Surveillance de l'évapotranspiration par télédétection et modélisation

La surveillance de l'évapotranspiration par télédétection représente l'une des avancées les plus importantes en sciences de l'eau agricole de ces vingt dernières années. En combinant données thermiques satellitaires, indices de végétation et principes du bilan énergétique, scientifiques et agriculteurs peuvent désormais estimer la quantité d'eau qui s'évapore de la surface des terres sur des millions d'hectares, sans aucun capteur au sol.

Cette technologie révolutionne la façon dont les agronomes planifient l'irrigation, dont les gouvernements suivent la sécheresse et dont les chercheurs quantifient l'empreinte hydrique des bassins hydrographiques. L'agriculture consomme environ 701 000 milliards de tonnes d'eau douce prélevée dans le monde, or la majeure partie de cette eau n'est jamais mesurée directement sur le terrain — une lacune cruciale que la surveillance de l'évapotranspiration par télédétection contribue à combler rapidement.

Qu'est-ce que l'évapotranspiration ?

L'évapotranspiration (ET) est le processus combiné par lequel l'eau se déplace de la surface terrestre vers l'atmosphère. Elle comprend deux composantes agissant simultanément : l'évaporation, la transformation directe de l'eau liquide du sol, des plans d'eau et des surfaces végétales en vapeur d'eau ; et la transpiration, le mouvement biologique de l'eau absorbée par les racines des plantes, transportée vers le haut par la tige et libérée sous forme de vapeur par de minuscules pores situés dans les feuilles, appelés stomates.

Ensemble, ces deux processus représentent le plus important flux d'eau quittant un écosystème terrestre. Dans la plupart des paysages agricoles, l'évapotranspiration (ET) renvoie entre 60 et 80 % des précipitations totales dans l'atmosphère. Ce chiffre fait de l'ET la variable dominante du bilan hydrique des terres – plus influente que le ruissellement ou l'infiltration profonde dans la plupart des milieux cultivés.

L'évapotranspiration (ET) est au cœur du cycle hydrologique, reliant la surface terrestre, la biosphère et l'atmosphère. Lorsque les taux d'ET sont élevés, l'humidité du sol diminue plus rapidement, le débit de base des cours d'eau baisse et la recharge des aquifères ralentit. Lorsque l'ET ralentit – en raison du stress hydrique, de la sénescence des cultures ou d'un changement d'affectation des sols – les conséquences se répercutent sur la disponibilité en eau en aval.

En climatologie, l'évapotranspiration (ET) est un mécanisme de couplage essentiel entre les cycles du carbone et de l'eau. Les plantes ouvrent leurs stomates pour absorber le CO₂ nécessaire à la photosynthèse et, ce faisant, libèrent simultanément de la vapeur d'eau. Toute modification du couvert végétal, de la température ou de la concentration de CO₂ à l'échelle mondiale perturbe le bilan d'ET planétaire et influe sur les régimes de précipitations régionaux.

Pourquoi la surveillance de l'évapotranspiration est-elle une priorité en matière de gestion de l'eau ?

Des données précises sur l'évapotranspiration permettent de prendre de meilleures décisions dans de nombreux secteurs. En agriculture, connaître la consommation réelle d'eau des cultures à l'échelle de la parcelle indique au responsable de l'irrigation la quantité d'eau à appliquer, le moment opportun et les zones de déficit hydrique avant même que les cultures ne présentent des signes visibles de stress.

Cette précision permet d'éviter à la fois la surirrigation, qui gaspille l'eau et lessive les nutriments, et la sous-irrigation, qui réduit le rendement.

1. Planification de l'irrigation : La planification de l'irrigation basée sur l'évapotranspiration (ET) remplace les conjectures par des données physiques. Lorsqu'un agriculteur sait qu'un champ de maïs perd 7 mm d'eau par jour en juillet à cause de l'ET, il peut compenser précisément ce déficit au lieu d'irriguer à intervalles réguliers.

2. Surveillance de la sécheresse : Une baisse durable de l'évapotranspiration réelle par rapport à l'évapotranspiration de référence (ce qui s'évaporerait en conditions d'approvisionnement en eau illimité) signale un stress hydrique naissant. La télédétection détecte ce signal plusieurs semaines avant que la perte de rendement ne soit visible à l'œil nu.

3. Planification des ressources en eau : La comptabilisation de l'eau à l'échelle d'un bassin versant nécessite des données d'évapotranspiration (ET) à cette échelle. La surveillance satellitaire de l'ET offre cette couverture spatiale à un coût bien inférieur à celui d'un réseau de stations au sol.

4. Évaluation des changements climatiques : Les tendances à long terme de l'ET révèlent comment le réchauffement des températures et l'évolution des régimes de précipitations modifient l'utilisation de l'eau par les écosystèmes — des données qui éclairent la planification de l'adaptation aux niveaux régional et national.

5. Surveillance de la santé des écosystèmes : Les taux d'évapotranspiration des zones humides, la transpiration forestière et la consommation d'eau des prairies sont tous très sensibles aux perturbations écologiques. La télédétection de l'évapotranspiration permet de détecter ces variations sur de vastes territoires inaccessibles.

Quels sont les facteurs qui influencent l'évapotranspiration ?

L'évapotranspiration (ET) est influencée par une combinaison de facteurs : conditions climatiques, caractéristiques du paysage et biologie végétale. Vous trouverez ci-dessous une analyse des principaux facteurs impliqués.

1. Type de sol. La composition du sol joue un rôle important dans la rétention et l'évaporation de l'eau. Les sols sableux ou graveleux ont tendance à retenir moins d'eau et à en libérer davantage par évaporation, tandis que les sols limoneux ou argileux retiennent mieux l'humidité.

2. Température de l'air. La température influe directement sur les taux d'évapotranspiration. L'air plus chaud a une plus grande capacité à contenir de l'humidité, et l'augmentation de la chaleur accélère la transformation de l'eau en vapeur, ce qui accroît l'évapotranspiration.

3. Rayonnement solaire. Au-delà de la simple production de chaleur, le rayonnement solaire implique des variations de niveaux d'énergie, de fréquence et d'albédo, autant de facteurs qui influencent l'évapotranspiration. Ces facteurs varient selon le lieu et la période de l'année, et leur mesure précise requiert souvent des technologies de pointe.

4. Humidité. L'humidité relative (HR) désigne la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air par rapport à sa capacité maximale. Lorsque l'humidité est élevée, l'air absorbe moins d'humidité supplémentaire, ce qui ralentit l'évapotranspiration. Inversement, un air plus sec peut absorber davantage de vapeur d'eau, ce qui entraîne des taux d'évapotranspiration plus élevés.

5. Couverture végétale. Les différentes espèces végétales interagissent avec l'eau de manière distincte. Certaines la stockent efficacement pendant les périodes de sécheresse, tandis que d'autres la perdent plus rapidement. Les taux d'évapotranspiration (ET) sont également influencés par l'âge, la santé et la profondeur des racines de la plante : des racines plus profondes permettent aux cultures de survivre plus longtemps sans irrigation. Ces différences physiologiques expliquent les fortes variations d'ET observées selon les cultures, ce qui exige des stratégies d'irrigation adaptées.

6. Vitesse du vent. Le vent joue un rôle majeur dans l'évaporation et la transpiration. Il disperse la couche d'air humide qui se forme au-dessus de la végétation, augmentant ainsi l'évapotranspiration. Il favorise également la diffusion de la vapeur d'eau à travers les pores des plantes, stimulant la transpiration. Cependant, des vents extrêmement forts et secs peuvent parfois entraver cette diffusion, réduisant légèrement l'évapotranspiration dans certaines conditions.

Concepts clés de l'évapotranspiration

L'ET(0) reflète la capacité de l'atmosphère à induire des pertes d'eau et dépend exclusivement du climat. L'ET(c) mesure les pertes d'eau des cultures saines et bien irriguées, cultivées dans des conditions idéales et à leur plein potentiel de rendement. Lorsque les cultures sont confrontées à des pratiques culturales sous-optimales ou à des contraintes environnementales, l'ET(c) doit être corrigée pour obtenir l'ET(c adj). L'évapotranspiration des cultures est appréhendée à travers trois concepts distincts :

1. ET(0) — Évapotranspiration de référence
2. ET(c) — Évapotranspiration dans des conditions normales
3. ET(c adj) — Évapotranspiration dans des conditions non standard

1. Évapotranspiration de référence — ET(0)

ET(0) représente le taux auquel l'eau s'évapore d'une surface de référence bien arrosée — généralement modélisée comme une couverture herbeuse idéale répondant à des critères spécifiques.

Cette mesure évalue la demande évaporative de l'atmosphère indépendamment du type de culture, du stade de croissance ou des pratiques agricoles. La surface de référence étant supposée parfaitement humide, les conditions du sol sont exclues du calcul, ce qui évite de définir des seuils d'évapotranspiration distincts pour chaque culture et à chaque stade de croissance.

L'ET(0) est entièrement déterminé par des variables climatiques, et les valeurs typiques varient selon les zones agroclimatiques, bien que ces chiffres ne servent que de repères généraux.

2. Évapotranspiration dans des conditions normales — ET(c)

L'ET(c) quantifie l'eau libérée par une culture saine et bien nourrie, cultivée sur de grandes parcelles correctement irriguées, dans des conditions climatiques favorables et à pleine productivité. Elle est obtenue en multipliant l'ET de référence par le coefficient cultural K(c).

ET(c) = ET(0) × K(c)

3. Évapotranspiration dans des conditions non standard — ET(c adj)

L'ET(c adj) tient compte des écarts réels par rapport aux conditions de croissance idéales. Des facteurs tels que la pression des ravageurs et des maladies, le déficit ou l'excès d'eau, la salinité du sol et sa faible fertilité peuvent entraîner des différences significatives entre la consommation d'eau réelle des cultures et l'ET(c). Un coefficient de stress hydrique K(s) est introduit en complément du coefficient cultural pour prendre en compte ces effets.

ET(c adj) = ET(0) × K(c) × K(s)

Méthodes traditionnelles de mesure de l'évapotranspiration

Avant la télédétection, les scientifiques mesuraient l'évapotranspiration (ET) à l'aide d'instruments physiques directs. Chaque méthode est performante à une échelle spécifique, mais présente des inconvénients importants qui limitent son application à grande échelle en agriculture. Voici quelques-unes des meilleures techniques de mesure de l'ET au sol :

1. Lysimètre : Un lysimètre (un grand récipient rempli de terre et de culture, installé au niveau du sol) mesure l'évapotranspiration (ET) en pesant le bloc de sol au fil du temps. Lorsque les précipitations sont contrôlées et que le drainage est collecté, la différence de masse entre les mesures à différents moments correspond à l'ET réelle.

Les lysimètres fournissent les mesures d'ET les plus précises disponibles, mais ils coûtent des centaines de milliers de dollars par unité, ne couvrent que quelques mètres carrés et ne peuvent pas représenter la variabilité spatiale d'un champ réel.

2. Système de covariance des turbulences : Le système de covariance des turbulences mesure l'ET en calculant la covariance entre la vitesse verticale du vent et la concentration de vapeur d'eau au-dessus d'une canopée grâce à des capteurs à réponse rapide. Il couvre une zone de plusieurs centaines de mètres à quelques kilomètres, ce qui le rend beaucoup plus représentatif qu'un lysimètre.

Cependant, l'installation et la maintenance des tours de flux coûtent entre 50 000 et 300 000 dollars américains, et le réseau mondial FLUXNET ne compte qu'environ 900 sites actifs, ce qui est beaucoup trop peu étendu pour surveiller l'ET agricole à l'échelle nationale.

3. Méthode du rapport de Bowen : La méthode du rapport de Bowen estime l'ET en mesurant le rapport entre le flux de chaleur sensible (réchauffement de l'air) et le flux de chaleur latente (ET), à partir des gradients de température et d'humidité au-dessus de la canopée. Plus simple que la méthode des covariances turbulentes, elle exige cependant des conditions de fetch homogènes et ne peut être utilisée en terrain complexe.

4. Calculs d'ET basés sur les données des stations météorologiques L'équation de Penman-Monteith de la FAO permet de calculer l'évapotranspiration de référence (ET0) à partir des données de température de l'air, d'humidité, de vitesse du vent et de rayonnement. Cette méthode est couramment utilisée pour la planification de l'irrigation, mais elle fournit une ET0 de référence et non l'ET1, car elle suppose une culture de référence bien irriguée, et non la culture réelle sur le terrain.

Le principal problème de toutes les méthodes au sol réside dans l'échelle. Un lysimètre unique ne couvre que quelques mètres carrés. Une tour de flux, au mieux, ne couvre que quelques centaines d'hectares. Or, la gestion moderne de l'eau en agriculture exige des données d'évapotranspiration à l'échelle de la parcelle, sur l'ensemble des bassins hydrographiques – un défi spatial que seule la télédétection peut relever.

Principes fondamentaux de la télédétection pour la surveillance de l'ET

La télédétection, dans le contexte du suivi de l'ET, consiste en l'acquisition et l'analyse de données provenant de satellites ou d'aéronefs afin d'estimer le flux d'eau quittant la surface terrestre sans contact physique avec cette surface.

Cette approche fonctionne car les plantes et les sols échangent de l'énergie avec l'atmosphère de manière détectable depuis l'espace, notamment par l'émission de rayonnement infrarouge thermique. Lorsqu'une plante transpire efficacement, elle utilise l'énergie solaire incidente pour évaporer l'eau plutôt que de se réchauffer. Un couvert végétal dont le sol est suffisamment humide reste relativement frais.

En revanche, une canopée soumise à un stress hydrique ferme ses stomates pour conserver l'eau. Comme une moindre quantité de chaleur latente (ET) absorbe l'énergie entrante, la température de sa surface augmente. C'est le signal physique fondamental que la télédétection thermique permet de saisir.

Principes physiques fondamentaux sous-tendant l'estimation de l'évapotranspiration par satellite

Les bilan énergétique Le cadre de référence est le suivant : à toute surface terrestre, le rayonnement net (Rn) provenant du soleil et de l’atmosphère doit être égal à la somme de trois puits d’énergie : le flux de chaleur du sol (G), le flux de chaleur sensible (H, qui réchauffe l’air) et le flux de chaleur latente (LE, qui est à l’origine de l’évapotranspiration). Ceci s’exprime par l’équation : Rn = G + H + LE. En estimant Rn, G et H à partir de données satellitaires, le modèle calcule LE – et donc l’évapotranspiration – comme résidu.

1. Température de la surface terrestre La température de surface (LST), mesurée dans l'infrarouge thermique, est la principale observable utilisée pour estimer le flux de chaleur sensible H. Une surface plus chaude transfère davantage de chaleur à l'air (H élevé), laissant moins d'énergie pour l'évapotranspiration (LE faible). Une surface plus froide et bien irriguée présente un H plus faible et un LE plus élevé.

2. Indices de végétation L'indice NDVI, par exemple, mesure la quantité de matière végétale verte et photosynthétiquement active qui recouvre la surface, ce qui détermine les taux de transpiration. Un couvert végétal dense et vert transpire davantage qu'un sol nu ou qu'une végétation clairsemée.

3. Rayonnement net est calculé à partir des flux de rayonnement à ondes courtes et à ondes longues, que la télédétection estime à partir de l'albédo de surface, de la couverture végétale et des données d'émission thermique.

La surveillance de l'évapotranspiration par satellite ne remplace pas les données de terrain ; c'est le seul outil capable de fournir des données spatialement continues sur l'utilisation de l'eau à l'échelle où les décisions agricoles et hydrologiques sont réellement prises.

L'avantage de la télédétection par rapport aux méthodes terrestres ne se limite pas à la couverture spatiale. Les données satellitaires fournissent des mesures synoptiques et reproductibles sur des paysages très hétérogènes, ce qu'aucun réseau terrestre ne pourrait reproduire à un coût comparable.

Sources de données de télédétection pour l'estimation de l'ET

L'estimation de l'ET depuis l'espace nécessite la combinaison de données provenant de plusieurs types de capteurs. Aucun satellite ne fournit à lui seul toutes les données nécessaires à un modèle complet d'ET ; c'est pourquoi les produits opérationnels d'ET fusionnent généralement des données issues de plusieurs plateformes.

1. Plateformes satellitaires pour l'estimation de l'ET

i. Landsat Le satellite Landsat (USGS/NASA) fonctionne sans interruption depuis 1972 et fournit des images multispectrales et thermiques d'une résolution spatiale de 30 mètres, avec un cycle de revisite de 16 jours. Ses archives complètes en font un outil indispensable pour l'analyse historique de l'évapotranspiration et le suivi des cultures. La plupart des modèles d'évapotranspiration basés sur le bilan énergétique, notamment SEBAL et METRIC, ont été initialement conçus à partir des données Landsat.

ii. Sentinelle-2 L'ESA propose des images multispectrales de 10 mètres de résolution avec un temps de revisite de 5 jours pour le calcul d'indices de végétation à haute résolution. Bien qu'elle ne comporte pas de bande thermique, elle complète Landsat en fournissant des données NDVI, EVI et LAI plus fréquentes et à plus haute résolution pour les modèles d'évapotranspiration basés sur la végétation.

iii. MODIS Le spectroradiomètre imageur à résolution moyenne (MODIS, NASA) offre une couverture mondiale quotidienne avec une résolution de 250 m à 1 km. Sa résolution spatiale plus grossière limite son application à l'échelle du terrain, mais le rend idéal pour la surveillance de l'évapotranspiration à l'échelle continentale et mondiale grâce à des produits comme MOD16.

iv. ÉCOCASSE Le satellite ECOSTRESS de la NASA, installé à bord de la Station spatiale internationale, fournit des données infrarouges thermiques avec une résolution de 70 mètres et une période de revisite de 1 à 5 jours. Il a été spécifiquement conçu pour mesurer le stress hydrique des cultures et l'évapotranspiration à l'échelle de la parcelle, une capacité que MODIS et les satellites précédents ne pouvaient pas combler.

v. VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite, NOAA/NASA) sur les satellites Suomi NPP et JPSS poursuit la couverture quotidienne mondiale héritée de MODIS avec un étalonnage des capteurs amélioré, prenant en charge les produits ET opérationnels à l'échelle régionale et mondiale.

2. Observations extraterrestres par drones et UAV

Les véhicules aériens sans pilote (UAV, ou drones) équipés de caméras thermiques et de capteurs multispectraux permettent de cartographier l'évapotranspiration (ET) avec une résolution spatiale inférieure au mètre sur des parcelles individuelles. Une caméra thermique embarquée sur un drone mesure directement la température du couvert végétal et, combinée aux données météorologiques au sol, elle produit des cartes d'ET d'une résolution qu'aucun satellite ne peut égaler.

• drones d'imagerie thermique détecter les zones de plantes stressées par le stress hydrique dans un champ avant l'apparition de tout symptôme visible, permettant une irrigation à débit variable à l'échelle intra-parcellaire.
• Capteurs multispectraux Les drones calculent l'indice NDVI et l'indice EVI avec une résolution centimétrique, alimentant ainsi des modèles d'ET basés sur les coefficients de culture pour une planification précise des travaux agricoles.
• Cartographie ET à haute résolution L'utilisation de drones est particulièrement précieuse pour les cultures spécialisées — arbres fruitiers, vignobles, légumes — où la variabilité au sein d'une même parcelle est élevée et le coût du stress hydrique important.

Principales variables de télédétection utilisées dans la surveillance des extraterrestres

Chaque variable extraite des données satellitaires contribue à l'estimation de l'évapotranspiration. Comprendre ce que chaque variable mesure et son importance permet aux praticiens de choisir le modèle approprié et d'interpréter correctement les résultats.

1. Indice de végétation par différence normalisée L'indice NDVI est calculé selon la formule (NIR – Rouge) / (NIR + Rouge) à partir des réflectances dans le proche infrarouge et le rouge. Sa valeur varie de -1 à +1, les végétaux denses et verts présentant généralement un indice compris entre 0,6 et 0,9. L'indice NDVI reflète la densité et la verdure du couvert végétal, qui sont directement corrélées à la surface foliaire et à la capacité de transpiration.

2, Indice de végétation amélioré L'indice EVI (Emergency Vigor Index) ajoute une bande bleue afin de réduire les interférences atmosphériques et les effets du sol qui dégradent l'indice NDVI dans les régions à végétation dense ou fréquemment nuageuses. Plus sensible que l'indice NDVI dans les zones à forte biomasse, l'indice EVI est utilisé dans l'algorithme MOD16 ET (Électrothermie).

3. Indice de surface foliaire L'indice de surface foliaire (LAI) quantifie la surface foliaire unilatérale totale par unité de surface au sol. Il contrôle directement la transpiration en déterminant la surface foliaire en échange de vapeur d'eau avec l'atmosphère. Le LAI dérivé de données satellitaires est un paramètre essentiel dans de nombreux modèles d'évapotranspiration (ET) basés sur des principes physiques.

4. Albédo de surface L'albédo représente la fraction du rayonnement solaire incident réfléchie par la surface. Il détermine la quantité d'énergie solaire absorbée par la surface, et donc la quantité d'énergie disponible pour l'évapotranspiration. Un sol sombre et humide a un faible albédo (il absorbe davantage d'énergie) ; une surface de sable nue a un albédo élevé (elle réfléchit davantage d'énergie).

5. Humidité du sol Les données issues des capteurs micro-ondes permettent de contraindre les modèles d'évapotranspiration en indiquant si la quantité d'eau disponible dans la zone racinaire est suffisante pour répondre aux besoins en eau liés à la transpiration. Lorsque l'humidité du sol descend en dessous d'un seuil critique, l'évapotranspiration réelle est inférieure au taux potentiel, même si l'énergie est disponible.

Bastiaanssen et al. (comme indiqué dans Frontiers in Remote Sensing, 2026) ont constaté que SEBAL, validé dans plus de 30 pays, atteint Précision de 85% pour les estimations quotidiennes d'ET et de 95% pour les estimations saisonnières d'ET. à l'échelle du terrain.

Une précision saisonnière de 95% signifie que la comptabilisation de l'eau des cultures sur l'ensemble d'un district d'irrigation peut être effectuée de manière fiable en utilisant uniquement des données satellitaires, éliminant ainsi le besoin de réseaux denses de stations au sol.

Modèles d'estimation de l'évapotranspiration

1. Modèles de bilan énergétique

Les modèles de bilan énergétique calculent l'ET comme le résidu du bilan énergétique de surface : ET = Rn – G – H. Chaque modèle diffère dans la manière dont il estime le flux de chaleur sensible H, qui est la composante la plus exigeante en termes de calcul et la plus sensible aux erreurs.

i. Algorithme de bilan énergétique de surface pour les terres Le modèle SEBAL, développé par Bastiaanssen en 1998, demeure l'un des modèles d'évapotranspiration satellitaires les plus utilisés au monde. SEBAL utilise trois paramètres principaux dérivés de données satellitaires : la température de surface (T0), la réflectance hémisphérique de surface (albédo r0) et l'indice NDVI.

Pour estimer le flux de chaleur sensible, SEBAL identifie deux pixels de référence : le “ pixel chaud ” (sol nu et sec, où l’ET est proche de zéro) et le “ pixel froid ” (culture bien irriguée, où l’ET est maximale). SEBAL interpole ensuite H sur l’ensemble de la scène par rapport à ces valeurs extrêmes. Cette fonction d’auto-calibration rend SEBAL moins sensible aux erreurs absolues de calibration des données météorologiques.

ii. Cartographie de l'évapotranspiration à haute résolution avec étalonnage interne Le modèle METRIC s'appuie sur SEBAL, mais y ajoute un étalonnage automatique par rapport à une ET de référence calculée à partir des données d'une station météorologique. METRIC est mieux adapté aux régions disposant de réseaux de données météorologiques complets et a été largement adopté pour la gestion opérationnelle de l'irrigation dans l'ouest des États-Unis.

iii. Système de bilan énergétique de surface SEBS utilise la théorie des flux turbulents pour estimer le flux de chaleur sensible à partir de la température de surface (LST), de la rugosité de surface et de la vitesse du vent, toutes issues de données satellitaires. Plus rigoureux physiquement que SEBAL, SEBS requiert cependant des données d'entrée supplémentaires, ce qui le rend plus adapté à la recherche qu'à la gestion opérationnelle des exploitations agricoles.

Le choix du modèle d'évapotranspiration (ET) n'est pas qu'une simple décision technique ; il s'agit de choisir la question à laquelle on cherche à répondre. Un exercice de bilan hydrique à l'échelle d'un bassin versant et un outil de planification de l'irrigation à l'échelle d'une parcelle nécessitent des niveaux de résolution spatiale et de fréquence temporelle fondamentalement différents.

iv. Bilan énergétique à deux sources Le modèle TSEB considère le sol et la canopée comme deux sources d'évapotranspiration distinctes, chacune ayant son propre bilan thermique et énergétique. Cette approche est plus précise pour les végétations clairsemées ou les couvertures végétales mixtes, où un modèle à source unique risque de confondre l'évaporation du sol et la transpiration des plantes.

2. Modèles d'ET basés sur l'indice de végétation

Tous les modèles d'ET ne nécessitent pas d'imagerie thermique. Les modèles basés sur l'indice de végétation estiment l'ET à partir de… approche du coefficient cultural (Kc x ET0), où le coefficient cultural Kc est calculé à partir de l'indice NDVI ou EVI, et l'évapotranspiration de référence (ET0) provient d'une station météorologique. La méthodologie FAO-56 formalise cette approche et est largement utilisée pour la planification de l'irrigation car elle ne nécessite aucune donnée thermique.

Les modèles d'apprentissage automatique, y compris Forêt aléatoire, Réseaux de neurones artificiels (RNA), Les architectures d'apprentissage profond, notamment, sont de plus en plus appliquées à l'estimation de l'ET en apprenant des relations non linéaires complexes entre les entrées dérivées des satellites (LST, NDVI, albédo, LAI) et les mesures d'ET des tours de flux.

Une étude de 2023 publiée dans Remote Sensing of Environment a révélé qu'un modèle Random Forest entraîné sur MODIS et des données météorologiques prédisait l'ET quotidienne avec un R2 de 0,87 et une RMSE de 0,51 mm/jour dans divers biomes — compétitif avec les modèles traditionnels de bilan énergétique, mais nécessitant un effort de paramétrage beaucoup moins important.

Une étude publiée dans Taylor & Francis Open (2021) a montré que l'algorithme SEBAL, appliqué aux images Landsat 8 d'une région de culture du maïs à Adana, en Turquie, produisait des estimations d'ET avec une précision de Coefficient de corrélation R = 0,91 par rapport à la méthode Penman-Monteith de la FAO et à une RMSE de seulement 1,14 mm/jour.

La précision de SEBAL à l'échelle du terrain signifie que l'ET dérivée des données satellitaires peut remplacer ou réduire considérablement le besoin d'installations coûteuses de lysimètres dans les systèmes de gestion de l'irrigation opérationnels.

Produits ET par satellite disponibles pour une utilisation opérationnelle

Plusieurs produits d'ET mondiaux et régionaux transforment désormais les données de télédétection en couches de données d'ET prêtes à l'emploi. Les praticiens n'ont plus besoin d'exécuter leurs propres modèles de bilan énergétique : ils peuvent accéder directement à ces ensembles de données précalculés.

1. MOD16 ET Produit La NASA utilise les données MODIS avec un algorithme de Penman-Monteith, alimenté par les données de couverture terrestre, d'indice de surface foliaire (LAI), d'indice de végétation par évaporation (EVI) et les données météorologiques de réanalyse globales de MODIS. Ce système fournit des composites d'évapotranspiration (ET) sur 8 jours et mensuels, avec une résolution de 500 mètres à l'échelle mondiale. La résolution MOD16 est bien adaptée aux études à l'échelle du paysage, mais trop grossière pour la gestion de parcelles individuelles.

2. SSEBop Le modèle opérationnel SSEBop (Simplified Surface Energy Balance), développé par l'USGS, simplifie le problème d'étalonnage des pixels chauds et froids du modèle SEBAL en utilisant des seuils de température prédéfinis à partir de données climatologiques à long terme. SSEBop fonctionne opérationnellement à une résolution de 30 mètres avec les données Landsat et fait partie des six modèles de l'ensemble OpenET.

3. Plateforme OpenET, Lancée en 2021 et exploitée dans le cadre d'une collaboration public-privé dirigée par la NASA, l'USGS, la California State University Monterey Bay, l'Environmental Defense Fund et le Desert Research Institute, cette initiative fournit des données ET à l'échelle du terrain avec une résolution de 30 mètres dans l'ouest des États-Unis.

Une étude marquante publiée dans Nature Water en janvier 2024, comparant les estimations d'OpenET aux mesures de 152 sites de flux au sol, a confirmé qu'OpenET atteint une grande précision pour les cultures annuelles comme le blé, le maïs, le soja et le riz — en particulier dans les régions arides où la rareté de l'eau rend la précision de l'irrigation primordiale.

4. Portail WaPOR La FAO fournit des données ET pour l'Afrique et le Proche-Orient à une résolution de 30 mètres, 100 mètres et 250 mètres, spécialement conçues pour soutenir l'analyse de la productivité de l'eau agricole dans les régions en développement où les données sont rares.

5. ÉCLAT Le modèle d'évaporation terrestre global d'Amsterdam (Global Land Evaporation Amsterdam Model) décompose l'évapotranspiration (ET) en quatre composantes : transpiration, évaporation du sol nu, pertes par interception et évaporation en milieu aquatique libre. Ce modèle s'appuie sur des données d'humidité du sol obtenues par micro-ondes et sur des produits satellitaires de végétation. Il excelle dans la séparation du signal d'ET en composantes biologiques et physiques.

Applications de la télédétection

1. Irrigation de précision et gestion de l'eau des cultures

L'application la plus immédiate des données d'évapotranspiration (ET) satellitaires concerne la planification de l'irrigation. En consultant les cartes d'ET hebdomadaires à l'échelle de la parcelle, un agriculteur peut calculer le déficit d'irrigation (la différence entre l'ET réelle et les précipitations efficaces) et appliquer précisément le volume d'eau correspondant. Ceci permet d'éviter le gaspillage d'eau chronique lié à la surirrigation, qui n'augmente pas le rendement.

Dans le delta du Sacramento-San Joaquin en Californie, les gestionnaires des ressources en eau utilisent OpenET pour aider les agriculteurs à se conformer à la réglementation de l'État qui exige des rapports précis sur la consommation d'eau.

La grande précision des données d'évapotranspiration satellitaires pour les cultures annuelles fournit une base juridiquement défendable pour la comptabilisation de l'eau qu'aucune méthode au sol ne pourrait fournir avec une telle couverture spatiale.

Une étude de 2024 publiée dans Agricultural Water Management (Ott et al., 2024 ; Desert Research Institute) a évalué OpenET par rapport aux données d'irrigation mesurées dans les bassins d'eaux souterraines du Nevada.

Dans la vallée de Diamond, les estimations d'OpenET n'ont montré qu'un 7% différence par rapport aux données de consommation d'eau mesurées, démontrant ainsi la fiabilité opérationnelle de la gestion réglementaire des eaux souterraines.

Une marge d'erreur de 7% à l'échelle du bassin signifie que les données ET par satellite peuvent remplacer les infrastructures de mesure coûteuses dans les régions où les eaux souterraines sont gravement épuisées.

2. Évaluation de la sécheresse et systèmes d'alerte précoce

La surveillance de la sécheresse est une autre application à fort impact. Indice de stress évaporatif (ESI), dérivé des données thermiques ECOSTRESS et MODIS, mesure le rapport entre l'ET réelle et l'ET potentielle.

Lorsque l'ESI chute significativement en dessous de 1,0, cela indique que les plantes subissent un stress hydrique — un indicateur précoce fiable de sécheresse agricole, souvent détectable 4 à 8 semaines avant que la perte de rendement des cultures ne devienne mesurable.

Le Centre national d'atténuation de la sécheresse du département américain de l'Agriculture (USDA) intègre des indices de sécheresse basés sur l'évapotranspiration (ET) satellitaire dans les cartes opérationnelles de surveillance de la sécheresse utilisées par les gouvernements des États, les organismes d'assurance agricole et les services de gestion des urgences. Cette intégration permet une intervention plus rapide et mieux ciblée que les approches basées sur le calendrier ou uniquement sur les précipitations.

3. Gestion des ressources en eau à l'échelle du bassin

La comptabilisation de l'eau à l'échelle d'un bassin versant nécessite de connaître la quantité d'eau qui quitte la surface terrestre sous forme d'évapotranspiration (ET) sur des millions d'hectares. C'est précisément ce que fournissent les produits d'ET satellitaires tels que MOD16, GLEAM et WaPOR à l'échelle mondiale.

• organismes de gestion des réservoirs utiliser les données d'ET pour estimer le rendement en eau du bassin versant — la différence entre les précipitations et l'ET — ce qui détermine la quantité d'eau qui atteint réellement les rivières et les réservoirs.
• autorités des bassins fluviaux transfrontaliers Utiliser l'évapotranspiration satellitaire pour vérifier de manière indépendante les rapports nationaux sur la consommation d'eau sans nécessiter d'accès aux réseaux nationaux de données au sol.
• gestionnaires de districts d'irrigation Utiliser l'ET pour suivre la consommation d'eau par type de culture sur l'ensemble des zones desservies, favorisant ainsi une répartition équitable de l'eau et le respect des réglementations.

4. Applications environnementales et écologiques

Le suivi de l'évapotranspiration des zones humides par satellite permet de quantifier la consommation d'eau des écosystèmes dans les marais, les tourbières et les estuaires inaccessibles, où le déploiement de capteurs au sol est impossible. Le suivi de l'évapotranspiration des forêts révèle comment la déforestation, le reboisement et les feux de forêt modifient le bilan hydrique des bassins versants – des données essentielles pour la comptabilisation du carbone forestier et la planification de l'approvisionnement en eau.

L'évapotranspiration est le lien invisible qui unit chaque plante sur Terre au cycle global de l'eau. La télédétection est le seul outil dont nous disposons pour l'observer à l'échelle pertinente pour la gestion de l'eau.

Évaluation et validation de la précision des produits de télédétection par satellite

Aucun produit d'ET n'est utile sans une validation rigoureuse. L'approche standard compare les estimations d'ET par satellite aux mesures des tours de flux à covariance de tourbillons — la référence au sol la plus précise disponible pour l'ET à l'échelle du paysage.

Le monde FLUXNET Le réseau fournit des données de tours de flux en accès libre provenant de centaines de sites répartis dans divers biomes. Les développeurs de produits ET comparent les résultats de leurs modèles aux mesures FLUXNET afin de calculer des indicateurs de performance statistique, notamment

• R2 (coefficient de corrélation),
• RMSE (erreur quadratique moyenne), et
• Biais (surestimation ou sous-estimation systématique).

La validation est effectuée séparément pour différents types de couverture terrestre, zones climatiques et saisons, car la précision du modèle ET varie considérablement selon ces conditions.

Les modèles de bilan énergétique comme SEBAL et METRIC sont généralement plus performants dans les paysages agricoles semi-arides sous un ciel dégagé. Leurs performances se dégradent dans les forêts tropicales humides, les terrains montagneux complexes et les zones fréquemment nuageuses.

L'étude de précision d'OpenET publiée dans Nature Water a comparé six modèles d'ET à des mesures de 152 sites de tours de flux à travers les États-Unis, constatant que l'ensemble OpenET a obtenu les meilleures performances spécifiquement pour les cultures annuelles dans les régions arides de l'ouest — les zones où la gestion de l'irrigation est la plus cruciale sur les plans économique et écologique.

Dans les régions arides, les gestionnaires de l'eau peuvent utiliser les données OpenET avec un haut degré de confiance pour le respect des normes d'irrigation et le suivi du bilan hydrique, remplaçant ainsi les infrastructures de comptage coûteuses.

Défis liés à la surveillance par télédétection de l'ET

Malgré des progrès rapides, plusieurs défis techniques et opérationnels limitent la précision et l'applicabilité de la surveillance de l'évapotranspiration par satellite.

1. Limitations liées à la couverture nuageuse : La télédétection optique et thermique exige un ciel dégagé. Dans les régions tropicales humides ou pendant la mousson, une couverture nuageuse persistante peut entraîner des lacunes de données de plusieurs semaines, voire de plusieurs mois, rompant ainsi la continuité temporelle nécessaire à la gestion de l'irrigation.

2. Contraintes de résolution spatiale : MODIS, le satellite le plus fréquemment observé, fournit des données d'évapotranspiration (ET) à une résolution de 500 mètres, trop grossière pour les parcelles de moins de 25 hectares environ. La résolution de 30 mètres de Landsat convient à la plupart des terres agricoles, mais son cycle de revisite de 16 jours ne permet pas de détecter les variations rapides du stress hydrique.

3. Compromis liés à la résolution temporelle : La haute résolution spatiale (Landsat, Sentinel-2, ECOSTRESS) et la haute résolution temporelle (MODIS, VIIRS) sont inversement proportionnelles. Combler cet écart nécessite des techniques de fusion de données.

4. Hypothèses du modèle dans les paysages hétérogènes : Les modèles de bilan énergétique à source unique supposent une canopée uniforme, ce qui n'est plus valable en cas de végétation clairsemée, de systèmes de cultures mixtes ou d'interfaces urbain-agricole où les températures du sol et des plantes divergent fortement.

5. Disponibilité des données dans les régions en développement : Les données des stations météorologiques au sol nécessaires pour contraindre les modèles d'évapotranspiration sont rares dans une grande partie de l'Afrique subsaharienne, de l'Asie du Sud et de l'Asie centrale — précisément les régions où une meilleure gestion de l'eau est la plus urgente.

Technologies émergentes et avenir de la surveillance des ET

Plusieurs avancées technologiques convergentes sont sur le point d'accroître considérablement la précision, la couverture et l'accessibilité de la surveillance des ET par télédétection au cours des cinq à dix prochaines années.

1. Intelligence artificielle, apprentissage automatique et fusion de données

Les modèles d'apprentissage profond entraînés sur de vastes ensembles de données multisensorielles commencent à surpasser les modèles classiques de bilan énergétique dans certains paysages. Les réseaux neuronaux convolutifs peuvent intégrer simultanément les données Landsat, Sentinel-2, MODIS et de réanalyse météorologique, apprenant ainsi les schémas spatio-temporels d'évapotranspiration qu'aucun modèle monosensoriel ne parvient à saisir.

Parallèlement, les algorithmes de fusion de données — notamment l'approche STARFM (Spatial and Temporal Adaptive Reflectance Fusion Model) — combinent des images Landsat haute résolution avec des données MODIS quotidiennes pour produire des cartes ET quotidiennes synthétiques à une résolution de 30 mètres, résolvant ainsi le compromis spatio-temporel qui limite actuellement les applications de l'agriculture de précision.

2. Satellites thermiques haute résolution et constellations de CubeSats

La prochaine génération de satellites d'observation thermique de la Terre fournira des images thermiques inférieures à 30 mètres avec une fréquence de revisite quotidienne.

Les missions prévues, notamment le successeur de Landsat Next et les constellations thermiques commerciales de CubeSats, élimineront le compromis historique entre la précision spatiale et la fréquence temporelle qui a limité la surveillance de l'ET à l'échelle du terrain.

Comme le souligne le rapport Future Market Insights (2025), le marché des services de télédétection, évalué à 22,87 milliards de dollars en 2025, devrait atteindre 84,28 milliards de dollars d'ici 2035, principalement grâce à l'expansion de la constellation de satellites LEO.

3. Jumeaux numériques pour la gestion de l'eau

Les jumeaux numériques — répliques virtuelles dynamiques des paysages agricoles mises à jour en quasi temps réel grâce aux données de capteurs satellitaires et IoT — intègrent la télédétection de l'évapotranspiration comme flux de données essentiel. Ces systèmes synchronisent les cartes satellitaires d'évapotranspiration, les données des capteurs d'humidité du sol, les prévisions météorologiques et les modèles de croissance des cultures afin de simuler l'état hydrique futur des parcelles et de programmer l'irrigation automatiquement.

Logiciels et outils pour la surveillance des ET

Un ensemble complet de plateformes rend désormais l'analyse ET par télédétection accessible aux praticiens ne possédant pas de connaissances approfondies en programmation.

1. Google Earth Engine (GEE) GEE est une plateforme de calcul géospatial basée sur le cloud qui héberge l'intégralité des archives Landsat, MODIS, Sentinel et ECOSTRESS, ainsi que des algorithmes d'évapotranspiration (ET) préconfigurés. Les analystes peuvent effectuer des calculs d'ET sur des années de données pour des régions entières sans avoir à télécharger d'images localement. GEE est devenue la plateforme de recherche de référence pour la cartographie de l'ET à grande échelle.

2. Plateforme OpenET Ce service propose une interface web permettant à tout utilisateur enregistré d'accéder aux données d'évapotranspiration (ET) à l'échelle de la parcelle pour les terres agricoles de l'ouest des États-Unis. Les utilisateurs peuvent exporter des synthèses d'ET quotidiennes, mensuelles ou saisonnières pour des parcelles individuelles ou des districts de gestion de l'eau entiers, sans aucune connaissance en programmation.

3. Portail WaPOR (FAO) propose une interface de téléchargement ET similaire, basée sur le principe du pointer-cliquer, pour l'Afrique et le Proche-Orient, avec des liens directs vers les indicateurs de productivité de l'eau agricole.

4. Flux de travail Python et R L'utilisation de bibliothèques telles que rasterio, xarray, geopandas (Python) ou terra, raster (R) permet aux chercheurs de construire des pipelines de traitement ET personnalisés qui intègrent les données satellitaires avec les relevés météorologiques locaux, les modèles de culture et les bases de données d'irrigation.

Études de cas pour la surveillance par télédétection de l'ET

1. Gestion de l'irrigation dans les régions arides

Dans la région de l'aquifère des Hautes Plaines des États-Unis — l'une des zones agricoles les plus intensivement irriguées au monde — des chercheurs du Desert Research Institute ont démontré que les données OpenET intégrées aux ensembles de données climatiques pouvaient estimer les volumes de pompage des eaux souterraines avec une précision suffisante pour soutenir la gestion réglementaire de la baisse des niveaux de l'aquifère.

L'étude a comparé les estimations ET par satellite aux enregistrements des pompes mesurées, constatant un écart inférieur à 17% dans la plupart des bassins étudiés — un niveau de précision suffisant pour l'administration des droits d'eau.

2. Agriculture de précision pour tous les types de cultures

La surveillance de l'ET par télédétection a été mise en œuvre pour la planification de l'irrigation du coton à l'aide des modèles SEBAL et METRIC afin de cartographier l'ET réelle sur les parcelles individuelles pendant la saison de croissance.

Des études publiées dans l'Astrophysics Data System (2020) ont montré que les deux modèles détectaient une ET réelle plus élevée que prévu pendant les premiers stades de culture en raison d'une forte évaporation du sol nu — une découverte que l'approche standard du coefficient de culture a systématiquement manquée, conduisant à une sur-irrigation pendant cette période critique.

3. Comptabilité de l'eau à l'échelle du bassin versant

La plateforme WaPOR de la FAO a été utilisée pour réaliser une analyse de la productivité de l'eau dans les systèmes d'irrigation en Éthiopie, en Égypte et en Jordanie, en quantifiant l'ET par unité de biomasse agricole produite.

Ces analyses ont permis d'identifier des parcelles dont la productivité de l'eau était inférieure à la moyenne du bassin, fournissant ainsi une base de données spatiales pour des programmes de vulgarisation ciblés visant à améliorer l'efficacité de l'irrigation dans les zones sous-performantes.

Meilleures pratiques pour le choix d'une approche de surveillance des ET

Le choix de la combinaison appropriée de données satellitaires, de modèle ET et de stratégie de validation dépend de la question spécifique à laquelle on cherche à répondre, des ressources disponibles et du niveau d'incertitude acceptable.

1. Définissez d'abord l'échelle spatiale et temporelle. La comptabilisation mensuelle de l'eau à l'échelle d'un bassin versant requiert un outil différent de celui utilisé pour la planification quotidienne de l'irrigation à l'échelle d'une parcelle. Avant de choisir un modèle, il est essentiel d'adapter la résolution et la fréquence de revisite de la plateforme satellitaire aux besoins de gestion.

2. Faites correspondre le modèle au type de paysage. Les modèles de bilan énergétique comme SEBAL et METRIC sont particulièrement performants dans les paysages semi-arides dominés par les cultures et bénéficiant d'un ciel dégagé. Les modèles basés sur l'indice de végétation sont plus adaptés aux régions où les données thermiques sont limitées. Enfin, les modèles d'apprentissage automatique donnent les meilleurs résultats lorsqu'on dispose de vastes ensembles de données d'entraînement validés localement.

3. Toujours valider localement. Même le produit d'ET global le plus précis doit être validé à l'aide d'au moins un jeu de données local provenant d'une tour de flux ou d'un lysimètre avant son déploiement opérationnel. Les indicateurs de performance issus d'études publiées sont rarement transposables à l'identique à de nouveaux sites et types de cultures.

4. Prévoyez des éclaircies dans la couverture nuageuse. Dans les régions humides ou tropicales, il est essentiel de prévoir dès le départ des stratégies de fusion de données ou de comblement des lacunes. Le recours à un seul satellite thermique avec un cycle de revisite de 16 jours entraînera des lacunes inacceptables dans les données pendant les périodes critiques de croissance des cultures.

5. Utilisez des plateformes ouvertes lorsque cela est possible. Google Earth Engine, OpenET et WaPOR offrent un accès gratuit à des produits ET validés et bien documentés. La création d'un modèle ET personnalisé à partir de zéro est rarement justifiée, sauf si des conditions locales particulières l'exigent.

6. Intégrer les données ET aux systèmes de gestion agricole existants. Les données ET sont plus précieuses lorsqu'elles alimentent directement les logiciels de planification de l'irrigation, les outils d'aide à la décision ou les bases de données de comptabilité de l'eau plutôt que d'exister en tant que données satellitaires autonomes.

Conclusion

Le suivi de l'évapotranspiration par télédétection est passé d'une discipline de recherche expérimentale à un outil opérationnel essentiel pour la gestion de l'eau en agriculture. La combinaison de produits d'évapotranspiration satellitaires de plus en plus précis, de plateformes en libre accès comme OpenET et WaPOR, et de la fusion de données par intelligence artificielle lève les obstacles qui, autrefois, réservaient le suivi de l'évapotranspiration par satellite aux institutions de recherche disposant de financements importants.

Les capacités actuelles sont considérables : des modèles de bilan énergétique validés dans plus de 30 pays, des produits d’évapotranspiration satellitaires offrant une précision saisonnière supérieure à 90% pour les principales cultures annuelles, et des plateformes en nuage fournissant des données d’évapotranspiration à l’échelle de la parcelle à tout agriculteur ou gestionnaire de l’eau disposant d’une connexion Internet. Ces capacités sont déjà utilisées pour gérer la conformité de l’irrigation sur le fleuve Colorado, surveiller la baisse des eaux souterraines dans l’aquifère des Hautes Plaines et améliorer la productivité de l’eau agricole en Afrique grâce au système WaPOR de la FAO.