Indices de végétation NDVI, NDRE, GNDVI : 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, agronomes et exploitations utilisent le NDVI, le NDRE et le GNDVI pour évaluer la santé des cultures sans parcourir chaque rang. Plusieurs analyses de l’ISMEA indiquent que l’adoption d’outils de télédétection dans les exploitations agricoles italiennes est en croissance constante, portée par la PAC 2023-2027 et par les éco-régimes qui récompensent la réduction des intrants. Ce guide technique explique ce que sont les indices de végétation, comment ils se calculent, où chacun d’eux est réellement pertinent et comment les transformer en décisions agronomiques concrètes pour la vigne, l’olivier, les vergers et les grandes cultures.

Fig.1 : Carte NDVI : le gradient de couleur met en évidence les zones à vigueur végétative différente, point de départ de tout 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 combinaison algébrique de la réflectance dans deux bandes spectrales ou plus ; il sert à estimer de façon non destructive des grandeurs 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 information agronomique lisible, aussi bien à l’échelle du rang qu’à celle de l’exploitation.

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

Réflectance spectrale : le principe physique de base

Les plantes réfléchissent, absorbent et transmettent la lumière de façon sélective. La chlorophylle absorbe fortement le rouge autour de 660 nm ainsi que le bleu, tandis que la structure cellulaire du mésophylle réfléchit des quantités élevées de rayonnement dans le proche infrarouge (NIR, 700-1300 nm). Une plante vigoureuse présente donc une faible réflectance dans le rouge et une réflectance élevée dans le NIR ; une plante stressée ou sénescente voit ce rapport se resserrer et les valeurs des indices baisser.

Tous les indices « Normalized Difference » exploitent cette propriété : ils mettent en relation une bande où la plante absorbe avec une bande où elle réfléchit fortement, en normalisant sur la somme pour obtenir une plage stable et comparable entre parcelles, saisons et capteurs.

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

Bande red edge et proche infrarouge

La red edge est la région de transition entre l’absorption dans le rouge et la forte réflectance dans le NIR, typiquement comprise entre 690 et 740 nm. C’est la zone du spectre la plus sensible aux petites variations de chlorophylle et d’azote foliaire, et c’est ce qui rend le NDRE un indice plus « réactif » que le NDVI dans les phases avancées du cycle cultural, lorsque la couverture foliaire est déjà complète.

Les capteurs multispectraux agricoles, qu’ils soient montés sur drone ou sur satellite comme Sentinel-2 du programme Copernicus, incluent au moins une bande red edge précisément pour dépasser les limites du seul NDVI. Pour approfondir la technologie, il est utile de partir des capteurs de drone et du choix des bandes disponibles.

NDVI : l’indice de végétation par différence normalisée

Le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) est l’indice de végétation par différence normalisée. Il fournit une valeur comprise entre -1 et +1 et représente la référence historique de la télédétection agricole, avec quatre décennies de littérature scientifique et une disponibilité sur tout capteur multispectral, du satellite gratuit Sentinel-2 aux caméras de précision embarquées sur drone.

La formule mathématique est : NDVI = (R_NIR − R_Rouge) / (R_NIR + R_Rouge), où R_NIR est la réflectance dans le proche infrarouge et R_Rouge 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. Les comparaisons crédibles se font entre zones d’un même champ, pour une même culture, au même stade phénologique, et non entre valeurs absolues de cultures différentes.

Quand utiliser le NDVI et ses limites

Le NDVI fonctionne très bien en phase de développement végétatif, sur des cultures extensives à couverture pas encore complète (céréales, maïs, soja, tournesol) et pour produire des cartes de vigueur à l’échelle de l’exploitation. Il présente toutefois deux limites opérationnelles bien documentées : la saturation lorsque le Leaf Area Index (LAI) dépasse environ 3 (typique des vignobles, des vergers matures, des céréales à maturité), c’est-à-dire quand la couverture foliaire est plutôt dense, et la sensibilité au sol nu dans les cultures clairsemées ou en phases initiales, avec sous-estimation de la vigueur réelle.

NDRE : la réponse à la limite de saturation

Le NDRE (Normalized Difference Red Edge) est un indice de végétation qui remplace la bande rouge par la bande red edge dans la formule classique : NDRE = (R_NIR − R_RedEdge) / (R_NIR + R_RedEdge). Il conserve sa sensibilité là où le NDVI sature, ce qui en fait l’indice de choix pour les frondaisons denses, les vignobles en pleine végétation, les vergers adultes et les céréales en épiaison.

Différences pratiques entre NDVI et NDRE

La distinction clé est la profondeur de lecture : la lumière rouge s’épuise dans les premières couches de feuilles, tandis que la red edge pénètre plus profondément dans la frondaison, atteignant les feuilles intermédiaires et basses. C’est pourquoi le NDRE répond mieux aux variations de chlorophylle et d’azote dans les frondaisons bien développées. En viticulture, par exemple, après la véraison, le NDVI fournit des cartes presque uniformes, tandis que le NDRE continue de distinguer des zones d’équilibre végéto-productif différent.

Fig.3 : Comparaison NDVI/NDRE sur la même parcelle : la carte NDRE conserve une variabilité interne même là où le NDVI sature.

Applications en viticulture et oléiculture

Dans les filières à forte valeur ajoutée, le NDRE soutient trois décisions opérationnelles : la vendange sélective (cartographier la vigueur à la véraison et répartir la récolte en lots homogènes), la gestion azotée (calibrer les apports de fertilisant sur des zones réellement différentes) et l’identification de stress localisés (carences, attaques parasitaires, problèmes racinaires). Les expériences documentées dans les études de cas et les travaux d’Agrobit sur les cartes et modèles au service des viticulteurs montrent comment la combinaison NDVI+NDRE améliore la qualité des choix opérationnels par rapport à la seule observation visuelle.

GNDVI, MCARI et TCARI/OSAVI : les indices de chlorophylle

Au-delà du duo NDVI/NDRE, il existe des indices plus spécifiques, construits 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 diagnostiques fins et sont souvent utilisés en combinaison pour interpréter l’état physiologique de la culture.

GNDVI : la sensibilité au vert

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

MCARI et TCARI/OSAVI : la chlorophylle sans interférence du sol

Le MCARI (Modified Chlorophyll Absorption Ratio Index) et le rapport TCARI/OSAVI sont des indices de chlorophylle conçus pour minimiser l’effet du sol nu et de la structure de la frondaison. Ils sont utiles dans les oliveraies, les vergers à grand écartement et dans les premières phases de développement des cultures annuelles, quand la couverture foliaire est partielle et que les indices « classiques » sont fortement affectés par l’arrière-plan.

CWSI et indices de stress hydrique

Lorsque la question est « combien d’eau manque à la culture », les indices de végétation classiques ne suffisent pas : il faut la bande thermique. Le CWSI (Crop Water Stress Index) compare la température de la frondaison à celle de l’air et à des températures de référence en conditions bien irriguées et de stress maximal, fournissant une valeur comprise entre 0 (pas de stress) et 1 (stress maximal). C’est l’indice central 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 les indices : smartphone, drone, satellite

Les indices de végétation peuvent être obtenus à partir de diverses plateformes numériques, chacune présentant un compromis entre coût, résolution et fréquence. Le choix dépend de la taille de l’exploitation, de la valeur unitaire de la culture et de la question agronomique posée.

• Satellite (Sentinel-2, Landsat) : gratuit, couverture mondiale, résolution de 10 à 30 m, revisite tous les 5 jours (hors couverture nuageuse). Idéal pour le suivi saisonnier à l’échelle du territoire et pour les céréales, mais limité par la couverture nuageuse et par la résolution sur les rangs des cultures arboricoles (forte présence de sol et d’inter-rang).
• Drone multispectral/thermique : résolution de 1 à 10 cm, à la demande, données de très haute qualité mais service professionnel. C’est la plateforme de référence pour les vignobles, les vergers, les oliveraies et pour les phases phénologiques précoces des cultures céréalières/maraîchères.
• Smartphone : résolution élevée à l’échelle de la plante, lecture ponctuelle via caméra RGB avec algorithmes, coût faible, fréquence quotidienne. Idéal pour le scouting agronomique et pour les petites et moyennes exploitations.

Dans l’écosystème Agrobit, les trois plateformes coexistent : les relevés par drone iDrone pour des cartes de haute précision, l’application iAgro pour le suivi par smartphone, intégrant également les données satellitaires Sentinel-2.

Traduire les indices en actions agronomiques concrètes

Une carte d’indice n’a de valeur que si elle se traduit en décision. Le flux opérationnel standard prévoit quatre étapes : acquisition de la donnée multispectrale, calcul de l’indice choisi, zonage en classes homogènes (généralement 2 à 5 zones de vigueur), traduction en carte de préconisation pour la machine opératrice. Les applications les plus fréquentes en Italie aujourd’hui sont au nombre de cinq.

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

Fertilisation différenciée et azote à dose variable

Dans les grandes cultures et les vergers, le zonage sur NDVI ou GNDVI permet de distribuer l’azote proportionnellement aux besoins réels de chaque zone. Plusieurs analyses de l’ISMEA indiquent des économies d’azote de l’ordre de 10 à 20 % sur les surfaces gérées à dose variable, avec une réduction de la lixiviation et des avantages en matière de conformité vis-à-vis des éco-régimes de la PAC 2023-2027 et de la directive nitrates.

Vendanges et récolte sélective

Sur les filières AOP et IGP, les cartes NDVI ou NDRE réalisées avant les vendanges permettent de diviser le vignoble en zones d’équilibre végéto-productif différent et de récolter séparément les raisins destinés à des lignes de produits différentes. À ce sujet, il est possible d’approfondir dans l’article suivant, où les avantages sont présentés sur un cas réel.

Protection phytosanitaire ciblée

L’identification d’anomalies localisées (foyers de maladie, attaques d’insectes, problèmes racinaires) permet d’intervenir uniquement là où c’est nécessaire. Combinée aux cartes de préconisation et aux drones pulvérisateurs, la protection sélective peut réduire l’usage de produits phytosanitaires, en cohérence avec les objectifs de la stratégie européenne Farm to Fork et du plan PNRR Agri 4.0.

Irrigation de précision

L’intégration entre les cartes CWSI issues de vols thermiques, les sondes d’humidité du sol et les stations météo locales permet de construire des plans d’irrigation zonaux. Particulièrement pertinent dans les régions soumises à un stress climatique croissant.

Reporting pour les filières certifiées

Les coopératives et les caves coopératives utilisent les archives historiques de cartes comme documentation technique pour les cahiers des charges AOP/IGP, les référentiels de durabilité (SQNPI, Equalitas, VIVA) et les bilans de durabilité d’entreprise, en cohérence avec la directive CSRD et le Green Deal européen.

Questions fréquentes sur les indices de végétation

Quelle est la différence entre NDVI et NDRE ?

Le NDVI utilise la bande rouge, le NDRE la bande red edge. La différence pratique réside dans la sensibilité : le NDVI sature sur les frondaisons denses (LAI supérieur à 3), tandis que le NDRE conserve une variabilité interne même à un stade avancé de développement. Pour les céréales avant épiaison, les vignobles en pleine végétation et les vergers adultes, le NDRE est presque toujours plus informatif.

Quel indice est le meilleur pour le vignoble ?

Il n’existe pas d’indice unique : dans les premières phases végétatives (jusqu’à la floraison), le NDVI est adapté ; après la nouaison, et surtout avant les vendanges, mieux vaut utiliser le NDRE pour éviter la saturation. Pour le stress hydrique contrôlé, en particulier sur les filières premium, le CWSI par bande thermique est irremplaçable. Dans tous les cas, il est toujours essentiel d’éliminer le sol et l’inter-rang avant de créer les cartes de zonage et de préconisation, afin d’éviter d’inclure des pixels qui ne relèvent pas de la seule frondaison, ce qui fausserait la valeur finale et pourrait même conduire à des faux positifs/négatifs.

Peut-on calculer les indices de végétation avec un smartphone ?

Oui, directement, seulement pour les indices basés sur les bandes visibles et avec des algorithmes de calibration propriétaires. Des applications DSS comme iAgro génèrent des cartes de vigueur (indice LAI) à partir de photos RGB et traitent aussi dans le cloud des indices issus des bandes Sentinel-2. La résolution et la précision sont inférieures à celles d’un relevé par drone multispectral, mais le rapport coût/bénéfice est excellent pour le scouting et les petites et moyennes exploitations.

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 de l’espèce, du stade phénologique, de la géographie et du capteur : 0,7 sur un vignoble en mai ne signifie pas la même chose que 0,7 sur une céréale en juillet. Les comparaisons crédibles se font entre zones d’une même exploitation lors du même vol, et non dans l’absolu.

À quelle fréquence faut-il mettre à jour une carte NDVI en cours de saison ?

Pour le suivi satellitaire Sentinel-2, la cadence naturelle est de 5 jours, réduite par la couverture nuageuse. Pour les relevés par drone sur les filières à forte valeur ajoutée, il est recommandé d’effectuer au moins 1 à 2 vols saisonniers aux stades phénologiques clés (nouaison, véraison, avant récolte), pouvant être augmentés à 6-8 dans des régimes expérimentaux ou de recherche.

Quelles réglementations incitent à l’usage des indices de végétation ?

Au niveau européen, la stratégie Farm to Fork du Green Deal vise -50 % de produits phytosanitaires et -20 % de fertilisants d’ici 2030 ; en Italie, la PAC 2023-2027, avec une conditionnalité renforcée et des éco-régimes, récompense les pratiques d’agriculture de précision. Le plan PNRR Agri 4.0 et les PSR régionaux financent le matériel, les logiciels et les services de télédétection.

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