Guillaume Drolet

Doctorat
Télédétection des processus biologiques dans la forêt boréale:
l'efficacité d'utilisation de la lumière à partir de la réflectance multi-spectrale satellitaire.
Université Laval

Directeur: Hank A. Margolis
Codirecteur: Forrest G. Hall

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FORMATION

• B.Sc.A. en Aménagement et Environnement Forestiers, 2003 (Université Laval)
  Mémoire de fin d'études: Flux de carbone au-dessus d'un coupe forestière (CPRS) récente en zone boréale

THÈMES DE RECHERCHE

Je m'intéresse principalement aux effets des changements climatiques et des perturbations sur la structure et le fonctionnement des écosystèmes forestiers. Pour arriver à prédire ces effets et éventuellement à en diminuer leurs impacts sur le cycle du carbone et sur le climat, nous devons d'abord comprendre et quantifier les dynamiques spatiale et temporelle des sources et puits terrestres de carbone.

Pour répondre à ces questions, j'utilise une approche combinant modèles de processus (process models), données satellitaires, et mesures de flux (CO₂, H₂O) provenant de tours qui utilisent la technique de covariance des turbulences (eddy covariance) et qui sont distribuées globalement de façon à représenter différents biomes, types de couvert, stades de succession, etc. Cette approche constitue une des méthodes les plus efficaces pour suivre l'évolution, dans le temps et dans l'espace, des composantes du cycle de carbone (photosynthèse et respiration) aux niveaux régional ou global.

Brève introduction des travaux en cours

Depuis 1999, un modèle d’efficacité d’utilisation de la lumière (ε) est utilisé de façon opérationnelle pour estimer la photosynthèse (P) journalière globale (MOD17A2) en utilisant les données satellitaires du capteur multispectral MODIS (http://modis.gsfc.nasa.gov) à une résolution spatiale de 1 km². Le modèle d’efficacité d’utilisation de la lumière, un des modèles les plus simples pour estimer la productivité, est défini de la façon suivante :

où APAR (Absorbed Photosynthetically Active Radiation) correspond à la quantité de radiation utile à la photosynthèse qui est absorbée par le couvert forestier pendant une période déterminée. Dans le cas de MOD17A2, cette période correspond à une journée. Le terme APAR est calculé de cette façon:

où f_APAR représente la fraction de radiation utile à la photosynthèse (PAR) qui est absorbée.

Dans l'algorithme MOD17A2, ε est estimé à l'aide d'une table contenant les valeurs optimales pour chaque biome terrestre (ε_max), valeurs provenant d'une synthèse globale d'études de ε. Dans le but d'obtenir une valeur de ε représentant le plus fidèlement possible les conditions actuelles, ε_max est ajustée à l'aide de variables météorologiques provenant de bases de données. Cependant, étant donnée la grande variabilité de ε dans le temps et dans l'espace (types de couvert, espèces, groupes fonctionnels, âge, etc.), ce paramètre s'avère difficile à estimer adéquatement et donc constitue une importante source d'incertitudes pour les résultats de ce type de modèle.

L’indice de réflectance photochimique (PRI) permet de suivre à distance les variations de ε à partir de mesures de la réflectance spectrale des feuilles (Gamon et al., 1990).

Des relations entre le PRI et ε ont déjà été établies pour des peuplements forestiers en utilisant des données hyperspectrales aéroportées et des données de flux de CO₂ provenant de tours de flux. Récemment, Rahman et al. (2004) ont démontré qu’il est possible de détecter les variations de la somme journalière de ε_nette (efficacité d’utilisation de la lumière pour la productivité nette, c'est-à-dire la photosynthèse moins la respiration de l’écosystème) à l’aide du PRI dérivé de données MODIS

Mes hypothèses de recherche

• ε peut être estimée directement à l'aide d'indices spectraux (p. ex. PRI) dérivés des données du capteur MODIS et ce, pour une vaste gamme d’écosystèmes.
• La relation entre les estimés de ε provenant des mesures de flux et un ou des indices spectraux dérivés des données MODIS peut être modélisée comme une fonction de la géométrie (angles solaire et du capteur), des propriétés optiques du feuillage, et de l'architecture du couvert forestier.
• La disponibilité des nutriments, l’humidité du sol, la température de l’air, et le déficit de pression de vapeur sont autant de facteurs ayant un effet significatif sur ε à l’intérieur d’un même écosystème ainsi qu’entre différents types d’écosystèmes ou stades de succession.

Autres projets en cours

J'étudie présentement les caractéristiques des dépressions de mi-été et d'automne qui se produisent au niveau de la productivité nette de l'écosystème (Net Ecosystem Productivity, NEP) et de ε parmi différents types d'écosystèmes distribués autour de la zone boréale circumpolaire (Canada, Scandinavie, Russie, États-Unis). Pour ce faire, j'utilise des séries temporelles de NEP, photosynthèse (GPP) et respiration (Reco) provenant de plus de 50 tours de flux situées en zone boréale et acquises au cours des 10 dernières années (http://www.fluxdata.org). Ces données permettront d'établir, relativement à cette dépression, d'éventuelles similarités/différences entre différents types d'écosystèmes boréaux de la planète. Ces résultats, lorsque incorporés dans des modèles, aideront à prédire d'éventuels effets anticipés des changements climatiques sur le cycle du carbone des écosystèmes forestiers nordiques et global. Finalement, nous étudierons le potentiel de différentes variables dérivées de données satellitaires pour la détection de ces dépressions.

COMPÉTENCES SCIENTIFIQUES

Je m'intéresse principalement à tout ce qui combine l'écophysiologie forestière et la télédétection quantitative. Pendant mes études de baccalauréat, j'ai travaillé à l'implémentation et à l'entretien de tours de flux mesurant les échanges de carbone et d'énergie au-dessus d'écosystèmes forestiers boréaux. Composantes principales du Programme Canadien du Carbone (CCP), anciennement Fluxnet-Canada (http://www.fluxnet-canada.ca/), les tours de flux utilisent la méthode eddy covariance (EC), basée sur l'acquisition de données micro-météorologiques, pour mesurer en continu l'échange net des écosystèmes (Net Ecosystem Exchange). À partir de ces mesures, différentes composantes de la productivité terrestre, comme la photosynthèse et la respiration, peuvent être estimées.

Dans le cadre de mon projet de doctorat, je traite et analyze des données multi-spectrales provenant de différents capteurs satellitaires tels MODIS et Landsat-TM. Je connais la programmation C, Perl et IDL/ENVI. J'ai également une bonne connaissance des logiciels ArcGIS et Matlab. Pour mieux comprendre l'information spectrale provenant des images satellitaires, j'utilise des modèles de transfert radiatif comme 5-Scale (Chen & Leblanc, 2000) ou GOMS (Li & Strahler, 1992). Ces modèles tentent de reproduire les interactions entre les photons incident sur le couvert forestier et les divers éléments de la végétation (feuilles, branches, cimes, etc.), ceci dans le but d'extraire des informations pertinentes à partir de signaux satellitaires complexes (p.ex. réflectance spectrale). J'utilise aussi le modèle 6S (Vermote et al., 1997), un modèle de transfert radiatif de l'atmosphère servant à éliminer la contribution atmosphérique inhérente aux données spectrales satellitaires. Je travaille tout aussi bien dans un environnement Windows que Linux/Unix.

CONTRIBUTIONS SCIENTIFIQUES

Article publiés dans des revues avec comité de lecture

1. Zhang, Q., Middleton, E.M., Drolet, G.G., & Margolis, H.A. (2008). Estimate of light use efficiency by linking flux tower data and FAPAR_chl derived from MODIS daily observations. Remote Sensing of Environment, submitted.
   
2. Drolet, G.G., Middleton, E.M., Huemmrich, K.F., Hall, F.G., Amiro, B.D., Barr, A.G., Black, T.A., McCaughey, H.A., Margolis, H.A. (2008). Regional Mapping of Gross Light-Use Efficiency Using MODIS Spectral Indices. Remote Sensing of Environment, 112, 3068-3074.
   
3. Hall, F.G., Hilker, T., Coops, N.C., Lyapustin, A., Huemmrich, K.F., Middleton, E.M., Margolis, H., & Drolet, G. Multi-Angle Remote Sensing of Forest Light Use Efficiency by Observing PRI Variation with Canopy Shadow Fraction.Remote Sensing of Environment, 112, 3201-3211.
   
4. Drolet, G.G., Huemmrich, K.F., Hall, F.G., Middleton, E.M., Black, T.A., Barr, A.G. & Margolis, H.A. (2005). A MODIS-Derived Photochemical Reflectance Index to Detect Inter-Annual Variations in the Photosynthetic Light-Use Efficiency of a Boreal Deciduous Forest.Remote Sensing of Environment, 98(2-3), 212-224.

Articles publiés dans des actes de colloque (proceedings)

1. Huemmrich, K.F., Middleton, E.M., Drolet, G., Hall, F.G., Margolis, H., & Knox, R.G. (2005). Determining ecosystem light use efficiency for carbon exchange from satellite, in Optical Sensors and Sensing Systems for Natural Resources and Food Safety and Quality, edited by Yud-Ren Chen, George E. Meyer, Shu-I Tu, Proceedings of SPIE, Vol. 5996, 599605.
   
2. Middleton, E. M., Drolet, G., Huemmrich, K. F., Hall, F. G., Knox, R. G., Margolis, H. A., & Gervin, J. C. Direct Satellite Inference of Ecosystem Light Use Efficiency for Carbon Exchange using MODIS on Terra and Aqua. Abstract of proceedings, IGARSS04 (September 2004), Anchorage, USA.

Communications orales

1. Drolet, G., Margolis, H., Piao, S., & Middleton, E.M. Midsummer and autumn depressions in net carbon fluxes and light-use efficiency across the circumpolar boreal forest. ¨Presented by H. Margolis at European Geophysical Union General Assembly (April 13-18, 2008), Vienna, Austria.
   
2. Drolet, G., Huemmrich, K.F., Middleton, E.M., Hall, F.G. & Margolis, H.A. Regional Mapping of Gross Light-Use Efficiency Using MODIS Spectral Indices. Fluxnet-Canada Research Network Annual Meeting (March 9-11, 2007), Ottawa, Canada.
   
3. Huemmrich, K., Middleton, E.M., Drolet, G., Hall, F.G., Margolis, H., & Knox, R.G. Determining Ecosystem Light Use Efficiency Using MODIS. American Geophysical Union Fall Meeting (December 11-15, 2006), San Francisco, USA.
   
4. Drolet, G.G., Huemmrich, K.F., Middleton, E.M., Hall, F.G. & Margolis, H.A. Pixel Shadow Fraction Effects on the Relationship between Gross Light-Use Efficiency of Boreal Forests and the MODIS Photochemical Reflectance Index. American Geophysical Union Joint Assembly (May 23-26, 2006), Baltimore, USA.
   
5. Drolet, G.G., Huemmrich, K.F., Hall, F.G., Middleton, E.M., Black, T.A., Barr, A.G. & Margolis, H. A MODIS-Derived Photochemical Reflectance Index to Detect Inter-Annual Variations in the Photosynthetic Light-Use Efficiency of a Boreal Deciduous Forest. Fluxnet-Canada Research Network Annual Meeting (February 25-27, 2005), Quebec City, Canada.

Présentations par affiche

1. Drolet, G., Margolis, H., Piao, S., & Middleton, E.M. Midsummer Depressions in Carbon Fluxes: An Analysis Across the Circumpolar Boreal Region Using the Fluxnet-La Thuile Dataset. Canadian Carbon Program Annual Meeting (March 14-16, 2008), Calgary, Canada.
   
2. Hilker, T., Coops, N.C., Hall, F.G., Black, T.A., Krishnan, P., Chen, B., Wulder, M.A., Nesic, Z., Huemmrich, K.F., Middleton, E.M., Margolis, H.A, Drolet, G., & Cheng, Y.-B. Monitoring stand level photosynthesis from spectral reflectance. American Geophysical Union Fall Meeting 2007 (December 10-14), San Francisco, USA.
   
3. Giasson, M.-A., Coursolle, C., Margolis, H.A., Bergeron, O., Drolet, G., Larcher, A., Boivin-Chabot, S., Bernier P.-Y. & Dagnault, S. Carbon balance of an eastern Canadian boreal cutover before and after scarification. FLUXNET 2004 Open Workshop (December 13-15, 2004), Florence, Italy; Fluxnet-Canada Research Network Annual Meeting (February 25-27, 2005), Quebec City, Quebec, Canada; 5^th North American Forest Ecology Workshop (June 12-16, 2005), Gatineau, Quebec, Canada.
   
4. Drolet, G., Gervin, J. C., Hall, F. G., Huemmrich, K. F., Knox, R. G., Lyapustin A. I., Margolis, H. A., & Middleton, E. M. Observational Requirements: Land/Atmosphere Exchange of Water and Carbon from HES on GOES R. Poster presented by F. G. Hall at the GOES-R User Conference (May 2004), Broomfield, Colorado.
   
5. Margolis, H. A., Coursolle, C., Bernier, P.-Y., Bigras, F., Martel, M.-C., Bergeron, O., Drolet, G., Giasson, M.-A., Quoreshi, A., & Larcher, A. Carbon Fluxes and Stocks at a Quebec boreal cutover. Poster presented by Hank Margolis at NASA Workshop on Multi-Dimensional Forest Ecosystem Structure: Requirements for Remote Sensing Observations (June 23-25, 2003), Annapolis, Maryland; Ameriflux Annual Science Meeting (October 14-16, 2003), Boulder, Colorado.
   
6. Margolis, H. A., Bergeron, O., Coursolle, C., Drolet, G., Giasson, M.-A, Larcher, A., Martel, M.-C., Quoreshi, A., Christiansen Stowe, D., Beaudoin, A., Bernier, P.-Y., Boutin, R., Dagnault, S., Guindon, L., Paré, D., & Robitaille, G. Quebec Flux Station Overview for 2003. Poster for the Fluxnet-Canada Research Network Annual Meeting (February 27-29, 2004), Banff, Alberta, Canadas
   

Liens internets d'intérêt sur les technologies spatiales d'observation de la Terre et les flux de carbone :

• Programme Canadien du Carbone 
• Institut aéronautique et spatial du Canada 
• Agence spatiale canadienne 
• American Geophysical Union 
• Fluxnet : un réseau global de tours de flux 
• NASA/Goddard Space Flight Center Earth Sciences Division 
• Dr. Nicholas Short's Remote Sensing Tutorial 
• Technique Eddy Covariance pour mesurer les flux de matière et d'énergie