Le rayonnement solaire est le moteur de la plupart des processus biophysiques et biochimiques se produisant dans les écosystèmes végétaux, notamment la photosynthèse et la transpiration.

Les modèles de transfert radiatif (RTM) simulent la diffusion et l'absorption du rayonnement et sont utilisés dans un large éventail d'applications, y compris les simulations de données de capteurs, l'interprétation d'images de télédétection et les études de sensibilité des signaux optiques de télédétection.

Pour certaines applications RTM, une description détaillée de la structure de la canopée est requise, ce qui peut prendre du temps à générer. Un nouvel article détaille un algorithme qui peut reconstruire une variété d'arbres à travers et au sein d'espèces données à partir d'une quantité relativement faible de données d'entrée.

Růžena Janoutová, scientifique à l'Institut de recherche sur le changement global de l'Académie tchèque des sciences et ses collègues développé une méthode pour créer des reconstructions détaillées d'arbres à partir de balayages laser terrestres et de mesures de champ auxiliaires. Selon l'article publié par in silico Plantes, ils ont testé leurs méthodes en utilisant trois espèces d'arbres à l'architecture de cime différente : l'épicéa commun (Picea abies), hêtre européen (Fagus sylvatica) et de la menthe poivrée blanche (Eucalyptus pulchelle).

Les balayages laser terrestres (TLS) émettent des faisceaux laser et enregistrent la quantité et l'intensité des impulsions renvoyées pour collecter des informations sur les surfaces en 3D. Chaque arbre a été scanné à partir d'au moins deux positions.

L'algorithme comprend quatre étapes principales. La première étape a été la segmentation du nuage de points d'arbre à balayage laser terrestre pour séparer les pièces en bois du feuillage (figure 1A). Deuxièmement, ils ont reconstruit des troncs et des branches à partir du nuage de points de pièces en bois (figure 1B). Troisièmement, ils ont établi la distribution du feuillage (c'est-à-dire des feuilles ou des pousses d'aiguilles) à partir de mesures auxiliaires de la distribution de l'angle des feuilles et du nuage de points de feuillage en tant qu'attracteurs (figure 1C). Enfin, pour les épinettes uniquement, ils ont séparé le feuillage en deux catégories d'âge sur des données auxiliaires de pourcentage de pousses d'aiguilles de l'année en cours et plus anciennes.

Figure 1. Étapes méthodologiques de l'approche de reconstruction 3D. Segmentation du nuage de points de l'arbre TLS (A), reconstruction des parties en bois (B), distribution du feuillage dans la couronne de l'arbre (C) et génération d'une représentation 3D (D).

Quatre individus de chaque espèce d'arbre ont été reconstruits avec succès malgré une variation significative des formes du tronc et des branches et de la distribution spatiale et angulaire du feuillage au sein et entre les espèces (voir la figure 2).

Figure 2. Quatre représentations 3D du hêtre européen reconstruites à partir de nuages ​​de points de données TLS.

Comme différents RTM utilisent différents niveaux d'abstraction pour décrire le transfert radiatif dans la végétation, les auteurs ont testé comment les différences dans le détail de l'architecture 3D des arbres affectent les simulations de réflectance forestière. Pour ce faire, les auteurs ont utilisé la 3D existante et très complexe Modèle de transfert radiatif anisotrope discret (DART). À l'aide de DART, ils ont construit des scènes de forêt virtuelles à partir de leurs modèles d'arbres détaillés et de modèles d'arbres simples abstraits et ont comparé les détails de la structure 3D de l'arbre d'impact affectant la réflectance de la canopée.

Pour les trois espèces d'arbres, les signatures de réflectance des modèles d'arbres abstraits s'écartaient de celles du modèle détaillé à mesure que l'abstraction augmentait. Les réflexions de la forêt dans la région NIR ont été surestimées jusqu'à 130 % et dans la région verte jusqu'à 135 %. La réflectance dans la région d'absorption de la chlorophylle rouge a été sous-estimée jusqu'à -69 % et la région bleue de -40 % (Figure 3).

Figure 3. Comparaison des signatures de réflectance au nadir simulées par DART de trois scénarios pour chaque espèce étudiée.

Selon Janoutová et al., "Notre méthode de production de représentation 3D détaillée des arbres est suffisamment robuste pour être appliquée sur des espèces avec une architecture de cime complexe et très différente, en utilisant des scans TLS d'entrée de qualité différente. Des représentations arborescentes 3D détaillées peuvent être utilisées pour améliorer les applications de télédétection existantes et permettre de nouvelles études de sensibilité qui n'étaient pas réalisables en utilisant des abstractions d'arbres précédentes, beaucoup plus simples. De plus, nous avons constaté que l'optimisation de la complexité 3D des peuplements forestiers simulés était cruciale pour atteindre la précision souhaitable tout en conservant un temps de calcul de simulation raisonnable de tous les milliers de combinaisons d'entrée nécessaires pour les applications de récupération inverse.

ARTICLE DE RECHERCHE:

Růžena Janoutová, Lucie Homolová, Jan Novotný, Barbora Navrátilová, Miroslav Pikl, Zbyněk Malenovský, Reconstruction détaillée d'arbres à partir de balayages laser terrestres pour des applications de télédétection et de modélisation du transfert radiatif, in silico Plants, 2021;, diab026, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diab026

Ce manuscrit fait partie de in silico Plant's Numéro spécial sur le modèle structurel fonctionnel de l'usine.