Relevance of near-surface geophysics and multispectral remote sensing for soil mapping and monitoring soil hydrological functioning at the intra-field scale
Intérêt de la géophysique de subsurface et de la télédétection multispectrale pour la cartographie des sols et le suivi de leur fonctionnement hydrique à l’échelle intraparcellaire
Résumé
The objectives of this work are threefold: (1) to test remote sensing and geophysical methods as tools for mapping and identifying the spatial variability of soils and their permanent properties at the intra-field scale; (2) to acquire reliable data on a temporal variable, namely the instantaneous soil water status, and to monitor its hydrological behavior over time; and (3) to compare ground-based geophysical methods with remote sensing techniques in terms of convergence and complementarity. This study was conducted at two experimental sites located in major agricultural regions characterized by high intra-field soil variability: the Petite Beauce and the Laonnois. The analysis of soil spatial variability was carried out either through ground-based electrical or electromagnetic surveys or by using airborne multispectral remote sensing data. The influence of soil moisture on electrical resistivity was investigated at different scales: under controlled laboratory conditions, under natural in situ conditions at point locations, then along a two-dimensional soil section, and finally over areas representative of agricultural fields. The results show that soil electrical resistivity decreases as water content increases. Time-lapse monitoring of electrical resistivity using 2D electrical imaging made it possible to: (1) track soil hydrological processes (infiltration and drying); (2) identify preferential flow paths; (3) delineate soil horizons in two dimensions; and (4) reveal structural characteristics of soil layers resulting from agricultural practices (such as compaction). Instantaneous soil moisture sections were subsequently modeled. Multi-date electrical surveys conducted using the MUCEP multipole system provide a decametric-resolution assessment of soil spatial variability while also offering a dynamic view of soil hydrological functioning at the field scale. Remote sensing results indicate that soil reflectance is primarily controlled by the depth at which calcareous substrates appear, thereby providing indirect information on soil development. The relationships between spectral reflectance and soil surface properties—both permanent and temporal—were identified and ranked for the studied field. However, differences were observed in the spatial delineation of these units. Radiometric and geophysical data allow discrimination of most soil units, but they highlight different aspects: remote sensing characterizes soil surface conditions, whereas geophysical surveys provide a three-dimensional understanding of soil cover and enable dynamic analysis of internal hydrological processes. Unlike remote sensing, geophysical methods cannot deliver instantaneous information over large areas. Nevertheless, they appear to be complementary approaches that meet the needs of precision agriculture and help bridge the gap between point-based measurements (single or multiple sites) and large-scale airborne or satellite observations.
Les objectifs de ce travail sont : (1) expérimenter les méthodes de télédétection et de géophysique comme moyen d'aide à la cartographie et à la reconnaissance de la variabilité spatiale des sols et de leurs propriétés pérennes à l'échelle intraparcellaire ; (2) acquérir des données fiables sur une variable conjoncturelle qui est l'état hydrique instantané de la couverture pédologique et suivre son fonctionnement hydrique dans le temps ; (3) comparer les méthodes géophysiques au sol et de télédétection en termes de convergence ou de complémentarité. Ce travail a été effectué sur deux sites expérimentaux localisés dans des régions de grandes cultures caractérisées par une forte variabilité spatiale intraparcellaire des sols : la Petite Beauce et le Laonnois. L'étude de la variabilité spatiale des sols est réalisée soit à l'aide de prospections électriques ou électromagnétiques au sol, soit au moyen de données de télédétection multispectrale aéroportée. L'influence de l'humidité sur la résistivité électrique des sols à été étudiée à différentes échelles d'investigation : sous conditions contrôlées au laboratoire, sous conditions naturelles "in situ", d'abord sur des sites "ponctuels" puis sur une section 2D de sol et enfin sur des surfaces représentatives de parcelles agricoles. Les résultats montrent que la résistivité électrique des sols diminue lorsque leur teneur en eau augmente. Le suivi diachronique par panneau électrique 2D de la résistivité électrique d'une section de sol a permis : (1) de suivre le fonctionnement hydrique du sol (infiltration/déssèchement) ; (2) de délimiter les zones d'écoulements préférentiels (3) de délimiter les horizons pédologiques en 2D ; (4) de révéler les caractéristiques structurales des horizons résultant des pratiques culturales (tassement). Des sections de teneur en eau instantanée ont ensuite été modélisées.
Les prospections électriques multi-dates, effectuées avec le multipôle MUCEP, assurent une reconnaissance de la variabilité spatiale des sols avec une résolution décamétrique, tout en assurant une vision dynamique du fonctionnement hydrique de la couverture de sol à l'échelle de la parcelle. Les résultats de télédétection montrent que la réflectance des sols est principalement contrôlée par la plus ou moins grande profondeur d'apparition des substrats calcaires. Elle apporte ainsi une information indirecte sur le développement du sol. Les liens existant entre la réflectance spectrale et les propriétés de surface des sols, pérennes et conjoncturelles, ont été précisés et hiérarchisés pour la parcelle étudiée. Toutefois des différences apparaissent dans la délimitation spatiale de ces unités. En effet, les données radiométriques ou géophysiques permettent de discriminer la majorité des unités de sols. Les mesures de télédétection caractérisent l'état de surface des sols alors que les prospections géophysiques assurent une reconnaissance 3D de la couverture pédologique et permettent une étude dynamique de son fonctionnement hydrique interne. A l'inverse de la télédétection, la géophysique ne peut fournir des informations instantanées sur de grands territoires. Elle apparaît comme une méthode complémentaire répondant aux besoins de l'Agriculture de Précision et capable d'établir un lien entre les approches "ponctuelles" (sites ou multisites) et les approches spatiales aéroportées ou satellitales.
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