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[Departement_IRSTEA]Territoires [TR1_IRSTEA]SEDYVIN; International audience; Exceptional climatic events from 2003 to 2005 (scorching heat and drought) affected the whole of the vegetation in the French Mediterranean region and in particular Scott pines (Pinus sylvestris L.), one of the most important forest tree species in this area. To understand its response to these extreme conditions, we investigated its radial growth, branch length growth, architectural development and reproduction for the period 19952005, and linked these variables to climatic parameters. We used four plots situated in southeastern France and presenting different levels of site quality and potential forest productivity. The results show that: (1) the climatic episode 20032005 was highly detrimental to the growth (bole and branches), crown development, and cone production but favoured the production of male flowers; (2)these variables depend on climatic factors of both the current and previous years; (3) the 2003 scorching heat impact was strong but was mainly apparent from 2004; it was part of a 6-year-long unfavourable cycle beginning in 2000, characterized by high minimum and maximum temperatures and very dry springs;(4) in spite of a significant effect of site quality, the Scots pine's response to extreme climatic conditions was homogeneous in the French Mediterranean area; and (5) the stress induced by poor site conditions generally resulted in the same consequences for tree growth, architecture, and reproduction as in unfavourable climatic conditions.; Des événements climatiques exceptionnels de 2003 à 2005 (canicule et sécheresse) ont affecté la végétation dans la région de la Méditerranée française et en particulier le pin sylvestre (Pinus sylvestris L.), une des principales essences forestières de cette région. Pour comprendre sa réponse à ces conditions extrêmes, nous avons examiné sa croissance radiale, la croissance en longueur des branches, le développement architectural et la reproduction pendant la période 1995-2005 et avons relié ces variables avec les paramètres climatiques. Nous avons utilisé quatre placettes situées dans le sud-est de la France et présentant des niveaux différents de qualité stationnelle et de productivité forestière potentielle. Les résultats montrent que : (1) l'épisode climatique 2003-2005 était fortement néfaste à la croissance (tronc et branches), au développement du houppier et à la production de cônes, mais a favorisé la production de fleurs mâles; (2) ces variables dépendent des facteurs climatiques des années en cours et précédente; (3) l'impact de canicule 2003 était fort, mais était principalement apparent de 2004; il faisait partie d'un cycle défavorable de 6 ans commençant en 2000, caractérisé par des hautes températures minimales et maximales et des printemps très secs; (4) malgré un effet significatif de la qualité stationnelle, la réponse du pin sylvestre aux conditions climatiques extrêmes était homogène dans la zone méditerranéenne française; Et (5) le stress provoqué par de mauvaises conditions stationnelles avait généralement les mêmes conséquences pour la croissance , l'architecture et la reproduction du pin sylvestre que des conditions climatiques défavorables.

Interest about monitoring and predicting the evolution of forest resource has considerably increased these last years, notably to supervise and predict the impact of the growing anthropogenic pressures on forest ecosystems. These efforts require a better characterisation of the forest covers. Microwave remote sensing ("radar" remote sensing) appears as a powerful tool for these problems, considering the sensitivity of microwaves to the biophysical properties of the forests. However, retrieving variables of interest linked to forest covers, using current radar spatial sensors, is not sufficiently reliable. This thesis aims at carry on with previous works on radar remote sensing of forests, focusing on the potential of originals airborne sensors. This is, using an approach starting from the experimental analysis of the data, supported by theoretical modelling of microwave interaction with forest media, towards the development of semi-empirical retrieval algorithms. The two test-sites are composed of monospecific plantations of Maritime pine and Austrian pine. A great amount of forests measurements are available, and integrated, for one site, in a GIS. The first sensor under study is a helicopter borne, non-imaging, ranging scatterometer, HUTSCAT, which gives backscattering profiles inside tree canopy with a vertical resolution of 68 cm at two wavelengths (X-band : 3 cm and C-band : 5,6 cm). The second sensor is an imaging airborne SAR operating at VHF frequencies (20-90 MHz, wavelengths of 3 to 15 m). For the interpretation of the data, two models were used : a radiative transfer model (RT) simulating only the propagation of the energy, and a coherent model, describing the propagation of the electric field (both amplitude and phase of the microwave). These models require a precise description of the geometry of the trees, difficult to obtain through ground measurements, even more necessary when the task is to model high resolution remote sensing data. This precise description is given by the architectural plant model AMAP (Atelier de Modélisation Architectural de Plantes du CIRAD). Results of the experimental analysis of HUTSCAT show that the height of the trees can be estimated with an absolute accuracy of about 1 m. From these estimations, others variables of interest can also be retrieved : stem volume, site index. CARABAS radar backscattering coefficient is found to be closely related to forest variables in a large range of stem volume values : up to 900 m3/ha. The signal is strongly correlated to the trunks geometric characteristics (diameter, height, volume) and the relations of the backscatter versus stem volume appear to be very close between both sites. A strong dependence to the topography (slope) is also observed. For the derivation of biomass retrieval algorithms, it would be necessary to develop a semi- empirical correction. Interpretation of HUTSCAT vertical backscatter profiles requires a model that can accommodate the vertical variability of the canopy. The RT model, coupled with AMAP, is appropriate because it describes the vegetation as a superposition of horizontal and infinite layers. Results of simulation demonstrate that the infinite layers assumption is not valid at shallow incidence angles and a correction is proposed taking into account the shape of the tree crowns. From there, comparisons of simulated and experimental profiles show a good agreement. The model show that the needles are by far the main scatterers. These simulations prove, at centimetric wavelengths and for low incidence angles, that all the part of the canopy contribute to the signal measured by the sensor. Based on these conclusions, a retrieval algorithm of the foliage distribution within tree canopy is developed and validated using ground measurements. Theoretical study of CARABAS data is conduced using the coherent model in order to take into account coherent interactions between scattering mechanisms such as double bounce scatterings between the ground and the vegetation. For both species, result show that the trunk is the main scatterer and the branches contribute lowly to the total signal. The decrease of the backscatter as a function of the topography is explained by the loss of the preponderant scattering mechanism (bistatic trunk-ground reflection) as the slope increases. We conclude that for species presenting a trunk larger compared to all other vegetation elements (in terms of volume), as for the coniferous, the measured backscatter will be strongly correlated to the stem volume and little variation will be observed between species. These observations demonstrate that using metric wavelengths allow to diminish the impact of the tree species and the forest complexity. All the presented results show the interest and the complementarity of airborne sensors working at high resolution and at both edges of the radar spectra (X-band and VHF). Even if these sensors configurations cannot be applied to satellites in a near future due to technical difficulties, these data will be of great interest for forest managers to monitor and predict the evolutions of forest resource at local to regional scales.; Les préoccupations liées à l'estimation et au suivi de la ressource forestière se sont considérablement accrues ces dernières années, notamment afin de surveiller et de prévoir l'impact d'une pression anthropique croissante sur les écosystèmes forestiers. Ces efforts nécessitent une meilleure caractérisation des couverts forestiers. La télédétection micro-ondes active (télédétection " radar ") apparaît comme un outil adapté à ces préoccupations, par la sensibilité des ondes radar aux caractéristiques biophysiques des couverts. Pourtant, l'inversion de variables d'intérêts descriptives des couverts, à partir des capteurs radar spatiaux actuels, reste limitée. Cette thèse se propose de poursuivre les travaux menés dans le domaine de la télédétection radar appliquée à l'étude des forêts, en étudiant le potentiel de nouveaux capteurs radar aéroportés présentant des configurations originales. Une approche complète est mise en oeuvre, allant de l'analyse expérimentale, supportée par l'interprétation de modèles de diffusion électromagnétique des couverts forestiers, jusqu'au développement d'algorithmes d'inversions semi-empiriques. Les sites test sont deux plantations monospécifiques, de pin maritime et de pin noir d'Autriche, pour lesquelles de nombreuses données terrain sont disponibles, et intégrées dans un SIG pour la seconde forêt. Le premier capteur étudié est un diffusiomètre héliporté non-imageur, HUTSCAT, qui sonde le couvert à deux longueurs d'onde (bande X : 2,1 cm et bande C : 5,6 cm) et génère des profils verticaux de rétrodiffusion à une résolution verticale de 68 cm. Le second capteur, CASABAS, est un système imageur aéroporté SAR, travaillant aux fréquences VHF (20-90 MHz, longueurs d'onde de 3 à 15 mètres). Pour l'interprétation des données, deux types de modèles de diffusion électromagnétique sont utilisés : un modèle de transfert radiatif (RT) reposant sur une formulation énergétique où seule l'intensité du signal est simulée, et un modèle cohérent, simulant la propagation du champ électrique (amplitude et phase de l'onde). Ces modèles nécessitent une description géométrique précise du couvert, difficile à obtenir par des mesures terrain, d'autant plus nécessaire lorsque l'on désire modéliser des données haute résolution. Cette description fine est fournie par le modèle architectural AMAP (Atelier de Modélisation Architectural de Plantes du CIRAD). Les résultats expérimentaux obtenus avec HUTSCAT montrent que l'on peut estimer la hauteur des arbres avec une précision absolue de l'ordre du mètre. De ces estimations, d'autres variables d'intérêt peuvent être également obtenues : volume de bois sur pied, indice de fertilité local. Le coefficient de rétrodiffusion mesuré par CARABAS montre une forte sensibilité aux variables du couvert sans saturation sur des gammes de volume de bois sur pied allant jusqu'à 900 m3/ha. Le signal est fortement corrélé aux caractéristiques géométriques des fûts (diamètre, hauteur et volume) et les relations en fonction du volume de bois sur pied sont très proches entre les deux sites. Une forte dépendance du signal à la topographie est observée. Pour une inversion du signal en terrain accidenté, une correction semi-empirique de cet effet serait nécessaire. L'interprétation des profils verticaux fournis par HUTSCAT nécessite l'utilisation d'un modèle capable de prendre en compte la variabilité verticale du couvert. Le modèle RT, couplé à AMAP, s'avère approprié car il décrit les houppiers par une superposition de couches horizontales infinies. Les résultats de simulations montrent cependant la faiblesse de l'hypothèse des couches infinies, pour de faibles incidences, et une correction prenant en compte la forme des houppiers est introduite, pour reproduire correctement les profils expérimentaux. Le modèle montre que les aiguilles sont les principaux diffuseurs. Ces simulations prouvent qu'aux longueurs d'onde centimétriques toutes les parties du houppier contribuent à la réponse finale mesurée par le capteur. A partir de ces conclusions, un algorithme d'inversion visant à estimer la répartition de la biomasse foliaire à l'intérieur des houppiers est proposé et validé grâce à des mesures terrain. L'étude des données CARABAS nécessite d'utiliser le modèle cohérent afin de prendre en compte les interactions cohérentes entre les différents mécanismes de diffusion (réflexions bistatiques sol-végétation). Pour les deux espèces de conifères étudiées, le tronc est le principal diffuseur et les branches ne contribuent que faiblement. La sensibilité observée du signal à la topographie est expliquée par la chute de la réflexion dihédrale tronc-sol à mesure que la pente locale augmente. Il est conclu que pour des espèces présentant un tronc prédominant en terme de volume par rapport aux autres éléments du couvert, le signal sera fortement corrélé au volume de bois sur pied et peu variable d'une espèce à l'autre. Ces observations démontrent la possibilité de s'affranchir d'une grande partie de la variabilité du milieu et des effets de structure des arbres en utilisant des longueurs d'onde métriques. L'ensemble des résultats prouve l'intérêt et la complémentarité des capteurs haute résolution et travaillant aux deux extrémités du spectre (X et VHF) utilisé en télédétection radar pour l'étude des forêts. Si de telles configurations techniques sont actuellement inenvisageables à bord de satellites, ces données aéroportées peuvent néanmoins s'avérer d'un grand intérêt pour le suivi et une gestion fine de la ressource forestière.

Dans la seconde partie d’une étude consacrée à l’estimation de la production totale en volume du pin sylvestre en Margeride, des relations entre les caractéristiques des placettes utilisées ont été recherchées pour obtenir une expression du volume sur pied et de l’accroissement courant en volume des placettes qui pouvait convenir aux besoins de l’étude. Une relation liant l’accroissement courant en volume à l’âge, la hauteur et la surface terrière a ainsi été mise en évidence. En s’appuyant sur les courbes de croissance en hauteur issues de la première partie de l’étude, et sur une relation donnant la surface terrière des peuplements sur pied en fonction de la hauteur, l’expression de l’accroissement courant en volume a pu être intégrée en fonction de l’âge pour des classes de productivité données, conduisant ainsi à la production totale. De plus, pour avoir une meilleure idée du développement des peuplements, le nombre de tiges à l’hectare correspondant généralement à un âge, une hauteur, et une surface terrière donnée a pu être obtenue., In the second part of a study dedicated to the estimation of the gross volume yield of Scot pine in Margeride (an agricultural region of France), the relationships between the characteristics of studied stands were investigated to obtain an expression of the volume of the stands and of their current volume increment that could meet the initial needs. This led to a relation connecting the current volume increment to age, height, and basal area. Using height curves previously obtained in the first part of the study, and a relation expressing stand basal area as a function of height, the expression of current volume increment could have been integrated with respect to age for given site classes to have the corresponding gross volume yield. Adding to the knowledge of the dynamics of the stands, typical number of stems per hectare corresponding to given age, height and basal area could have been obtained.