La BRDF des feuilles : mesure, modélisation et conséquence au niveau du couvert

Parmi les différents verrous techniques et scientifiques cités dans la première partie, l’amélioration de la compréhension de l’interaction plante/lumière et notamment les conséquences des propriétés directionnelles des feuilles a été privilégiée. Ce choix a été motivé par le fait que le sujet est à la fois d’un intérêt académique et applicatif. Dans un premier temps nous décrirons comment réaliser des mesures optiques et directionnelles des feuilles, puis nous explorerons les différentes voies possibles de modélisations pour prendre en compte ces propriétés. Finalement nous montrerons comment ce travail de mesure et de modélisation peut et doit s’intégrer dans les réflexions plus larges du phénotypage haut débit. Il existe une grande diversité de systèmes de mesure de la BRDF, certains étant particulièrement ingénieux. Pourtant les mesures de BRDF de feuilles disponibles dans la littérature sont très majoritairement réalisées avec des goniomètres. Toutefois, il semble important de décrire les différents systèmes recensés en montrant leurs avantages et leurs inconvénients. Il existe quatre grandes technologies: le goniomètre, la sphère imageante, le système imageant, le Conoscope (ou optique à transformée de Fourrier).  Le goniomètre est le système le plus répandu pour réaliser des mesures de BRF/BRDF. Son principe est simple mais très efficace : il consiste en une source et un capteur directionnels. Un dispositif permet d’effectuer des rotations autour de la surface à mesurer. Il existe une grande diversité de goniomètres car il est possible de moduler les propriétés à la fois de la source, du capteur et du dispositif de rotation. En fonction des objectifs, des budgets et des disciplines, ce ne sont pas les mêmes solutions techniques qui sont choisies. Notons également que le goniomètre permet à la fois des mesures de BRDF (mesures de luminance et d’éclairement) et de BRF (mesures de luminance uniquement). Les goniomètres permettant de mesurer la BRDF sont souvent des dispositifs dits « de référence » (Obein et al. 2005; Höpe & Hauer 2010) . En effet, ils permettent de mesurer les propriétés directionnelles des surfaces de manière absolue, sans utiliser de surfaces de référence. C’est le cas des goniomètres fabriqués au Laboratoire Nationale de métrologie et d’essai (LNE) ou au NIST aux Etats unis. D’autres Goniomètres capables de mesurer des BRF existent dans la littérature et ont permis de décrire les propriétés de certaines feuilles (Breece Iii & Holmes 1971; Woolley 1971; Combes et al. 2007; Biliouris et al. 2007). Tous ces goniomètres ont des propriétés différentes, et permettent ou pas de faire des mesures en transmittance. Dans notre laboratoire à l’INRA d’Avignon, nous avons également construit un goniomètre très simple où seule la surface et le capteur constitué d’une fibre optique relié à un spectrophotomètre peuvent effectuer des rotations. C’est ce goniomètre rudimentaire qui nous a permis de détailler les propriétés des références pour le système de phénotypage au champ ‘ phénoArche’.

La sphère imageante

Le principe de la sphère imageante est de disposer d’un hémisphère dont le centre est situé au niveau de l’échantillon à analyser, sur laquelle on mesurera la variation directionnelle de la lumière réfléchie. Le positionnement de la source est la partie complexe du dispositif et plusieurs solutions techniques ont été proposées. (Sarto et al. 1990) semble être la plus ancienne référence sur le sujet, la surface d’étude étant déjà la feuille. (Ward 1992) a également développé un système très similaire à Sarto, mais est allé plus loin dans l’exploitation des données. Son sujet était cependant très éloigné du notre puisque qu’il s’est intéressé aux matériaux de construction. De nos jours une entreprise commercialise des sphères imageantes (http://www.radiantzemax.com/en/products/imaging- sphere/) très similaires au deux premières références Figure 26B. Enfin (Ben-Ezra et al. 2008) propose à l’aide des nouvelles technologies une sphère imageante très innovante qui est composée uniquement de LED qui peuvent à la fois servir de source et de capteur. Le système imageant repose sur l’acquisition d’une image du matériau à échantillonner, celui-ci étant plaqué sur un cylindre. Une source directionnelle est dirigée vers le cylindre. A chaque pixel de l’image correspond un angle de visée et une direction d’incidence particuliers. Ce système a été décrit par (Marschner et al. 2000). Nous avons sélectionné le système qui permet d‘acquérir rapidement une grande quantité de points de mesure avec un bon échantillonnage angulaire. En effet, la feuille « transpire » et perd de l’eau rapidement, modifiant ainsi son état de surface et sa structure interne (Woolley 1971; Brakke et al. 1989). Il faut donc que les acquisitions se fassent dans un laps de temps restreint pour limiter cet effet. Le conoscope répond bin à cette contrainte et permet de plus d’avoir un échantillonnage angulaire extrêmement fin et pour des directions non atteignables avec les autres systèmes, en particulier autour du hot-spot, c’est-à-dire quand les directions dincidence et de réflexion sont très proches.