Agronomie 17 (1997) 455-464
DOI: 10.1051/agro:19970903

Estimation of leaf water content and specific leaf weight from reflectance and transmittance measurements

F. Baret and T. Fourty

Station de bioclimatologie, Inra, site Agroparc, 84914 Avignon cedex 9, France

Abstract - Specific absorption coefficients for water and dry matter were estimated using a wide range of variation of fresh leaves. The coefficients were derived from the inversion of the PROSPECT leaf optical property model using reflectance and transmittance spectra measured over the 1 300-2 400-nm domain and the corresponding water content (g.cm ^-2) and specific leaf weight (mass of dry matter per unit leaf.area, g.cm^-2). Results show that the estimated values of the specific absorption coefficient for dry matter were not reliable in the strong water absorption bands, although there was agreement with previous studies in spectral regions where water contributed moderately to leaf absorption. We thus proposed to use the values derived by Fourty et al (1996) for dry leaves for the specific absorption coefficient of dry matter. Estimated values of the specific absorption coefficient of water were slightly higher than the values proposed by Curcio and Petty (1951) for pure water. We then investigated the possibility of estimating leaf water content and specific weight by inverting the PROSPECT model using concurrently or separately reflectance and/or transmittance spectra measured over fresh leaves and the specific absorption coefficients proposed by Fourty et al (1996) for dry matter, and Curcio and Petty (1951) for water. Results obtained on the training data set and on an independent data set show accurate and robust estimates of both water content (RMSE = 0.0025 g.cm^-2) and specific leaf weight (RMSE = 0.0016 g.cm^-2) when reflectance and transmittance were used concurrently. When either reflectance or transmittance measurements were used, the performances of water and dry matter content estimation decreased because of the relaxation of constraints in the inversion process. Possible applications of these results are discussed.

Résumé - Estimation du contenu en eau et de la masse sèche surfacique des feuilles à partir de spectres de réflectance et de transmittance. Les coefficients spécifiques de l'eau et de la matière sèche sont estimés en inversant le modèle Prospect de propriétés optiques des feuilles sur une collection variée de feuilles fraîches sur lesquelles les contenus en eau (g.cm ^-2), les masses sèches surfacique (masse de matière sèche par unité de surface de feuille, g.cm^-2) et les spectres de réflectance et transmittance dans le domaine 1 300-2 400 nm ont été mesurés. Les résultats montrent que les valeurs estimées du coefficient d'absorption spécifique de la matière sèche ne sont pas fiables dans les bandes de forte absorption par l'eau, alors qu'en dehors de ces bandes, un bon accord est observé avec les résultats antérieurs. Nous proposons donc d'utiliser les valeurs de coefficient spécifique d'absorption de Fourty et al (1996) calculées sur des feuilles sèches. Les valeurs estimées du coefficient spécifique d'absorption de l'eau sont légèrement surestimées par rapport aux valeurs proposées par Curcio et Petty (1951). Nous avons ensuite évalué la possibilité d'estimer le contenu en eau et la masse sèche surfacique en inversant le modèle Prospect en utilisant des spectres de réflectance et/ou de transmittance mesurés sur des feuilles fraîches, avec les coefficient spécifiques proposés par Fourty et al pour la matière sèche ou par Curcio et Petty pour l'eau. Les résultats obtenus sur le jeu d'apprentissage et un jeu de données indépendant montrent une bonne estimation du contenu en eau (RMSE = 0,0016 g.cm^-2) et de la masse surfacique sèche (RMSE = 0,0016 g.cm ^-2) quand la réflectance et la transmittance sont utilisées simultanément. En revanche, quand la réflectance ou la transmittance est utilisée seule, la précision des estimations diminue significativement du fait de la réduction des contraintes imposées au processus d'inversion. Les applications possibles de ces résultats sont discutées.

Key words: reflectance / transmittance / leaf / model inversion / specific absorption coefficient / water content / specific leaf weight

Mots clés : réflectance / transmittance / feuille / inversion de modèle / coefficient d'absorption spécifique / contenu en eau / masse sèche surfacique