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Baie de Bourgneuf en Région Pays-de-la-Loire

Le microphytobenthos est largement dominé par les diatomées, qui forment un biofilm à la surface des sédiments vaseux pendant la période diurne des basses eaux. Le microphytobenthos est constitué d’importants producteurs primaires et est la principale source de nourriture des invertébrés benthiques, comme les huîtres cultivées. L’estimation de la biomasse du microphytobenthos est donc un paramètre clé pour étudier le fonctionnement des écosystèmes de vasières. Ici a été choisi la chlorophylle A comme estimation de la biomasse, car la productivité du microphytobenthos est essentiellement basée sur ce pigment photosynthétique.

Le travail a été réalisé à partir d'images hyperspectrales prises à l'aide d’une caméra VNIR dont les caractéristiques dépendent du capteur utilisé. Les images ont été prises entre mai et septembre, en milieu de journée et à marée basse, c'est-à-dire au moment où le biofilm du microphytobenthos se développe. Le plan de vol a été programmé pour avoir suffisamment de temps pour couvrir l’ensemble de la zone intertidale à marée basse.

Les images ont été calées géographiquement à partir d'une zone bien visible proche d'une plage et située vers le 2 rue du Sauvetage - 44580 Les Moutiers en Retz (coordonnées GPS : 47.063153, -2.007174; 47.063311, -2.006709; 47.063209, -2.006576; 47.063028, -2.007047).

Avant toute analyse les images ont subi une correction atmosphérique avec l’algorithme FLAASH (Fast Line-of-sight Atmospheric Analysis of Spectral Hypercubes) qui inclue les codes de transferts radiatif MODTRAN4 (voir Matthew et al, 2000. Status of atmospheric correction using a MODTRAN4 based algorithm. SPIE Proceedings, Algorithms for Multispectral, Hyperspectral, and Ultraspectral Imagery VI. Vol. 4049, pp. 199-207) pour convertir les images de radiance en images de réflectance libres de caractéristiques atmosphériques. Des mesures ont été effectuées auparavant en laboratoire, celles-ci représentants une petite fraction de la zone intertidale (car il est difficile d’accéder à la vasière), et ont été extrapolées à une échelle plus grande, avec précaution, avec l’utilisation des images hyperspectrales.

La première étape d’analyse des images hyperspectrales a consisté à différencier le biofilm des diatomées du microphytobenthos, et ainsi masquer les pixels contenant d’autres organismes photosynthétiques. Seules les diatomées sont prises en compte ici, car le modèle physique développé pour quantifier la biomasse ne tient compte que des caractéristiques de ce groupe de microalgues. Les Euglènes, qui sont un autre groupe important du microphytobenthos, sont donc également exclu du masque. Il a été montré en laboratoire que le biofilm du microphytobenthos n’absorbe pas ni ne réfléchit la lumière dans des gammes de longueurs d’onde du proche infrarouge, contrairement aux macroalgues. Les microalgues contiennent beaucoup moins de pigments que les macroalgues, et présentent des caractéristiques d’absorption faible et étroite qui donnent un pic de réflectance caractéristique à environ 580 nm dû aux bandes d’absorption de la chlorophylle et de la caroténoïde. Ceci a permis de définir un indice du microphytobenthos : MPBI, afin de restreindre la zone d’intérêt. En laboratoire, Les Euglènes et les diatomées, qui sont les 2 groupes les plus représentés dans le microphytobenthos de la Région Pays de la Loire, présentent tous les 2 une forte concentration de chlorophylle A, et présentent pour ce pigment le même spectre de réflectance pour la bande d’absorption de 673 nm. Par contre, ils présentent des différences de réflectance de par leur assemblage propre en pigments :

-les Euglènes contiennent de la chlorophylle B, qui élargit la fonction d’absorption jusqu’à 673 nm,

-les diatomées contiennent de la chlorophylle c et surtout de la fucoxanthine, cette dernière présentant un fort pic d’absorption entre 540 et 550 nm. Ces propriétés ont permis de sélectionner les pixels les plus représentatifs des diatomées sur les images, en travaillant sur la présence/absence de fucoxanthine. Ainsi le pic du spectre d’absorption a été défini à 553 nm pour les euglènes et à 600 nm pour les diatomées, pour définir un indice de diatomées : IDiatomée et un indice d’euglènes : IEuglène.

Voici la démarche suivie pour déterminer les pixels à diatomées :

1)Un premier masque a été utilisé à partir de NDVI (Indice de végétation par Différence Normalisée) pour calculer un masque binaire de surface non végétalisé en utilisant une valeur minimale de NDVI de 0,1 (ici calculé à partir de la résolution du capteur HySpeX)

NDVI = (R800-R673)/(R800+R673) (R= réflectance)

2)Puis un deuxième masque a été appliqué, calculé à partir de l’indice du microphytobenthos

IMPB = (2R586/(R495+R673))-1 pour différencier le microphytobenthos du reste de la végétation

Si IMPB est supérieur à NDVI, le pixel est gardé car il correspond plus à du microphytobenthos, sinon il est masqué. Il a également été défini que si IMPB est inférieur à 0,25 il correspond à du sédiment nu et est donc également masqué.

3)Enfin un dernier masque a été appliqué, pour différencier les diatomées des euglènes, calculés à partir de l’indice des Euglènes et de l’indice des diatomées :

IEuglène = (2R553/(R600+R495))-1

IDiatomée = (2R600/(R459+R673))-1

Seul sont alors gardés les pixels présentant un IDiatomée supérieur à IEuglène

La deuxième étape a consisté à déterminer la biomasse du microphytobenthos à partir des images obtenues suite à la sélection des pixels, exprimée en mg de chlorophylle A par m². Un modèle de transfert radiatif du biofilm microphytobenthique (MPBOM) développé au préalable (voir la thèse de Farzaneh Kazemipour, 2011) a été utilisé pour déterminer la quantité de biomasse de diatomées. Le MPBOM a consisté à calculer le spectre du coefficient d’absorption du spectre de réflectance mesuré. En laboratoire il a été possible de déterminer la régression linéaire entre les coefficients d’absorption de la chlorophylle A à 673 nm et les valeurs de biomasse pour ensuite déterminer in situ à partir des images la quantité de biomasse à partir du coefficient d’absorption obtenu avec MPBOM.

La biomasse du microphytobenthos a été déterminée par cette formule :

biomasse = 96.9 x coefficient d'absorption de la chlorophylle A à 673 nm (R2=96%).

Pour calculer le MPBOM, ont été pris en compte ici le spectre de réflectance du substrat, ainsi que les paramètres environnementaux. Ceci a permis de réaliser la cartographie de la biomasse du microphytobenthos.

Le travail d’acquisition des images a été financé par le programme HySens et réalisé par DLR Munich (Centre Allemand pour l’aéronautique et l’aérospatiale). Le travail a été réalisé à partir d'images hyperspectrales prises à l'aide d’une caméra VNIR ROSIS avec une résolution spectrale de 4 nm dans 115 canaux entre 400 et 826 nm de gamme spectrale. La caméra a été utilisée à partir d'un avion, à 3400 m d'altitude, pour un angle d'ouverture de 16°. Les images ont été prises entre mai et septembre, en milieu de journée et à marée basse, c'est-à-dire au moment où le biofilm du microphytobenthos se développe. Le plan de vol a présenté 3 passages sur la zone.

Les travaux d’analyses ont été réalisés par le Laboratoire de Planétologie et Géodynamique de Nantes, UMR CNRS 6112, et le Laboratoire Mer Molécules Santé, EA 2160, Université de Nantes.

Kazemipour F., V. Méléder, P. Launeau (2011) “Optical properties of microphytobenthic biofilms (MPBOM): Biomass retrieval implication”. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, Volume 112, Issue 1, January 2011, Pages 131-142

Kazemipour, F., (2011) Caractérisation hyperspectrale des biofilms microphytobenthiques : Cartographie de la biomasse de la micro à la macro échelle. Thèse de Doctorat de l’Université de Nantes. 198 p.

Kazemipour, F., P. Launeau, V. Méléder (2012) “Microphytobenthos biomass mapping using the optical model of diatom biofilms: Application to hyperspectral images of Bourgneuf Bay”. Remote Sensing of Environment 127, 1–13

Benyoucef I., 2014. Télédétection visible proche-infrarouge de la distribution du microphytobenthos estuarien. Thèse de Doctorat de l’Université de Nantes. 225 p.

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