Investigation of a model inversion technique to estimate canopy biophysical variables from spectral and directional reflectance data

Marie Weiss , Frédéric Baret , Ranga Myneni , Agnès Pragnère , Youri Knyazikhin

The objective of this study was to assess the ability to estimate canopy biophysical variables from remote sensing data observed at the top of the canopy in several directions and wavebands within the visible-near infrared domain. The variables considered were the leaf area index, leaf chlorophyll content, the fraction of photosynthetically active radiation absorbed by the canopy and the cover fraction. The SAIL radiative transfer model was inverted using a simple technique based on look-up-tables. The size of the look-up-table, and the number of its elements selected to get a distribution of the solution were first determined. The nadir reflectance in the red and near-infrared bands was considered to evaluate the retrieval performances in terms of the distributions and co-distributions of the solutions. The optimal spectral and directional sampling to estimate the variables considered was investigated. Finally, the impact of spatial heterogeneity on the retrieval performances, the effect of the model assumptions used to generate the look-up table and the effect of radiometric noise were evaluated. These results were discussed in view of the definition of future satellites and the selection of the best measurement configuration for accurate estimation of canopy characteristics.

Évaluation d'une technique d'inversion pour l'estimation des variables biophysiques de cultures à partir de données de réflect ance spectrale et directionnelle. L'objectif de cette étude était d'éva luer l'intérêt des données de télédétection pour l'estimation des variables biophysiques des couverts végétaux. Les données considérées étaient acquises au niveau du couvert dans plusieurs directions, pour différentes longueurs d'onde du domaine du visible et du proche infrarouge. Les variables estimées étaient l'indice foliaire, le contenu en chlorophylle des feuilles, la fraction de rayonnement photosynthétiquement actif absorbé par le couvert, et le pourcentage de couverture du sol. Une technique simple d'inversion de données basée sur des tables de correspondance a été utilisée. Dans un premier temps, la taille de la table et le nombre d'éléments sélectionnés pour obtenir une distribution de la solution ont été déterminés. Les performances d'estimation des variables en termes de distributions et de co-distributions des solutions ont été évaluées dans le cas le plus simple en utilisant les réflectances rouge et proche infrarouge au nadir. L'échantillonnage spectral et directionnel optimal correspondant à la meilleure précision d'estimation de chaque variable considérée a également été déterminé. Enfin, les effets de l'hétérogénéité spatiale, des hypothèses du modèle de transfert radiatif utilisé pour générer la table de correspondance, ainsi que du bruit radiométrique, sur l'estimation des variables ont été quantifiés. Ces résultats sont discutés en vue de la définition des caractéristiques des capteurs à venir pour obtenir des estimations précises des caractéristiques des couverts végétaux.

Mots clés: Remote Sensing; model inversion; look-up table; optimal sampling; biophysical variable<br>---<br>Télédétection; inversion de modèle; table de correspondance; échantillonnage optimal; variable biophysique

Domaines: Sciences agricoles; Ecologie, Environnement

Marie Weiss, Frédéric Baret, Ranga Myneni, Agnès Pragnère, Youri Knyazikhin. Investigation of a model inversion technique to estimate canopy biophysical variables from spectral and directional reflectance data. Agronomie, 2000, 20 (1), pp.3-22. ⟨10.1051/agro:2000105⟩. ⟨hal-00885991⟩