise de vue. En effet, la résolution de l’image, le nombre de passages possibles sur la parcelle et l’étendue de la surface captée par l’image ne sont pas les mêmes entre un satellite, un avion et un drone.

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Drone en survol d'une parcelle agricole

Dans le cas des satellites de Sentinel 2, l’étendue spatiale est de l’ordre de 350 km avec une résolution de 5 à 25 mètres et une fréquence de retour de 5 jours par satellite.

Quelle interprétation du NDVI en agriculture ?

L'indice NDVI varie sur une échelle de valeurs allant de -1 à 1. Les valeurs positives représentant la biomasse végétale. Plus les valeurs sont importantes, plus la végétation est dense.

Les agriculteurs se basent sur la variabilité intra parcellaire du NDVI pour moduler les apports d'engrais, de semences ou de produits phytosanitaires en adaptant les doses aux besoins des cultures. C'est ce qu'on appelle l'agriculture de précision.

Lorsque les rayonnements du soleil arrivent sur Terre, ils sont réfléchis et absorbés en partie par les éléments qu’ils traversent comme l’atmosphère, le sol, les végétaux, l’eau… Tout le principe des images Sentinel en agriculture est basé sur ce phénomène d’absorption et de réflection des rayonnements.

Le soleil émet de la lumière que l’on voit blanche mais en réalité le rayonnement émis par le soleil est un ensemble de rayonnement différent et seulement une partie de ce rayonnement est visible : c’est ce qu’on appelle la bande spectrale du visible, elle est comprise entre 400 et 800nm de longueur d’onde.

Chacune des longueurs d’ondes du visible correspond à une couleur allant du violet à 400 nm et du rouge à 800nm. Cependant, lorsque notre œil perçoit la lumière, elle est blanche : nous percevons l’addition de toutes ces ondes du violet au rouge (les couleurs de l’arc en ciel).

longueur donde Bande spectrale du visible avec les longueurs d'onde

Les plantes absorbent la lumière, et en particulier, les éléments qui composent les feuilles des plantes absorbent certaines longueurs d’onde. Lorsqu'une plante est en bonne santé et en période de développement, elle pratique la photosynthèse par le biais de la chlorophylle, donc la concentration en chlorophylle des feuilles à ce stade de développement est importante.

Par ailleurs, lorsque les plantes arrivent à maturité, elles ne font plus la photosynthèse et la concentration en chlorophylle des feuilles diminue au profit d’autres molécules comme les caroténoïdes ou les anthocyanes.

Ndvi_example

Ces différentes molécules n’absorbent pas les mêmes longueurs d’ondes, lorsque la feuille est verte, la chlorophylle est présente en grande quantité, donc elle absorbe toutes les couleurs et réfléchit seulement la couleur verte (≈510-540 nm): on voit ainsi la feuille verte.

Lorsque la plante arrive à maturité, elle absorbe toutes les couleurs sauf le jaune-orangé (≈580-590 nm). Dans ce cas, nous voyons la feuille de couleur jaune-orangé.
Le capteur du satellite détecte alors ce changement et calcule le NDVI.

PZ-0720-NDVI Soja
Plant de soja dans le visible et en NDVI : la couleur rouge indique une forte présence
de chlorophylle, les feuilles bleues une faible présence.

Quelles sont les limites de l'indice NDVI en agriculture ?

L’indice NDVI est un des indices de végétation les plus utilisés en télédétection, mais il présente tout de même des limites en agriculture :

  • Le NDVI sature lorsque la couverture végétale est trop importante, à partir de 1500g/m² de surface foliaire par unité de surface.
  • Il est sensible à la réflectance du sol, ce qui peut amener à des erreurs d’interprétation, notamment au début de la levée de la culture.
  • L’angle de prise de vue de l’image varie et par conséquent l’exposition au soleil aussi, ce qui implique une variation des valeurs selon la date de passage du satellite.

C'est pourquoi chez Spotifarm nous utilisons notre propre indice de végétation pour permettre aux agriculteurs de surveiller l'évolution de leurs cultures plus facilement.

D’autres indices existent aussi afin de prendre le relai quand le NDVI est saturé ou pour traiter d’autres thématiques que la santé des cultures. Parmi les indices de végétation les plus utilisés en agriculture, on trouve l'EVI (Enhanced Vegetation Index), le LAI (Lead Area Index) ou encore le SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index, l'indice de végétation ajusté au sol). Une base de données les recensant tout les indices disponibles par capteurs et usages les recense tous (Index Data Base for remote sensing indices)

Pour en savoir plus...

Rémi de Spotifarm 🛰️

Tag:Agriculture de precisionSpotifarm

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