Classification of peatland vegetation types using in situ hyperspectral measurements

International audienc

Novel spectral imaging instrumentation for environmental sensing in extreme environments

Spectral imaging techniques provide a valuable means of improving our understanding of the world around us. Environmental monitoring approaches that utilise these techniques are, therefore, essential to our understanding of the effects of climate change. Hyperspectral imaging applications are of particular benefit to a broad range of environmental monitoring scenarios, providing rich datasets that combine both spectral and spatial information, enabling intricate features and variations to be visualised. However, to date, most commercially available hyperspectral instrumentation remains bulky and expensive, significantly limiting their user-base and accessibility. These factors substantially limit the use of these instruments resulting in much of our information coming from a few well-resourced research teams across a limited number of more easily accessed field locations. These limitations, have a compounded effect on the quality and robustness of hyperspectral data outputs, particularly within more extreme settings, as the comparatively small sample of more accessible locations is not necessarily representative of the much larger whole. This thesis presents on the development and testing of three novel low-cost hyperspectral imaging instruments designed specifically for environmental monitoring applications, providing valuable, low-cost alternatives to currently available commercial systems. Specifically, the three instruments presented within this thesis are: a low-cost laboratory-based hyperspectral imager, a semi-portable instrument capable of accurate data capture within a laboratory setting; the Hyperspectral Smartphone, an ultra-low-cost smartphone-based fully portable hyperspectral imager; and a low-cost high-resolution hyperspectral imager capable of resolving mm-scale spatial targets. All instruments were rigorously tested to analyse and evaluate their performances. Each instrument was shown to perform well across a range of environmental monitoring applications demonstrating that expensive commercial instrumentation is not required to achieve accurate and robust hyperspectral imaging. These low-cost instruments could promote the widespread dissemination of accessible hyperspectral imaging equipment, facilitating the democratisation of hyperspectral measurement modalities across environmental monitoring applications and beyond

Transfert de carbone organique des tourbières vers les eaux de surfaces : quantification, identification des mécanismes de contrôles et détermination de l'influence des activités anthropiques locales

Les tourbières sont des zones humides qui ne couvrent que 3% des surfaces émergées mais qui sont très riches en matière organique. A la croisée des cycles du carbone et de l’eau, elles stockeraient près de 20 % du carbone organique des sols de la planète et par conséquent elles sont considérées comme des sources importantes dans le transfert de carbone organique vers les eaux de surface. Dans les bassins versants de montagne, les tourbières ne représentent qu’une faible proportion de la couverture paysagère et sont sujettes à l’influence d’activités anthropiques locales. Jusqu’à présent les conditions climatiques et d’accessibilité des zones montagneuses ont limité les études biogéochimiques dans les tourbières de montagne, mais de récentes avancées technologiques optiques permettent dorénavant de mesurer les concentrations de carbone organique in situ et à haute fréquence dans les ruisseaux drainant ces écosystèmes. Cette thèse a pour objectif de quantifier et d’identifier les mécanismes qui régissent le transfert de matière organique des tourbières vers les eaux de surface dans des bassins versants de montagne faisant l’objet d’activités anthropiques contemporaines. Pour cela deux tourbières situées dans les Pyrénées françaises ont été instrumentées et ont fait l’objet d’un suivi haute fréquence (30 min) sur plus de deux cycles hydrologiques. En premier lieu, ces travaux ont permis d’isoler le contrôle prédominant des crues dans les exports de matière organique des tourbières ainsi que la proportion majoritaire de la forme dissoute du carbone organique (COD) dans les exports. En fonction des cycles hydrologiques, les flux spécifiques de COD des tourbières de montagne sont très variables [16.1 ; 35.9] g.m².an-1 mais correspondent aux gammes observées pour les tourbières des plaines septentrionales. Ces mêmes flux placent les tourbières comme sources majoritaires de COD (>63%) en tête de bassin versant. Dans un second temps, l’analyse des pics observés sur les séries temporelles de concentration de COD a montré que, contrairement aux exports, la variabilité des concentrations aux exutoires des tourbières n’est pas contrôlée par le débit, mais par la température du sol et les battements de nappe phréatique. Calculés à partir des relevés piézométriques, des temps de récession hydrologiques permettent d’appréhender plus justement ces variabilités dans les modèles de concentration de COD ainsi que d’apprécier l’hétérogénéité hydrologique des tourbières. La troisième phase illustre la difficulté de séparer influence climatique et anthropique dans les exports de carbone organique des tourbières suite à deux évènements anthropiques, intervenus sur les sites d’études pyrénéens : un brulis et une coupe forestière. En complément une revue bibliographique à l’échelle mondiale rapporte cependant des flux de COD 30% plus importants à l’exutoire de tourbières influencées par des pratiques anthropiques. Ces travaux soulignent le besoin de disperser l’instrumentation haute fréquence sur davantage de tourbières afin de déterminer plus justement leur rôle dans le cycle du carbone global. L’ensemble des résultats confirme l’importance des exports de carbone organique dans le bilan carbone des tourbières mais également l’importance des tourbières dans l’hydrochimie des eaux de surface, notamment dans les zones anthropisée