Indices de végétation NDVI, NDRE, GNDVI : un guide technique complet

Introduction

Les indices de végétation sont désormais le langage commun de l’agriculture de précision italienne : du vignoble du Chianti à l’oliveraie des Pouilles, les agronomes et les entreprises utilisent le NDVI, le NDRE et le GNDVI pour évaluer l’état des cultures sans avoir à parcourir chaque rangée. Diverses analyses de l’ISMEA indiquent que l’adoption d’outils de télédétection dans les exploitations agricoles italiennes ne cesse de croître, sous l’impulsion de la PAC 2023-2027 et des éco-régimes qui récompensent la réduction des intrants. Ce guide technique explique ce que sont les indices de végétation, comment ils sont calculés, où chacun d’entre eux est réellement rentable et comment les transformer en décisions agronomiques concrètes sur les vignes, les oliviers, les vergers et les cultures arables.

Fig.1 : Carte NDVI : le gradient de couleur met en évidence les zones de vigueur différente de la végétation, point de départ de chaque indice de végétation.

Que sont les indices de végétation et à quoi servent-ils ?

Un indice de végétation est un nombre sans dimension calculé comme une combinaison algébrique de la réflectance dans deux bandes spectrales ou plus. Il est utilisé pour estimer de manière non destructive des quantités biophysiques telles que la vigueur, la teneur en chlorophylle, la biomasse et le stress hydrique. C’est le moyen le plus rapide de transformer une image multispectrale en informations agronomiques lisibles, tant à l’échelle de la ligne qu’à celle du district.

L’utilisation des indices de végétation repose sur trois familles d’applications distinctes. La première est le diagnostic: comprendre où la culture pousse bien et où elle ne pousse pas, identifier les premiers foyers de maladie, cartographier les carences nutritionnelles. La deuxième est la prescription: transformer la carte en zones homogènes pour la fertilisation, l’irrigation, les traitements, la récolte ou la récolte sélective. La troisième est le suivi dans le temps: comparer la même culture au cours de saisons successives ou tout au long de la saison en cours pour évaluer l’effet des pratiques agronomiques et des conditions climatiques.

Réflexion spectrale : le principe physique sous-jacent

Les plantes réfléchissent, absorbent et transmettent la lumière de manière sélective. La chlorophylle absorbe fortement dans le rouge autour de 660 nm et dans le bleu, tandis que la structure cellulaire du mésophylle réfléchit de grandes quantités de rayonnement dans leproche infrarouge (NIR, 700-1300 nm). Une plante vigoureuse présente donc une faible réflectance dans le rouge et une forte réflectance dans le proche infrarouge ; une plante stressée ou sénescente voit le rapport se rapprocher et les valeurs de l’indice chuter.

Tous les indices de "différence normalisée" exploitent cette propriété : ils mettent en relation une bande où la plante absorbe et une bande où elle réfléchit beaucoup, en normalisant sur la somme pour obtenir une gamme stable et comparable entre les parcelles, les saisons et les capteurs.

Fig.2 : Signature spectrale (ou courbe de réflectance) de la végétation.

Bord rouge et bande infrarouge proche

Le bord rouge est la région de transition entre l’absorption dans le rouge et la réflectance élevée dans le proche infrarouge, généralement entre 690 et 740 nm. C’est la zone du spectre la plus sensible aux petites variations de la chlorophylle et de l’azote des feuilles et c’est ce qui fait du NDRE un indice plus "nerveux" que le NDVI dans les derniers stades du cycle de culture, lorsque la couverture foliaire est déjà complète.

Les capteurs agricoles multispectraux, qu’il s’agisse de drones ou de satellites tels que Sentinel-2 du programme Copernicus, comprennent au moins une bande rouge, précisément pour surmonter les limites de la seule NDVI. Pour approfondir la technologie, il est utile de commencer par les capteurs de drone et le choix des bandes disponibles.

NDVI : indice différentiel de végétation normalisé

LeNDVI (Normalised Difference Vegetation Index) est l’indice de végétation normalisé. Il renvoie une valeur comprise entre -1 et +1 et représente la référence historique de la télédétection agricole, avec quatre décennies de littérature scientifique derrière lui et une disponibilité sur n’importe quel capteur multispectral, du satellite gratuit Sentinel-2 aux caméras de précision des drones.

La formule mathématique est la suivante : NDVI = (R_NIR – R_RED) / (R_NIR + R_RED), où R_NIR est la réflectance dans le proche infrarouge et R_RED la réflectance dans le rouge visible. Les seuils d’interprétation typiques sont les suivants :

• NDVI < 0: eau, neige, nuages.
• 0 – 0,2: sol nu, roche, surfaces artificielles.
• 0,2 – 0,4: végétation clairsemée ou stressée.
• 0,4 – 0,6: végétation modérée, cultures en développement.
• 0,6 – 0,8: végétation saine et dense.
• 0,8 – 0,9: vigueur maximale, couverture complète.

Un NDVI de 0,7 indique une culture saine avec une bonne couverture foliaire et une activité photosynthétique élevée, mais l’interprétation absolue dépend toujours de l’espèce, du stade phénologique, de la géographie et du capteur. Des comparaisons crédibles sont effectuées entre des zones d’un même champ avec la même culture au même stade phénologique, et non entre des valeurs absolues sur des cultures différentes.

Quand utiliser le NDVI et ses limites

Le NDVI fonctionne très bien dans la phase de développement végétatif, sur les cultures extensives dont la couverture n’est pas encore complète (céréales, maïs, soja, tournesol) et pour produire des cartes de vigueur à l’échelle de l’exploitation. Cependant, il présente deux limites opérationnelles bien documentées : la saturation lorsque l’indice de surface foliaire (LAI) dépasse environ 3 (typique des vignobles, des vergers matures, des céréales en cours de maturation), c’est-à-dire lorsque la couverture foliaire est assez dense, et la sensibilité au sol nu dans les cultures clairsemées ou dans les premiers stades, avec des sous-estimations de la vigueur réelle.

NDRE : la réponse à la limite de la saturation

LeNDRE (Normalized Difference Red Edge) est un indice de végétation qui remplace la bande rouge par la bande rouge dans la formule classique : NDRE = (R_NIR – R_RedEdge) / (R_NIR + R_RedEdge). Il conserve sa sensibilité là où le NDVI sature et est donc l’indice de choix pour les couverts végétaux denses, les vignes en pleine végétation, les vergers matures et les céréales en épi.

Différences pratiques entre NDVI et NDRE

La distinction essentielle réside dans la profondeur de lecture : la lumière rouge est épuisée dans les premières couches de feuilles, tandis que le bord rouge pénètre plus profondément dans la canopée, atteignant les feuilles moyennes et inférieures. C’est pourquoi le NDRE réagit mieux aux changements de chlorophylle et d’azote dans les canopées bien développées. En viticulture, par exemple, après la véraison, le NDVI renvoie des cartes presque uniformes, tandis que le NDRE continue à distinguer les zones présentant un équilibre végétatif-productif différent.

Fig.3 : Comparaison NDVI/NDRE sur la même parcelle : la carte NDRE préserve la variabilité interne même lorsque le NDVI sature.

Applications dans la viticulture et l’oléiculture

Dans les chaînes d’approvisionnement à haute valeur ajoutée, le NDRE soutient trois décisions opérationnelles : la récolte sélective (cartographie de la vigueur à la véraison et subdivision de la récolte en lots homogènes), la gestion de l’azote (calibrage des interventions de fertilisation sur des zones véritablement différentes) et l’identification des stress localisés (carences, attaques de ravageurs, problèmes racinaires). Expériences documentées dans les études de cas et les travaux d’Agrobit sur cartes et modèles pour aider les viticulteurs montrent comment la combinaison NDVI+NDRE améliore la qualité des choix opérationnels par rapport aux données visuelles seules.

GNDVI, MCARI et TCARI/OSAVI : indices de chlorophylle

Outre le duo NDVI/NDRE, il existe des indices plus spécifiques, conçus pour isoler des contributions spectrales précises et réduire le bruit du sol ou de la couverture foliaire. Les principaux sont le GNDVI, le MCARI et le rapport TCARI/OSAVI : ils répondent à des besoins de diagnostic précis et sont souvent utilisés en combinaison pour interpréter l’état physiologique de la culture.

GNDVI : sensibilité au vert

Le GNDVI (Green NDVI) remplace la bande rouge par la bande verte : GNDVI = (R_NIR – R_Green) / (R_NIR + R_Green). Il est davantage corrélé à la concentration en chlorophylle foliaire que le NDVI classique et convient donc à la lecture des états nutritionnels, en particulier des carences en azote à des stades avancés. Des études montrent une bonne corrélation entre le NDVI et la teneur en azote foliaire sur les céréales à paille et le maïs.

MCARI et TCARI/OSAVI : chlorophylle sans perturbation du sol

LeMCARI (Modified Chlorophyll Absorption Ratio Index) et le TCARI/OSAVI sont des indices de chlorophylle conçus pour minimiser l’effet du sol nu et de la structure de la canopée. Ils sont utiles dans les oliveraies, les grands vergers et aux premiers stades de développement des cultures annuelles, lorsque la couverture foliaire est partielle et que les indices "classiques" sont fortement influencés par l’arrière-plan.

CWSI et indices de stress hydrique

Lorsque la question est de savoir combien d’eau manque à la culture, les indices de végétation classiques ne suffisent pas : la bande de température est nécessaire. Le CWSI (Crop Water Stress Index) compare la température du couvert végétal à celle de l’air et à des températures de référence en cas de bonne irrigation et de stress maximal, ce qui donne une valeur comprise entre 0 (pas de stress) et 1 (stress maximal). C’est l’indice cardinal de l’irrigation de précision, particulièrement utile dans les oliveraies et les vignobles où le déficit hydrique contrôlé est un levier de qualité.

Comment acquérir des indices : smartphone, drone, satellite

Les indices de végétation peuvent être obtenus à partir de différentes plates-formes numériques, chacune offrant un compromis entre le coût, la résolution et la fréquence. Le choix dépend de la taille de l’exploitation, de la valeur unitaire de la culture et de la demande agronomique.

• Satellite (Sentinel-2, Landsat): gratuit, couverture mondiale, résolution de 10-30 m, revisite de 5 jours (en l’absence de nuages). Idéal pour le suivi saisonnier à l’échelle de la parcelle et de la céréale, mais limité par la couverture nuageuse et la résolution sur les rangs dans les cultures arboricoles (forte présence de sol et inter-rangs).
• Drone multispectral/thermique: résolution de 1 à 10 cm, à la demande, données de la plus haute qualité et service professionnel. C’est la plateforme de choix pour les vignobles, les vergers, les oliveraies et pour les stades phénologiques précoces des cultures céréalières/horticoles.
• Smartphone : haute résolution au niveau de la plante, lecture de points via une caméra RVB avec algorithmes, faible coût, fréquence quotidienne. Idéal pour le dépistage agronomique et les petites et moyennes exploitations.

Trois plateformes coexistent dans l’écosystème Agrobit : enquêtes par drone iDrone pour des cartes de haute précision, l’application iAgro pour le suivi sur smartphone, mais aussi l’intégration des données satellitaires Sentinel-2.

Traduire les indices en actions agronomiques concrètes

Une carte d’indice n’a de valeur que si elle devient une décision. Le processus opérationnel standard comprend quatre étapes : acquisition des données multispectrales, calcul de l’indice choisi, zonage en classes homogènes (typiquement 2 à 5 zones de vigueur), traduction en une carte de prescription pour la machine d’exploitation. Les applications les plus fréquentes en Italie aujourd’hui sont au nombre de cinq.

Fig.4 : De la carte à l’action : lire les NDVI, NDRE et GNDVI sur le terrain, c’est les traduire en opérations culturales concrètes.

Fertilisation différenciée et azote à doses variables

Dans les cultures arables et les vergers, le zonage sur la base du NDVI ou du GNDVI permet de répartir l’azote proportionnellement aux besoins réels de chaque zone. Diverses analyses de l’ISMEA indiquent des économies d’azote de l’ordre de 10 à 20 % sur les surfaces gérées à des taux variables, avec une réduction du lessivage et des avantages en termes de conformité avec les éco-régimes de la PAC 2023-2027 et la directive sur les nitrates.

Récolte et récolte sélective

Sur les lignes AOP et IGP, les cartes NDVI ou NDRE avant récolte permettent de diviser le vignoble en zones d’équilibre végétatif-productif différent et de récolter séparément les raisins destinés aux différentes lignes de produits. À ce sujet, vous pouvez consulter l’article suivant article où vous pouvez voir les avantages dans un cas réel.

Lutte ciblée contre les parasites

L’identification d’anomalies localisées (foyers de maladies, attaques d’insectes, problèmes de racines) permet d’intervenir uniquement là où c’est nécessaire. Combiné à des cartes de prescription et à des drones pulvérisateursla lutte sélective permet de réduire l’utilisation des pesticides, conformément aux objectifs de la stratégie européenne Farm to Fork et du PNR Agri 4.0.

Irrigation de précision

L’intégration des cartes CWSI issues des vols thermiques, des sondes d’humidité du sol et des stations météorologiques locales permet d’établir des plans d’irrigation par zone. Cette méthode est particulièrement utile dans les régions où les contraintes climatiques sont de plus en plus fortes.

Rapports pour les chaînes d’approvisionnement certifiées

Les coopératives et les caves sociales utilisent les archives des cartes historiques comme documentation technique pour les spécifications des AOP/IGP, les programmes de durabilité (SQNPI, Equalitas, VIVA) et les rapports de durabilité des entreprises, conformément à la directive CSRD et au Green Deal européen.

Questions fréquemment posées sur les indices de végétation

Quelle est la différence entre NDVI et NDRE ?

Le NDVI utilise la bande rouge, le NDRE la bande rouge périphérique. La différence pratique réside dans la sensibilité : le NDVI sature sur les couverts denses (LAI supérieur à 3), tandis que le NDRE conserve une variabilité interne même à un stade de développement avancé. Pour les céréales en pré-semis, les vignes en pleine végétation et les vergers matures, la NDRE est presque toujours plus informative.

Quel indice est le meilleur pour le vignoble ?

Il n’existe pas d’indice unique : au cours des premiers stades végétatifs (jusqu’à la floraison), le NDVI est adéquat ; après la nouaison et surtout avant la récolte, le NDRE est approprié pour éviter la saturation. Pour le contrôle du stress hydrique, en particulier sur les cultures de qualité supérieure, l’indice CWSI de la bande thermique est irremplaçable. Cependant, il est toujours essentiel d’éliminer le sol et l’inter-rang avant de procéder à la création des cartes de zonage et de prescription, afin d’éviter d’inclure des pixels qui ne font pas partie de la canopée et qui fausseraient donc la valeur finale, ce qui entraînerait de faux positifs/négatifs.

Les indices de végétation peuvent-ils être calculés à l’aide d’un smartphone ?

Oui, en mode direct uniquement pour les indices basés sur les bandes visibles et avec des algorithmes de calibration propriétaires. Les applications DSS telles que iAgro génèrent des cartes de vigueur (indice LAI) à partir de photos RVB et traitent également les indices des bandes Sentinel-2 dans le nuage. La résolution et la précision sont inférieures à celles d’un relevé multispectral par drone, mais le rapport coût/bénéfice est très bon pour le dépistage et les petites et moyennes entreprises.

Que signifie un NDVI de 0,7 ?

Il indique une culture saine avec une bonne couverture foliaire et une activité photosynthétique élevée. L’interprétation exacte dépend des espèces, de la phase phénologique, de la géographie et du capteur : 0,7 dans un vignoble en mai n’a pas la même signification que 0,7 dans une céréale en juillet. Les comparaisons crédibles se font entre les zones d’une même exploitation au cours d’un même vol, et non en termes absolus.

À quelle fréquence une carte NDVI doit-elle être mise à jour au cours de la saison ?

Pour la surveillance par satellite Sentinel-2, la cadence naturelle est de 5 jours, réduite par la couverture nuageuse. Pour les enquêtes par drone sur les chaînes de valeur élevées, il est recommandé d’effectuer au moins 1 à 2 vols saisonniers aux stades phénologiques clés (nouaison, véraison, pré-récolte), ce nombre pouvant être porté à 6 à 8 dans le cadre de régimes expérimentaux ou de recherche.

Quelles sont les réglementations qui encouragent l’utilisation d’indices de végétation ?

Au niveau européen, la stratégie Farm to Fork du Green Deal vise à réduire de 50 % les pesticides et de 20 % les engrais d’ici 2030 ; en Italie, la PAC 2023-2027, qui prévoit un renforcement de l’écoconditionnalité et des écoschémas, récompense les pratiques agricoles de précision. Le PNRR Agri 4.0 et les PDR régionaux financent du matériel, des logiciels et des services de télédétection.

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