Les avancées pratiques du phénotypage haut débit au champ

Au cours de cette thèse nous nous intéresserons aux différentes mesures possibles utilisant le spectre électromagnétique allant de 400nm à 2500nm. De nombreux capteurs utilisent cette gamme spectrale: les appareils photo numériques classiques (mesurant dans le rouge, le vert et le bleu), les spectromètres, les caméras hyper-spectrales. Nous présenterons rapidement les grandeurs physiques utilisées. Nous décrirons ensuite les principales mesures effectuées dans ce travail de thèse orienté vers le phénotypage haut débit. Nous évaluerons ensuite les caractéristiques et la qualité des méthodes d’interprétations permettant d’aller de la mesure à la variable phénotypique d’intérêt. Cela nous permettra d’évaluer l’héritabilité des traits phénotypiques mesurés dans une étude préliminaire. Enfin nous essayerons d’identifier toutes les améliorations nécessaires dans la chaine de production des variables phénotypiques, aussi bien au niveau de l’acquisition qu’au niveau du traitement des données. Pour mesurer les propriétés réflectives d’un objet ou d’une surface dans le spectre électromagnétique allant de 400nm à 2500nm, il faut un système composé d’une source et d’un récepteur. Dans cette partie nous allons analyser rapidement les différentes alternatives pour réaliser de telles mesures, puis mettre en évidence les spécificités des mesures réalisées à l’échelle de l’organe (feuille) et à celle du couvert. Dans ce travail nous nous bornerons à l’étude des propriétés diélectriques des plantes, de sol, et des matériaux servant de références. Aucun de ces objets n’émet de rayonnement de manière significative dans la gamme spectrale étudiée (en dehors des phénomènes de fluorescence). Par contre ils peuvent réfléchir, transmettre et absorber un rayonnement incident. Ainsi tous les dispositifs étudiés dans ce travail sont caractérisés par une source lumineuse et un récepteur mesurant le flux lumineux réfléchi ou transmis par l’objet que l’on cherche à caractériser.

La source lumineuse fournit une onde électromagnétique ou un flux de photons, les deux concepts étant associés à des méthodes de calcul différentes. Dans ce travail nous considèrerons principalement la source lumineuse comme émettant un flux de photons. Il serait cependant intéressant d’utiliser la polarisation de la lumière comme information supplémentaire sur l’objet étudié, qui doit être alors abordée au travers de la théorie électromagnétique. La source la plus classique en télédétection est le soleil. On parle alors de mesure ‘passive’. Quand on utilise une source artificielle, on parle de mesure ‘active’. De nombreuses technologies (lampe incandescente, lampe à arc xénon, LED …) permettent de jouer à la fois sur la puissance émise, la directionnalité ainsi que la composition spectrale de la source. Le récepteur désigne un système qui mesure un flux lumineux. Schématiquement il est composé d’un capteur sensible au flux lumineux et le transforme en signal électrique. Les capteurs les plus classiques sont les matrices CCD (Charge Coupled Device) ou CMOS, et les photodiodes. Le flux lumineux est ensuite converti en valeur numérique grâce à un convertisseur analogique-numérique. C’est cette valeur qui sera considérée comme le signal brut. Etant donné qu’un récepteur est en général sensible au nombre de photons reçus par unité de surface et de temps, la mesure sera sensible au temps d’exposition au flux incident.  La première configuration correspond à un rayonnement complètement directionnel reçu et réfléchi par un seul point. Dans les faits seul un laser s’approche de cette définition. Un miroir idéal est capable de réfléchir de manière complètement directionnelle un rayonnement lui-même directionnel. Pratiquement dans la communauté de télédétection, les chercheurs estiment que cette configuration est idéale et utile pour la modélisation. Toutefois, cette hypothèse de rayonnement ponctuel et collimaté dans les directions d’incidence et de réflexion n’est jamais entièrement vérifiée pour la mesure (Schaepman- Strub et al. 2006). Il suffit de deux angles pour définir chacune des directions : l’angle zénithal θ, défini dans un plan vertical, et l’azimut ϕ, défini dans un plan horizontal.  ) comme le rapport entre la luminance (radiance en anglais) réfléchie dans un angle solide donné [W m-2 sr-1] et l’éclairement incident (irradiance en anglais) en [W m-2]. Ainsi la BRDF s’exprime en l’inverse de stéradian (sr-1). Il est possible dans des conditions de laboratoire très rigoureuses de  BRF : Bi-directional reflectance factor. Voici une traduction de la définition de Nicodemus : « Un facteur de reflectance est défini comme le rapport entre le flux réfléchi par la surface d’un échantillon et celui qui serait réfléchi dans exactement les mêmes configurations par une surface de référence idéale et parfaitement diffuse (lambertienne) .