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© 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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Sous la direction de Ferdinand BONN
1994 Presses de l’Université du Québec 2875, boul. Laurier, Sainte-Foy (Québec) G1V 2M3
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Données de catalogage avant publication (Canada) Vedette principale au titre : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone Comprend des réf. bibliogr. ISBN 2-7605-0704-1 1. Environnement — Surveillance — Télédétection. 2. Ressources naturelles — Gestion — Télédétection. 3. Aménagement du territoire — Télédétection. 4. Sol, Utilisation du — Télédétection. 5. Inventaires de la végétation – Télédétection. 6. Inventaires forestiers — Télédétection. I. Bonn, F. (Ferdinand), 1943GE45.R44T64 1994
628.5’028’7
C94-941409-3
Révision linguistique : Gislaine BARRETTE Photo couverture : Image METEOSAT combinant des canaux dans le visible et l’infrarouge thermique. Gracieuseté du LERTS, Toulouse, France. Mise en pages : TYPO LITHO COMPOSITION INC.
ISBN 2-7605-0704-1 Tous droits de reproduction, de traduction et d’adaptation réservés © 1994 Presses de l’Université du Québec e
Dépôt légal — 3 trimestre 1994 Bibliothèque nationale du Québec Bibliothèque nationale du Canada Imprimé au Canada
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TABLE DES MATIÈRES
AVANT-PROPOS
L’observation de la terre : une démarche conjointe de la solidarité et de la coopération francophones Jean-Louis Roy
XI
PRÉFACE
Madame Sheila Copps
XIII
PRÉFACE
Monsieur Jean Charest
XV
INTRODUCTION
Ferdinand Bonn Directeur, Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke
1
PARTIE 1
LES SOLS
19
Chapitre 1
Utilisation de la télédétection spatiale dans l’étude et l’inventaire des sols en zone semi-aride Abdelaziz Merzouk
21
Chapitre 2
L’apport de la télédétection à l’étude des modelés éoliens du Niger méridional Salifou Karimoune et André Ozer
31
Chapitre 3
Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives André Chanzy, Patrick Bertuzzi et Laurent Bruckler
55
Chapitre 4
Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à 75 l’érosion hydrique Ferdinand Bonn, Linda Cyr, Hassan Anys et Hédia Chakroun
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VIII
Table des matières
PARTIE II
L’EAU, LES MILIEUX HUMIDES ET LES LITTORAUX
99
Chapitre 5
Les tourbières au Québec : une ressource importante à connaître et à protéger Chantal Seuthé et Pierre Buteau
101
Chapitre 6
Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent 113 par télédétection aéroportée Marcelle Grenier, Marie-Catherine Mouchot, Guy Létourneau et Michel Melançon
Chapitre 7
La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes Elizabeth Lambert
Chapitre 8
Étude par télédétection de l’évolution de l’environnement 147 périlagunaire en Côte-d’Ivoire N’Guessan Kouakou E., Orega Youpo et Mamadou Fofana
PARTIE III
LA VÉGÉTATION FORESTIÈRE
Chapitre 9
Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol 163 en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture M. Diane Thompson, Bertin Goze Bénié et Robert V. Dams
Chapitre 10
L’imagerie LANDSAT/TM pour la surveillance de la défoliation du conifère Jean Beaubien
129
161
181
Chapitre 11
Le suivi spectral du dépérissement des érables Colette Ansseau et Catherine Palmier
Chapitre 12
Suivi de la végétation forestière dense humide en Afrique 211 de l’Ouest par télédétection spatiale Frédéric Achard, Nadine Laporte et François Blasco
Chapitre 13
Les applications du radar en milieu forestier AnnickJaton et Keith P.B. Thomson
229
Chapitre 14
Évaluation et suivi de la végétation ligneuse en région tropicale sèche (Burkina Faso) Pierre Defourny
247
PARTIE IV
LA VÉGÉTATION HERBACÉE ET L’AGRICULTURE
265
Chapitre 15
Le suivi des feux de brousse au Sénégal par télédétection 267 Racine Kane, Sindre Langaas et Yves Prévost
Chapitre 16
Télédétection et suivi des productions agricoles en Afrique 275 de l’Ouest Étienne Bartholomé
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193
Table des matières
PARTIE V
IX
L’ATMOSPHÈRE ET LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES
303
Chapitre 17
Impact des changements de l’environnement global 305 sur la forêt boréale au Québec Alain Royer, Colette Ansseau, Alain Viau, Andrée Thériault, Ferdinand Bonn, Norman T. O’Neill, Hardy B. Granberg, Bhawan Singh, Peter Schuepp, Jean Beaubien et Josef Cihlar
Chapitre 18
L’image satellitaire infrarouge thermique : un apport à la climatologie régionale Mario Hinse et Ferdinand Bonn
Chapitre 19
Suivi des conditions hydriques à l’échelle régionale 347 à partir des données satellitaires dans l’infrarouge thermique Mustapha Savane, Bernard Seguin et Bernard Guillot
Chapitre 20
Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale 359 par télédétection thermographique et anémographique Gilles-H. Lemieux, Suzie Perron, Majella-J. Gauthier et René Verreault
Chapitre 21
GÉOSCOPE : une encyclopédie numérique des changements planétaires Réjean Simard
PARTIE VI
LES INTERVENTIONS HUMAINES SUR LE MILIEU : 393 L’AMÉNAGEMENTET LA GESTION DES RESSOURCES
Chapitre 22
Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne Lambert Rivard, Anthony M. Turner, Robert A. Ryerson et Pierre Vincent
Chapitre 23
Apport de la télédétection dans un projet d’aménagement 419 des terroirs Dallol Bosso (Niger) Michel Yergeau, Robert St-Arnaud et Idé Sana
Chapitre 24
La télédétection satellitaire : un outil pour l’aménagement 433 agricole et les études d’impact environnemental dans le delta du fleuve Rouge (Viêt-Nam) Xuan Dao Nguyen, Van Cu Pham, Michel Bruneau, Thuy LeToan, Gérard Maire, Nicole Plate/ et Pierre Usselmann
Chapitre 25
Intégration de données multisources pour la gestion des ressources en eau au Sahel Michel Yergeau, Christian Prévost, Bertin Goze Bénié et Ferdinand Bonn
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331
383
395
457
X
Table des matières
Chapitre 26
La restauration des rivières à saumons et la photointerprétation Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin
479
SIGLES ET ABRÉVIATIONS
503
LISTE DES AUTEURS
507
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX
517
LISTE DES PLANCHES COULEURS
529
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AVANT-PROPOS L’OBSERVATION DE LA TERRE : UNE DÉMARCHE CONJOINTE DE LA SOLIDARITÉ ET DE LA COOPÉRATION FRANCOPHONES
Réunis en avril 1991 à Tunis, les ministres chargés de l’environnement dans les pays ayant en commun l’usage du français ont, dans une déclaration politique et dans le respect de leurs diversités culturelles, exprimé leurs convergences autour des questions pressantes sur la paix, le développement durable et l’avenir de la famille humaine. Ils ont clairement identifié les priorités d’action pour leur coopération dans les cinq années à venir. Ce n’est pas un hasard si parmi les préoccupations majeures de ce plan d’action figurent les outils d’observation, de diagnostic et de modélisation de l’environnement que constituent la télédétection et les systèmes d’information géographique. Ces outils permettent de comprendre l’évolution de notre planète et de ses écosystèmes régionaux en apportant une vision macros-copique, systémique et globale des interactions entre les composantes du milieu, dans leurs dimensions spatiales et temporelles. Ils ont également permis le développement de projets importants où les expertises des scientifiques francophones du Nord comme du Sud ont pu se compléter réciproquement dans une approche par problèmes et études de cas, avec une démarche scientifique dont la qualité répond aux critères internationaux les plus exigeants.
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Avant-propos
XII
Je suis donc heureux que l’Agence de coopération culturelle et technique ait contribué à la parution de cet ouvrage de qualité qui présente un aperçu de plusieurs projets où la télédétection et les outils d’information géographique ont pu contribuer à la compréhension et à une meilleure gestion d’un environnement en pleine évolution dans l’espace francophone.
Jean-Louis Roy Secrétaire général de I’ACCT
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PRÉFACE DE MADAME SHEILA COPPS
L’évolution du Canada a toujours été marquée par un rapport étroit avec la nature. Parce qu’ils occupent un vaste territoire, qu’ils possèdent les plus importantes réserves d’eau douce au monde et que leurs richesses naturelles ont été le fondement de leur prospérité, les Canadiens savent que leur qualité de vie est liée à la conservation de leurs ressources et à la protection de leurs écosystèmes. C’est pourquoi ils attendent de leur pays qu’il soit un chef de file mondial dans la protection de l’environnement et la réalisation du développement durable. La publication de Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone traduit et prolonge ce leadership. Dans cet ouvrage de haut niveau, M. Ferdinand Bonn ouvre de nouvelles perspectives pour la réalisation du développement durable et élargit l’expertise exceptionnelle du Canada dans le domaine des technologies environnementales. Les possibilités offertes par la télédétection confirment l’importance croissante de la dimension scientifique et technique dans la protection de l’environnement, importance dont témoignent les progrès constants et remarquables réalisés par l’industrie environnementale au Canada et ailleurs dans le monde. La télédétection s’inscrit également dans la solide tradition canadienne d’innovation qui nous a donné, notamment, le bras
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XIV
Préface de Madame Sheila Copps
canadien de la navette spatiale et de nombreux satellites de télécommunications. Nul doute que les efforts de recherche en télédétection seront une source de croissance et de création d’emplois dans l’ensemble de ce secteur si important pour l’économie canadienne. Le Canada est très heureux que les institutions liées à la francophonie mondiale aient contribué à la publication de cet ouvrage. C’est un signe du dynamisme constant de la francophonie dans les secteurs d’avenir. Pour demeurer vivante et florissante, la langue française doit continuer d’exprimer la modernité et le progrès. Cet ouvrage offre un indice parmi beaucoup d’autres de la volonté du Canada de relever ce défi de façon constante et concrète, par le soutien direct de travaux de recherche comme par sa participation active aux institutions de la francophonie. Dans la foulée de son engagement renouvelé envers le développement durable et la francophonie mondiale, Environnement Canada s’associe donc avec un grand plaisir à la publication de cet ouvrage.
Sheila Copps Vice-première ministre du Canada et ministre de l’Environnement
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PRÉFACE DE MONSIEUR JEAN CHAREST
D’une superficie de près de dix millions de kilomètres carrés, le Canada forme une grande partie de l’hémisphère nord et renferme quelques-uns des plus importants écosystèmes de la planète, dont la forêt boréale, les Prairies et l’Arctique. Détenteur des plus grandes réserves d’eau douce, il possède également le littoral le plus long de tous les pays du monde. Pour ces raisons et parce que son économie repose principalement sur l’exploitation judicieuse de ses ressources et la qualité de son milieu naturel, le Canada s’intéresse depuis longtemps aux questions de l’environnement. En décembre 1990, le gouvernement canadien s’est doté d’un plan de six ans, de plus de trois milliards de dollars qui établit des objectifs environnementaux importants et audacieux. Le Plan vert du Canada vise à protéger nos ressources, notre environnement et à améliorer notre qualité de vie en dotant le Canada des politiques et des outils nécessaires pour encourager le développement durable de notre pays. Le Canada reconnaît, en outre, que la responsabilité de l’environnement dépasse largement ses frontières et que toute modification profonde de son milieu a des répercussions planétaires. La forêt boréale, par exemple, est le plus grand assimilateur de dioxyde de carbone du monde après la forêt amazonienne, et son rôle de régulateur de l’effet de serre mondial dépend en grande partie des politiques de conservation du milieu élaborées au pays
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XVI
Préface de Monsieur Jean Charest
même. Il reste certes encore beaucoup à faire en matière de protection de l’environnement, mais les orientations adoptées depuis quelques années par les ministères fédéral et provinciaux de l’Environnement témoignent du souci de tenir compte des besoins de la population et d’appliquer des normes élevées en matière de qualité de l’eau, de l’air, de la végétation et des sols. Le Canada fait aussi partie de la grande famille des pays francophones puisque le français est la langue maternelle de plus du quart de sa population. À ce titre, il participe aux sommets des chefs d’États et de gouvernements des pays ayant en commun l’usage du français et il oriente une part importante de ses programmes de développement international vers les pays francophones, en particulier vers ceux d’Afrique. Là aussi, le Canada met en pratique le concept de développement durable en privilégiant les interventions génératrices de développement à long terme et d’autonomie locale au niveau de la gestion des projets. On a longtemps opposé les notions de développement technologique et de respect de l’environnement, car certains choix industriels ou économiques ne tenaient pas compte de l’interdépendance des composantes du milieu et de l’épuisement des ressources naturelles. Dans le présent ouvrage, le lecteur verra comment la technologie aérospatiale et l’informatique sont mises au service de l’environnement grâce à la télédétection. En effet, la télédétection offre une vision synoptique et macroscopique des écosystèmes ; elle permet d’observer les liens dynamiques et géogra-phiques qui existent entre les éléments du milieu naturel et d’évaluer les répercussions de l’activité humaine sur ce milieu. Appliqués aux systèmes d’information géographique, la télédétection et les outils de modélisation qui lui sont associés aident aussi à prévoir les effets positifs ou négatifs des diverses options d’aménagement du milieu et contribuent à une prise de décision plus judicieuse. Le Canada est fier d’apporter une contribution majeure à l’effort scientifique international dans le domaine de l’environnement, notamment par le Plan vert du Canada et par des organismes comme le Centre Saint-Laurent, le Centre canadien du climat et le Centre canadien de télédétection. Les chercheurs canadiens ont mis au point l’un des modèles de changement climatique planétaire les plus efficaces. Et, dès 1995, le satellite canadien RADARSAT
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Préface de Monsieur Jean Charest
XVI
permettra d’effectuer la surveillance des forêts tropicales et de l’Arctique le jour comme la nuit, indépendamment de la présence de nuages. De plus, les transferts de technologie entre le gouvernement fédéral et les provinces en matière de télédétection ont permis de mettre en place un meilleur système de gestion des ressources naturelles pour la protection des forêts, le suivi de la qualité de l’eau et la prévision des récoltes céréalières. Ces transferts ont également favorisé la création d’une industrie canadienne spécialisée dans l’exploitation de stations de réception, dans la mise au point de logiciels de traitement numérique des images et de systèmes d’information géographique, ainsi que dans les services de génieconseil en environnement. Les chercheurs dont les travaux sont présentés dans cet ouvrage proviennent d’un grand nombre de pays de la francophonie. Leurs démarches et leurs méthodes peuvent varier, mais ils ont tous en commun le souci de mettre la technologie au service de l’environnement et donc de l’humanité.
Jean J. Charest Député de Sherbrooke Ministre canadien de l’Environnement de 1990 à 1993
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Introduction Ferdinand BONN Directeur, Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke
Sommaire Observer et comprendre notre planète Voir l’invisible Fabriquer des images De l’avion au satellite La course au plus petit pixel Répétitivité et stéréoscopie L’œil, l’ordinateur et l’intelligence artificielle Analyse, interprétation et gestion Un macroscope au service de l’humanité Une priorité internationale et nationale Un trait d’union scientifique francophone Organisation de l’ouvrage Références bibliographiques
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2
Introduction
OBSERVER ET COMPRENDRE NOTRE PLANÈTE Les téléspectateurs, les lecteurs de revues scientifiques de grande diffusion et même le grand public sont de plus en plus souvent confrontés avec des images prises par les satellites d’observation de la Terre. On en a vu dans la presse lors de la crise du golfe Persique (planche 1), on en a vu à la télévision lors de certaines catastrophes naturelles comme des éruptions volcaniques ou des inondations, on en voit régulièrement quand il s’agit d’illustrer la déforestation de l’Amazonie ou le déversement de nappes de pétrole sur la mer. Parfois, les couleurs qu’elles affichent peuvent sembler bizarres aux personnes non habituées : les forêts peuvent y apparaître en rouge, les villes, en bleu et l’eau, dans toutes les nuances allant du noir au bleu turquoise. Toutes ces images ont un point commun : elles sont le résultat d’une science un peu particulière et assez récente qui s’appelle la télédétection. La télédétection est la discipline scientifique qui regroupe l’ensemble des connaissances et des techniques utilisées pour l’observation, l’analyse, l’interprétation et la gestion de l’environnement à partir de mesures et d’images obtenues à l’aide de plates-formes aéroportées, spatiales, terrestres ou maritimes. Comme son nom l’indique, elle suppose l’acquisition d’information à distance, sans contact direct avec l’objet détecté. La télédétection moderne est née de la photographie aérienne, dont la vue générale et verticale a modelé nos habitudes d’inventaire, de cartographie et de surveillance de l’environnement et des ressources depuis plus d’un siècle. Elle intègre les développements les plus récents de la recherche spatiale, de la physique et de l’informatique pour constituer aujourd’hui un outil des plus puissants et des plus flexibles pour la gestion du milieu, la planification et le développement économique. Comme elle fait appel à des techniques en évolution rapide dans un monde en changement, ses possibilités d’applications sont en croissance constante et l’on découvre de plus en plus de domaines où elle peut avantageusement remplacer des méthodes traditionnelles longues, coûteuses et fastidieuses, ou encore intervenir comme un outil complémentaire qui améliore l’efficacité des méthodes conventionnelles éprouvées. Elle apporte aussi une information nouvelle, différente et spatialement localisée. En particulier, la télédétection est la source principale de données pour les études de la transformation du globe dans le cadre des programmes internationaux de recherche sur les changements planétaires. À ce titre, elle intervient directement dans le développement de la conscience écologique de nos sociétés.
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Introduction
3
VOIR L’INVISIBLE La télédétection devint possible le jour du premier vol en ballon en 1783. Cet événement historique, jumelé à l’invention de la plaque photographique permit de prendre, en 1858, la première photographie aérienne de Paris. C’est le point de départ de tout un cheminement qui jettera les bases de la télédétection contemporaine. Grâce aux nombreux développements survenus dans le domaine de l’aviation depuis le début du xxe siècle, il était désormais possible de sillonner le ciel et d’obtenir une vision d’ensemble de notre milieu. Parallèlement, de nouveaux capteurs sont développés. Dès 1855, le physicien Maxwell envisage la possibilité de réaliser des photographies en couleurs basées sur trois surfaces respectivement sensibles aux trois couleurs fondamentales : le rouge, le vert et le bleu. La première pellicule couleur est mise au point en 1895, mais il a fallu attendre jusqu’en 1935 la sortie du premier film couleur commercial par la société Kodak. Jusqu’à l’avènement de l’aviation, la perception que nous avions de notre environnement était limitée. Dans un premier temps, la photographie aérienne a donc surtout apporté un autre point de vue, une vision plus globale de notre milieu, mais sans étendre le spectre des couleurs que nous pouvions percevoir. Pourtant, les physiciens savaient depuis plusieurs années déjà que la lumière est une onde électromagnétique dont nos yeux n’ont qu’une perception très limitée. Ce que nous appelons rayons X, ultraviolet, lumière visible, infrarouge et micro-ondes ne sont que des manifestations différentes d’une même famille d’ondes qui ne diffèrent que par la fréquence (ou la longueur d’onde), de la même manière qu’une lumière jaune diffère d’une lumière rouge. L’exploration des domaines non visibles a connu une histoire presque parallèle à celle du visible, puisque le rayonnement infrarouge a été découvert par Herschel en 1800. On a commencé à pouvoir le mesurer en 1880 et ce n’est qu’en 1931 qu’a été mis au point le premier film sensible au proche infrarouge pour l’armée américaine. Il a fallu attendre 1942 pour que celui-ci soit commercialisé et 1960 pour que l’on commence à l’utiliser pour l’étude de la végétation. Auparavant, son usage était surtout militaire puisqu’il servait à la détection des camouflages. Pendant la Seconde Guerre mondiale, les techniques de télédétection aéroportée ont été améliorées avec le développement des capteurs radars, dont le principe avait été formulé par Hertz en 1889. En 1903, un brevet avait été décerné pour un équipement destiné à la détection des bateaux de pêche lorsque la mer est couverte de brouillard. Cependant, ce n’est qu’après la bataille de Pearl Harbour que les radars ont vraiment été pris au sérieux par les militaires : les premiers radars imageurs ont été développés en Angleterre durant la Seconde Guerre mondiale pour augmenter la précision
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4
Ferdinand Bonn
des bombardements nocturnes. Comme on le voit, c’est d’abord à des fins militaires que la plupart des techniques de télédétection ont été mises au point, et une partie du vocabulaire utilisé de nos jours en télédétection reflète encore cette origine martiale : on parle de cibles pour désigner les surfaces visées et les fréquences radar utilisées sont encore décrites par des codes en lettres qui n’ont rien à voir avec les longueurs d’onde. Il faut dire que, dans bien des pays, les topographes relèvent directement de l’armée et que leurs cartes ne sont pas toujours du domaine public.
FABRIQUER DES IMAGES Les chercheurs de plusieurs disciplines ont essayé de représenter les variations spatiales de divers domaines spectraux sous forme d’images, à partir de différentes approches. L’utilisation de pellicules photographiques sensibles au proche infrarouge (jusque vers 0,95 µm de longueur d’onde), d’abord destinée à la détection des camouflages militaires, a rendu des services inestimables à la cartographie de la végétation et à la détection des maladies des plantes. Mais on s’est vite aperçu qu’un procédé photographique ne permettait pas d’aller très loin dans l’infrarouge. Pour détecter des variations de température de la surface terrestre et des océans, il faut des capteurs sensibles à l’infrarouge thermique aux environs de dix microns de longueur d’onde, ce qui a amené à la conception des détecteurs électroniques couplés à des systèmes à balayage (scanneurs), où la combinaison du déplacement de l’avion ou du satellite et de la rotation ou de l’oscillation d’un miroir génère une image où les teintes de gris correspondent à des températures de la surface étudiée. Les images ainsi créées furent d’abord imprimées directement sur pellicule photographique, mais l’évolution des systèmes d’enregistrement de données a rapidement permis de les enregistrer sur un support magnétique analogique, puis numérique (figure 1). Par extension, les capteurs électroniques ont été appliqués à plusieurs autres régions du spectre incluant le visible, du moins dans toutes celles où l’énergie réfléchie ou émise par la surface terrestre est suffisante pour ce type de système passif. La composition des détecteurs varie beaucoup selon le domaine spectral, mais les principes de base se ressemblent d’un système à l’autre, que ce soit un capteur satellite ou un capteur aéroporté. Le détecteur est habituellement précédé de un ou plusieurs filtres qui délimitent le domaine spectral et d’un système optique qui détermine l’angle instantané de prise de vue. En général, plus le domaine spectral est étroit, plus le système doit être sensible pour obtenir un rapport signal sur bruit intéressant. Comme la reconnaissance des objets à détecter est surtout basée sur leurs propriétés spectrales, des bandes spectrales nombreuses et fines peuvent améliorer la capacité de reconnaissance d’un
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système de télédétection, mais sont un défi technique pour les fabricants de détecteurs et multiplient la quantité d’informations à manipuler dans le traitement des images. FIGURE 1 La fabrication d’une image numérique par un système à balayage transversal
Des systèmes de ce type équipent des satellites comme LANDSAT.
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DE L’AVION AU SATELLITE À partir de 1960, on a assisté à l’apparition des photographies à haute altitude à partir de ballons ou d’avions comme les U2, puis de photographies obtenues à partir de plates-formes orbitales comme les capsules MERCURY, GEMINI et APOLLO. La série de photographies multibandes obtenues par APOLLO-9 est particulièrement intéressante parce qu’elle annonce en quelque sorte la configuration spectrale du satellite ERTS-1, lancé le 23 juillet 1972 et rebaptisé ultérieurement LANDSAT-1. C’est vraiment LANDSAT qui a lancé la télédétection à l’échelle internationale, en offrant à des coûts raisonnables une grande quantité de données numériques. Ces données ont aussi permis le développement des systèmes de traitement numérique des images qui, à l’époque, nécessitaient des ordinateurs volumineux. Au cours de son évolution, la télédétection est ainsi passée du simple mode d’acquisition d’informations à distance sous une forme surtout visuelle à une approche plus scientifique ayant ses principes physiques et ses méthodes originales d’extraction de l’information. L’évolution de la technique et de la miniaturisation des détecteurs a permis au cours des années 1970 l’apparition des capteurs à barrettes de détecteurs qui observent en une seule fois une ligne complète de l’image, sans recours à un balayage mécanique, ce qui élimine toutes les pièces mobiles du système. Des capteurs de ce type se retrouvent sur le satellite français SPOT et sur le capteur aéroporté canadien MEIS-II (Multispectral Electro-optical Imaging Scanner). Bien que pour l’instant l’étendue spectrale de SPOT soit moins intéressante que celle du Thematic Mapper de LANDSAT-5, l’avenir semble se trouver du côté des capteurs à barrettes, avec une meilleure séparation spectrale et des bandes de plus en plus fines. L’atmosphère et, dans le cas du visible, l’éclairement de la surface observée représentent les principales limitations des capteurs passifs utilisés dans le domaine optique. Pour dépasser ces limites, il faut utiliser des capteurs actifs dans le domaine des micro-ondes, où les radars à antenne synthétique permettent d’observer la Terre à travers les nuages, de jour comme de nuit (figure 2). Bien que beaucoup de recherches restent à faire pour comprendre ce que signifie exactement la rétrodiffusion des ondes radar sur la surface terrestre, le potentiel des satellites radar ERS-1 et RADARSAT est considérable, en particulier pour les régions arctiques et équatoriales où la couverture nuageuse et l’absence d’éclairement rendent impossible toute autre forme de détection pendant une grande partie de l’année. Dans le domaine spectral, nous verrons donc à l’avenir de plus en plus de variété dans les choix offerts : il n’est pas absurde d’imaginer, pour le début du xxie siècle, l’apparition de spectromètres imageurs à bord de satellites qui fourniront aux usagers, sur demande, les canaux les plus appropriés à leurs applications spécifiques.
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7 FIGURE 2 La fabrication d’une image radar et la sensibilité du signal radar aux propriétés du terrain
Les surfaces lisses comme l’eau ont une rétrodiffusion beaucoup plus faible que les forêts ou les sols.
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LA COURSE AU PLUS PETIT PIXEL Dans le développement de la télédétection, on a toujours cherché à concilier deux objectifs opposés : voir le plus grand territoire possible, avec la meilleure précision possible. Dans le domaine photographique, le développement des objectifs grands-angulaires est allé de pair avec celui des films à grain très fin, qui permettent une bonne limite de résolution, même à partir de photographies à très haute altitude. Les Soviétiques utilisent encore beaucoup les procédés photographiques à partir de satellites pour leurs missions d’observation de la Terre, mais la nécessité de transmettre rapidement des images vers la Terre a tôt fait de conduire à l’amélioration de la limite de résolution spatiale sur les images numériques. C’est ainsi qu’à partir de satellites en orbite polaire à des altitudes de 800 à 1 000 km, on est passé des limites de résolution de quelques kilomètres pour les NIMBUS en 1970 à 80 m sur LANDSAT-MSS (Multi Spectral Scanner) en 1972, puis à 30 m sur LANDSAT-TM (Thematic Mapper) en 1983 et enfin à 10 m sur SPOT-1 en 1986. Bien qu’il soit techniquement possible d’obtenir des limites de résolution plus fines (et cela existe, bien sûr, chez les militaires), il semble que 10 m soit la limite actuellement compatible avec une politique d’accès universel aux données à l’échelle internationale, compte tenu des réglementations restrictives de certains pays sur l’usage public des cartes et des photographies aériennes. Une limite de résolution de 5 m est cependant envisagée pour LANDSAT-7. La recherche d’une limite de résolution spatiale de plus en plus fine a cependant des inconvénients : la quantité de données générées augmente en fonction du carré du nombre d’éléments d’image (ou pixels) par côté de celle-ci, ce qui pose un problème sérieux pour la transmission, le stockage et le traitement de l’information. De plus, les images à limite de résolution très fine soulèvent des problèmes d’échelle qui rendent caduques des méthodes d’analyse et de traitement développées avec des données plus grossières. Par contre, l’apparition de données satellites à haute limite de résolution ouvre la porte à toute une série d’applications autrefois réservées aux photographies aériennes, comme la cartographie topographique ou les études urbaines.
RÉPÉTITIVITÉ ET STÉRÉOSCOPIE Les objectifs d’une limite de résolution spatiale de plus en plus fine interdisent à la fois une vision globale du paysage et une grande répétitivité des observations : plus l’image est petite, moins souvent le satellite pourra repasser au-dessus d’un même site. De plusieurs images par jour pour les satellites météorologiques ou NOAA, on passe à une image aux 16 jours pour LANDSAT et à
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une image aux 26 jours pour SPOT. Toutefois, la possibilité de dépointage programmable de SPOT permet de compenser cette faible répétitivité en obtenant pour un site la possibilité théorique d’une image aux deux ou trois jours, mais au détriment d’autres secteurs, qui alors ne seront pas couverts (figure 3). FIGURE 3 Les possibilités de dépointage, de couverture stéréoscopique et de visée répétitive de SPOT
Elles permettent aux usagers de suivre en détail un événement de modification rapide du milieu, comme un incendie de forêt ou une inondation.
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La répétitivité dans le temps est particulièrement importante pour toutes les applications qui étudient des phénomènes en évolution rapide : suivi de la croissance des cultures, prévision des récoltes, dérive des glaces, épidémies et incendies de forêt, surveillance des inondations, humidité des sols, etc. Pour la plupart des satellites utilisés dans le domaine optique, le principal obstacle à la répétitivité des observations dans plusieurs régions du globe est la couverture nuageuse : par exemple, dans l’Est du Canada, LANDSAT ne peut fournir que deux à trois bonnes images d’un même site par année, car on exclut la période d’hiver qui est généralement plus ensoleillée mais où la couverture neigeuse masque en grande partie les informations recherchées sur l’utilisation du sol. Le choix des saisons d’observation est donc fortement limité. Ainsi, certaines années particulièrement pluvieuses, il se peut qu’il n’y ait aucune image de certains sites. Cette situation est encore pire dans les régions tropicales humides où certains secteurs d’Amérique latine et d’Afrique n’ont jamais encore pu obtenir d’images sans nuages. Pour ces régions, il va de soi qu’un satellite comme RADARSAT constitue la solution de l’avenir, bien que, théoriquement, SPOT puisse être pointé sur demande vers les zones sans nuages. Toutefois, il faut environ deux semaines d’avis pour programmer le satellite, et les techniques météorologiques actuelles ne permettent pas une prévision fiable de la couverture nuageuse deux semaines à l’avance. La possibilité de dépointage de SPOT apporte en prime une capacité inconnue jusque-là sur un satellite à haute limite de résolution : la vision stéréoscopique, qui combine deux images du même territoire prises sous des angles de visée différents compris entre plus ou moins 27 degrés par rapport à la verticale. Bien que non simultanée, car il faut toujours compter au moins une journée entre les deux prises, la vision stéréoscopique ouvre la voie à toute une gamme d’applications cartographiques, topographiques et géologiques inimaginables avec les satellites précédents. Toutes ces images constituent un défi considérable pour les chercheurs et les spécialistes des applications, ce qui les a conduits à développer de nouvelles méthodologies pour l’analyse des données.
L’ŒIL, L’ORDINATEUR ET L’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE L’analyse des images obtenues par télédétection a d’abord été faite de façon visuelle par l’interprétation de photographies aériennes (la photointerprétation) pour les besoins d’un grand nombre de disciplines. Parallèlement, la mesure précise des formes et de la localisation des objets (la photogrammétrie) s’est développée essentiellement au moyen de la vision stéréoscopique, assistée de divers instruments optiques, pour réaliser en particulier les cartes topographiques. Avec l’arrivée des images numériques, les systèmes
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d’analyse d’images utilisant divers types d’ordinateurs ont commencé à faire leur apparition. Leur développement a suivi celui, très rapide, de l’informatique, tant du point de vue du matériel que du point de vue des logiciels. Les premiers systèmes étaient lourds, encombrants, nécessitaient un environnement spécial, climatisé, et leur interface avec l’usager n’était pas facile à utiliser. De plus, les possibilités des premiers logiciels se limitaient à quelques opérations relativement simples de rehaus-sement et de classification. Les recherches menées un peu partout dans le monde, mais en particulier au Canada, ont amené progres-sivement le développement de systèmes de traitement d’images utilisant des miniordinateurs, puis des micro-ordinateurs ne nécessitant pas d’environnement physique particulier, et dont les logiciels sont de mieux en mieux adaptés aux besoins des usagers. La plupart des logiciels commerciaux ont été conçus à partir d’une analyse des images basée sur l’étude des propriétés spectrales des pixels individuels, ce qui était bien adapté dans le cas de LANDSATMSS et a donné d’excellents résultats pour l’évaluation des surfaces agricoles de grandes dimensions. Mais cette approche spectrale fonctionne beaucoup moins bien dans le cas du Thematic Mapper et encore moins pour SPOT. En effet, le passage à des résolutions plus fines de 20 et 10 mètres sur SPOT permet à plusieurs éléments de l’image d’être concentrés sur un seul élément du paysage comme une rue, une pelouse ou un toit de maison. Une méthode de classification spectrale de données SPOT appliquée, par exemple, à un quartier résidentiel ne donnera donc pas une classe, comme le ferait MSS, mais plusieurs classes et un grand nombre de pixels mixtes mal classés. Aussi est-il clair que les méthodes basées sur les seules propriétés spectrales des pixels ne sont plus vraiment adaptées aux capteurs de la dernière génération, quand on sait qu’un photo-interprète, même novice, identifierait le type de quartier du premier coup d’œil. Il faut donc apprendre aux ordinateurs à décoder les images de la même façon que le cerveau humain le fait, c’est-à-dire en tenant compte des textures et des formes en plus des couleurs. C’est là qu’interviennent les analyses de texture, la segmentation et des procédés d’intelligence artificielle qui essaient d’amener les ordinateurs à penser comme des humains, en associant la forme des objets à leur fonction. Cela amène toute une série de questions sur les notions d’échelle dans les paysages observés, les fréquences spatiales, la dimension fractale de l’environnement et les relations entre les formes et les fonctions de l’utilisation du sol. Comme on est encore loin d’avoir trouvé une réponse satisfaisante à toutes ces questions, on utilise aussi la puissance des ordinateurs pour produire des images qui seront plus faciles à interpréter par les humains. Toute une gamme de rehaussements d’images existe dans la
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panoplie informatique, comme les améliorations de contraste et les composantes principales. Cependant, les plus intéressants font appel à des combinaisons d’images de résolutions différentes, ou même de satellites différents, en utilisant astucieusement les propriétés spectrales et spatiales de la vision humaine. On peut alors parler d’interprétation assistée par ordinateur, qui combine les possibilités de l’analyse humaine et de l’analyse informatisée.
ANALYSE, INTERPRÉTATION ET GESTION L’analyse des images de télédétection a toujours comme but une interprétation, que cette interprétation concerne la position des objets, leur nature ou leur fonction. Le processus d’interprétation, qu’il soit visuel ou automatique, est donc un mécanisme mental d’extraction de l’information, qui part des données contenues dans l’image, utilise l’intelligence de l’expert et produit des éléments d’information rattachés à une localisation géographique. De là à intégrer ces éléments recueillis par la télédétection à des systèmes d’informations à références spatiales il n’y a qu’un pas, car ces informations peuvent alors être utilisées dans un processus de gestion des ressources, en combinaison avec des données d’autres sources, socio-économiques ou écologiques, par exemple. Cette intégration n’est pourtant pas facile, car les images de télédétection et les systèmes d’information géographique s’appuient sur des univers informatiques différents, celui des données matricielles pour les images et celui des données vectorielles pour les cartes. Le transfert des données de l’un à l’autre n’est pas simple et très peu de systèmes le font de façon efficace et élégante. C’est néanmoins là où le potentiel de développement des applications de la télédétection est le plus grand, car elle pourra tirer profit de la nouvelle génération de supermicroordinateurs à fortes capacités graphiques et, par conséquent, favoriser une décentralisation du processus de gestion des ressources au niveau local. Les systèmes d’information géographique, aussi appelés systèmes d’informations à références spatiales, se situent au confluent de plusieurs disciplines, telles que la cartographie, la géographie, la topographie, la photogrammétrie, la télédétection, les statistiques, l’informatique et d’autres disciplines faisant appel à des données à références spatiales. Certains auteurs, en particulier au Québec, ont introduit le terme de géomatique pour désigner l’ensemble de ces disciplines. Le concept de système d’information géographique (SIG), dont le cœur est une base de données à références spatiales, permet de réunir les techniques et méthodes d’acquisition d’informations spatialement référenciées, leur codage sous forme vectorielle ou matricielle, leur
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organisation en banque de données ainsi que les divers traitements et procédures destinés à les adapter à leur utilisation. Un système d’information géographique permet donc de fournir aux planificateurs et gestionnaires du milieu les informations nécessaires à la prise de décision. Il permet aussi de réaliser des scénarios d’intervention sur l’environnement et de simuler les conséquences de tel ou tel aménagement du milieu. De plus en plus, les applications de la télédétection qui se font dans le cadre de systèmes d’information géographique permettent de combiner les données de télédétection à toute une gamme d’informations diverses. Par exemple, pour prévoir et cartographier l’érosion dans un bassin versant, il faut combiner des données météorologiques et topographiques, des données sur la végétation, sur les types de sol et sur les pratiques agricoles dans un système où la modélisation et les scénarios sont possibles. Seule une portion des données est dérivée directement des images de télé-détection, mais cette portion est indispensable à l’identification des secteurs d’intervention prioritaires pour les gestionnaires de la conservation des sols.
UN MACROSCOPEAU SERVICE DE L’HUMANITÉ L’avenir de la télédétection en tant que discipline scientifique s’inscrit dans une double démarche, qui tient à la fois de la vision globale de notre environnement et de la recherche d’une information spectralement et spatialement très détaillée. La télédétection est donc un « macroscope », selon la terminologie de Joël de Rosnay, qui intègre aussi bien la haute technologie que les sciences de l’environnement. Les satellites du futur seront de plus en plus complexes et l’acquisition des images ne se fera plus de manière automatique comme pour LANDSAT, mais plutôt selon une programmation correspondant aux besoins de l’usager. Ce type d’acquisition des données est déjà amorcé avec SPOT et s’accentuera dans le futur pour correspondre le plus possible aux besoins des utilisateurs. On peut très bien imaginer, d’ici une quinzaine d’années, un cultivateur interrogeant le satellite à partir de son micro-ordinateur pour savoir où il doit irriguer, appliquer des engrais ou bien pour connaître les secteurs de sa ferme atteints par des parasites ou encore pour prévoir le volume de ses récoltes. Un spécialiste en télédétection, probablement un consultant privé, établira les besoins du client en images (bandes spectrales, fréquence de prise de vues, génération de sous-images correspondant aux besoins de l’usager, prétraitements) et effectuera la programmation nécessaire sur l’ordinateur de l’usager de façon à ce que celui-ci puisse poser au système des questions simples comme : Quelle est ma surface de maïs ? Où sont les zones les plus sèches de mes champs ? Quel est le tonnage de luzerne dans tel champ ? etc. Les réponses
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obtenues par l’usager lui permettront de prendre de meilleures décisions de gestion de son territoire, en fonction de ses propres objectifs de développement.
UNE PRIORITÉ INTERNATIONALE ET NATIONALE Les efforts réalisés par certains pays pour développer le marché et l’industrie de la télédétection sont le reflet de priorités nationales dans ce domaine. Aux États-Unis, pionniers dans ce domaine, le programme LANDSAT de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) et les programmes de satellites de la National Oceanographic and Atmospheric Administration (NOAA) ont nécessité des investissements de plusieurs milliards de dollars qui ont encouragé la création de toute une industrie de matériel de réception, de traitement des images et de services aux utilisateurs. Les programmes de télédétection de la NASA et de la NOAA ont fait, depuis plusieurs années, l’objet d’une privatisation partielle, ce qui illustre bien le rôle de plus en plus important de l’indus-trie dans ce dossier. Parallèlement à ce développement industriel, certaines universités américaines, comme Purdue, l’Université du Michigan, l’Université de Californie À Santa Barbara, l’Université de Boston et quelques autres, ont mis sur pied des centres d’excellence en télédétection, soit dans des départements qui existaient déjà, soit sous forme de centres ou de laboratoires interdisciplinaires autonomes. En Europe, l’Agence spatiale européenne (ESA, European Space Agency), un organisme regroupant treize pays, assure la coopération entre les états membres dans les domaines de la recherche et de la technologie spatiales et de leurs applications à l’étude des ressources terrestres. L’Agence est le maître d’œuvre de nombreux projets en télédétection dont celui de la mise en orbite du satellite ERS-1. Le Canada participe aux travaux de l’Agence à titre d’État coopérant. En France, le programme SPOT (Satellite pour l’observation de la Terre) a mobilisé une partie importante des énergies du Centre national d’études spatiales (CNES), du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), de l’Institut géographique national (IGN), de l’industrie et des universités, pour développer un produit appelé à devenir commerciale-ment rentable. Il est difficile d’évaluer le budget total du programme, mais il dépasse le milliard de dollars, car le CNES, après le succès de SPOT-1, lancé en 1986, a lancé SPOT-2 et mis en chantier SPOT-3. La France s’est engagée à réaliser SPOT-4, ce qui assure donc une continuité de données SPOT jusqu’au-delà de l’an 2000. Sur le plan de la formation, plusieurs universités françaises comme Paris VII, Louis Pasteur de Strasbourg et Paul Sabatier de Toulouse ont
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mis en place des programmes de troisième cycle (DEA et thèse). Un organisme parapublic appelé le Groupement pour le développement de la télédétection aérospatiale (GDTA) qui réunit les ressources de plusieurs agences gouvernementales engagées dans la télédétection, a monté, en banlieue de Toulouse, un véritable campus de formation en télédétection destiné aux professionnels et aux représentants de pays étrangers. Les sessions de formation y sont réalisées avec la participation des principaux intervenants du CNES, du CNRS et du milieu universitaire de la région toulousaine, qui ont entrepris récemment un regroupement physique de leurs laboratoires. D’autres organismes français comme le Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM), l’Institut national de la recherche agronomique (INRA) et l’Office de recherche scientifique et technique d’outre-mer (ORSTOM), rebaptisé récemment Institut français de recherche pour le développement en coopération, ont installé des laboratoires et des centres de télédétection de très haute qualité dont les travaux sont reconnus à l’échelle internationale. Par ailleurs, divers pays d’Asie ont mis sur pied des centres de télédétection, dont la Thaïlande, l’Inde et le Japon. Les deux derniers possèdent depuis peu leurs propres satellites de télédétection et procèdent présentement à la mise en marché de produits dérivés. En Afrique, plusieurs centres de télédétection ont été créés par des instances nationales ou régionales pour assurer la formation et la sensibilisation des usagers virtuels de la télédétection. C’est en effet dans les pays en développement que les possibilités d’applications de la télédétection sont les plus nombreuses, parce que les ressources naturelles y sont mal connues et que les cartes disponibles, souvent anciennes et inexactes, ne reflètent pas les changements démographiques et économiques rapides des dernières années. Au Canada, les efforts industriels ont porté sur la technologie des stations de réception (60 % du marché mondial), les systèmes de traitement numérique d’images, les systèmes d’information géographique et l’industrie des services. Le Centre canadien de télédétection (CCT), en accord avec les centres provinciaux, a instauré plusieurs programmes de transfert de technologie vers les utilisateurs chargés de la gestion des ressources naturelles. La décision de mettre en marche le programme RADARSAT, un projet de 450 millions de dollars financé par quatre provinces et plusieurs ministères fédéraux, indique bien à quel niveau de priorité le pays a placé la télédétection (figure 4). Le Conseil des sciences du Canada a considéré la télédétection comme l’un des six domaines de pointe où le Canada peut assumer un rôle de premier plan à l’échelle internationale. Les initiatives canadiennes en télédétection sont coordonnées par un Conseil consultatif qui a pour mandat d’aviser le gouvernement à propos des initiatives à prendre dans ce domaine.
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Dans l’optique du développement durable, une bonne partie de ces initiatives est maintenant intégrée au Plan Vert, un plan majeur de dimension interministérielle visant le respect de l’environnement et le développement durable, dont il a été question dans la préface de monsieur Jean Charest.
Cette configuration permettra aux usagers de choisir les images qui seront les plus appropriées pour leurs applications spécifiques. Les angles d’incidence requis pour optimiser l’information sur la végétation, les sols ou les océans ne sont pas les mêmes.
Au Québec, l’essentiel des activités de télédétection est concentré dans les universités et les entreprises privées. Le Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) de l’Université de Sherbrooke comprend dix professeurs-chercheurs et une cinquantaine d’étudiants et assistants, ce qui en fait un des centres les plus importants dans le domaine en Amérique du Nord ; le Centre de géomatique de l’Université
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Laval comprend huit professeurs dont trois en télédétection, I’INRS-eau et l’Université de Montréal ont chacune deux professeurs en télédétection et la plupart des autres universités québécoises ont un professeur dans le domaine. Au gouvernement du Québec, plusieurs ministères utilisateurs sont réunis autour du Centre de télédétection du Québec relevant du ministère de l’Énergie et des Ressources. La télédétection a été reconnue comme faisant partie du « virage technologique », un concept qui a guidé une bonne part des investissements gouvernementaux destinés aux universités et aux entreprises depuis 1980. Les industries du Québec sont présentes dans le domaine de la fabrication de satellites, dans celui des services et dans celui des logiciels. Elles réussissent assez bien, en particulier dans les contrats à l’extérieur du Québec et sur la scène internationale. UN TRAIT D’UNION SCIENTIFIQUE FRANCOPHONE Lors du Sommet de Québec de 1967, la francophonie a fait de la télédétection une des priorités des actions gouvernementales, et en a confié la responsabilité à deux intervenants privilégiés des sommets : l’Agence de coopération culturelle et technique (ACCT) qui administre des projets destinés aux intervenants gouvernementaux et industriels des pays francophones et l’Université des réseaux d’expression française (UREF) associée à I’AUPELF (Association des universités partiellement ou entièrement de langue française) qui encourage les activités d’enseignement et de recherche avec la mise en place de réseaux thématiques, de programmes de bourses et de subventions à la recherche partagée. La coordination du réseau thématique de télédétection de l’AUPELF-UREF est assurée par le professeur J. M. Dubois du CARTEL de l’Université de Sherbrooke. Un support spécifique de I’UREF à l’édition de manuels à des coûts abordables a permis la réalisation d’un Précis de télédétection, perçu comme un besoin par la majorité des utilisateurs, en particulier les universités, centres de formation et représentants des pays du Sud. Le volume 1 de ce Précis est paru en 1992 aux Presses de l’Université du Québec. Il comble une lacune dans le domaine de la documentation scientifique en français. Le volume 2 est en préparation. L’ACCT a surtout soutenu des programmes de formation et de démonstration destinés aux gestionnaires de l’environnement et des ressources dans différents pays d’Afrique, avec un accent particulier sur les pays du Sahel (Mali, Burkina Faso, Niger) pour la gestion des ressources en eau. C’est I’ACCT qui a permis, par son soutien, la réalisation de cet ouvrage collectif, dans lequel les applications de la télédétection sont présentées dans une perspective environnementale dans l’espace francophone.
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Ferdinand Bonn
ORGANISATION DE L’OUVRAGE Bien que l’on parle dans toute la littérature de la vision systémique et globale de l’environnement que la télédétection permet d’obtenir, il n’est pas possible de présenter la gamme des applications environnementales sans recourir à une subdivision par thèmes d’applications. Nous avons choisi d’utiliser un regroupement par type de milieu : sols, eau, végétation, atmosphère et interventions humaines sur le milieu. Une bonne partie de ces applications se situe dans le cadre d’une coopération Nord-Sud, où les méthodes employées et les cas présentés font partie des efforts de développement de la communauté francophone. Chaque partie comporte une brève introduction qui présente la thématique générale du domaine.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES BONN, F. et G. ROCHON (1992). Précis de Télédétection, Vol. 1, Principes et méthodes, Presses de l’Université du Québec, Sainte-Foy, 485 pages. DE ROSNAY, J. (1975). Le Macroscope : Vers une vision globale, Édition du Seuil, Paris, 305 pages.
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LES SOLS
Les sols, résultat de la pédogenèse, une modification physicochimique de la lithosphère par les êtres vivants et les agents atmosphériques, constituent la ressource fondamentale de la vie sur les terres émergées. Ce sont eux qui supportent toute la biosphère terrestre, et sont donc à la base de la chaîne alimentaire dont dépendent les végétaux, les animaux et les humains. L’influence humaine sur ce capital-sols peut être bénéfique ou néfaste, selon le cas. La disparition de plusieurs grandes civilisations au cours de l’histoire est attribuable à un épuisement et à une destruction des sols. À l’entrée des locaux du Centre de recherches en développement international (CRDI) à Ottawa, il y a sur le mur deux compteurs : le premier affiche la population mondiale, en augmentation constante, et l’autre affiche la superficie de terres arables qui reste à la surface du globe, en diminution continue. La vision du défilement constant et en sens contraire de ces deux compteurs ne peut que nous rappeler à quel point notre planète est fragile. II suffit de se rappeler que toute la vie terrestre est localisée dans une mince pellicule allant de quelques centimètres en dessous à quelques mètres au-dessus de la surface pour comprendre à quel point nous dépendons des sols. L’apport de la télédétection à la connaissance de ce capitalsols et à celle de son évolution est fondamentale. Elle permet de les
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Les sols
cartographier, de mesurer leur humidité et d’observer leur dynamique. Cette dynamique peut se manifester par l’érosion et l’appauvrissement biochimique, souvent causés par une exploitation irréfléchie. Dans cette partie, nous verrons comment la télédétection satellitaire actuelle permet de produire une carte des grands types de sols en milieu semiaride, comment elle permet d’identifier les formes éoliennes associées à la dynamique désertique, comment les capteurs au radar qui équiperont les satellites de nouvelle génération permettent de mesurer l’humidité des sols et comment l’intégration de la télédétection et des systèmes d’information géographique permet de développer un outil de modélisation et de gestion du risque d’érosion à l’échelle régionale.
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Utilisation de la télédétection spatiale dans l’étude et l’inventaire des sols en zone semi-aride Abdelaziz MERZOUK
Sommaire Introduction L’inventaire des ressources pédologiques L’utilisation de la télédétection spatiale en cartographie pédologique 1. Zone d’étude et démarche utilisée 2. Résultats et discussion Conclusion Références bibliographiques
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Abdelaziz MERZOUK
Résumé L’amélioration des pouvoirs de la résolution spatiale (30 à 10 m) et spectrale de l’actuelle génération de satellites (LANDSAT-TM, SPOT et ERS-1), et l’évolution technologique impressionnante en micro-informatique et en cartographie assistée par ordinateur ont fait de l’imagerie satellitaire un outil précieux d’appui à l’étude de la cartographie des ressources pédologiques. Cet outil s’avère particulièrement performant en zones semiarides et arides. Le présent article résume les objectifs et les résultats d’un projet de recherche méthodologique qui a été entrepris en 1986 par l’Institut agronomique et vétérinaire Hassan 11 avec la collaboration des chercheurs de l’Université de Sherbrooke (Canada) et parrainé par le Centre canadien de recherches pour le développement international (CRDI). Il vise la modernisation des techniques pédologiques par l’emploi de la télédétection spatiale et des systèmes d’information géographique (SIG). Le projet a permis de démontrer l’apport considérable de l’imagerie LANDSAT-TM à l’étude et à la cartographie des sols à l’échelle de reconnaissance pour une zone semiaride du Maroc (Chaouia). La méthodologie développée et qui est basée avant tout sur une meilleure compréhension des corrélations entre la signature spectrale et chacun des paramètres déterminants dans la discrimination des différents types de sols de la région (texture, pierrosité, couleur, teneur en calcaire, etc.) a été testée et utilisée dans d’autres régions du Maroc et d’Afrique du Nord. Les précisions obtenues sont de l’ordre de 65 à 85 % selon le système de classement des sols utilisé. Cet apport, très positif, est important pour les zones semi-arides et arides qui souffrent encore du retard dans la réalisation de leur inventaire des ressources en sols et de leur capacité agrologique. Ce dernier constitue la pièce maîtresse de tout projet de développement agricole durable. Cet apport est fort apprécié au Maroc où les études de reconnaissance des sols ne couvrent pas plus de 8,5 millions d’hectares, soit moins de 12 % du territoire national.
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Utilisation de la télédétection spatiale dans l’étude et l’inventaire des sols en zone semi-aride
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INTRODUCTION L’INVENTAIRE DES RESSOURCES PÉDOLOGIQUES La planification rationnelle d’un développement agricole durable des terres doit être basée sur : a) Une bonne connaissance des contraintes agricoles spécifiques à la région pour la maîtrise des aspects biophysiques et socioéconomiques, ainsi que celle de la problématique de l’agriculture au niveau local. Ceci constitue une tâche multidisciplinaire et de nature foncière appliquée. b) L’attribution de zones prioritaires pour l’application des programmes de développement agricole, ce qui nécessite la cartographie des potentialités de la région. La carte pédologique et ses cartes thématiques dérivées constituent la pièce maîtresse de cette démarche. La carte à moyenne échelle (1:200 00 à 1:50 000) est suffisamment détaillée, situant avec précision les ensembles de sols mais avec un certain regroupement, répond à ce besoin (Boulaine, 1980). En effet, cette carte de reconnaissance, généralement au 1:100 000, est indispensable pour la préparation des programmes régionaux de mise en valeur agricole des terres et à la planification territoriale. Ce sont, par nature, les cartes de techniciens, ingénieurs et décideurs qui conçoivent des projets de développement agricole et rural. Malheureusement, cet inventaire des ressources pédologiques n’est toujours pas disponible et sa réalisation reste encore une opération très lente et coûteuse. Ce manque est beaucoup plus accentué dans les régions arides et semi-arides. Ces dernières couvrent environ un tiers des terres émergées du globe. Au Maroc, où les terres arides et semi-arides couvrent plus des deux tiers du territoire, l’inventaire des ressources en sols à l’échelle de reconnaissance (1:200 000 à 1:50 000) n’a pas dépassé à nos jours plus de 12 % de la superficie nationale (DCFTT, 1992). Ce retard constitue pour plusieurs provinces un frein majeur pour le choix et la planification des projets intégrés d’aménagement agricole. Cette situation a imposé au pédologue le défi de moderniser ses approches et ses techniques afin d’accélérer la réalisation des études pédologiques et d’en réduire le coût. C’est dans ce cadre que s’inscrit l’objectif principal du projet-Settat qu’entreprend le Département des sciences du sol de l’Institut agronomique et vétérinaire Hassan II (IAV Hassan II) depuis 1986 et qui vise l’utilisation de la télédétection spatiale à haute résolution et le système d’information géographique dans les études pédologiques au Maroc. Cet article résume les premiers résultats de ce projet qui a été parrainé par le Centre canadien de recherches pour le développement
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international, et qui a bénéficié de la participation des chercheurs de l’Université de Sherbrooke (Canada) et de plusieurs chercheurs et étudiants de troisième cycle de l’IAV Hassan Il.
L’UTILISATION DE LA TÉLÉDÉTECTION SPATIALE EN CARTOGRAPHIE PÉDOLOGIQUE Les caractéristiques morphologiques, physiques et physico-chimiques qui permettent de définir le sol sont des variables régionalisées (Boulaine, 1980). Cette variabilité spatiale des sols dans le paysage a posé un grand nombre de problèmes et de difficultés aux pédologues dès leurs premières tentatives de cartographier les sols. Parmi ces difficultés, on peut citer : 1) le choix de l’emplacement des sites d’observation (profils, trous de tarières, etc.), 2) le traçage rapide et aussi précis que possible des limites des unités pédologiques cartographiables et 3) la compréhension des règles de distribution des sols dans le paysage. Pour faire face à ces difficultés, le pédologue s’est armé progressivement, depuis le début de ce siècle, de ce que l’on appelle les techniques annexes de la cartographie pédologique (Boulaine, 1980). Parmi ces techniques, la carte topographique puis la photographie aérienne ont permis au pédologue de gagner du temps et de la précision dans la réalisation des cartes des sols. Depuis les années 1930, la photographie aérienne est devenue une technique de pointe bien établie en cartographie des sols. Plus spécialement, la stéréoscopie a amélioré énormément le traçage des limites des unités pédologiques et l’a rendu plus rapide (Faraj et al., 1965). Depuis le début des années 1970, voyant l’émergence du potentiel que pouvaient représenter les données satellitaires, les pédologues ont envisagé la possibilité d’utiliser ce type de données dans les études de reconnaissance et de cartographie des sols. Kristof et Zachary (1971) ont démontré, par une analyse numérique de reconnaissance des formes, que les données MSS aéroportées pouvaient servir à la cartographie des sols de petites régions avec un degré satisfaisant de précision. Weismiller et Kamonsky (1978) rapportent que les résultats d’analyse de données satellitaires peuvent aider grandement les spécialistes en sciences du sol dans la préparation des cartes d’associations des sols, la délimitation du matériau parental, le raffinement des limites entre les unités de sols ainsi que dans la préparation des cartes de drainage et de teneur en matière organique. Horvath et al. (1984), dans une étude sur les relations entre des données numériques LANDSAT et les propriétés de certains sols en Arizona, concluent que les données de réflec-tance du satellite apportent une information très riche en ce qui concerne la définition et la distribution des unités de sol.
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Au même titre, la photographie aérienne a augmenté la vitesse et la précision des relevés pédologiques au début du siècle. L’utilisation des données multispectrales de la nouvelle génération de satellites deviendra un outil important dans les études en sciences du sol. Les images satellite procurent une vue synoptique qui constitue en soi presque une orthophotographie. Les données des satellites ont une bonne répétitivité surtout en milieu semi-aride, ce qui permet d’entreprendre des études sur les variations saisonnières ou annuelles de réflectances et de déterminer quels sont, sur le plan des variations multispectrales, les caractères variables et les caractères permanents de la surface des sols. De plus, l’image satellite offre la possibilité de combiner ou de superposer de multiples données complémentaires. Avec le développement des systèmes d’information géographique, ce dernier élément apparaît comme un point tournant pour les futurs travaux en sciences du sol. Bien que l’application potentielle des données LANDSAT aux sciences de la Terre ait été démontrée et raffinée dans plusieurs régions du globe, une mise en garde est portée sur les méthodes d’analyses qui ne sont pas intégralement exportables dans des régions géographiquement différentes. Ceci nécessite une adaptation à l’environnement pédologique local. On doit vérifier l’utilité et modifier s’il y a lieu les méthodes d’analyses. C’est dans cette ligne que s’inscrit l’objectif essentiel de ce travail qui est de contribuer à une évaluation de l’apport spécifique des données satellitaires LANDSAT-TM dans l’étude et la cartographie des sols et de leur état de dégradation dans les zones arides et semi-arides du Maroc. Les résultats de cette étude constituent l’articulation principale de notre présente communication.
1. ZONE D’ÉTUDE ET DÉMARCHE UTILISÉE Le secteur d’étude couvre une partie de la province de Settat qui se situe dans la région septentrionale du Maroc à 75 km au sud de Casablanca. Cette zone appartient au domaine structural de la Meseta marocaine. Elle est constituée en grande partie par des formations sustabulaires d’origine crétacée et éocène, qui constituent l’essentiel du plateau des phosphates. Une image du satellite LANDSAT-5 Thematic Mapper, acquise le 2 octobre 1986 (scène 202-37) a été utilisée. Un extrait de cette image (1 024 pixels x 1 024 lignes) centré autour de la ville de Settat a été corrigé géométriquement et radiométriquement et a fait l’objet de cette application. L’étude des documents existants et une première prospection du terrain constituent l’étape préliminaire pour se familiariser avec les caractéristiques, physiques et géomorphologiques du milieu. La
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compréhension des interactions entre le signal rétrodiffusé (signature spectrale) et chacune des caractéristiques de surface du sol constitue la première étape dans notre démarche. Une campagne de mesures radiométriques, dans la gamme de 400 à 1 000 nm à été réalisée sur les différents types de sols de la zone de Settat (Hinse et al., 1989). Les signatures spectrales acquises ont été intégrées aux données de l’image satellite afin de vérifier la corrélation entre ces dernières et les informations dérivées qui serviront à améliorer les procédures de classification. La figure 1.1 présente les réponses spectrales obtenues pour les grands types de sols de la zone. FIGURE 1.1 Réponses spectrales des différents types de sols de la région de Settat (d’après Hinse et al., 1989)
L’analyse visuelle de l’image satellite a fait l’objet d’une étude approfondie. Le but de cette étape est de sélectionner les bandes spectrales qui permettent de faire ressortir au maximum les informations sur les types de sols. La démarche repose sur une analyse qualitative des différentes images rentes images obtenues
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par des procédés de rehaussement. Une grille des critères descriptifs a servi de référence pour établir une clef d’interprétation utilisable dans le processus d’élaboration d’une carte pédologique à partir d’une image satellite (Hinse et al., 1989). L’algorithme du maximum de vraisemblance a été utilisé pour la classification numérique de l’image LANDSAT-TM. Un filtre modal (5 x 5) a été appliqué sur les résultats de la classification pour éliminer les pixels isolés. La méthodologie développée pour cette étude a été présentée en détail dans une autre publication (Merzouk et al., 1990). Il faut rappeler que notre méthode ici ne diffère pas de la démarche classique du pédologue dans laquelle la prospection de terrain est indispensable. Elle est généralement la plus longue et la plus laborieuse des tâches, et les techniques annexes visent justement à la réduire.
2. RÉSULTATS ET DISCUSSION Les résultats des mesures radiométriques des sols de la région de Settat ont permis de rassembler plusieurs éléments d’information. Elles ont démontré qu’il est possible de distinguer spectralement les principales classes de sols rencontrés dans le secteur (figure 1.1). Les bandes spectrales du rouge et de l’infrarouge se révèlent les plus utiles pour la discrimination des différentes classes. L’interprétation bande par bande a montré que les bandes de l’infrarouge TM 4, TM 5 et TM 7 sont celles qui donnent le plus d’information sur les plans pédologique et géomorphologique dans un milieu semiaride comme la province de Settat. Pour ce qui est des rapports de bande, le rapport TM 5/TM 3 est celui qui fait ressortir le plus de détails à l’intérieur de chaque classe de sols. L’analyse en composantes principales (ACP) appliquée sur toutes les bandes a, de façon générale, rehaussé les formes du relief. Au total, six grandes classes de sols ont été retenues pour la représentation cartographique. Ce sont les Vertisols, les Isohumiques, les Calcimagnésiques, les Fersiallitiques, les Minéraux Bruts et les Peu Évolués. Les Calcimagnésiques et les Peu Évolués ont été regroupés dans la même unité cartographique, car ils présentent des caractéristiques de surface très similaires. Par contre, les Minéraux Bruts ont été scindés en deux unités, l’une sur crétacé et l’autre sur schistes et quartzites du primaire. Le résultat de la classification (planche II) présente la distribution spatiale des sols avec des limites bien évidentes. La répartition des sols de la Chaouia en fonction de la topographie est illustrée d’une manière très claire. L’évaluation de la précision de cette carte de reconnaissance des sols, éditée au 1:100 000, par une confrontation aux vérités de terrain a
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Abdelaziz Merzouk
été effectuée par Bellouti (1990). Trois cents points de contrôle ont été examinés et analysés en caractérisant leurs états de surface. Globalement, le résultat de la carte des sols, issue des données du satellite LANDSATTM, révèle plusieurs concordances avec la réalité de terrain. Les classes qui affichent les taux de précision les plus élevés sont les Calcimagnésiques (82 %), sols qui dominent d’ailleurs dans la région, et les Vertisols (76 %). Les autres classes ont présenté des taux de précision variant entre 33 % (Isohumiques) et 43 % (Minéraux Bruts et Fersiallitiques). La précision globale est évaluée à 65 %. L’analyse des résultats révèle que la confusion varie selon les caractéristiques de la surface, la classe de sol et la géomorphologie de terrain. Plus les types de sols présentent des caractéristiques de surface semblables, que cela soit en termes de couleur, de charge caillouteuse, de rochemère, de texture ou de position topographique, plus il est facile de les confondre. Deux cas illustrent ce phénomène : 1) Les Isohumiques, présentant des caractéristiques de surface intermédiaires entre les Vertisols et les Calcimagnésiques (Bellouti, 1990), se sont trouvés classés à 17 % parmi les Vertisols et à 37 % parmi les Calcimagnésiques. 2) Quarante-cinq pour cent des sols Minéraux Bruts de la carte spectrale sont en fait des Calcimagnésiques sur le terrain. Cela vient du fait que les Minéraux Bruts sur les crétacés, qui sont très répandus sur le plateau, présentent des états de surface proches des Peu Évolués et Calcimagnésiques. Cependant, les Minéraux Bruts sur primaire ne se confondent pas avec les Calcimagnésiques. CONCLUSION Le développement de nouvelles techniques d’acquisition de données par télédétection, et surtout la démonstration pertinente de l’utilisation de ces données dans le domaine des sciences du sol ont permis de valider l’emploi de l’information spectrale dans les études de reconnaissances pédologiques. La présente étude a permis de démontrer l’apport considérable de l’imagerie LANDSAT-TM à l’étude et à la cartographie des sols à l’échelle de reconnaissance pour une zone semi-aride du Maroc (Chaouia). En utilisant quelques documents ponctuels sur la région ainsi que la carte géologique et une prospection rapide de terrain, le traitement numérique de l’image LANDSAT-TM nous a permis de produire une carte de reconnaissance (1:100 000) des sols qui donne une précision de l’ordre de 65 %. Les 35 % d’erreur ou de confusion peuvent être attribués en grande partie au système
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de classification des sols utilisé qui reste très pédogénétique. Malgré ces confusions, la carte spectrale des sols reste un document utilisable pour l’inventaire des ressources en sols à l’échelle de reconnaissance. La même démarche a été utilisée pour une zone de 500 000 hectares dans la partie nord-ouest de la Libye mais avec le système de classement des sols de la FAO. Comparés au système français, celui de la FAO et le système américain (soil taxonomy) sont moins pédogénétiques et tiennent davantage compte des paramètres de l’horizon de surface. Le nouveau système français en cours d’achèvement (référentiel pédologique 1992) favorise maintenant plus l’horizon surface, par conséquent, il valorisera mieux les données spectrales de surface. Des états de surface se caractérisant par une forte charge caillouteuse, par exemple, donneront des « Pierrosols » dans le nouveau système. Avec ce système, nous aurions pu éviter de confondre les sols Minéraux Bruts, les Calcimagnésiques et les Fersiallitiques à cause de leur charge caillouteuse. La modernisation des techniques d’acquisition de l’information pédologique doit s’accompagner d’une réflexion sur les systèmes de classification des sols dans le but de mieux satisfaire les besoins des utilisateurs de cette information.
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Sciences
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Abdelaziz Merzouk
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L’apport de la télédétection à l’étude des modelés éoliens du Niger méridional Salifou KARIMOUNE et André OZER
Sommaire Introduction 1. Les données climatiques récentes 1.1. Les données pluviométriques 1.2. Les vents 2. Mise en évidence du modelé éolien et détection des indicateurs de désertification 2.1. Méthodologie 2.1.1. La composition colorée 2.1.2. Les filtrages directionnels 2.1.3. Le seuillage interactif 2.2. Les résultats 2.2.1. Résultats des interprétations des photographies aériennes 2.2.2. Les résultats des traitements de l’image SPOT 3. Apports de la campagne de vérité-terrain 3.1. Observations morphologiques 3.2. La remise en mouvement des sables 3.3. Les processus de déflation Conclusion Références bibliographiques
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Salifou Karimoune et André Ozer
Nous voudrions exprimer toute notre gratitude aux institutions suivantes pour l’aide financière ou logistique qu’elles ont apportée à nos recherches : L’AGCD (l’Administration générale de la coopération au développement) qui a accordé une bourse de doctorat à S. KARIMOUNE et assumé le coût des photographies de la couverture aérienne de 1975. L’AUPELF-UREF qui a fourni les subsides nécessaires à l’achat de la couverture aérienne de 1957 et d’une image SPOT dans le cadre d’une recherche partagée du Réseau Télédétection. Les universités de Niamey et de Liège pour leur soutien logistique.
Résumé Toute la partie méridionale du Niger, au sud d’une ligne Tahoua-Tanout-N’Guigmi, considérée comme la zone agricole du pays, est aujourd’hui affectée par la sécheresse et la désertification. L’interprétation de photographies aériennes, acquises en 1957 et 1975, a permis de mettre en évidence, dans la région de Zinder, plusieurs familles de dunes, transversales, longitudinales, paraboliques, témoins de phases arides du Quaternaire. Il a été, en outre, possible de déceler des secteurs d’érosion et d’accumulations éoliennes actuelles. L’analyse de l’image satellitaire SPOT prise le 22 novembre1987 et couvrant le même territoire, est venue confirmer et compléter les informations recueillies par photointerprétation. Les différents traitements, composition colorée, filtrages, etc., font ressortir les systèmes dunaires déjà reconnus et permettent de localiser les zones de déflation et de réactivation éolienne par les différences de réflectances entre sables mobiles et sables fixés. Ils mettent aussi en évidence d’importants linéaments qui soulignent des fractures du socle. La comparaison de situations, séparées par plus de 10 ans d’intervalle, permet d’apprécier les modifications morphologiques intervenues entre les trois dates de prise de vues. On peut ainsi suivre l’évolution de la désertification et cerner les secteurs les plus sensibles. La télédétection, en rendant possible des observations diachroniques, apparaît comme un outil précieux du suivi de l’évolution de l’environnement et, par conséquent, aide à mieux appréhender les processus de sa dégradation.
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INTRODUCTION Une des caractéristiques morphologiques des régions sahéliennes qui a retenu l’attention de nombreux chercheurs est le modelé dunaire hérité. Mis en place pendant les phases arides quaternaires, il subit aujourd’hui des retouches par l’amplification des processus éoliens et la réduction de la couverture végétale, conséquences de la persistance de la sécheresse dans la région depuis une vingtaine d’années. Au Niger, cette dégradation des milieux qui affecte la quasi-totalité de la zone agricole située au sud d’une ligne Tahoua-Tanout-N’Guigmi, menace constamment la survie des populations par la précarité des productions vivrières, l’érosion des sols et la réduction des superficies cultivables. Aussi s’avère-t-il nécessaire d’élaborer des stratégies visant à endiguer le phénomène. Ces stratégies doivent être fondées sur la connaissance de l’évolution des processus de désertification. D’où l’intérêt de déceler des indices de désertification et de suivre leur évolution dans le temps. Les modifications morphologiques qu’impriment les vents actuels sur les paysages et notamment sur le modelé dunaire ancien, constituent l’un de ces indices dont le suivi permet d’appréhender la sensibilité des milieux à la désertification. Ce suivi est rendu possible grâce aux images diachroniques que nous fournit la télédétection. Ainsi, dans la région de Zinder (figure 2.1), l’analyse de photographies aériennes et divers traitements appliqués à une image satellitaire SPOT mettent en évidence l’existence de trois types d’édifices éoliens hérités du Quaternaire récent : des dunes transversales, des dunes longitudinales et des dunes paraboliques. Les trois familles ont une répartition spatiale préférentielle : les dunes transversales sont quasi exclusivement dans la partie orientale du secteur d’étude, alors que les dunes longitudinales se localisent surtout à l’ouest d’un alignement NO-SE de massifs de quartzite. Les dunes paraboliques se situent au N et au NE de la localité de Zinder. L’amplification récente des processus éoliens se traduit par la remobilisation des sables dunaires superficiels et la déflation des sédiments plus fins. Les sables mobiles sont caractérisés par une forte réflectance alors que les secteurs d’intense déflation apparaissent sombres sur l’image satellitaire. La télédétection et l’évaluation de l’importance de ces phénomènes paraissent donc relativement aisées si l’on dispose d’images couvrant un même secteur et prises à des dates différentes. La remise à vif des sables intéresse surtout les parties sommitales des dunes. La déflation est très efficace dans les zones situées sous le vent des massifs résiduels. Elle y dégage, soit le substratum, soit des épandages caillouteux (essentiellement de la grenaille latéritique) souvent associés à des dépôts fins glacés en surface.
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Salifou Karimoune et André Ozer FIGURE 2.1 Localisation du secteur d’étude
1. LES DONNÉES CLIMATIQUES RÉCENTES L’analyse des données climatiques récentes montre une nette détérioration des totaux pluviaux annuels depuis 1967 et une augmentation de la vitesse des vents et donc, de leur efficacité. 1.1. LES DONNÉES PLUVIOMÉTRIQUES Les régions sahéliennes sont caractérisées par une grande variabilité interannuelle des précipitations. La station de Zinder reflète bien cette caractéristique comme le montre le tableau 2.1.
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Sur ce tableau, on remarque que, depuis la fin des années 60, les précipitations annuelles sont la plupart du temps en deçà de la moyenne (calculée sur la période 1905-1987). La péjoration climatique est encore plus frappante sur la figure 2.2 représentant l’évolution des précipitations moyennes quinquennales dans les principales stations de la région depuis 1950. Les moyennes des cinq dernières années de la série considérée (les trois dernières années : 1985, 1986 et 1987, ont été jugées représentatives du quinquennat 1985-1989) sont inférieures de 40 à 55 % à celles du premier quinquennat (1950-1954). La conséquence de la diminution quasi régulière des précipitations annuelles depuis une quarantaine d’années est la baisse du niveau des nappes et l’assèchement ou la diminution de l’étendue des lacs, la disparition corrélative de certains arbres, voire de certaines espèces végétales.
TABLEAU 2.1 Précipitations annuelles à Zinder (1905Année
Pmm
1905 1906 1907 1908 1909 1910 1911 1912 1913 1914 1915 1916 1917 1918 1919
456,4 835,1 — 397,4 479,0 72,5* 290,5 215,2 229,0 390,6 402,2 619,3 354,4 627,3 346,2
Année
Pmm
1920 1921 1922 1923 1924 1925 1926 1927 1928 1929 1930 1931 1932 1933 1934
512,8 389,7 490,1 425,0 460,6 580,0 421,9 559,0 658,9 548,8 517,5 566,2 576,1 563,4 442,4
Année Pmm 1935 1936 1937 1938 1939 1940 1941 1942 1943 1944 1945 1946 1947 1948 1949
*Données incomplètes
524,5 677,3 435,2 462,5 690,5 439,3 426,0 339,5 750,5 547,2 542,8 800,3 469,5 371,4 256,0
Année Pmm 1950 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 1960 1961 1962 1963 1964
Année Pmm Année Pmm
609,9 500,2 661,9 584,4 699,7 500,4 610,2 599,7 526,0 481,0 583,3 577,2 467,8 362,5 658,5
1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979
434,3 487,0 404,5 375,7 436,0 354,7 353,1 327,9 297,5 480,3 470,7 474,7 256,9 607,1 442,8
1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987
524,1 288,1 446,3 304,4 282,9 424,5 440,5 219,8
moy.
472,1
— Données manquantes
Il est cependant erroné de croire que la péjoration climatique de ces dernières années est seule responsable de la réduction de la couverture végétale. Comme de nombreux auteurs l’ont souligné (Le Houerou, 1979 ; Bernus, 1979) et les auteurs cités par Le Houerou, la crise climatique s’est ajoutée à de nombreux facteurs anthropiques traumatisants. La croissance rapide des populations humaines (le taux de croissance naturelle de 1977 à 1988 au Niger est estimé à 3,37 %) entraîne des défrichements de plus en plus importants et des besoins accrus en bois de chauffage et d’œuvre.
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Les champs se sont développés en direction du nord, dans des secteurs jadis considérés comme pastoraux. De même, l’augmentation considérable du cheptel a eu pour conséquence l’extension des terrains de parcours et de pâturage. FIGURE 2.2 Évolution des précipitations moyennes quinquennales dans les principales stations du secteur d’étude de 1950 à 1987
Bref, la combinaison de tous ces facteurs a porté un coup préjudiciable à la couverture végétale. La sécheresse de ces dernières années a brutalement amplifié la dégradation et révélé la fragilité de l’équilibre de l’écosystème sahélien. Le déboisement a rendu le sol plus vulnérable en le privant de sa protection contre les processus éoliens. Ceux-ci sont devenus ainsi plus efficaces, occasionnant déflation et remobilisation des sables.
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1.2. LES VENTS Il ressort de l’analyse des données anémométriques que les vitesses moyennes mensuelles des vents à Zinder, de 1950 à 1987, restent en général inférieures à 5 m/s. Cependant, l’efficacité d’un vent ne dépend pas seulement de la vitesse. Elle dépend aussi de la turbulence qui est fonction de la rugosité du sol, de la topographie et du comportement thermique de la surface (Courel et Chamard, 1988). II n’est donc pas étonnant que les massifs de quartzite qui constituent des obstacles et perturbent les courants éoliens transporteurs de sables jouent un rôle important dans l’efficacité des vents, même relativement faibles. Les sables dépourvus de couverture végétale induisent aussi, par leur faculté à s’échauffer rapidement, une instabilité dans les basses couches de l’air qui renforce la turbulence des courants éoliens.
FIGURE 2.3 Roses des vents à Zinder en 1975 et en 1987
Les vents peuvent être considérés comme efficaces lorsqu’ils ont une vitesse égale ou supérieure à 3 m/s (Bagnold, 1954). Or, on constate une nette progression de la proportion des vents de cette catégorie depuis
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1967 (figure 2.3) accompagnée par une diversification des directions de vent. La comparaison des données de 1958, 1975 et 1987 donne les résultats suivants : en 1958, on retrouvait ce type de vents dans 21 % des relevés, en 1975, dans 23 % de ceux-ci et en 1987 dans 37 %. Pour rendre les données comparables, nous n’avons considéré que les vents de vitesse 5m/s. Cette augmentation de la proportion des vents efficaces alors même que la couverture végétale diminue se traduit par une remobilisation de plus en plus importante de sables et de poussières, causant l’accroissement du nombre de jours de chasse-sable et de brume sèche (figure 2.4). Il en résulte une érosion des sols par déflation et des remaniements des sables dunaires engendrant des modifications morphologiques repérables sur les photos aériennes et les images satellitaires.
FIGURE 2.4 Évolution du nombre de jours de brume sèche et de chasse-sable entre 1951 et 1988
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2. MISE EN ÉVIDENCE DU MODELÉ ÉOLIEN ET DÉTECTION DES INDICATEURS DE DÉSERTIFICATION 2.1. MÉTHODOLOGIE La mise en évidence du modelé dunaire a été réalisée par l’interprétation de photographies aériennes puis grâce à certains traitements d’une image satellitaire SPOT. La détection et le suivi de l’évolution des indices de désertification impliquent la possibilité de disposer d’images prises au cours de périodes différentes d’un même secteur. Nous avons pu acquérir deux couvertures aériennes (IGN, France) de la région de Zinder. La première a été réalisée au cours des missions AOF (Afrique-Occidentale française), ND 32 X et ND 32 XVI de novembre-décembre 1957 ; les photos sont au 1:50 000. La deuxième couverture date du vol NIG 40/600 effectué en mars-avril 1975 et elle est constituée de photos au 1:60 000. À ces deux couvertures aériennes s’est ajoutée une image satellitaire SPOT prise le 22 novembre 1987. La méthodologie a consisté en la confrontation des couvertures aériennes entre elles puis avec l’image satellitaire, d’une part, et en l’utilisation de certains traitements de l’image SPOT, d’autre part. Les traitements appliqués à l’imagerie satellitaire sont la composition colorée, des filtrages directionnels avec rehaussement de contraste et le seuillage inter-actif. Ils ont été réalisés sur logiciel Gipsy au Laboratoire Surfaces de l’Université de Liège. 2.1.1. La composition colorée La composition colorée est une synthèse chromatique des trois couleurs additives (rouge, vert et bleu), chacune associée à un canal de l’image. Lorsque les données satellitaires ont été enregistrées dans plus de trois canaux, l’opérateur choisit en fonction de ses préoccupations les canaux auxquels les couleurs seront attribuées (Richards, 1986). Cette synthèse permet d’obtenir une image couleur appelée composition colorée en « fausses couleurs ». Lorsque l’un des trois canaux de la combinaison est dans l’infrarouge, l’image obtenue est dite composition colorée en « fausses couleurs infrarouge » ou simulation d’une émulsion infrarouge couleur. Dans le cas de l’image SPOT traitée, le bleu a été attribué au canal XS1, le vert au canal XS2 et le rouge au canal XS3 (planche III). 2.1.2. Les filtrages directionnels Le but du filtrage directionnel est de mettre en valeur les éléments linéaires d’une image dans des directions choisies. Comme les dunes
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transversales et longitudinales présentent des alignements dans des directions préférentielles, elles constituent des éléments morphologiques susceptibles d’être mis en évidence par des filtres gradients directionnels. Ceux-ci consistent à déplacer dans l’image à traiter une fenêtre de convolution de n x n pixels (ici 3 x 3). La valeur de la somme algébrique des produits des valeurs des pixels par les poids correspondants introduits dans la matrice de convolution est attribuée au pixel central. Lorsque la fenêtre de convolution a balayé l’ensemble de l’image (scène ou sousscène), il en résulte une image mettant en relief les structures linéaires d’une direction donnée en fonction du type de gradient utilisé (gradient horizontal, vertical ou oblique, Joly, 1986).
Figure 2.5
Application d’un filtre gradient à 135° à la scène entière
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Pour la mise en évidence des dunes transversales et longitudinales orientées respectivement NO-SE et NE-SO, deux gradients obliques ont été utilisés et appliqués à la bande XS3 qui présente les meilleurs contrastes : un gradient à 45° et un autre à 135°. Les poids attribués aux pixels de l’assiette 3 x 3 sont les suivants :
1 1 0
Filtre à 45° 1 0 0 -1 -1 -1
Filtre à 135° 0 1 1 -1 0 1 -1 -1 0
Un rehaussement des contrastes a permis d’améliorer la visualisation des résultats des filtrages (figures 2.5 et 2.6).
FIGURE 2.6 Filtrage à 45° (scène entière)
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2.1.3. Le seuillage interactif (figure 2.7) Le seuillage est une opération dont le but est de segmenter les valeurs de réflectance d’une scène ou d’une sous-scène en un certain nombre de classes. Chaque classe est figurée sur l’image par une plage de couleur homogène. Le nombre de classes et les seuils sont fixés par l’opérateur selon les détails qu’il veut faire apparaître (Richards, 1986). Dans le cas de la sous-scène SPOT analysée, les valeurs de réflectance enregistrées dans le canal XS3 s’étirent entre 43 et 131. Ces valeurs ont été regroupées en trois classes : -
la classe 1, qui couvre les valeurs de 43 à 86, correspond aux éléments à faible réflectance (dépressions humides, roches, zones de déflation),
FIGURE 2.7 Seuillage interactif (même secteur que la planche III)
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−
la classe 2 (87 à 107) est celle des réflectances moyennes,
–
la classe 3 (108 à 131) met en évidence les secteurs à forte réflectance associés au sable remis en mouvement.
Le choix des classes a été guidé par la réflectance d’éléments pris comme référence, les dépressions humides pour les faibles valeurs et les sables deltaïques très blancs pour les hautes valeurs. Le résultat du seuillage a, après amélioration des contrastes, été soumis à un lissage majoritaire afin de rendre plus nets les contours des différentes classes. 2.2. LES RÉSULTATS 2.2.1. Résultats des interprétations des photographies aériennes L’interprétation des photographies aériennes a abouti à la réalisation de cartes morphologiques faisant ressortir l’agencement des systèmes dunaires dans le secteur d’étude (figure 2.8). Trois types d’édifices ont été identifiés : des édifices transversaux, des édifices longitudinaux et des édifices paraboliques. 2.2.1.1. Les dunes transversales Bien qu’elles soient répandues sur l’ensemble du secteur à l’étude, elles sont quasi exclusives dans la partie orientale où elles constituent de longues chaînes orientées NO-SE, ayant environ 0,5 km de large. Les versants SO sont en pente plus forte que les versants NE. Ces dunes sont séparées par des dépressions interdunaires qui, en saison des pluies, recueillent l’eau de ruissellement donnant ainsi naissance à des mares temporaires. La coalescence de ces mares transforme certains interdunes en véritables chenaux (Karimoune et al., 1990). C’est dans ces dépressions qu’est concentrée la majeure partie de la végétation (Palmiers doum, Hyphæne thebaïca, baobabs, Adansonia digitata, etc.), d’où leur couleur sombre sur les photos aériennes. Dans la partie occidentale du secteur d’étude, les dunes transversales semblent moins bien développées et quelquefois leurs caractéristiques morphologiques s’estompent, donnant des formes arrondies ou simplement un nappage sans organisation spécifique. Selon Mainguet (1983), les dunes transversales sont des dunes de dépôts. La localisation de ces édifices dans la région de Zinder semble indiquer qu’ils résulteraient, du moins en partie, de dépôts de sables corrélatifs à l’ascendance imposée par la barrière de reliefs de quartzite aux courants éoliens. La conjonction d’une exportation de sables réduite à l’aval et d’une alimentation en sables soutenue à l’amont des courants éoliens a pu provoquer des accumulations sableuses modelées en dunes transversales. Ces accumulations
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Salifou Karimoune et André Ozer FIGURE 2 . 8 Carte morphologique schématiaue de la région de Zinder
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ont pu s’ajouter à une couverture sableuse préexistante. Mainguet et al. (1983) ont montré que les sables des dunes du nord de Zinder sont partiellement allochtones. 2.2.1.2. Les dunes longitudinales Elles se localisent surtout à l’ouest de l’alignement de reliefs de quartzite orientés NO-SE. Ce sont de longs cordons constitués de plusieurs éléments disposés les uns à la suite des autres et orientés NE-SO. Ces cordons de plusieurs dizaines de kilomètres de long ont entre 0,5 et 1,5 km de large. Leur profil transversal est en général dissymétrique avec un versant SE en pente forte et un versant NO en pente faible. Des dunes transversales viennent buter sur le flanc NO tandis que le flanc SE jouxte une zone à faible couverture sableuse ou, quelquefois, complètement dégagée. Cette zone est souvent occupée par une mare temporaire, et parfois traversée par un oued (Karimoune et al., 1990). Les cordons longitudinaux prennent naissance dans le prolongement des couloirs qui séparent les massifs de quartzite ou en position sous le vent des lits de certains cours d’eau. Ceci laisse penser que les reliefs de quartzite et les cours d’eau jouent un rôle important dans la genèse de ces édifices. Les reliefs de quartzite induisent une turbulence dans la circulation des courants éoliens. En effet, le franchissement de ces obstacles par les flux éoliens donne naissance à des remous et à des tourbillons hélicoïdaux souvent évoqués pour expliquer la formation des dunes longitudinales (Bourcart, 1928 ; Hanna, 1969 ; Folk, 1971). En outre, les reliefs imposent aux vents transporteurs de sable une déviation latérale qui favorise les dépôts dans le prolongement des couloirs. Par contre, les secteurs situés sous le vent de ces reliefs sont soit dénudés, soit à faible couverture sableuse. Les vents qui y arrivent après avoir franchi les obstacles trans-portent peu ou pas de sables et sont animés de turbulence qui engendre la déflation. Ainsi, les dunes longitudinales apparaissent comme des édifices alimentés non seulement par des apports d’amont, mais aussi par les produits de l’érosion et de la déflation éoliennes qui sévissent dans les zones déprimées adjacentes. Les sables remis à vif s’échauffent rapidement, ce qui est susceptible de renforcer la turbulence éolienne et les mouvements hélicoïdaux qui déblaient les sédiments des zones dépressionnaires et accentuent l’accumulation dans les cordons. Quant aux cours d’eau, ils constituent, par leur plaine alluviale, une rugosité de la topographie qui perturbe aussi les courants éoliens. En outre, les sables alluviaux sont prélevés par les vents pour l’alimentation des dunes. Les dunes longitudinales de la région de Zinder semblent relever de deux générations présentant des orientations et des degrés d’érosion
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sensiblement différents. Les unes sont aplaties, étalées avec un profil transversal convexe, les autres conservent des pentes fortes, un relief vigoureux, et ont une répartition spatiale périodique au SE de Zinder. 2.2.1.3. Les dunes paraboliques Elles sont situées au N et au NE de la localité de Zinder, dans un secteur où la couverture sableuse est discontinue. Ce sont des édifices dont les dimensions, perpendiculairement à la ligne du vent, sont de l’ordre de 0,2 km. Ce sont des formes en croissant dont le creux se situe au NE, c’est-à-dire au vent des édifices. Les dunes paraboliques se regroupent, formant des ensembles allongés NE-SO, parallèles à la ligne du vent. Elles passent par des formes intermédiaires à des édifices transversaux ou longitudinaux. Rappelons que ces formes témoignent des variations climatiques du Pléistocène supérieur. Selon Mainguet (1983), les dunes paraboliques sont des formes d’érosion et la plupart des auteurs s’accordent à penser qu’elles s’édifient dans des milieux relativement humides dotés d’une certaine couverture végétale. Aussi peut-on évoquer trois étapes dans la mise en place des dunes paraboliques de la région de Zinder : 1) Mise en place d’un modelé de dunes en tas (période aride). 2) Retour d’une phase humide à la faveur de laquelle la végétation s’installe. Le matériau sableux acquiert une certaine cohésion par compaction et pédogenèse. 3) Reprise éolienne et façonnement du creux au vent (transition vers une phase aride ou légère pulsation sèche ?) Il est à noter que l’on observe dans la région toutes les étapes de l’édification des dunes paraboliques, du petit creux qui constitue le stade initial aux formes élaborées en U ou en V. 2.2.1.4. Chronologie des dunes pléistocènes Les dunes du Niger méridional ont été mises en place pendant les phases arides quaternaires. D’ailleurs, les grandes lignes de la succession des périodes climatiques sèches et humides du Quaternaire supérieur semblent bien établies au Sahel, même si des divergences existent quant à l’ampleur des phénomènes (Durand et Lang, 1986). Les auteurs ayant travaillé dans le bassin tchadien distinguent : Une période aride antérieure à 50 000 ou 60 000 ans BP qui aurait mis en place l’« Erg ancien » qui s’étend jusqu’à 10 ou 12° N au Nigeria.
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Une phase humide, le Ghazalien, entre 40 000 et 20 000 ans BP. Cette phase humide qui a atteint son maximum vers 22 000 ans BP aurait été interrompue par une récurrence sèche entre 35 000 et 29 000 ans BP (Durand et Mathieu, 19791980).
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Le Kanémien 20 000 - 12 000 ans BP (dénommé « Ogolien » sur la côte occidentale de l’Afrique) a été considéré comme une période d’extrême aridité par Michel (1973). Pour cet auteur, le Kanémien-Ogolien aurait été responsable des modelés dunaires les plus vigoureux que l’on observe aujourd’hui. Cependant, pour Durand et Lang (1986), cette période sèche a affecté surtout les régions situées au nord du 15° ou 16° N. Plus au sud, elle s’est limitée à des remaniements de faible ampleur.
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Le Nigéro-Tchadien (12 000 à 7 000 ans BP) est la deuxième grande période humide qui, après le Ghazalien, a donné lieu à la formation de lacs et mares plus ou moins pérennes dans les dépressions et couloirs interdunaires.
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Après le Nigéro-Tchadien, d’autres variations climatiques de moindre ampleur se sont succédées, la tendance vers l’aridification l’emportant depuis 2 500 ou 3 000 ans BP (Vôlkel et Grunert, 1990).
2.2.1.5. Les indices de désertification La comparaison des deux couvertures aériennes (1957-1958 et 1975) fait ressortir d’importants changements d’état de surface des sables et des modifications morphologiques qui peuvent être considérées comme des indices de désertification : −
Les crêtes dunaires sont devenues, la plupart du temps, plus blanches, signe de la diminution du couvert végétal et de la remise en mouvement des sables.
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Au départ de champs fonctionnels s’observent des stries éoliennes, en particulier dans la partie nord où la végétation est plus ténue.
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À la latitude de Zinder, les limites des champs matérialisées par de la végétation permanente favorisent les accumulations sableuses facilement repérables sur les photographies aériennes de 1975.
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Dans les zones situées sous le vent des massifs, la déflation a dénudé des secteurs plus étendus.
Les différentes familles dunaires et certains indices de désertification ont pu être reconnus par les traitements de l’image satellitaire SPOT du 22 novembre 1987.
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2.2.2. Les résultats des traitements de l’image SPOT La mise en évidence des systèmes dunaires a été réalisée par l’application de gradients sur la scène entière. Les dunes longitudinales sont celles qui apparaissent le mieux ; elles forment de longues traînées blanches de direction NE-SO (figure 2.6). Les dunes transversales sont représentées par de petites ondulations sinueuses. Elles apparaissent moins bien, car l’image satellitaire ne couvre que la partie occidentale du secteur d’étude, là où les édifices transversaux sont moins bien développés. Quant aux dunes paraboliques, elles n’existent pas sur le territoire couvert par l’image SPOT acquise. La composition colorée appliquée à une sous-scène souligne la localisation des sables mobiles caractérisés par des plages blanches. Ils se situent sur les sommets des dunes et à l’aval-vent des zones de déflation. Les alluvions récentes ayant une faible cohésion sont aussi remaniées par le vent. Elles forment des auréoles blanches au pied des massifs, là où les oueds qui descendent des reliefs constituent des cônes coalescents. Les petits deltas constitués par les oueds qui se jettent dans les dépressions sont également caractérisés par la même blancheur que les sables des dunes et des cônes. Les secteurs de déflation intense apparaissent plus sombres ou avec une teinte bleutée. La comparaison de ces plages dénudées avec la situation de 1975 permet d’apprécier l’évolution des processus et de mesurer l’ampleur de l’érosion des sols depuis l’installation de la sécheresse. Le seuillage interactif rend encore mieux la discrimination entre sables remis en mouvement et sables peu ou pas remaniés par les vents actuels. Les premiers correspondent aux secteurs caractérisés par les plus fortes réflectances. Sur ce traitement, certaines parties des secteurs de déflation appartiennent à la même classe de réflectance que la roche nue, ce qui laisse supposer que la déflation dégage quelquefois le substratum.
3. APPORTS DE LA CAMPAGNE DE VÉRITÉ-TERRAIN La campagne de vérité-terrain a eu lieu au cours des mois de janvier et février 1991 et a permis de confirmer la plupart des interprétations de laboratoire. 3.1. OBSERVATIONS MORPHOLOGIQUES Du point de vue morphologique, trois systèmes dunaires ont été reconnus. Les dunes transversales forment une immense tôle ondulée qui donne l’impression à celui qui traverse le secteur d’ouest en est, d’une succession infinie de montées et de descentes. Dans le détail, les dunes
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transversales ont une morphologie en fuseau dont les ailes sont légèrement recourbées vers l’ouest, rappelant les formes barkhaniques dont elles ont pu dériver. Le versant NE a des pentes variant autour de 3 % alors que le versant SO peut avoir des pentes de 7 %, 8 % et dépasser quelquefois 10 %. Cependant, des formes semblent s’imposer sur les autres et certaines dunes transversales « grimpent » les versants des dunes longitudinales. Tout semble indiquer qu’il y a eu au moins deux générations de dunes transversales. Les dunes longitudinales, pour leur part, dominent généralement l’ensemble du modelé éolien. Elles peuvent avoir 20 à 25 m de hauteur relative. Là aussi les pentes varient en fonction du flanc considéré. Le versant SE peut avoir des pentes de 7 à 10 %, quelquefois plus, et le versant NO des pentes de 4 à 5 %. Toutefois, certaines dunes longitudinales cartographiées par photo-interprétation sont difficilement reconnaissables sur le terrain tant elles sont aplanies, étalées ; elles appartiennent probablement à une génération plus ancienne que celles qui constituent l’armature du modelé éolien. Le sommet des dunes longitudinales est fréquemment modelé en creux et en bosses témoignant de retouches ultérieures. Les dunes paraboliques ont à peu près la même hauteur relative que les dunes transversales. Les pentes de la crête en direction du creux varient entre 2 et 4 %. Par contre, en direction du front, elles peuvent avoir des valeurs de 90/0. La réactivation éolienne actuelle concerne tous les types dunaires. 3.2. LA REMISE EN MOUVEMENT DES SABLES (figures 2.9, 2.10 et 2.11) L’amplification des processus éoliens actuels se traduit sur le terrain par une remobilisation superficielle des sables. En général, seuls les 5 ou 10 centimètres supérieurs sont concernés. Les sables sont exportés des sommets vers les fronts des dunes paraboliques et des dunes transversales, ce qui engendre une suralimentation de ces zones frontales en sable libre qui glisse par gravité vers le pied sous le vent des édifices. Au sommet de certaines dunes transversales, les tentatives de fixation par la plantation d’une haie ont abouti à la formation de véritables caoudeyres au vent de l’obstacle. Le sable arraché à ces zones d’érosion s’est accumulé contre la haie, a enseveli certains arbustes et constitué une petite dune d’obstacle de quelques mètres de hauteur. Ce type d’évolution a aussi été observé sur certaines dunes longitudinales. Des caoudeyres se forment également sous les grands arbres où le piétinement des animaux a détruit la cohésion des sables. Les remaniements des alluvions sableuses que nous avons pu constater dans
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certains deltas et dans les lits des oueds peuvent aussi donner lieu, à la faveur d’un obstacle, à la formation de petites dunes. Dans les champs qui ont été préparés de façon précoce, les signes du transport éolien sont très nets. Le sol a été nivelé et est recouvert d’un pavage de particules grossières. Dans les champs où les souches de mil n’ont pas été enlevées, ce transport devient sporadique et se traduit par la présence de nebkas sous le vent des tiges de mil. 3 . 3 . LES PROCESSUS DE DÉFLATION (figure 2.12) Les secteurs les plus sensibles sont ceux situés sous le vent des reliefs résiduels. La déflation y déblaie les colluvions fines déposées par le ruissellement en saison des pluies. En effet, les secteurs où la déflation est très active sont en dépression et collectent les eaux ruissellées des dunes et reliefs environnants. Lorsque le vent emporte les produits fins de couverture, viennent à l’affleurement des épandages de grenailles latéritiques qui ressemblent à de véritables regs. La déflation dégage aussi des plages de roche en place et des horizons glacés qui bloquent l’infiltration des eaux de pluies. Ce sont ces horizons qui apparaissent en bleu sur la composition colorée. Les épandages de grenailles latéritiques sont de couleur sombre. La puissance des processus éoliens est attestée, dans ces secteurs de déflation, par l’anémomorphisme de la végétation. Tous les arbustes sont inclinés vers le SO, sens des vents dominants en saison sèche (figure 2.12).
CONCLUSION Les phases arides du Quaternaire récent ont façonné dans la région de Zinder trois familles dunaires dont la répartition spatiale a probablement été influencée par les obstacles que constituent les massifs de quartzite et de grès et les disponibilités en sables. La mise en place de ces dunes a pu se faire au cours de deux grandes périodes sèches. Les pulsations arides de moindre ampleur ont engendré des remaniements superficiels dont les marques n’ont pas toutes été conservées dans la morphologie. La sécheresse de ces dernières années a aussi apporté des modifications morphologiques, certes mineures, mais qui s’amplifient avec le temps. Les indices de désertification que nous avons détectés par confrontation des couvertures aériennes de 1 9 5 7 - 1 9 5 8 et de 1975 ont gagné du terrain entre 1975 et 1 9 8 7 . Les secteurs les plus sensibles sont les crêtes dunaires et les zones sous le vent des massifs rocheux. L’homme joue un rôle important dans l’amplification de ce processus par la préparation précoce des champs localisés parfois sur les sommets des dunes, par le déboisement, notamment pour ses besoins en bois de chauffage, par l’élevage, etc.
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FIGURE 2 . 9 Remise en mouvement des sables au sommet d’une dune près de Zinder
FIGURE 2 . 1 0 Érosion éolienne et formation de caoudeyres au sommet de dunes transversales au sud de Wacha
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FIGURE 2.11
Caoudeyrisation sous un Balanites ægyptiaca, au nord de Birni-Kazoé
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FIGURE 2.12
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Épandages de grenailles latéritiques, horizons glacés en surface et anémomorphisme des arbustes constituent les traits marquants des secteurs situés sous le vent des massifs de quartzite. Est de Dogo
En outre, la constitution d’une haie peut accentuer l’érosion. On devrait donc construire des haies en treillis comme cela se pratique dans certaines régions du Niger (régions de Keita-Bouza et du Manga), surtout que les vents actuels ont une gamme très variée de directions. On devrait de plus mettre en défens les secteurs les plus sensibles, notamment, ceux où la déflation provoque une grave dégradation des sols. Nous avons pu constater les différences énormes qui peuvent exister entre les zones protégées et celles qui ne le sont pas. On pourrait favoriser, dans les secteurs de déflation, la plantation d’arbres afin de régénérer ces zones qui, selon les témoignages recueillis, étaient, il y a une vingtaine d’années, de véritables forêts. La régénération pourra s’appuyer sur des programmes visant à favoriser l’infiltration des eaux (exemple des demi-lunes). Pour les besoins en eau des plantes, on pourra aussi exploiter les mares temporaires. Enfin, le repérage de réseaux de linéaments pourra guider la recherche d’aquifères.
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives André CHANZY, Patrick BERTUZZI et Laurent BRUCKLER
Sommaire Introduction 1. Matériels et méthodes 1.1. Le site de mesures 1.2. Les mesures au sol 1.3. Les mesures hyperfréquences 2. Théorie 2.1. Le modèle de pénétration 2.2. Le modèle de rétrodiffusion 3. Résultats et discussion 3.1. Estimation de l’humidité de surface 3.2. Effets relatifs à la profondeur de pénétration 3.3. Effets relatifs à la rugosité de surface 3.4. Effets liés à l’hétérogénéité de distribution des teneurs en eau de surface 3.5. Utilisation d’un modèle de rétrodiffusion pour estimer l’humidité de surface Conclusion Références bibliographiques
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André Chanzy, Patrick Bertuzzi et Laurent Bruckler
Résumé
La teneur en eau des premiers centimètres de sol nu peut être estimée à partir de mesures hyperfréquences actives (radar). Cette estimation est possible dans une assez large gamme d’angles d’incidence et la précision obtenue (0,02 m3·m-3) est suffisante pour un grand nombre d’applications. Les effets liés à la rugosité de surface du sol sont peu sensibles sur la réponse radar, du moins dans le cas d’une configuration proche de 5,3 GHz ; 15 degrés ; polarisation HH. La teneur en eau moyenne des horizons superficiels du sol et, dans une moindre mesure, la forme du profil hydrique, déterminent la profondeur de pénétration du signal qui peut ainsi varier de quelques millimètres dans le cas des sols humides à plusieurs centimètres dans le cas des sols secs. Dans le cas d’une surface présentant une distribution hétérogène des teneurs en eau, la mesure radar intègre la moyenne spatiale de celles-ci. Enfin, d’un point de vue théorique, les modèles de rétrodiffusion de surface rendent bien compte des mesures dès que l’angle d’incidence n’est pas trop élevé.
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 57
INTRODUCTION La teneur en eau de surface des sols est importante à plusieurs égards : −
D’un point de vue agronomique, elle conditionne fortement la mise en place du peuplement végétal (germination des semences, émergence, implantation du système racinaire), les conditions physiologiques auxquelles sont soumises les cultures (anoxie dans le cas des sols saturés, par exemple), ainsi que la conduite culturale de la parcelle (traficabilité, par exemple).
−
D’un point de vue hydrologique, la teneur en eau de surface, fortement liée à la température de surface, conditionne les échanges avec l’atmosphère, à la fois par l’intermédiaire du bilan d’énergie à la surface du sol (très différent sur une surface sèche ou humide) et par l’intermédiaire des propriétés physiques de surface directement liées à la teneur en eau (conductivité hydraulique, par exemple).
Pour ces raisons, la connaissance et le suivi de la teneur en eau de surface sont déterminants dans les domaines agronomiques et hydrologiques. Cette grandeur étant très fluctuante au cours du temps, en fonction des épisodes climatiques, et dans l’espace, en fonction du type de milieu rencontré, la télédétection apparaît comme étant une réponse a priori adaptée au suivi de l’humidité des sols. En particulier, de nombreux travaux ont été réalisés dans le domaine des micro-ondes actives par plusieurs équipes interna-tionales, sur sol nu ou sur couverts végétaux (Ulaby et al., 1978 ; Bradley et Ulaby, 1981 ; Le Toan et al., 1981 ; Bernard et al., 1981 ; Jackson et O’Neil, 1985 ; Bruckler et al., 1988). Les objectifs de tels travaux étaient les suivants : 1.
Évaluer les potentialités des capteurs hyperfréquences actives pour estimer les propriétés de surface des sols nus (teneur en eau, rugosité) ou des couverts (indicateurs de biomasse, teneur en eau du sol sous couvert).
2.
Utiliser ces informations acquises sur les propriétés de surface, en particulier la teneur en eau sur sol nu, pour paramétrer des modèles d’estimation du bilan hydrique (évaporation) à une échelle locale ou régionale.
Dans le cas des sols nus qui nous intéresse ici, il a été établi qu’une configuration optimale de la mesure hyperfréquence (bande C, polarisation HH, angle d’incidence compris entre 7 et 17 degrés) permettait d’accéder à une estimation de la teneur en eau de surface. Cette notion de teneur en eau de surface reste d’ailleurs parfois floue, car elle est en fait non mesurable. Le travail présenté ici est une contribution théorique et expérimentale relative à l’influence de diverses
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propriétés des couches de surface du sol (teneur en eau, gradients hydriques, rugosité, hétérogénéité de répartition de l’humidité) sur les mesures hyperfréquences actives. En particulier, nous chercherons à clarifier les points suivants : 1
Dans la plupart des études relatives à l’estimation de la teneur en eau des couches superficielles sur sol nu, les relations empiriques obtenues entre le coefficient de rétrodiffusion et la teneur en eau considèrent une épaisseur arbitraire de sol (généralement 0-5 ou 0-10 cm). En réalité, les gradients hydriques dans les couches de surface sont parfois très importants, ce qui rend difficile l’interprétation d’une teneur en eau moyenne calculée sur 5 ou 10 cm.
2
Les mesures hyperfréquences sont généralement réalisées sur des surfaces de sol plus ou moins homogènes, puisque la teneur en eau de surface varie assez largement d’un point à un autre durant les phases d’infiltration ou d’évaporation. Ainsi, le radar « regarde » une surface généralement très hétérogène et l’interprétation de telles mesures mérite d’être affinée par des approches expérimentales ou théoriques.
3.
Dans une optique appliquée d’estimation de la teneur en eau de surface, on ne dispose pas nécessairement de mesures de coefficients de rétrodiffusion réalisées pour une configuration optimale de la mesure (fréquence, incidence, polarisation). Or, dès que l’on s’éloigne de cette configuration optimale, la mesure du coefficient de rétrodiffusion ne dépend plus seulement de la teneur en eau de surface, mais aussi de la rugosité. Dans ce cas, l’utilisation combinée de mesures expérimentales et d’un modèle théorique de prédiction du coefficient de rétrodiffusion en fonction des propriétés de surface s’avère indispensable. De tels modèles existent, mais sont rarement accompagnés de contrôles précis au sol et donc de validation expérimentale.
Dans ce travail, nous présenterons un ensemble de résultats relatifs à ces problèmes, collectés de 1986 à 1989 sur un site fixe fortement instrumenté au sol en utilisant le radar RAMSES.
1. MATÉRIEL ET MÉTHODES 1.1. LE SITE DE MESURES Les expérimentations ont été réalisées sur un sol nu situé à Montfavet (France). Le sol utilisé présente une texture argilo-limoneuse (27 % d’argile, 61,7 % de limons fins et grossiers, 11,1 % de sable). La préparation du sol nécessite l’utilisation de différents outils (herse
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 59
vibrante, pulvérisateur, rouleau) afin d’obtenir des états structuraux de surface et des gammes de rugosité suffisamment contrastés. Les mottes sont disposées à la surface du sol de façon aléatoire, dans la mesure du possible. Le contrôle de l’irrigation des parcelles est assuré par une rampe d’irrigation automotrice qui assure une homogénéité satisfaisante de la distribution de l’eau à la surface du sol. Ce contrôle de l’irrigation permet de travailler sur une large gamme de teneurs en eau du sol, allant de la saturation à des teneurs en eau très faibles. 1.2. LES MESURES AU SOL Des mesures de teneur en eau des couches superficielles du sol, de masse volumique et des profils de rugosité ont été réalisées en même temps que les mesures hyperfréquences. Pour chaque séquence de mesure radar, 9 à 18 profils de teneur en eau gravimétrique précis sont réalisés (0-1 cm ; 1-2 cm ; 2-3 cm ; 3-4 cm ; 4-5 cm ; 5-7 cm ; 7-10 cm). La localisation des mesures est tirée au hasard afin d’obtenir des estimations des teneurs en eau moyenne et des écarts types à l’échelle de la parcelle. Les masses volumiques sèches sont mesurées par une méthode radiométrique, à l’aide d’une sonde à transmission gamma ayant une précision de 20 à 30 kg·m-3 (Bertuzzi et al., 1987). Les teneurs en eau volumiques sont déduites des teneurs en eau massiques et des masses volumiques sèches mesurées. Les profils de rugosité de surface sont mesurés en utilisant un appareil de mesure automatique ou rugosimètre laser (Bertuzzi et al., 1992). Le système de mesure sans contact est monté sur une poutre métallique en aluminium de deux mètres de long, et il se déplace automatiquement sur une longueur utile de deux mètres. L’ensemble du système de mesure est connecté à un système automatique de pilotage et d’acquisition de données. Les mesures de hauteur du relief sont acquises avec une résolution horizontale de 2 mm et avec une précision absolue inférieure à 0,25 mm. 1.3. LES MESURES HYPERFRÉQUENCES Les mesures hyperfréquences sont effectuées à l’aide du radar RAMSES construit par le Centre national d’études spatiales (CNES). Le radar est monté sur le chariot de translation de la flèche d’une grue (altitude 19,70 m) qui peut se déplacer sur un rail de 100 m de long de façon à viser les parcelles expérimentales situées de part et d’autre de ce chemin de roulement. Le radar RAMSES est un radar multifréquence et multipolarisation, permettant de viser au sol une surface de résolution de 2 m (incidence normale) à 4,3 m (incidence de 50 degrés). Des mesures indépendantes de coefficient de rétrodiffusion sont échantil-
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lonnées sur des longueurs de trajet sur la flèche variant de 4,5 à 12 m, ensuite les valeurs moyennes sont calculées.
2. THÉORIE 2.1. LE MODÈLE DE PÉNÉTRATION Différentes approches sont utilisées dans la littérature pour rendre compte de la pénétration micro-onde dans un milieu stratifié. Les modèles correspondants sont plus ou moins sophistiqués, allant de la considération d’une simple réflexion de surface à une modélisation des réflexions multiples dans un sol (Pausader, 1982). Dans ce travail, le modèle choisi (Bruckler et al., 1988) est basé sur les principales hypothèses suivantes : 1.
L’air est considéré comme un milieu réel et le sol comme un milieu complexe. Le sol est subdivisé en n couches fines superposées, chaque couche étant caractérisée par sa texture, sa teneur en eau et sa permittivité diélectrique.
2.
À chaque interface entre couches, l’amplitude incidente est partiellement transmise et atténuée à l’intérieur de la couche sous-jacente.
3.
Dans ce schéma, une seule réflexion est considérée à chaque interface entre couches et les réflexions multiples sont donc négligées.
En partant de la loi fondamentale de Snell-Descartes, il est possible de calculer de proche en proche, à partir de la surface du sol, la transmission du signal à chaque interface et l’atténuation de l’amplitude dans chaque couche traversée. Une méthode numérique itérative est utilisée pour calculer les coefficients de transmission et d’atténuation pour chaque couche de sol. Le modèle calcule la profondeur de pénétration du signal radar émis qui est supposément atteinte lorsque le rapport de l’amplitude atténuée à l’amplitude incidente à la surface du sol est égal à 0,36. Dans ce modèle, les estimations de permittivité diélectrique (partie réelle et partie imaginaire) sont déduites de la texture et de la teneur en eau de chaque couche à partir du modèle d’Hallikainen et al., 1985. 2.2. LE MODÈLE DE RÉTRODIFFUSION Le modèle de rétrodiffusion de Kirchhoff sous approximation scalaire (appelé aussi modèle d’optique physique) est souvent utilisé pour calculer le coefficient de rétrodiffusion dans le cas des sols nus en fonction de la configuration de la mesure (fréquence, polarisation, angle d’incidence) et
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 61
les caractéristiques physiques du sol nu (humidité, rugosité, texture). Ce modèle suppose trois hypothèses fondamentales (Ulaby et al., 1982 ; Bertuzzi et al., 1990) : 1.
la surface présente des ondulations dont la dimension est grande par rapport à la longueur d’onde incidente,
2.
seule la diffusion de surface est considérée et, par conséquent, la diffusion de volume est négligée,
3.
la rugosité de surface est supposée isotrope et distribuée de façon aléatoire dans l’espace.
Ce modèle prévoit une décroissance du coefficient de rétrodiffusion en fonction de l’angle d’incidence, dans le cas des sols relativement lisses. Le coefficient de rétrodiffusion σ0pp (p indique l’état de polarisation) est la somme d’un terme de diffusion non cohérente (σ0nc) et d’un terme de pente (σ0s). Ces deux termes de diffusion résultent du produit de deux fonctions indépendantes : la « fonction diélectrique » qui exprime la dépendance du coefficient de rétrodiffusion par rapport à la permittivité diélectrique du milieu et la « fonction de rugosité » qui dépend de la rugosité de surface. La permittivité diélectrique du milieu dépend de la teneur en eau et de la texture du sol, tandis que la rugosité est caractérisée par deux paramètres, l’écart type des hauteurs et leur longueur de corrélation. Dans tous les calculs, nous avons utilisé le modèle d’estimation de permittivité diélectrique donné par Hallikainen et al. (1985).
3. RÉSULTATS ET DISCUSSION 3.1. ESTIMATION DE L’HUMIDITÉ DE SURFACE Toutes les mesures ont été obtenues au cours d’une série de trois expérimentations sur le même sol présentant une faible rugosité de surface (0,006 à 0,010 m). Une large gamme de teneurs en eau a pu être explorée. La figure 3.1 montre la relation obtenue entre la teneur en eau volumique des cinq premiers centimètres de sol et le coefficient de rétrodiffusion dans la configuration 1:5,3 GHz, 15 degrés, polarisation HH. Cette configuration de mesure correspond à celle qui est en général recommandée pour obtenir une estimation satisfaisante de la teneur en eau. Une seconde configuration de mesure ou configuration1:5,3 GHz, 23 degrés, polarisation VV a été testée (figure 3.2) et donne des résultats analogues à la configuration précédente. Conformément aux résultats obtenus par d’autres équipes (Ulaby et al., 1978 ; Bernard et al., 1981), on obtient de bonnes relations linéaires d’étalonnage entre la teneur en eau volumique des 5 premiers centimètres et le coefficient de rétrodiffusion (tableau 3.1).
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André Chanzy, Patrick Bertuzzi et Laurent Bruckler TABLEAU 3.1 Caractéristiques statistiques de régressions linéaires entre la teneur en eau volumique (0 — 5 cm) et le coefficient de rétrodiffusion radar Configuration Radar Coefficient Pente (m3-m-3·dB-1) 3 -3 Ordonnée (m ·m ) 2 r Résidu (m3·m-3)
5,3 GHz-15°-HH
5,3 GHz-23°-W
0,031 0,221 0,940 0,020
FIGURE 3.1 Relation linéaire entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 — 5 cm. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°)
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0,034 0,328 0,970 0,017
Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 63 FIGURE 3.2 Relation linéaire entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 — 5 cm. Cas de la configuration 2 (5,3 GHz, polarisation VV, 23°)
Pour les deux configurations de mesure, les précisions de l’estimation sont comparables (environ 0,02 m3-m-3). Dans la procédure d’étalonnage, le mode d’échantillonnage de la teneur en eau du sol influence de façon notable la précision de la teneur en eau moyenne ainsi obtenue et les caractéristiques des relations linéaires entre la teneur en eau volumique et le coefficient de rétrodiffusion. Ainsi, dans le cas d’un sol « sec » ou « humide » en surface, la précision calculée pour la teneur en eau volumique moyenne à partir de 50 échantillons prélevés sur l’ensemble de la parcelle est de l’ordre de 0,013 m3·m-3. Cette précision peut être ramenée à 0,005 m3·m-3 lorsqu’on échantillonne l’humidité uni-quement dans la zone réduite « vue » par le radar. Soulignons enfin que la qualité des résultats présentés ici peut être considérée comme optimiste par rapport à des applications opérationnelles futures (conditions bien contrôlées dans notre cas).
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Dans la suite, nous chercherons à analyser comment ces résultats peuvent être modifiés lorsqu’on considère les problèmes posés par la profondeur de pénétration du signal, les variations de rugosité et l’hétérogénéité de la distribution de l’humidité de surface. 3.2. EFFETS RELATIFS À LA PROFONDEUR DE PÉNÉTRATION Dans le paragraphe précédent, nous n’avons pris en considération que l’humidité de surface moyenne de la couche de 0 à 5 cm. Cependant, les profils de teneur en eau des horizons de surface dans les conditions naturelles peuvent présenter des gradients hydriques très importants (figure 3.3). Parallèlement, il est connu que la profondeur de pénétration du signal radar dépend de la stratification hydrique des horizons superficiels. Il en découle que la teneur en eau moyenne calculée sur une profondeur arbitraire (0-5 cm) ne correspond pas nécessairement à la zone effectivement considérée par la mesure hyperfréquence. Pour analyser ce point en détail, nous avons utilisé un ensemble de 17 profils hydriques expérimentaux contrastés (figure 3.3). Pour chaque profil mesuré, nous avons calculé la profondeur de pénétration à l’aide du modèle de propagation présenté précédemment. La figure 3.4 montre la relation ainsi obtenue entre la profondeur de pénétration calculée et la teneur en eau volumique calculée de la surface du sol à la profondeur de pénétration pour la configuration 1. Bien que les profils hydriques utilisés pour les calculs de profondeur de pénétration aient des formes très différentes (figure 3.3), la relation obtenue entre la profondeur de pénétration et la teneur en eau (figure 3.4) est régulière et univoque. Une nouvelle relation entre le coefficient de rétrodiffusion radar et la teneur en eau volumique de la surface du sol à la profondeur de pénétration peut être calculée (figure 3.5). En outre, cette relation n’est plus linéaire mais peut être approchée par une relation parabolique (tableau 3.2). Dans le cas du jeu de données expérimentales utilisées, nous remarquons que la profondeur effective de pénétration améliore faiblement la qualité des ajustements obtenus pour les relations d’étalonnage. Cette amélioration est finalement peu sensible et conduit à la conclusion que les effets liés à la forme du profil sont mineurs par rapport à ceux liés à la teneur en eau volumique moyenne des horizons superficiels.
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives65 TABLEAU 3. 2
Comparaison des paramètres des régressions non linéaire et parabolique entre le coefficient de rétrodiffusion radar et l’humidité volumique du sol (Configuration 1 :5,3 G H z , 1 5 ° , H H )
Type de relation Linéaire Linéaire Parabolique
Prise en compte Profondeur de pénétration
Coefficient de corrélation
Résidu (m3·m 3)
NON OUI OUI
0,933 0,922 0,977
0,031 0,039 0,024
FIGURE 3.3 Profils hydriques expérimentaux
Humidité volumique 0-5 cm (m3/m3)
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André Chanzy, Patrick Bertuzzi et Laurent Bruckler FIGURE 3.4 Profondeurs de pénétration calculées pour les profils hydriques expérimentaux
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 67 FIGURE 3.5 Relations entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°)
3.3. EFFETS RELATIFS À LA RUGOSITÉ DE SURFACE Quatre états de surface ont été comparés en utilisant la configuration 1 pour les mesures radar. La gamme de variation de l’écart type des hauteurs (s) variait de 0,006 à 0,011 m (lits de semences). Les résultats sont donnés par la figure 3.6, où chaque symbole correspond à une rugosité différente. Compte tenu du faible effectif pour chaque rugosité, nous n’avons pas procédé à une analyse statistique des effets propres liés à la rugosité à partir des résultats expérimentaux.
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Cependant, il n’apparaît pas d’effet net lié à la rugosité (du moins, dans la gamme des valeurs testées), ce qui est conforme aux résultats présentés par Ulaby et al., (1978). FIGURE 3.6 Influence de la rugosité sur la relation entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 — 5 cm. Cas de la configuration 1
(5 3 GHz polarisation HH 15°)
3.4. EFFETS LIÉS À L’HÉTÉROGÉNÉITÉ DE DISTRIBUTION DES TENEURS EN EAU DE SURFACE Une expérimentation spécifique a été réalisée en vue de répondre à la question suivante : Est-ce que le coefficient de rétrodiffusion radar peut être relié à la moyenne spatiale de la teneur en eau, lorsqu’on vise une surface au sein de laquelle la distribution de la teneur en eau est hétérogène ?
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 69 FIGURE 3.7 Influence de l’hétérogénéité spatiale de l’humidité sur la relation linéaire entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 - 5 cm. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°)
Pour une telle expérimentation, nous avons considéré une surface carrée de 144 m2 qui était divisée selon une diagonale en deux triangles, l’un « sec » (0,090 m3·m-3), l’autre « humide » (0,251 m3·m-3). Les mesures de coefficient de rétrodiffusion ont été faites selon 10 axes parallèles à l’un des côtés. De cette façon, chaque mesure intégrait une bande pour laquelle la part relative de la zone humide par rapport à la part de la zone sèche variait. Pour chaque bande, nous avons calculé la teneur en eau volumique moyenne qui intégrait ainsi les proportions surfaciques correspondant aux zones humides et sèches. La figure 3.7 montre la relation linéaire obtenue entre le coefficient de rétrodiffusion radar mesuré et la teneur en eau volumique moyenne sur chaque bande visée (0-5 cm). II est donc possible de conclure que le coefficient de rétrodiffusion radar est linéairement lié
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à la teneur en eau volumique moyenne, mesurée sur une surface présentant une hétérogénéité spatiale de distribution des teneurs en eau. 3.5. UTILISATION D’UN MODÈLE DE RÉTRODIFFUSION POUR ESTIMER L’HUMIDITÉ DE SURFACE Ce travail a été entrepris pour répondre, du moins en partie, à la question suivante : Peut-on envisager de pouvoir utiliser un modèle physique de rétrodiffusion radar pour estimer l’humidité du sol ? En effet, dans une grande majorité de situations opérationnelles, les mesures radar ne peuvent être obtenues dans la configuration optimale décrite précédemment. Dans ces conditions, la rugosité de surface devient un facteur prépondérant de la mesure et il n’est pas possible d’établir une relation d’étalonnage. Dans le cas où les données sont acquises dans une seule configuration radar, l’inversion directe d’un modèle physique, ou si celle-ci n’est pas possible, l’utilisation du modèle comme générateur de données pour la mise au point de procédure(s) simplifiée(s), constituent deux voies possibles pour résoudre ce problème. Toutefois, quelle que soit la solution retenue, elle suppose au préalable que le modèle soit expérimentalement validé. Nous avons testé le modèle décrit précédemment sur un jeu de données présentant une grande gamme de variation de teneur en eau 3 -3 3 -3 (0,035 m .m à 0,325 m .m ) pour un sol de rugosité moyenne à lisse (0,011 m < s < 0,014 m). Deux profondeurs d’échantillonnage (0-1 et 0-5 cm) de la teneur en eau ont été utilisées. Les mesures au sol (humidité et rugosité) ainsi que les paramètres de la configuration radar (5,3 GHz, polarisation HH) sont introduits dans le modèle afin de calculer les coefficients de rétrodiffusion théoriques. La figure 3.8 compare pour trois angles d’incidence (15°, 23°, 50°) les relations entre les coefficients de rétrodiffusion mesurés et calculés. Quel que soit l’angle d’incidence, il apparaît un biais systématique sur les valeurs obtenues par le modèle qui semble lié à la procédure de calibration externe du radar. À 50°, les résultats obtenus ne sont pas satisfaisants quelle que soit la profondeur d’échantillonnage de l’humidité. Les relations obtenues ne sont pas linéaires. Ce résultat confirme que le modèle ne peut être validé pour de grands angles d’incidence, car il néglige les effets d’ombrage et de réflexion multiple qui deviennent prépondérants pour les forts angles d’incidence (Vidal-Madjar, 1988). À 15° et 23°, les relations obtenues sont linéaires. Néanmoins, nous remarquons un net effet de la profondeur d’échantillonnage. La pente de relation linéaire obtenue est toujours plus grande et plus proche de la pente de la première bissectrice dans le cas de la plus faible
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FIGURE 3 . 8 Dépendance du modèle d’optique physique à la variation de l’humidité de surface. Influence de la profondeur de prélèvement ( 5 , 3 GHz, polarisation H F i )
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profondeur d’échantillonnage (0-1 cm). Cela tendrait à prouver que, pour des angles d’incidence peu élevés, l’effet de l’humidité se limite principalement à une rétrodiffusion de surface relativement bien décrite par le modèle. Compte tenu du gradient hydrique qui peut être particulièrement important en conditions sèches (figure 3.3), l’utilisation d’une profondeur d’échantillonnage plus élevée conduit à une surestimation de l’humidité de surface et, en conséquence, à une surévaluation du coefficient de rétrodiffusion calculé par le modèle. Pour conclure, le modèle peut décrire la dépendance du coefficient de rétrodiffusion radar avec l’humidité dans une gamme limitée d’angles d’incidence ; il ne peut être validé pour des grands angles d’incidence.
CONCLUSION Dans le cas de l’utilisation d’une configuration optimale pour la mesure de la teneur en eau, il est possible d’obtenir de bonnes estimations de l’humidité de surface du sol à partir de mesures hyperfréquences. Ce résultat obtenu et vérifié par de nombreuses équipes de chercheurs depuis une dizaine d’années a fait l’objet d’un nombre très limité de tentatives d’application dans le cadre du suivi de l’humidité de surface sur de grandes régions. Une des raisons essentielles est la quantité importante de données de contrôle au sol nécessaire à l’établissement de relation(s) d’étalonnage fiable(s). Dans le cas de l’utilisation d’une configuration non optimale, il existe également peu ou pas de tentatives se basant sur les résultats acquis dans le domaine de la modélisation. Si l’on ne dispose que d’une seule configuration radar, quelle que soit la procédure d’estimation de l’humidité de surface utilisée, elle nécessitera toujours la connaissance des paramètres de rugosité dont l’échantillonnage au sol pose des problèmes importants. L’utilisation d’une configuration mixte incluant deux polarisations (HH, VV) et un angle d’incidence supérieur à 30° semble prometteuse. Elle devrait permettre de s’affranchir du problème de la détermination de la rugosité (Autret et al., 1988).
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AUTRET, M., R. BERNARD et D. VIDAL-MADJAR (1988). Theoretical study of the sensitivity of the microwave backscattering coefficient to soil surface parameters. Int. J. Remote Sensing, 10(1), p. 171-179.
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Estimation de la teneur en eau de surface des sols nus à l’aide des mesures hyperfréquences actives 73
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Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique Ferdinand BONN, Linda CYR, Hassan ANYs et Hédia CHAKROUN
Sommaire Introduction 1. Objectifs et problématique 2. Méthodologie 2.1. Les facteurs topographiques 2.2. Les facteurs pédologiques 2.3. La mesure de la couverture végétale 2.4. Le facteur pluviométrique 3. Résultats 3.1. Taux de couverture et indices de végétation 3.2. Mesures au sol et mesures satellitaires 3.3. Taux de couverture et érosivité des pluies 3.4. Intégration des diverses composantes du modèle Conclusion et discussion Un outil de diagnostic et de modélisation de l’environnement Les sources d’erreurs Orientations futures de la recherche Références bibliographiques
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Ferdinand Bonn, Linda Cyr, Hassan Anys et Hédia Chakroun
Les auteurs tiennent à remercier M. J.P. Fortin de l’INRS pour sa collaboration au niveau du modèle Hydrotel, M. A. Pesant d’Agriculture Canada pour le support à la station de Lennoxville, M. P.A. Chassé du CARTEL pour le programme de longueurs de pentes et M. A. Merzouk de l’IAV Hassan II pour le support scientifique et logistique au Maroc. Nous remercions le CORPAQ pour sa subvention n° 2601, le CRSNG pour sa subvention OGP0006043 et la bourse de L. Cyr ainsi que l’ACDI pour les bourses de H. Anys et H. Chakroun.
Résumé La plupart des modèles d’érosion, comme l’équation universelle de pertes de sols, ont été établis à partir de mesures ponctuelles ou de mesures sur des parcelles expérimentales, avec peu ou pas de spatialisation des résultats. Cet article décrit une méthode pour intégrer et cartographier les paramètres commandant les pertes de sols dans le cadre d’un système d’information géographique (SIG). Il montre que les variations du taux de recouvrement et de l’érosivité des pluies au cours du cycle phénologique jouent un rôle majeur. Les indices de végétation comme la différence normalisée (NDVI) et l’indice transformé de végétation ajusté au sol (TSAVI) peuvent donner une approximation valable du taux de couverture, les modèles numériques de terrain peuvent donner l’angle et la longueur de pente ainsi que la distance au talweg. Les cartes pédologiques donnent la distribution spatiale de l’érodabilité, les données météorologiques révèlent l’érosivité des pluies et les modèles hydrologiques distribués peuvent fournir une évaluation des pertes de sols à l’échelle de l’événement climatique. L’intégration peut être faite sur différents systèmes d’information géographique, que leur structure soit matricielle ou en arbres quadratiques, et des cartes de pertes de sols et de potentiel érosif peuvent être produites à partir du modèle. Les résultats montrent que, dans bien des cas, 80 % des pertes de sols et de la pollution diffuse proviennent de 5 % du territoire et qu’une cartographie adéquate de ces secteurs permet une planification plus efficace des aménagements protecteurs.
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Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique
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INTRODUCTION La conservation du sol et de l’eau est une source de préoccupation environnementale majeure dans les pays industrialisés où des récoltes acceptables et les coûts de production sont en cause, ainsi que dans les pays en développement où une production accrue est recherchée pour atteindre l’autosuffisance alimentaire. Le développement de certaines pratiques agricoles et spécialement la progression de la mécanisation et de la monoculture ont entraîné une dégradation des sols qui se manifeste par une destruction de la structure et une réduction de la cohésion et de la teneur en matière organique, ce qui les rend plus sensibles aux actions d’érosion éolienne et hydrique. L’érosion hydrique accélérée est responsable d’une réduction importante des rendements et d’une baisse irréversible du capital-sols à l’échelle mondiale. Le Canada est particulièrement fragile à ce point de vue, car sa marge de développement est très réduite de ce côté, l’essentiel de ses terres arables étant déjà cultivées (Coote et al., 1982). La prévision et la modélisation de l’érosion à l’échelle régionale requiert une bonne connaissance des problèmes d’échelle associés à l’extrapolation spatiale des modèles développés sur des parcelles expérimentales et sur des simulateurs de pluie. Tous ces modèles utilisent le même type de variables d’entrée : l’érosivité de la pluie, reliée à son énergie cinétique, l’érodabilité du sol, dérivée de ses propriétés physiques et calibrée en simulateur de pluie, la pente, la longueur de pente et la distance au talweg, dérivées d’un modèle numérique de terrain, le taux de recouvrement végétal, dérivé des images de télédétection et les mesures de protection des sols dérivées d’observations de terrain.
1. OBJECTIFS ET PROBLÉMATIQUE L’impact de la pluie sur le sol se traduit par un effet mécanique (battage, éclaboussement, dispersion des grains et tassement de la surface du sol), un ruissellement et un entraînement des particules. Pour le milieu agricole, cela signifie l’arrachement de la couche arable des sols, ressource non renouvelable, en plus de la pollution des cours d’eau par l’apport d’éléments chimiques (phosphates, potassium et nitrates) et de l’engorgement des réservoirs et des chenaux par sédimentation des matériaux fins. L’agriculture est donc considérée dans bon nombre de régions comme la plus importante source de pollution diffuse, non pas par la toxicité des polluants qu’elle rejette mais par la quantité de sédiments et d’engrais provenant de vastes territoires qui sont transportés jusqu’aux cours d’eau par le ruissellement. Dans certaines régions du monde comme les zones semi-
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Ferdinand Bonn, Linda Cyr, Hassan Anys et Hédia Chakroun
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arides d’Afrique ou d’Amérique latine, ces taux d’érosion sont si forts que les réservoirs des barrages doivent être vidés et dragués tous les ans, perdant ainsi une part importante de leur potentiel hydro-électrique ou d’irrigation. Les mesures d’érosion hydrique réalisées sur des parcelles expérimentales ont permis d’établir des lois empiriques mettant en relation les facteurs mentionnés dans l’introduction. Dans la plupart des régions, c’est la pluie qui est le moteur principal de la perte de sols, mais dans les régions à couverture neigeuse importante comme au Québec, les eaux de fonte de neige jouent un rôle non négligeable. Il n’y a toutefois pas unanimité sur le rôle de la fonte des neiges sur l’érosion, et les estimations varient considérablement d’un auteur à l’autre (Pesant et al., 1990). Les travaux sur l’érosion pluviale ont donné lieu à la formulation de modèles comme l’équation universelle de perte de sols (Universal Soil Loss Équation, USLE, Wischmeier et Smith, 1958, 1978) qui permet de calculer les pertes de sols à l’échelle annuelle A, selon la relation : A=RKLSCP où
et
(1)
R
est l’érosivité des pluies,
K
est l’érodabilité des sols,
L
est le facteur relié à la longueur de pente,
S
est le facteur relié à l’angle de pente,
C
est le facteur relié au taux de couverture végétale
P
est le facteur relié aux pratiques agricoles de conservation des sols.
Mais l’extrapolation de ces résultats, de l’échelle de la parcelle à celle d’un bassin versant ou d’une région, reste encore peu précise (Schaub et Prashun, 1993). Les systèmes d’information géographique sont conçus pour manipuler des informations spatialement hétérogènes et pour les combiner dans une approche de modélisation environnementale. L’objectif principal de cet article est d’évaluer la faisabilité de l’intégration spatiale des différentes composantes des équations de pertes de sols dans le cadre d’un système d’information géographique et de présenter une approche adaptable à différents milieux géographiques. Des résultats de travaux réalisés au Canada et au Maroc seront présentés à titre d’exemple. Cette étude s’appuie sur des recherches antérieures ayant trait à la modélisation spatiale de l’érosion hydrique intégrant des données multi-sources à un SIG (Perras, 1989 ; Cyr et al., 1991). Même si l’idée de l’intégration des facteurs des équations de pertes de sols dans un système d’information géographique n’est pas nouvelle, puisqu’on la
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Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique
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retrouve dans des thèses assez anciennes (Spanner et al., 1982) ou dans des manuels (Lillesand et Kiefer, 1987), il est important de bien évaluer la marge d’erreur dans tous les niveaux de la base de données à références spatiales et de rester cohérent durant toute la démarche d’intégration. Plusieurs auteurs ont montré que la végétation est un facteur essentiel dans le contrôle de l’érosion hydrique. Le couvert végétal protège la surface du sol contre l’impact de l’eau de pluie et réduit la vitesse de ruissellement à la surface du sol (Tricart et Cailleux, 1965 ; Hudson, 1971). Cette couverture végétale peut être estimée approximativement à partir des images de télédétection ou de photographies aériennes en infrarouge couleurs (Cihlar, 1987). Mais si l’on veut prédire quantitativement les pertes de sol causées par l’érosion hydrique, il devient important de pouvoir calculer le plus précisément possible le taux de couverture au sol de différentes cultures pour une saison végétative, en plus de l’érosivité des pluies dont l’agressivité varie dans le temps et dont l’effet est intime-ment relié au couvert en place (Cyr et al., 1991). Si l’on travaille sur des échelles de temps plus courtes que l’année entière, il faut aussi pouvoir distinguer ce qui est causé par l’érosion pluviale de ce qui est causé par le ruissellement en provenance de l’amont. Cette opération exige le recours à des équations de pertes de sols modifiées pour des périodes plus courtes comme un événement hydrologique (Foster, 1988) et à l’intégration de modèles hydrologiques distribués pour l’évaluation de la quantité d’eau ruisselée (Chakroun et al., 1993). Enfin, si l’on veut réaliser des aménagements dans les régions ou les bassins versants concernés, il faut pouvoir les modéliser à partir du système utilisé sous forme de scénarios de prévision des impacts érosifs sur les sols et de la sédimentation dans les cours d’eau (Anys, 1991).
2. MÉTHODOLOGIE La méthodologie employée repose sur les facteurs physiques qui contrôlent l’érosion hydrique, comme la pente et la longueur de pente, l’érosivité des pluies, le taux de couverture végétale, l’érodabilité du sol, la quantité d’eau ruisselée, la distance au talweg et les pratiques agricoles. Ces facteurs physiques se retrouvent dans les termes des équations de pertes de sols comme l’USLE ou dans ceux de modèles plus récents comme le modèle WEPP (Water Erosion Prediction Project, Laflen et al., 1991). L’approche de modélisation de l’érosion basée sur le système d’information géographique intègre trois niveaux d’information schématisés (planche IV) :
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Ferdinand Bonn, Linda Cyr, Hassan Anys et Hédia Chakroun
−
les données de départ, intrants dérivés de sources ponctuelles ou spatialisées, d’origine conventionnelle ou déduites de données de télédétection,
−
l’information spatialisée extraite de ces données et gérée dans le système d’information géographique,
−
les cartes et modèles spatiaux qui sont le résultat de la modélisation et qui constituent les extrants du système d’information sur l’érosion.
L’évaluation de la précision et des erreurs se situe au second niveau, au cœur du SIG. C’est à ce niveau qu’il faut s’assurer que toutes les couches d’information ont des précisions et des marges d’erreur comparables, car les équations utilisées sont de type multiplicatif, répercutant ainsi les erreurs les plus fortes à l’étape de la modélisation. Nous avons concentré nos efforts sur les facteurs topographiques, pédologiques, de couverture végétale et de modélisation hydrologique. 2.1. LES FACTEURS TOPOGRAPHIQUES Pour l’extraction des facteurs topographiques intervenant dans les équations de pertes de sols, on part d’un modèle numérique d’altitude. II est important que le modèle soit d’une précision suffisante pour la région à l’étude. Le modèle peut être obtenu par numérisation de cartes existantes ou à l’aide d’un couple stéréoscopique SPOT. Au 1:50 000, il faut une équidistance des courbes de niveau de 10 mètres ou moins en région moyennement accidentée. La pente et l’orientation sont des variables dérivées de l’altitude à l’aide des fonctions normales d’un SIG. La longueur de pente est extraite du fichier d’orientation à l’aide d’un programme spécialement développé à cette fin (Perras, 1989). Selon Wischmeier et Smith (1978), le facteur LS de l’USLE est obtenu à l’aide de la relation : LS = (λ /22,15)m (65,41 sin2 α + 4,56 sin α + 0,065) où
et
λ
est la longueur de pente (m),
α
est l’angle de pente
m
est un exposant variant avec la pente. On aura ainsi :
(2)
m = 0,5 si α ≥ 5 % ; m=0,4 si 3,5 % ≤ α < 5 % ; m = 0,3 si 1 % ≤ α < 3,5 % ; m=0,2 si α < 1 %. Le transport des particules de sol arrachées jusqu’au talweg et donc jusqu’au cours d’eau le plus proche a été étudié par Hession et Shanholtz, (1988) sous forme d’un coefficient DR (Delivery Ratio) que l’on ajoute à l’équation de Wischmeier et Smith exprimé par : DR = 10 (r/ λ*)
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(3)
Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique
81
où
r
est la différence d’altitude entre le pixel agricole considéré et le pixel d’eau ou du talweg correspondant dans l’axe de la pente
et
λ*
est la distance horizontale entre ces deux pixels.
Le calcul de la distance λ* utilise le même programme que celui qui a servi à la longueur de pente λ, mais en inversant le fichier d’orientation, alors que le dénivelé r est obtenu avec les fichiers d’orientation et d’altitude (Anys, 1991). La planche V présente une carte des pentes obtenue sur un bassin versant d’une région semi-aride du Maroc. 2.2. LES FACTEURS PÉDOLOGIQUES Les facteurs pédologiques sont exprimés sous la forme d’un coefficient K d’érodabilité qui intervient dans les équations de pertes de sols. Ce facteur est obtenu à partir de la granulométrie à l’aide des nomogrammes développés par Wischmeier et Smith (1978) ou mieux, à l’aide de mesures sur le terrain réalisées à l’aide de simulateurs de pluie (Pesant et al., 1990). Souvent, on fait appel aux deux approches en même temps, les mesures en simulateur étant concentrées sur les classes de sols les plus fréquentes qui servent aussi à étalonner les calculs sur nomogramme. La planche VI présente une carte des indices d’érodabilité obtenue pour le même bassin versant marocain, en combinant les valeurs obtenues à l’aide des nomogrammes de Wischmeier et Smith (1978) et de mesures au simulateur de pluie réalisées par Merzouk (1985). 2.3. LA MESURE DE LA COUVERTURE VÉGÉTALE La mesure de la couverture végétale est dérivée des images de télédétection à partir desquelles on déduit des indices de végétation pour chaque classe de couverture du sol ou de culture présente. Nous avons utilisé des images SPOT au Canada et des images TM au Maroc, selon la disponibilité des données. Les images ont subi une correction radiométrique afin de transformer les données numériques DN en réflectances apparentes ρ* (Deschamps et al., 1981). Cette correction est très importante pour le calcul des indices de végétation, afin de les rendre indépendants des coefficients de calibration variables entre les bandes et les capteurs pour compenser les variations des conditions d’éclairement lors de l’acquisition des données. On l’exprime par :
(4)
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où
est la luminance reçue au capteur (W·m-2·µm-1·sr -1),
L
avec Lmax et Lmin correspondant aux limites d’étalonnage du capteur,
et
Es
est l’éclairement solaire total hors atmosphère (W·m-2·µm -1),
D
est un coefficient de correction en fonction de la distance Terre-Soleil
θs
est l’angle zénithal solaire.
Le calcul des indices de végétation a été réalisé de deux manières : à partir des réflectances apparentes dérivées des images du satellite, mais aussi à partir de mesures au sol réalisées sur différentes cultures à la ferme expérimentale de Lennoxville, d’Agriculture Canada. Ces mesures au sol ont pour but d’évaluer la validité des indices de végétation dérivés des images du satellite pour l’estimation du taux de couverture. Effectuées à partir d’une nacelle fixée à une échelle télescopique à quatre mètres audessus des cultures (figure 4.1), elles comportaient des mesures de réflectance dans les trois bandes spectrales du satellite SPOT à l’aide d’un radiomètre CIMEL et des photographies verticales des parcelles mesurées environ tous les dix jours durant la saison de croissance (figure 4.2). Des comptages à partir d’une grille placée sur les photographies ont servi à la mesure du taux de couverture alors que les valeurs de réflectance ont servi à établir les indices de végétation pour les différentes cultures. Les indices de végétation sont calculés à partir des valeurs de réflectance dans le rouge (ρr) et dans le proche infrarouge (ρpir). Le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index, Tucker, 1977) est exprimé par : NDVI = (ρpir - ρr) / (ρpir + ρr)
(5)
Le PVI (Perpendicular Vegetation Index, Richardson et Wiegand, 1977) mesure la distance perpendiculaire entre l’objet et la droite des sols nus, dont l’équation est :
ρpir = a ρr + b où
a
est la pente
et
b
est l’ordonnée à l’origine de la droite des sols nus.
(6)
Cette droite a été établie pour notre région à partir des mesures au sol et à partir de l’image SPOT. Le PVI est donc exprimé par : PVI = [(ρSr – ρr)2 + (ρSpir - ρpir)2]0,5 où
ρs
(7)
est la réflectance du sol nu dérivée de la droite des sols nus dans la bande spectrale correspondante. Pour un sol nu, PVI = 0, pour l’eau PVI < 0 et pour la végétation PVI > 0, cette dernière valeur augmentant avec la surface foliaire.
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Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique FIGURE 4.1 Plate-forme du CARTEL pour la mesure des réflectances spectrales au sol
FIGURE 4.2 Photographie verticale du maïs ayant servi à la mesure du taux de couverture
Des photographies similaires et des mesures de réflectance ont été prises tous les dix jours durant la saison de croissance pour toutes les cultures.
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Le SAVI (Soil Adjusted Vegetation Index, Huete, 1988) est un compromis entre le NDVI et PVI. On l’exprime par : SAVI = [(ρpir - ρr) / (ρpir + ρr + L)] (1 + L)
(8)
La constante L est introduite pour minimiser l’effet de la brillance du sol. Si L = 0, le SAVI est équivalent au NDVI. Pour un couvert végétal intermédiaire, les meilleurs résultats sont obtenus avec L = 0,5, alors que pour un couvert plus dense, l’auteur suggère 0,25. Nous avons utilisé ces deux valeurs dans nos calculs. Le TSAVI (Transformed Soil Adjusted Vegetation Index, Baret et al., 1989) est une mesure de l’angle entre la droite des sols nus et la droite qui joint le point considéré à l’ordonnée à l’origine de la droite des sols nus. Il est exprimé par : TSAVI = a (ρpir -a ρr -b) / (ρρ + a ρpir -ab) où
(9)
a et b sont les coefficients de la droite des sols nus. Le TSAVI est égal à zéro pour les sols nus et s’approche de 1 pour les couverts végétaux denses.
Les indices de végétation mesurés au sol ont aussi été comparés à ceux dérivés des images du satellite SPOT. Les images ont subi une correction géométrique afin de les rendre compatibles avec les modèles numériques de terrain. Dans le cas du site de Lennoxville, nous disposions de trois images SPOT (mai, août et octobre) qui ont servi à établir une classification dirigée des principales cultures par maximum de vraisemblance, en combinant les images des trois dates dans un fichier image multidate à neuf bandes. Cette classification a servi de base à la carte des indices C, ces derniers étant dérivés des mesures au sol et appliqués à chacune des classes de l’image. Pour le site marocain, une image TM d’octobre était disponible. Cette date correspond à la fin de la saison sèche, après les récoltes et avant l’arrivée des premières pluies qui sont les plus néfastes en termes d’érosion. Toutefois, dans le cas du site marocain, les indices C dérivés de l’image ont été calculés globalement, sans passer par une classification. La marge d’erreur est donc plus grande, mais cette image est considérée comme assez représentative, compte tenu de la concentration de la majorité des pluies dans les trois ou quatre mois d’hiver dans ce climat semi-aride. Une moyenne annuelle des taux de couverture n’aurait pas beaucoup de sens dans ce cas. 2.4. LE FACTEUR PLUVIOMÉTRIQUE Pour évaluer l’agressivité érosive des pluies vis-à-vis du sol, ce ne sont pas tant les quantités totales de précipitation qui interviennent que les intensités, par le biais de l’énergie cinétique. On se base pour cela sur
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les équations développées par Wischmeier et Smith (1978) et par Foster et al. (1981). Selon ces auteurs, I’érosivité annuelle des pluies peut s’exprimer par :
où
R
est l’érosivité des pluies (MJ·mm·ha-1·hr-1·an-1 ),
E
est l’énergie cinétique de la pluie (MJ·ha-1·mm-1),
I
est l’intensité maximale de la pluie (mm·hr-1),
em
est l’énergie cinétique d’une averse (MJ·ha-1·mm-1 ),
avec em =
et
0,119 + 0,0873 log10 (2 130),
I30
est l’intensité maximale d’une averse de 30 minutes (mm·hr-1),
ρ
est la hauteur d’eau tombée à chaque averse (mm)
j
est le nombre d’averses de 1 à n, n étant le total d’averses annuel.
Dans bien des cas, il est intéressant de pouvoir prédire les pertes de sols à l’échelle de l’événement hydrologique (averse et crue) et non pas seulement à l’échelle de l’année. Pour cela, on a recours à des équations de pertes de sols modifiées (Foster et al., 1977) où le facteur d’érosivité est décomposé en deux, un facteur lié au ruissellement et un facteur lié à la pluie comme telle. Ce facteur d’érosivité modifié Rm est exprimé par : Rm = 0,5 E I30 + 3,5 Vu σρu⅓ où
Vu
est le volume d’eau ruisselée (mm)
et
σρu
est le débit de pointe (mm·hr-1).
(11)
La connaissance des débits en chaque point requiert un modèle hydrologique distribué comme le modèle ANSWERS (Beasley et Huggins, 1982) ou le modèle Hydrotel (Fortin et al., 1991a). Ce dernier s’appuie sur une base topographique numérique appelée Physitel (Fortin et al., 1991b) qui détermine dans le bassin des unités hydrologiques homogènes. Le processus d’intégration de ces modèles et des modèles de pertes de sols modifiés est présenté à la figure 4.3 (Chakroun et al., 1993). Cette intégration n’est pas une opération simple, car elle demande des opérations de changements d’échelle sur le modèle numérique de terrain, les unités hydrologiques homogènes du modèle Physitel étant beaucoup plus grandes que les pixels de la base de données du SIG. La modélisation à l’échelle de l’événement hydrologique exige aussi une spatialisation des précipitations, ce qui est moins critique si l’on travaille à l’échelle de l’année. Diverses méthodes d’intégration sont actuellement à l’essai dans notre laboratoire. © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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3. RÉSULTATS 3.1. TAUX DE COUVERTURE ET INDICES DE VÉGÉTATION Les figures 4.4a et 4.4b représentent l’évolution du taux de couverture et des indices de végétation pour le maïs et le pâturage. Elles mettent en évidence le fait que les indices de végétation suivent l’évolution du taux de recouvrement au cours de l’année. Toutefois, le NDVI et le TSAVI donnent des résultats plus proches du taux de recouvrement que le SAVI et le PVI. Pour le maïs, ils ont tendance à surestimer le taux de recouvrement en début de saison de croissance et à le sous-estimer en fin de saison, avec l’apparition de la sénescence. Le TSAVI est plus fidèle en début de saison alors que le NDVI est meilleur en période de sénescence. Des résultats similaires ont été observés sur d’autres cultures comme l’orge et le soya. Quant au pâturage, son taux de couverture élevé et cons-tant toute l’année se traduit par des indices de végétation également constants. Toutefois, le PVI du pâturage reste inférieur à celui obtenu durant les périodes de forte couverture pour le maïs, l’orge et le soya. Ceci pourrait indiquer une plus grande sensibilité du PVI à la biomasse verte, qui reste relativement faible sur le pâturage. Si l’on met en relation le taux de couverture avec le TSAVI pour l’ensemble des cultures (figure 4.5a), la corrélation est assez mauvaise (R2 = 0,351). Ceci est vrai également pour les autres indices, et s’explique par le fait que ces indices basés sur le rouge et le proche infrarouge ne sont sensibles qu’à la végétation vivante. Les points encerclés sur le graphique correspondent à la végétation sénescente. La figure 4.5b représente la même relation mais pour le maïs seulement. Les flèches représentent l’évolution des indices et du taux de couverture au cours de la saison de croissance. On observe un phénomène d’hystérésis où l’évolution de l’indice de végétation est toujours en avance sur celle du taux de couverture. Ceci peut s’expliquer par le fait que la réflexion du proche infrarouge et l’absorption du rouge sont plus intenses pour une culture jeune en croissance que pour une culture à des stades plus avancés de maturité.
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Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique FIGURE 4.3 Intégration du modèle hydrologique Hydrotel et d’un modèle de pertes de sols à l’échelle de l’événement dans un système d’information géographique (d’après Chakroun et al., 1993)
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Ferdinand Bonn, Linda Cyr, Hassan Anys et Hédia Chakroun FIGURE 4 . 4 Évolution du taux de couverture et des indices de végétation pour le maïs (a) et le pâturage (b)
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Une modélisation spatiale des pertes de sol liées à l’érosion hydrique FIGURE 4.5 Relation entre le TSAVI et le taux de couverture pour toutes les cultures (a) et pour le maïs (b)
Les points encerclés sur la figure 4.5a correspondent à la végétation sénescente, les flèches sur la figure 4.5b correspondent à l’évolution annuelle pour le maïs, mettant en évidence un phénomène d’hystérésis.
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3.2. MESURES AU SOL ET MESURES SATELLITAIRES La figure 4.6 présente la relation entre le NDVI mesuré au sol avec le radiomètre CIMEL et ceux extraits des images SPOT pour les mêmes classes de cultures. Comme on le voit, la relation est très significative (R2 = 0,860) et montre que les indices dérivés des images sont valables à l’échelle de la parcelle, qui est l’unité d’intervention pour les mesures de conservation des sols. L’ordonnée à l’origine non nulle et la pente différente de 1 sont le reflet des différences de calibration entre les deux instruments et de l’effet de l’atmosphère, en particulier de la diffusion de Rayleigh qui affecte davantage les indices de végétation plus faibles en agissant différemment sur le rouge et sur le proche infrarouge. Pour la classification des cultures, une combinaison des trois dates (mai, août, octobre) a fourni une précision de 96 %, alors qu’une classification sur deux dates (mai et août) en a fourni une de 95 %, à cause d’une assez grande similitude entre les images de mai et d’octobre, ce qui est très acceptable et permet de réduire le temps de calcul. La précision a été calculée à partir des erreurs d’omission et de commission sur une centaine de parcelles témoins. FIGURE 4.6 Relation entre les indices mesurés au sol et ceux extraits des images SPOT pour les mêmes classes de culture
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3.3. TAUX DE COUVERTURE ET ÉROSIVITÉ DES PLUIES Pour évaluer les risques d’érosion associés aux différentes cultures, il faut mettre en relation le taux de couverture avec l’érosivité des pluies. Les figures 4.7a et 4.7b représentent la variation annuelle du taux de couverture et de l’érosivité cumulée calculée à l’aide de sommes partielles de la relation (10) pour le maïs et le pâturage. Les secteurs où la pente de la courbe d’érosivité cumulée est forte correspondent aux périodes qui ont eu des pluies très intenses. Comme on peut le constater, les pluies de juin (journées 150 à 175) ont été particulièrement agressives sur les champs de maïs, car la couverture végétale y était encore très faible, alors qu’elles n’ont eu que peu d’effet érosif sur les pâturages, entièrement couverts à cette date. La comparaison de ces deux courbes permet donc de déterminer les périodes critiques pour chaque type de culture. Dans le cas de l’orge, par exemple, ces mêmes pluies de juin ont eu un effet plus faible que pour le maïs et le soya, parce que son taux de couverture pour cette période était de 0,75 en moyenne, contre 0,05 pour le maïs et 0,10 pour le soya.
3.4. INTÉGRATION DES DIVERSES COMPOSANTES DU MODÈLE L’intégration des différentes composantes des équations de pertes de sols dans les systèmes d’information géographique permet de produire des cartes qui guident les interventions prioritaires pour les mesures de conservation, comme le reboisement ou la construction de banquettes dans les zones agricoles accidentées. La planche VII présente la carte des pertes de sol actuelles du bassin de l’oued Aricha au Maroc. Elle a été obtenue en intégrant toutes les planches précédentes dans un système d’information géographique PAMAP sur micro-ordinateur, et la représentation graphique a été réalisée sur une imprimante à transfert thermique. Les secteurs les plus affectés apparaissent clairement. Les pertes de sols les plus importantes, de plus de -1 -1 20 t·ha ·an ne viennent que d’un tiers de la surface étudiée et si l’on fait la somme cumulée des pertes et de la surface, près de 80 % des pertes totales viennent de 5 % du territoire. Il faut cependant prendre ces valeurs numériques dans un sens plus relatif qu’absolu, parce qu’elles n’ont pas encore été validées sur le terrain. La marge d’erreur estimée est d’au moins 20 à 30 % encore. Une validation de ces valeurs de pertes de sol au Maroc est actuellement en cours sur le terrain. Dans ce cas, nous avons également considéré le facteur P comme constant. Parfois, les aménagistes du territoire agricole ont aussi besoin de localiser les secteurs les plus fragiles en fonction de modifications éventuelles de la couverture végétale. La carte de la planche VIII représente le potentiel érosif, c’est-à-dire ce qui se produirait si la couverture végétale
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Ferdinand Bonn, Linda Cyr, Hassan Anys et Hédia Chakroun FIGURE 4.7 Évolution annuelle comparée du taux de couverture et de I’érosivité cumulée des pluies pour le maïs (a) et le pâturage (b)
Les périodes de forte érosivité de juin ont eu beaucoup d’effet sur les parcelles de mais mais peu sur les pâturages.
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était nulle. Cette carte permet de repérer les secteurs à protéger ou à conserver en priorité dans leur utilisation du sol actuelle, en la comparant avec la carte des pertes de sols. En plus de la préservation des sols pour l’agriculture, la planification des aménagements hydrauliques requiert une évaluation de la charge solide qui sera transportée par les cours d’eau et qui viendra éventuellement combler les réservoirs et les lacs. La combinaison du coefficient de transportabilité des sédiments avec la carte des pertes de sols actuelles tient compte de la proximité des cours d’eau. Le produit obtenu permet de déterminer les secteurs à protéger en priorité pour assurer la durabilité d’un éventuel barrage collinaire réalisé sur l’oued.
CONCLUSION ET DISCUSSION UN OUTIL DE DIAGNOSTIC ET DE MODÉLISATION DE L’ENVIRONNEMENT Les résultats obtenus jusqu’à présent, bien que partiels, montrent qu’il est possible d’intégrer spatialement les principaux facteurs qui commandent l’érosion des sols et de cartographier les secteurs qui nécessitent des interventions prioritaires. Le modèle permet aussi de développer des scénarios d’intervention en modifiant, par exemple, la couverture végétale en certains points dans le fichier C et en faisant refonctionner le modèle pour observer les effets érosifs à l’échelle du bassin. Les principaux problèmes à surveiller sont la cohérence de la précision de l’ensemble et la validation du modèle en termes de tonnages absolus. LES SOURCES D’ERREURS La première source importante d’erreurs est la distribution spatiale des précipitations. Elle est plus cruciale pour les mesures faites à l’échelle de l’événement hydrologique que pour les mesures annuelles. Si le bassin est bien équipé en pluviographes enregistreurs, on peut interpoler les valeurs de l’un à l’autre. Sinon, il faut se contenter de lois statistiques comme les gradients altitudinaux que l’on peut appliquer à partir du modèle numérique de terrain, valables plus à l’échelle annuelle qu’à l’échelle de l’événement. Dans certains cas, les radars météorologiques permettent de localiser les averses les plus importantes, mais ces données ne sont pas disponibles partout. Certains travaux utilisent les données thermiques des satellites météorologiques pour observer la température de la face supérieure des masses nuageuses afin de localiser les orages les plus importants, notamment en Afrique, mais ils ne sont applicables qu’à l’échelle de très grands bassins.
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La deuxième source d’erreurs est l’évaluation du taux de couverture à cause de la végétation sénescente qui est confondue avec le sol nu par les indices de végétation n’utilisant que le visible et le proche infrarouge. L’utilisation du moyen infrarouge comme celui des canaux TM 5 et 7 a déjà permis de cartographier les résidus de cultures en Ontario, dans le cadre d’un programme provincial d’encouragement à la protection des sols (Protz, 1991 ; McNairn, 1991). Une étude radiométrique du comportement spectral de la végétation sénescente dans ces bandes n’a cependant été faite qu’à de rares occasions (Guyot, 1989). L’utilisation des données radar à cette fin est également à l’essai et a permis d’envisager des résultats encourageants (Major et al., 1991 ; Naunheimer et al., 1992). ORIENTATIONS FUTURES DE LA RECHERCHE Si la précision des indices d’érodabilité des sols semble acceptable en raison de la grande quantité de travaux qui ont été menés dans ce sens par de nombreuses équipes dans le monde, il faut faire attention à l’échelle spatiale utlisée pour ne pas agrandir inopinément la carte des sols disponible. Cette question d’échelle vaut aussi pour le modèle numérique de terrain, dont le lissage peut faire disparaître les pentes les plus fortes si l’on ne tient pas compte de la dimension fractale de la topographie. Quant aux pratiques agricoles de conservation, seules des observations à l’échelle de la parcelle pour la direction et l’intensité des labours et une classification des résidus par TM peuvent apporter une réponse satisfaisante. Par exemple, au Maroc, les labours utilisant la traction animale se font souvent en courbes de niveau, maximisant l’infiltration et minimisant le ruissellement, alors que les labours mécanisés sont souvent réalisés dans le sens de la pente avec des conséquences néfastes en termes d’érosion. II n’est pas évident pour l’instant qu’il sera facile de cartographier le facteur P autrement que par des observations de terrain, bien que la sensibilité des images radar à l’orientation des labours puisse permettre d’envisager leur utilisation dans certains cas. Une autre direction de recherche importante est la validation des modèles de pertes de sols en valeurs absolues. Pour cela, il faut avoir des éléments de contrôle pour mesurer les pertes à l’échelle de la parcelle sur des périodes plus longues comme une trentaine d’années. Les mesures au Cæsium 137 permettent ce type de bilan (Bernard et Laverdière, 1993) et nous prévoyons les mettre en application sur notre site de Lennoxville en 1994. À l’échelle du bassin, nous prévoyons appliquer la méthode dans un bassin du Rif marocain où des mesures détaillées de sédimentation dans un réservoir collinaire ont été effectuées depuis sa construction, ainsi que dans un bassin tropical du Costa Rica où, cette fois, les mesures de taux de couverture forestière seront faites à partir de données radar, dans le cadre de la campagne canadienne SAREX.
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L’EAU, LES MILIEUX HUMIDES ET LES LITTORAUX
L’eau et les milieux humides ont de tout temps constitué des indicateurs de la qualité de notre environnement. Ils sont le siège de l’apparition de la vie sur la Terre, mais constituent aussi le dépotoir ultime où viennent se ramasser tous les résidus biogéochimiques de l’activité humaine sur notre planète. Leurs teneurs en produits dissous, en solides en suspension et en matière organique reflètent les processus naturels et anthropiques qui ont lieu en amont. Les plus grandes villes du monde, à quelques exceptions près, sont situées dans les zones littorales, où elles vivent de cet échange constant entre le milieu terrestre et le milieu marin ou lacustre. Les changements qui affectent le milieu marin et littoral ont des répercussions sur toute la chaîne alimentaire et la biodiversité planétaire ; nous commençons tout juste à réaliser les erreurs qui ont été commises dans le passé, en asséchant de manière excessive les marécages ou en transformant les mangroves en sites d’aquaculture. Les concentrations toxiques de métaux lourds qui affectent la vie des poissons et des mammifères marins sont en partie le reflet des activités humaines sur les berges des cours d’eau et des mers. Les solutions aux divers problèmes de l’environnement marin et littoral ont souvent été appliquées de façon ponctuelle et émotive, sans tenir compte de
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L’eau, les milieux humides et les littoraux
toutes les composantes de ces écosystèmes complexes et des équilibres fragiles entre les espèces et le milieu qui les entoure. La télédétection permet d’acquérir une vision un peu plus globale de ce milieu aux échelles spatiales et temporelles démesurées par rapport à la perception humaine. Elle permet de comprendre comment les différents éléments du milieu interagissent, et sa sensibilité spectrale permet de quantifier dans une certaine mesure la composition du milieu aquatique. Dans cette partie, nous verrons comment elle permet de caractériser les tourbières, un milieu humide caractéristique des régions froides, comment on peut s’en servir pour l’évaluation de la qualité des eaux et pour la localisation de la végétation marine, et enfin comment elle permet de mesurer l’évolution temporelle d’un environnement périlagunaire tropical.
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Les tourbières au Québec : une ressource importante à connaître et à protéger Chantal SEUTHÉ et Pierre BUTEAU
Sommaire Introduction 1. Les milieux tourbeux du Québec 2. La détection des tourbières 2.1. Photographie aérienne 2.2. Image satellite 3. Le traitement des images satellite 3.1. Utilisation de LANDSAT-TM 3.2. Bandes spectrales à choisir 3.3. Les bandes brutes 3.4. Les clés de la décorrélation
4. L’interprétation de l’image accentuée Conclusion Références bibliographiques
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Chantal Seuthé et Pierre Buteau
Résumé Faisant partie de la grande famille des milieux humides, les tourbières représentent des environnements à fort potentiel économique si l’on pense aux dépôts de tourbe, mais aussi des habitats fauniques et floristiques très particuliers. Le territoire québécois possède de nombreuses tourbières, pour lesquelles le ministère de l’Énergie et des Ressources du Québec poursuit un programme d’inventaire systématique ayant pour objectif principal d’assurer une meilleure gestion de la ressource-tourbe. Dans les régions éloignées et inaccessibles, où se concentrent d’immenses superficies de tourbières, les images satellite ont été intégrées aux travaux. L’image LANDSAT-TM avec sa grande résolution spectrale et spatiale a été choisie. La méthodologie de traitement de l’image repose sur un échantillonnage des zones tourbeuses à partir duquel on applique un algorithme de décorrélation qui maximise les contrastes à l’intérieur des tourbières. Sur l’image TM accentuée, on relève facilement huit différentes classes de tourbières. L’interprétation de l’image se fait directement sur un film de la carte topographique au 1:50 000 superposé à l’image. Cette technique de cartographie est utilisée au gouvernement du Québec depuis 1988 et constitue un bel exemple d’application opérationnelle de la télédétection satellitaire.
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Les tourbières au Québec : une ressource importante à connaître et à protéger
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INTRODUCTION Les tourbières au Québec représentent une ressource importante, puisqu’elles s’étendent sur plus de 11 millions d’hectares, soit plus de 100 000 km2 (Buteau, 1989). Dans certains territoires, elles occupent l’espace de manière continue sur de vastes superficies ; c’est le cas par exemple dans la région de la baie James. Bien sûr, toutes ne sont pas exploitables parce que trop minces ou trop éloignées des centres anthropiques, mais on peut considérer ces milieux comme une des ressources naturelles importantes du Québec. Depuis plusieurs années, le ministère de l’Énergie et des Ressources poursuit un programme d’inventaire systématique des dépôts de tourbe du Québec. Les objectifs visés par ce programme consistent notamment à consolider ces inventaires, à assurer une meilleure gestion de la ressource-tourbe et à favoriser la création et le développement de nouvelles entreprises intéressées à l’exploitation et à la valorisation de cette ressource naturelle. Ce programme d’inventaire a déjà permis la cartographie des dépôts du Québec méridional à des échelles régionales, permettant à la fois une caractérisation détaillée de la ressource et la localisation des sites les plus prometteurs. Récemment, le Service géologique de Québec a entrepris la cartographie des dépôts localisés au nord du 50e parallèle. C’est, en effet, dans la portion septentrionale de la province que l’on retrouve 10 des 11 millions d’hectares de tourbières du Québec. L’éloignement et l’inaccessibilité de ces régions de même que tous les problèmes inhérents à la cartographie dans pareil contexte ont conduit à intégrer l’utilisation d’images satellite aux travaux (Buteau et Audet, 1985).
1. LES MILIEUX TOURBEUX DU QUÉBEC À cause de leur étendue, les tourbières sont un élément caractéristique du paysage québécois. Elles constituent des écosystèmes où s’observe d’année en année une accumulation de débris organiques de toutes sortes, qui forment éventuellement des dépôts de tourbe. L’accumulation et la décomposition très lente de ces résidus organiques se font dans des conditions anaérobiques. Ainsi, la formation des dépôts de tourbe est intimement reliée à la dynamique et à l’évolution des tourbières. On distingue deux grands types de tourbières en fonction du régime trophique : les tourbières ombrotrophes (bog) et les tourbières minérotrophes (fen). Alors que les tourbières ombrotrophes sont exclusivement alimentées en eaux de précipitation, les tourbières minérotrophes reçoivent en plus des eaux de ruissellement, de percolation et d’infiltration qui se sont enrichies d’éléments minéraux divers au contact du sol environnant. Il en résulte que ces dernières sont
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beaucoup moins acides que celles de type ombrotrophe et que la végétation y est également plus diversifiée et plus « riche ». L’importance de ces milieux pour la faune et la flore est une des principales raisons qui rendent nécessaire la réalisation de programmes d’inventaire à grande échelle. Ces milieux sont, entre autres, reconnus pour leur potentiel comme aire de nidification pour le canard noir. Plusieurs autres espèces utilisent également ces milieux à cette fin, mais à des degrés moindres. De nombreux mammifères y trouvent source de nourriture, alors que plusieurs reptiles et amphibiens y demeurent en permanence. Quant à la flore, on y retrouve de nombreuses espèces rares et en voie de disparition, surtout dans la partie méridionale de la province. De plus, de nombreuses familles de bryophytes et d’hépatiques sont exclusives à ces milieux acides et saturés d’eau. Par ailleurs, l’exploitation de ce milieu à des fins de production de mousse de tourbe et de culture maraîchère représente un apport économique important pour certaines régions de la province. Ainsi, la valeur des produits maraîchers récoltés en 1989 sur les tourbières du sud de la province atteignait les 60 millions de dollars, alors que l’industrie de la mousse de tourbe, localisée surtout dans le bas Saint-Laurent, affichait des ventes totales de plus de 25 millions de dollars pour la même année et cela pour la vente de ressources brutes non transformées. Quant aux produits à valeur ajoutée fabriqués à partir de la tourbe, leur valeur dépasse celle des ventes de tourbe brute. De plus, on remarque dans ce secteur d’activité, une diversification intéressante quant à la nature des nouveaux intervenants industriels qui s’y rattachent. On retient, entre autres, la production de produits hygiéniques absorbants à base de tourbe, la production locale d’énergie à partir de tourbe décomposée, la fabrica- tion de charbon activé et de coke de tourbe, et la fabrication de biofiltres.
2. LA DÉTECTION DES TOURBIÈRES La cartographie des tourbières par télédétection est basée sur le principe selon lequel l’aspect physionomique d’une tourbière, de même que la nature des groupements phytoécologiques que l’on y retrouve, sont reliés au développement séquentiel des communautés végétales qui forment son contenu sous-jacent de tourbe. Ainsi, l’apparence d’une tourbière sur une photographie ou une image est déjà indicatrice de son potentiel minéral. 2.1. PHOTOGRAPHIE AÉRIENNE Les programmes d’inventaire de tourbières du Québec méridional ont été le plus souvent axés vers la photo-interprétation de photographies
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Les tourbières au Québec : une ressource importante à connaître et à protéger
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aériennes noir et blanc, à grande échelle (1:15 000). La photointerprétation permet d’abord et facilement de circonscrire les tourbières, car elles se démarquent bien de leur environnement. Par la suite, le photo-interprète parvient assez aisément à subdiviser l’ensemble en différentes composantes morphologiques en relation surtout avec le réseau de drainage. Il peut alors différencier les tourbières ombrotrophes des tourbières minérotrophes et, selon son expérience de terrain, il peut être en mesure de reconnaître les communautés végétales qui s’y trouvent. Toutes ces informations sont recueillies à partir de la teinte, de la texture et de l’intensité des différents tons de gris observés sur les photos. L’expérience du photointerprète et les travaux de terrain préliminaires demeurent cependant essentiels à la réalisation d’une photo-interprétation précise, ce qui par ailleurs s’applique tout aussi bien lors de l’utilisation d’images satellite. 2.2. IMAGE SATELLITE Considérant l’ampleur des territoires à inventorier au Québec septentrional, la photographie aérienne devient moins appropriée. Après avoir pris connaissance de projets pilotes réalisés à partir d’images satellite de différents capteurs, il apparaît que celles-ci soient particulièrement bien adaptées à la cartographie des tourbières et ce, pour quatre raisons principales. Premièrement, l’évolution d’une tourbière, par rapport à d’autres milieux végétaux naturels, se fait très lentement, soit sur une période variant de 3 000 à 12 000 ans. Cela veut dire que, même si la saison végétative annuelle d’une tourbière ne s’étend que sur 1 à 2 mois (juillet et août), l’année d’acquisition d’une image exploitée pour les tourbières importe peu. Donc, pour n’importe quelle région de la province, on est certain de trouver une bonne image d’été sans nuages. Ainsi, les problèmes d’acquisition d’images, généralement une entrave importante dans un projet opérationnel, sont presque inexistants en ce qui concerne le thème des tourbières. Deuxièmement, par définition, une tourbière se développe à partir de mares dans lesquelles les débris végétaux s’accumulent, c’est-àdire toujours dans des environnements sans relief. Cet état de fait élimine les problèmes topographiques de pentes exposées et sousexposées, très fréquents en télédétection. La troisième caractéristique des environnements tourbeux réside dans le fait qu’ils sont généralement bien circonscrits dans l’espace. Ceci en favorise l’extraction et l’interprétation par images satellite ou, comme on l’a mentionné dans la section précédente, par photographies aériennes. Enfin, quatrièmement, l’humidité de surface joue un rôle important dans l’évolution et la différenciation des types de tourbières. Or, le
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découpage des bandes spectrales enregistrées par les satellites, particulièrement dans la région de l’infrarouge, permet de bien percevoir ces différences d’humidité. Ainsi, l’image satellite améliore la cartographie des types de tourbières par rapport à l’utilisation de la photographie aérienne.
3. LE TRAITEMENT DES IMAGES SATELLITE 3.1. UTILISATION DE LANDSAT TM Trois types d’images satellite multispectrales sont actuellement disponibles : LANDSAT-MSS, à 80 m de résolution et 4 bandes spectrales ; LANDSAT-TM, à 30 m de résolution et 7 bandes spectrales ; SPOTXS, à 20 m de résolution et 3 bandes spectrales. Des études pilotes réalisées dans la région de la Basse-Côte-Nord (Seuthé, 1989) ont démontré que l’imagerie LANDSAT-TM avec, à la fois, une grande résolution spectrale et spatiale, était supérieure aux deux autres. La bande infrarouge moyen (TM 5), en particulier, apporte des nuances supplémentaires et fondamentales dans la distinction des fens, plus saturés en eau. 3.2. BANDES SPECTRALES À CHOISIR L’information pertinente à la distinction des types de tourbières sur les images LANDSAT-TM se retrouve sur les bandes spectrales TM 3 (rouge), TM 4 (proche infrarouge) et TM 5 (moyen infrarouge), ce qui est le cas pour la plupart des milieux végétalisés. Mais ce qui est particulier aux tourbières, c’est que la variance et la décorrélation sont déjà bien exprimées sur les bandes brutes. L’exemple de la figure 5.1 illustre bien ce phénomène : les différents types de tourbières occupent au minimum une trentaine de tons de gris, même sur TM 3 où la dynamique générale des données est toujours plus faible. Dans certains cas particuliers, la bande TM 2 (vert) peut s’avérer très utile. Par exemple, dans les milieux rocheux de la Basse-CôteNord, cette bande spectrale permet de bien distinguer les affleurements rocheux des bogs à lichens. La méthode de traitement utilisée dans ce type de milieu a été décrite dans Seuthé (1989). 3.3. LES BANDES BRUTES Le comportement des tourbières sur les bandes spectrales 3, 4 et 5 suit des règles bien définies qu’il faut connaître avant d’appliquer toute forme de traitement visant l’accentuation de ces milieux. Les statistiques générales pour différentes régions du Québec, présentées au tableau 5.1, montrent que la variance est généralement optimisée sur la bande TM 4.
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Les tourbières au Québec : une ressource importante à connaître et à protéger FIGURE 5.1 Distribution des moyennes de réflectance des tourbières (a) sur les bandes brutes (b) sur les bandes décorrélées par transformation en composantes principales (TCP)
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Chantal Seuthé et Pierre Buteau TABLEAU 5.1 Statistiques des bandes brutes pour les tourbières Lac Grasset
Rivière Nottaway
Rivière Harricana
Rivière Mégiscane
XT %var. TM 3
29,97 6,06 17 %
28,12 5,42 13 %
27,96 6,46
17 %
28,00
6,46
12 %
TM 4
70,44 15,60 44 %
66,76 19,62 47 %
67,25 13,61
37 %
67,82 27,97
42 %
TM 5
57,00 13,59 39 %
54,10 17,13 40 %
60,88 16,86
46 %
52,42 19,58
33 %
La seule exception survient dans les régions dominées par les fens, comme la région de la rivière Harricana, où l’importance de l’humidité augmente considérablement la variance de TM 5. En outre, même dans les régions où l’on retrouve peu de fens comme dans l’exemple de la figure 5.1A, les différences à l’intérieur de ce type de tourbière minérotrophe sont toujours bien exprimées. Par contre, les nuances pour les bogs sont généralement moins bien exprimées sur ces mêmes bandes brutes. Donc, de façon globale : la TM 5 fait ressortir les milieux plus secs, au niveau de la rhyzosphère (mais plus humide au niveau de la feuille ou de la tige) dans les basses valeurs et les milieux plus humides dans les hautes réflectances ; la TM 4 accentue la différence bog/fen à cause des structures de recouvrement qui sont différentes ; la TM 3, enfin, apporte des nuances entre les milieux plus ou moins chlorophylliens. 3.4. LES CLÉS DE LA DÉCORRÉLATION Étant donné cette répartition déjà intéressante des tourbières sur les bandes brutes, les clés de la décorrélation de ces données sont assez simples. Des algorithmes tels la transformation en composantes principales (TCP) (Seuthé, 1989) et la maximisation des composés colorés (Grenon, 1989) ont été investigués avec succès pour différentes régions du Québec. Quelle que soit la transformation utilisée, elle doit être appliquée à partir d’un échantillonnage exhaustif des types de tourbières présentes sur l’image afin de maximiser leur variance sur les composantes résultantes et saturer les milieux limitrophes. La bande TM 3, qui possède une dynamique originale plus faible que les deux autres, est particulièrement avantagée sur des bandes décorrélées. La figure 5.1 B illustre une décorrélation réalisée par la TCP. L’élément important à retenir est que la deuxième et la troisième composante principale, successivement dominées par TM 5 et TM 3, apportent des nuances supplémentaires dans le cas des bogs. Par exemple, sur l’histogramme de CP 2, les bogs de type arbustif à épinette noire, cypéracées et sphaignes (BACY) s’éloignent nettement des bogs de même type mais plus humides (BACS) ; d’autre part, sur l’histogramme de CP 3, les bogs à éricacées(BAEE)
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Les tourbières au Québec : une ressource importante à connaître et à protéger
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s’éloignent des bogs à cypéracées et sphaignes. Cet exemple est tiré d’une région spécifique du Québec (la rivière Macho, en Abitibi), mais il traduit bien le comportement général des tourbières.
4. L’INTERPRÉTATION DE L’IMAGE ACCENTUÉE L’utilisation d’un algorithme de décorrélation, telle la TCP ou autre, permet d’élargir les nuances à l’intérieur des milieux tourbeux et donne généralement des images accentuées riches en couleurs (planche IX). Compte tenu de la région, il est possible d’inventorier de 5 à 8 classes de tourbières (MER, 1989) bien distinctes les unes des autres. Par ailleurs, l’ensemble des tourbières se découpe nettement du milieu environnant sans confusion possible. Mais la signature spectrale, c’est-à-dire la couleur, ne constitue pas le seul outil d’interprétation des tourbières. Dans ces environnements très particuliers, la texture joue un rôle important. La texture sur l’image se manifeste par la présence de structures, organisées ou non, produites par la stagnation ou l’écoulement des eaux, formant ainsi des lanières de tourbe, des mares d’eau, etc. Ces structures, généralement bien visibles sur les images, sont une constituante importante dans la caractérisation des types de tourbières. C’est pourquoi nous privilégions l’accentuation de l’image avec interprétation subséquente, manuelle ou assistée par ordinateur, plutôt que la classification automatique. Notons que le Centre ontarien de télédétection (Pala, 1985) a obtenu des résultats intéressants en classification supervisée avec, cependant, des étapes de filtrage et d’édition peut-être plus fastidieuses et complexes que celles qui sont requises en interprétation. L’interprétation des tourbières sur l’image LANDSAT-TM accentuée peut être réalisée facilement jusqu’à l’échelle du 1:50 000. À l’observation des travaux d’inventaire réalisés par le Service géologique de Québec, il apparaît qu’une interprétation judicieuse doive aussi faire appel aux éléments suivants : – choix de sites de contrôle basé sur la densité et la diversité des tourbières à interpréter ; − utilisation de photographies aériennes d’appoint au 1:40 000 pour les sites retenus ; – utilisation des relevés de terrain faits sur les sites ; utilisation de la carte topographique 1:50 000 ; utilisation de photograhies de terrain. La catégorisation des tourbières par cette méthode se fait rapidement et de nombreux éléments, souvent difficiles à voir sur des photogra-
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phies aériennes conventionnelles, apparaissent évidents et faciles à repérer sur l’image.
beaucoup
plus
CONCLUSION L’utilisation de la télédétection satellitaire pour la cartographie des tourbières au Québec constitue un bel exemple d’application opérationnelle, puisque depuis 1988 elle s’est imposée comme l’outil de base pour l’inventaire des dépôts du Québec septentrional. Ce succès tient, entre autres, à la nature intrinsèque des tourbières mais aussi aux capacités du capteur LANDSAT-TM, particulièrement sa bande infrarouge moyen très sensible aux gradients d’humidité. L’information pertinente à la différenciation des tourbières sur les bandes TM 3, TM 4 et TM 5 (considérée optimale pour les milieux végétalisés) est déjà exprimée à 80 % dans la dynamique des bandes brutes. Ainsi, pour obtenir la pleine mesure des données, une accentuation simple est suffisante : elle doit être orientée sur une décorrélation à partir d’un échantillonnage exhaustif des tourbières d’une région. En définitive, les coûts et les efforts reliés au traitement d’une image en vue de l’accentuation des tourbières sont peu importants, surtout si l’on considère l’étendue de ces milieux au Québec et leur relative inaccessibilité. Par ailleurs, les images accentuées pour les tourbières sont suffisamment explicites pour que l’étape d’interprétation puisse être réalisée sans être experts de la télédétection et facilement intégrée aux opérations d’inventaire du Service géologique de Québec, responsable du dossier au ministère de l’Énergie et des Ressources.
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conjointement avec le Service géologique de Québec du ministère de l’Énergie et des Ressources, 4 pages. PALA, S. (1985). Trial application of a digital LANDSAT-based peat inventory method in Quebec. Télédétection et gestion des ressources : l’aspect opérationnel, vol. 5. Compte rendu du 5e Congrès de l’Association québécoise de télédétection, Chicoutimi, Bernier, Lessard et Gagnon (dir.), p. 261-274. SEUTHÉ, C. (1989). Projet PEPS N° 231 – SPOT HRV : cartographie forestière et inventaire des tourbières au Québec. Télédétection et gestion des ressources, vol. 6. Compte rendu du 6e Congrès de l’Association québécoise de télédétection, Sherbrooke, Bernier, Bonn et Gagnon (dir.), p. 155-161.
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée Marcelle GRENIER, Marie-Catherine MOUCHOT, Guy LÉTOURNEAU et Michel MELANÇON
Sommaire Introduction Sites d’étude Matériel utilisé Méthodologie 1. Description des variables indicatrices de la qualité des eaux 1.1. Turbidité 1.2. Couleur 1.3. Carbone organique dissous 1.4. Chlorophylle 1.5. Matières en suspension 2. Résultats et analyse des résultats Conclusion Variables Capteurs Méthode Discussion Recommandations Références bibliographiques
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Marcelle Grenier, Marie-Catherine Mouchot, Guy Létourneau et Michel Melançon
me
Nous tenons à remercier M de l’analyse des résultats.
Aline Sylvestre pour ses précieux commentaires lors
Résumé En vertu de l’entente conclue le 8 juin 1989 entre le Centre Saint-Laurent (Environnement Canada) et le Centre canadien de télédétection (Énergie, Mines et Ressources Canada), un projet pilote a été mis sur pied dans le but d’évaluer la capacité de différents capteurs aéroportés de reconnaître les indicateurs de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent. Les capteurs METS-11, Daedalus 1260 et PMI ont servi aux essais. Un échantillonnage de l’eau et des observations au sol ont été synchronisés avec le passage de l’avion affrété pour la télédétection. La méthodologie employée est basée sur l’étalonnage des images à partir de données obtenues sur le terrain.
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée
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INTRODUCTION En juin 1988, Environnement Canada mettait en marche le Plan d’action Saint-Laurent (PASL) pour dépolluer le fleuve Saint-Laurent. Les principaux objectifs visés par le Plan sont la réduction des rejets liquides toxiques provenant des industries et la conservation, la protection et la restauration des habitats. La superficie du territoire à couvrir ainsi que le temps limité pour atteindre ces objectifs ambitieux nécessitent un outil qui allie efficacité et précision tout en facilitant la prise de décision. Avec son approche synoptique, la télédétection constitue l’outil idéal à cette fin. En juin 1989, le Centre Saint-Laurent et le Centre canadien de télédétection concluaient une entente de coopération technique et scientifique en matière de télédétection. Cette entente triennale a débuté avec la mise sur pied d’un projet pilote d’évaluation de la capacité des capteurs aéroportés à reconnaître les variables indicatrices de la qualité des eaux ou de l’état du milieu et de comparaison des capteurs disponibles pour le suivi environnemental du fleuve Saint-Laurent.
SITES D’ÉTUDE Les secteurs étudiés incluent Sorel (site 1) et la baie Saint-François (site 2) dans la région du lac Saint-Pierre (figure 6.1). Le choix de cette région est fondé sur la diversité des éléments à caractériser. On y retrouve des rejets industriels et municipaux, des tributaires importants, différentes masses d’eau ainsi que des marais, marécages et herbiers. Le fleuve Saint-Laurent à la hauteur de Sorel a un débit moyen de 8 778 m3·s-1, débit qui augmente avec l’apport en eau des tributaires tels que les rivières Richelieu, Yamaska et Saint-François pour atteindre 10 000 m3·s-1 à Nicolet. La rivière Richelieu et la rivière Yamaska drainent des bassins versants composés en majeure partie de terres cultivées. La rivière SaintFrançois a un bassin versant de terres majoritairement boisées. La vitesse d’écoulement de l’eau est d’environ 1 m·s-1 dans la voie navigable et de 0,3 m·s-1 pour le reste du lac. La profondeur moyenne du lac Saint-Pierre est de 3 m si l’on exclut le chenal de navigation dont la profondeur peut atteindre 15 m (Germain et Janson, 1984). Au site 1 (Sorel), trois industries du secteur de la métallurgie bordent le fleuve. Les rejets liquides qu’elles déversent dans le fleuve sont principalement composés de résidus de métaux lourds (fer, nickel, chrome, cuivre et plomb) et de solutions chimiques utilisées pour le rinçage (Asseau et INRS-Eau, 1991). De plus, l’activité humaine contribue à la dégradation des eaux par les rejets d’égouts municipaux. De
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façon théorique, on a évalué que la rivière Richelieu est polluée par une quantité considérable de substances toxiques provenant par ordre d’importance des rejets urbains, industriels et agricoles (Parent et al., 1990). Au site 2 (baie Saint-François), deux tributaires importants se rencontrent, soit les rivières Yamaska et Saint-François. Ces cours d’eau sont pollués par les rejets industriels, urbains et agricoles qui y sont déversés (Parent et al., 1990). FIGURE 6.1 Localisation des sites d’études
MATÉRIEL UTILISÉ Les survols ont été effectués au-dessus des sites d’études avec trois capteurs : les capteurs MEIS-II (Multi-detector Electro-Optical Imaging Scanner) et Daedalus 1 260 du Centre canadien de télédétection, opérés par la Compagnie Innotech Aviation et le capteur PMI (Programmable Multispectral Instrument) appartenant à la compagnie Moniteq. Le tableau 6.1 fait état des variables de prise de vue et des conditions lors de l’acquisition des images.
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée Tableau-6.1
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Paramètres de prise de vue et conditions lors de l’acquisition des images MEIS-II Date Altitude (pieds) Taille du pixel (m) Largeur des bandes spectrales (nm)
Température de l’air (°C) Humidité relative ( %) - à 8 h - à 18 h Vents - vitesse (km/h) - direction
30-10-89 20 000 4 1) 433,63 - 464,20 2) 506,09 - 530,05 3) 532,53 - 564,38 4) 578,76 - 614,05 5) 621,68 - 658,72 6) 655,31 - 694,81 7) 733,76 - 766,05 8) 846,21 - 900,69
19 68 49 5 S-0
Daedalus 1260 30-10-89 20 000 8 1) 380 - 420 2) 420 - 450 3) 450 - 500 4) 500 - 550 5) 550 - 600 6) 600 - 650 7) 650 - 700 8) 700 - 800 9) 800 - 900 10) 865 -1 035 19 68 49 5 S-0
PMI 14-10-89 22 000 4 1) 495,35 - 515,01 2) 545,13 - 555,61 3) 570,00 - 580,47 4) 600,08 - 619,68 5) 673,14 - 687,46 6) 673,14 - 687,46 7) 708,26 - 714,76 8) 745,88 - 758,83
14 87 24 5 N-E
Remarque. - Les données météorologiques proviennent du ministère de l’Environnement du Québec.
Simultanément au passage des avions, un échantillonnage de l’eau et des observations au sol ont été effectués. Dix sites ont été visités, six dans la région de Sorel et quatre dans la baie SaintFrançois (figure 6.1), l’emplacement des sites ayant été choisi de façon à couvrir un maximum de terrain dans un minimum de temps, car l’échantillonnage devait s’effectuer dans une seule journée. Compte tenu de la quantité importante de mesures prises à chaque station, nous avons choisi les sites comportant des écarts maximaux entre les variables.
MÉTHODOLOGIE L’analyse par télédétection de la qualité des eaux d’un milieu influencé comme le fleuve Saint-Laurent est très complexe, car la majorité des études ont été basée jusqu’à maintenant sur les propriétés optiques d’un milieu naturel non influencé (Smith et Baker,1981). La partie la plus importante du projet résidait dans le choix des variables ou
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indicateurs de la qualité des eaux à analyser par télédétection. Les variables devaient répondre à deux critères : a) être un indicateur de la qualité des eaux et b) posséder des propriétés optiques. Bukata et al. ont mesuré en 1985 à l’aide de radiomètres les réponses spectrales de trois paramètres biologiques et physico-chimiques, soit les teneurs en chlorophylle a, en matières en suspension et en carbone organique dissous. Les différentes teneurs, indice de l’état du milieu, font varier les réponses spectrales et favorisent donc l’évaluation de la qualité de l’eau par l’analyse d’images. Plusieurs auteurs ont également démontré qu’il existait une forte corrélation entre la teneur en matières en suspension et la luminance mesurée au capteur (Curran et Novo, 1988). La méthodologie utilisée ici est basée principalement sur l’étalonnage des images à l’aide des données recueillies au sol, méthode couramment utilisée en télédétection (Curran et Novo, 1988 ; Dekker et al., 1990). Certains auteurs préconisent l’utilisation de tout le spectre (400 à 700 nm) pour les études d’évaluation de la qualité de l’eau, en raison du contexte du milieu influencé (Bukata et al., 1985). Toutefois, plusieurs études ont démontré que l’utilisation d’une seule bande spectrale ou d’un seul rapport de bandes offrait également des résultats satisfaisants (Curran et Novo, 1988 ; Clark, 1980 ; Dekker et al., 1990). Afin de minimiser l’erreur associée au bruit du capteur, les tons de gris (DN) ont été corrigés en luminance apparente (L*) d’après l’équation et les coefficients de calibration fournis par le Centre canadien de télédétection. La correction des effets de l’atmosphère sur les images PMI a été effectuée avec la méthode développée par Sturm (1983) pour le capteur Coastal Zone Color Scanner, qui aide à obtenir les valeurs de réflectance. La vérification statistique des images par rapport aux données sur la qualité de l’eau obtenues lors de l’échantillonnage se fait en positionnant les sites échantillonnés sur les images, en enregistrant les tonalités de gris correspondant à ces sites et en les corrigeant radiométriquement pour qu’elles servent de variables indépendantes dans les régressions linéaires avec les données sur la qualité de l’eau. Les régressions linéaires sont par la suite effectuées pour chaque bande spectrale et rapport de bandes. Les équations des meilleures régressions sont appliquées aux images pour donner des images thématiques. Chaque pixel d’une image thème correspond alors à une valeur quantitative de concentration ou d’une unité de mesure. Pour permettre une meilleure visualisation et représenter les résultats avec une précision acceptable, les valeurs sont regroupées par classes.
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée
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1. DESCRIPTION DES VARIABLES INDICATRICES DE LA QUALITÉ DES EAUX 1.1. TURBIDITÉ La turbidité est la mesure des particules comme celles de limon, d’argile, de matières organiques, de plancton et d’organismes microscopiques qui sont habituellement maintenues en suspension par l’écoulement turbulent ou le mouvement brownien (McNeely et al., 1980). La turbidité d’un échantillon d’eau est une mesure de sa capacité optique de diffuser et d’absorber la lumière incidente plutôt que de la transmettre en ligne droite (Vanous et al., 1982). La turbidité peut nuire aux biocénoses aquatiques, car elle diminue la photosynthèse de la végétation aquatique submergée et enracinée et des algues, ce qui peut réduire leur croissance et, indirectement, l’abondance des poissons (McNeely et al., 1980). 1.2. COULEUR La couleur vraie est la mesure des substances colorantes dissoutes. La couleur des eaux est due aux matières organiques et inorganiques qu’elles contiennent. La couleur n’est pas normalement considérée comme un facteur important de pollution, mais plutôt comme un indice de la présence de substances organiques et inorganiques provenant d’effluents industriels et agricoles (McNeely et al., 1980). 1.3. CARBONE ORGANIQUE DISSOUS La plus grande partie du carbone organique des eaux est composée de substances humiques et de matières végétales et animales partiellement dégradées et qui résistent à la dégradation microbienne. Le carbone organique total (COT) est composé d’environ 10 parties de carbone organique dissous pour une partie de carbone organique particulaire. La photosynthèse produit du carbone organique dissous. Les composés du carbone organique peuvent se former par photosynthèse ou provenir des biocénoses du milieu aquatique. Le ruissellement des terres agricoles et les eaux résiduaires municipales et industrielles et, en particulier, celles de l’industrie des pâtes et papiers, peuvent augmenter encore les teneurs des eaux en carbone organique total. Bien que le carbone soit une substance nutritive nécessaire aux processus biologiques et un élément essentiel du protoplasme, la décomposition des composés du carbone élimine une partie de l’oxygène contenu dans les eaux. Des quantités excessives de ces composés peuvent abaisser les concentrations d’oxygène dissous à un niveau inférieur à celui qui est nécessaire aux organismes aquatiques (McNeely et al., 1980).
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1.4. CHLOROPHYLLE Les biocénoses végétales aquatiques contiennent de nombreux pigments comme les chlorophylles (vert), les carotènes (jaune et rouge), les xanthophylles (jaune et orange) et les anthocyanes (rouge, bleu et violet). La plupart des végétaux aquatiques contiennent des chlorophylles (a, b et c) seules ou combinées, qui constituent leur photorécepteur principal. Comme la chlorophylle est présente dans les végétaux, y compris les algues, on peut l’utiliser pour estimer la biomasse végétale en supposant une relation entre la quantité de pigments contenus dans les algues et celle de la matière cellulaire (matière organique). On peut utiliser la concentration de chlorophylle comme un des indices de l’état trophique d’une nappe d’eau (McNeely et al., 1980). 1.5. MATIÈRES EN SUSPENSION Les matières en suspension consistent en matières diverses, organiques et inorganiques, en suspension dans l’eau. Une forte teneur en matières en suspension peut indiquer une érosion. Les matières en suspension constituent un véhicule pour les contaminants. En grande quantité, elles empêchent la pénétration de la lumière dans l’eau, favorisant ainsi la prolifération des algues et nuisant à l’ensemble du biotope aquatique.
2. RÉSULTATS ET ANALYSE DES RÉSULTATS Les résultats des analyses statistiques démontrent des relations entre les images et les variables de la qualité des eaux. L’analyse des régressions montre qu’elles sont significatives. Dans le cas des images METS-II, seules les régressions pour lesquelles le coefficient de détermination était supérieur à 0,3 ont été retenues. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le rapport des bandes 5/2 pour la transparence de l’eau (la référence des numéros des bandes spectrales est présentée au tableau 6.1), avec le rapport 5/1 pour les matières en suspension, avec la bande 2 pour la couleur, avec le rapport 4/2 pour la turbidité, avec le rapport 5/3 pour la chlorophylle a et avec la bande 2 pour le carbone organique dissous. Le tableau 6.2 fait état des statistiques par variable. Les équations effectuées à partir des données du capteur PMI sont présentées au tableau 6.3. La combinaison des bandes spectrales 5/1 a été utilisée pour la chlorophylle a et c mesurée dans le secteur de Sorel. La combinaison 5/3 a été choisie pour la turbidité enregistrée à Sorel et la chlorophylle a et le carbone organique dissous mesurés dans la baie Saint-François.
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée TABLEAU 6.2
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Équations des régressions linéaires entre les variables de la qualité de l’eau et les images MEIS-II, n = 10 Variables de qualité de l’eau
Bandes spectrales
r2
Transparence de l’eau
5/2
0,599b
y= 9,396
Q + 6,843
Matières en suspension
5/1
0,667b
y= 60,877
Q - 25,760
Couleur
2
0,626b
y= -2,044
L* + 116,185
Équations
Turbidité
4/2
0,862b
y= 83,690
Q - 52,885
Chlorophylle a Carbone organique dissous
5/3
0,521a
y= 67,014
Q -15,402
(COD)
2
0,585b
y= -0,257
L* + 16,467
a
Significatif à 95 % ou 0,05. Significatif à 99 % ou 0,01. L* : Luminance apparente. Q : Résultats du rapport de bande. b
TABLEAU 6.3
Équations des régressions linéaires entre les variables de la qualité de l’eau et les images PMI, n = 10 SOREL Variables de qualité de l’eau
2
Bandes spectrales
r
Chlorophylle a
5/1
0,86
y= 5,9395
Q — 0,4333
Chlorophylle c
5/1
0,93
y= 8,4484
Q — 1,9090
Turbidité
5/3
0,87
y= 16,3579 Q — 2,9142
Équations
BAIE SAINT-FRANÇOIS
Variables de qualité de l’eau
2
Bandes spectrales
r
Chlorophylle a
5/3
0,65
y= 6,0161
Carbone organique dissous
5/3
0,64
y= 10,1092 Q – 2,2685
Équations Q — 0,3042
Q : Résultat du rapport de bande.
Nous avons comparé les résultats obtenus à l’aide des images aux teneurs mesurées in situ dans le cadre du suivi de NAQUADAT (National Water Quality Data) ainsi qu’aux données du ministère de l’Environnement du Québec (MENVIQ). La comparaison est difficile, car les dates d’échantillonnage ne concordent pas toujours avec la prise d’images. Cette comparaison demeure toutefois primordiale, car elle permet d’évaluer l’ordre de grandeur des résultats et de valider ainsi les images.
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Les images Daedalus ont été éliminées parce que les régressions n’étaient pas satisfaisantes et l’application des équations faisait surtout ressortir le bruit associé au capteur. Le tableau 6.4 fait état des résultats obtenus après l’application aux images des équations présentées au tableau 6.2 (bande spectrale unique ou rapport de bandes spectrales).
Images Thème
Masses d’eau
COD
MEIS-II
PMI
Relevés au sol NAQUADAT
MENVIQ
a
nord centre sud r. Richelieu
5,0 à 5,9 4,0 à 4,9 5,0 à 5,9 4,0 à 4,4
6,4 a 3,4 a 3,1
Couleur (UCV)
nord centre sud r. Richelieu
25 à 30 19 à 24 28 à 33 16 à 21
43* c 17* c 10*
MeS (mg/I)
nord centre sud r. Richelieu
6 à 12 2 à 5,9 6 à 11,9 10 à 12
Chlorophylle a (µg/I)
nord centre sud r. Richelieu
6,0 à 9,0 < 5,9 6,0 à 7,9 7,0 à 8,9
Turbidité (UTN)
nord centre sud r. Richelieu
2,0 à 10,0 0 à 1,9 2,0 à 5,9 4,0 à 7,9
Chlorophylle c (µg/l)
nord centre sud r. Richelieu
3,5 c
b
13 à 25 d 5à9 d 4à6 d 11
d
d
8 à 23 d 4a7 d 6 à 19 d 16 2,1 à 6,1 <2 2,1 à 4,0 2,1 à 4,0 3,1 à 7,1 < 3,0 3,1 à 7,0 4,1 à 5,0 3,0 à 5,0 indéfini 3,0 à 5,0 3,1 à 4,0
a
Radiale à Lanoraie, octobre 1984. Embouchure de la rivière Richelieu, octobre 1989. d Radiale à Lanoraie, octobre 1989. d Radiale à Tracy, été 1989. * Couleur apparente. b
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1,7 à 17,0 d 2,5 à 3,2 d 2,1 à 4,6 d 13
d
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La meilleure façon de comparer les résultats des images aux données in situ demeure la comparaison par masse d’eau. Le fleuve à la hauteur de Sorel est influencé principalement par deux masses d’eau, celle provenant des Grands Lacs (centre) et celle du mélange des eaux des rivières Outaouais et L’Assomption (nord). Au sud, on note l’effet des rejets industriels et de la rivière Richelieu. La comparaison des données pour l’image de Sorel se fait donc par masses d’eau indiquées dans le tableau soit : nord, centre, sud et rivière Richelieu. Les relevés effectués par NAQUADAT et le MENVIQ se font en tenant compte de ces caractéristiques. Les résultats de l’étalonnage de l’image MEIS-II pour le carbone organique dissous à Sorel (planche X) donnent des concentrations du même ordre de grandeur que les données NAQUADAT au transect de Lanoraie en 1984. Le carbone organique dissous dans le fleuve est une variable stable. La comparaison entre 1984 et 1989 est donc possible au niveau des ordres de grandeur. L’image montre pour la partie nord du fleuve des concentrations maximales et minimales au centre, alors que pour la partie sud, l’image montre des concentrations plus élevées que les données NAQUADAT, ceci pouvant être dû à une source locale comme l’apport de COD par la rivière Richelieu combiné aux rejets industriels. Dans la rivière Richelieu, la teneur en carbone organique dissous atteint 3,6 mg/I (MENVIQ). Les relevés effectués par une des industries indiquent une teneur moyenne en COT (3 jours) de 22 mg/I (Asseau et INRS-Eau, 1991). La couleur vraie représentée par l’image MEIS-II répond de la même façon que le carbone organique dissous. Les concentrations sont plus élevées au nord et au sud qu’au centre. Les valeurs mesurées par le MENVIQ sont comparables pour la partie nord du fleuve ainsi que pour la rivière Richelieu, tandis que les valeurs mesurées au centre et au sud sont beaucoup plus faibles que celles des images. Ceci peut s’expliquer, comme dans le cas du carbone organique dissous, par une influence locale. La couleur apparente mesurée par NAQUADAT à Lanoraie présente toujours le profil maximal au nord et minimal au centre. La teneur en matières en suspension est très dépendante des conditions météorologiques. Une forte pluie produira une augmentation de la concentration dans un délai assez court, selon la superficie du bassin versant. La comparaison s’est donc faite en utilisant des mesures prises lors de conditions normales. L’ordre de grandeur des concentrations et les profils nord, centre et sud obtenus avec l’image MEIS-II correspondent bien. Les concentrations sont plus faibles au centre et plus élevées dans la rivière. Il n’existe pas de relevés au sol pour la chlorophylle a, mais il est intéressant de comparer les résultats provenant des capteurs METS-II et
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Marcelle Grenier, Marie-Catherine Mouchot, Guy Létourneau et Michel Melançon
PMI. Les valeurs mesurées avec le capteur MEIS-ll sont plus élevées que celles obtenues avec le PMI. Cependant, on observe les mêmes tendances, minimum au centre et maximum au nord. L’ordre de grandeur des valeurs de turbidité est très ressemblant entre les capteurs MEIS-II, PMI et les relevés au sol. Ces valeurs suivent également la tendance des matières en suspension. La chlorophylle c définie par le capteur PMI n’a malheureusement aucun point de comparaison. Cependant, la concentration de la masse d’eau du centre est indéfinie, ce qui est inexplicable. Le tableau 6.5 présente les résultats obtenus pour le secteur de la baie Saint-François. Les comparaisons se font à partir des mesures effectuées par le MENVIQ aux embouchures des rivières. TABLEAU 6.5
Comparaison des résultats des images avec les relevés au sol pour le site de la baie Saint-François Images Thème
Masses d’eau
Relevés au sol
MEIS-II
PMI
NAQUADAT
MENVIQ a
COD
r. Saint-François
8,4 à 8,9
5,1 à 6,1
5,6
(mg/I)
r. Yamaska
4,5 à 5,4
5,1 à 5,0
6,5
b
Couleur
r. Saint-François
36
22
a
(UCV)
r. Yamaska
28 à 31
19
b
a
MeS
r. Saint-François
4,0 à 7,9
7
(mg/I)
r. Yamaska
12,0 à 14,0
40
Chlorophylle a
r. Saint-François
5,0 à 7,9
4,1 à 5,1
(mg/I)
r. Yamaska
9,0 à 9,9
3,1 à 4,0
Turbidité
r. Saint-François
5,0 à 5,9
(UTN)
r. Yamaska
7,0 à 7,5
a
Embouchure de la rivière Saint-François, octobre 1989.
b
Embouchure de la rivière Yamaska, octobre 1989.
b
3,2 21
a
b
Les images de carbone organique dissous à la baie SaintFrançois obtenues avec les capteurs MEIS-II (planche XI) et PMI (planche XII) donnent des résultats très comparables. L’ordre de grandeur des concentrations dans la rivière Saint-François est le même. Les concentrations obtenues avec les images sont les mêmes pour la rivière Yamaska, mais elles diffèrent des mesures effectuées par le MENVIQ qui révèlent une augmentation de la concentration.
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée
1125
La couleur vraie représentée par l’image MEIS-II correspond mieux que le carbone organique dissous aux données du MENVIQ. La valeur est plus élevée dans la rivière Saint-François que dans la rivière Yamaska. Sur l’image de la concentration de matières en suspension dans la baie Saint-François (planche XIII), il est intéressant de noter que la concentration des matières en suspension est à l’opposé de celle des matières organiques dissoutes. La rivière Yamaska, plus riche en matières particulaires, possède une concentration supérieure à 14 mg/I, tandis que la concentration de la rivière Saint-François atteint environ 5 mg/I. Les valeurs de la rivière Saint-François correspondent aux données mesurées par le MENVIQ, tandis qu’elles sont nettement inférieures pour la rivière Yamaska. Les concentrations de chlorophylle a obtenues avec les deux capteurs sont à l’opposé, aucune donnée in situ ne pouvant valider ces résultats. Les valeurs de turbidité obtenues avec le capteur MEIS-II correspondent assez bien, comme les matières en suspension, aux mesures faites par le MENVIQ dans le cas de la rivière Saint-François mais sont nettement inférieures dans celui de la rivière Yamaska. Dans l’ensemble, ces comparaisons sont satisfaisantes compte tenu de l’écart entre les dates d’échantillonnage et de prise d’images. Il est toutefois intéressant de retenir que l’ordre de grandeur des concentrations et des unités de mesure obtenues avec les images correspond bien aux relevés in situ. Les images représentant les autres thèmes sont disponibles auprès d’Environnement Canada.
CONCLUSION VARIABLES Les variables de qualité des eaux étudiées doivent 1) posséder des propriétés spectrales identifiables par télédétection et 2) informer sur l’état du milieu. Les variables comme le carbone organique dissous, la couleur, les matières en suspension, la turbidité et la chlorophylle a ont été retenues.
CAPTEURS La comparaison des capteurs au niveau de la précision spectrale et radiométrique est très difficile à effectuer en raison des conditions d’acquisition différentes, en particulier pour les capteurs MEIS-II et PMI (tableau 6.1).
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Marcelle Grenier, Marie-Catherine Mouchot, Guy Létourneau et Michel Melançon
Toutefois, le capteur Daedalus est moins bien adapté aux études sur l’eau à cause de sa définition spectrale et du bruit associé au capteur qui est plus important que pour les autres capteurs. Le choix du capteur dépend donc de l’efficacité de ce dernier à répondre aux objectifs visés dans le cadre de ce projet, à savoir : a)
Relever les variables de la qualité des eaux : le capteur MEIS-II a permis de relever cinq variables ; le capteur PMI a permis d’identifier trois variables.
b)
Être transférable dans un système d’information géographique : le capteur METS-II est corrigé des effets de roulis et de tangage de l’avion ; les images PMI, acquises dans le cadre de ce projet, ne peuvent être corrigées géométriquement et le capteur doit être couplé à un système de navigation pour permettre cette correction.
MÉTHODE L’étalonnage des images avec les relevés au sol est bien adapté à l’évaluation quantitative des variables de la qualité des eaux. L’utilisation d’une seule bande spectrale pour l’étalonnage offre l’avantage de minimiser le bruit associé au capteur en comparaison du rapport de bande. Cependant, la combinaison de deux bandes permet d’augmenter l’information spectrale relative à l’eau. Les bandes spectrales les plus efficaces sont situées dans la région du vert et du rouge.
DISCUSSION L’utilisation de la télédétection comme outil de suivi environnemental du Saint-Laurent est très satisfaisante. Elle permet de couvrir une superficie importante rapidement et à peu de frais, par comparaison aux méthodes traditionnelles. Les images donnent à un moment précis l’état du fleuve, ce qui constitue une base solide pour les études à long terme. Les résultats obtenus par étalonnage des images aéroportées avec les données au sol sont très convaincants. Il faut toutefois considérer qu’il s’agit d’un modèle empirique et que plusieurs facteurs peuvent influencer le signal qui nous intéresse, par exemple, la diffusion causée par l’atmosphère et l’ajustement de la sensibilité du capteur. Comme il s’agit de résultats quantitatifs et que le signal provenant de l’eau est très faible, il est important de considérer la contamination du signal par des sources autres que la masse d’eau.
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PLANCHE 1 Les puits de pétrole du Koweït en feu, durant la guerre du golfe arabopersique en 1991, vus par le Thematic Mapper de LANDSAT-5
Le 6 janvier, avant le début de la guerre.
Le 15 février, une partie seulement des puits avaient été allumés.
Le 3 mars, environ 600 puits étaient en feu.
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PLANCHE Il Carte des sols de la région de Settat au Maroc
Cette carte a été obtenue à l’aide d’une classification dirigée d’une image Thematic Mapper de LANDSAT-5 basée sur les canaux TM3, TM4, TM5 et TM7. Réalisée à l’échelle de reconnaissance (1:100 000), elle couvre un secteur de terres non irriguées utilisées en majorité pour la culture des céréales.
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PLANCHE Ill
Composition colorée et annotée d’une sous-scène SPOT-1 acquise le 27 novembre 1987 sur la région de Zinder au Niger
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PLANCHE IV
Schéma général d’intégration des trois niveaux d’information pour la modélisation spatiale de l’érosion
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PLANCHE V
Carte des pentes du bassin de l’oued Aricha au Maroc
PLANCHE VI
Carte des indices d’érodabilité des sols du bassin de l’oued Aricha, dérivée de la carte des sols de la région
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PLANCHE VII
Carte des pertes de sol annuelles du bassin de l’oued Aricha au Maroc, résultant de l’intégration de plusieurs niveaux du SIG
Les tonnages exprimes sur cette carte doivent etre pris d’un point de vue relata plutôt qu’absolu, car ils n’ont pas été validés sur le terrain. La marge d’erreur est de 20 à 30 %. PLANCHE Vlll
Carte du potentiel érosif du même bassin au Maroc, correspondant à une hypothétique absence totale de végétation
Les tonnages exprimés sur cette carte doivent être pris d’un point de vue relatif plutôt qu’absolu, car ils n’ont pas été validés sur le terrain. La marge d’erreur est de 20 à 30 %.
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PLANCHE IX
Sous-image LANDSAT-TM accentuée par la TCP (Transformation en composantes principales)
Région de la baie rames entre les rivières Harricana au sud-ouest et Nottaway au nord-est. La diversité des couleurs, des textures et des formes permet de reconnaître huit différents types de tourbières : en bleus et verts, les fens ; en oranges, roses et jaunes, les bogs. Échelle 1:250 000.
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PLANCHE X
Image du carbone organique dissous obtenue avec le capteur MEIS-11 (30 octobre 1989) à Sorel (bande 2)
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PLANCHE Xl
Image du carbone organique dissous obtenue avec le capteur METS-II (30 octobre 1989) à la baie Saint-François (bande 2)
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PLANCHE XII
Image du carbone organique dissous obtenue avec le capteur PMI (14 octobre 1989) à la baie Saint-François (bande 5/3)
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PLANCHE X111 Image des matières en suspension obtenue avec le capteur MEIS-II (30 octobre 1989) à la baie Saint-François (bande 5/1)
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PLANCHE XIV Image-synthèse de comparaison des résultats de l’analyse des données HRV et TM pour la détection des macrophytes
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PLANCHE XV Photographies d’écran des traitements réalisés sur l’image LAN DSAT-TM du secteur d’étude
1)
Composition colorée TM4, TM7, TM3
2)
Classification dirigée
3)
Indice de végétation
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PLANCHE XVI Cartographie thématique du milieu périlagunaire de BingervilleBassam-Ono
a) En 1956, par photographies aériennes
b) En 1987, par télédétection spatiale
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PLANCHE XVII Accentuation forestière par combinaisons linéaires de bandes spectrales de la région de Charlevoix (Québec) (image TM du 09-08-85), mettant en évidence les dommages causés par la tordeuse des bourgeons d’épinette
Les combinaisons de bandes visionnées suivant l’espace de couleurs de «Taylor » sont du même type que celles représentées au tableau 10.3. Pour synthétiser l’information, elles sont segmentées en 8, 6 et 4 tranches respectivement. Les classes sont celles du tableau 10.4, soit résineux légèrement (1), modérément (2) et sévèrement (3) défolié; mélangé-résineux (4) et mélangéfeuillu (5) où le résineux est sévèrement défolié.
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PLANCHE XVIII
Image NOAA HRPT du 13 janvier 1987. Agrandissement sur le parc national de la Marahoué et la réserve du Haut-Sassandra. Composition colorée : rouge = canal AVHRR-3, vert = canal AVHRR-2, bleu = canal AVHRR-1.
PLANCHE XIX
Carte des forêts denses humides de l’Ouest de la Côte-d’Ivoire, de l’Est du Libéria et des monts Nimba en Guinée obtenue par synthèse de classifications automatiques de deux images HRPT, 13 janvier 1987 et 4 janvier 1989 (d’après Laporte, 1990)
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Évaluation de la qualité des eaux du fleuve Saint-Laurent par télédétection aéroportée
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Le couplage des images aux relevés au sol plus exhaustifs permettrait de développer une nouvelle méthode d’échantillonnage favorisant l’interpolation entre les données au sol par validation avec les résultats obtenus avec les images.
RECOMMANDATIONS L’évaluation de la qualité des eaux par télédétection constitue un domaine d’avant-garde qui nécessite encore des développements. La réponse spectrale de l’eau étant très faible, la précision quantitative recherchée doit se faire en éliminant les bruits ajoutés au signal de l’eau, c’est-à-dire les effets radiométriques et atmosphériques. L’évaluation de la qualité des eaux doit se faire constamment en combinant des relevés au sol simultanés au survol. Un effort de terrain accru, tout en demeurant efficace, contribuerait à l’augmentation de la précision des résultats.
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La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes Elizabeth LAMBERT
Sommaire Introduction 1.
Travaux antérieurs
2.
Site d’étude
3.
Données
4.
Prétraitements
5.
Méthodologie
6.
Résultats
7. Analyse des résultats Conclusion
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Élizabeth Lambert
Résumé Les informations sur les peuplements de macrophytes marins de la zone infralittorale sont surtout acquises par plongée sous-marine. Pour effectuer un inventaire global, on évalue le potentiel des images satellitaires qui fournissent régulièrement des informations sur de grands territoires. On a utilisé un modèle numérique de la bathymétrie ainsi que des images HRV et TM pour repérer les peuplements immergés sur la côte nord de la baie des Chaleurs, au Québec. En tenant compte de la différence de réflectance entre le substrat nu et les peuplements de macrophytes dans la zone située entre 0 et 7 m de profondeur, on a utilisé une analyse en composantes principales appliquée à un secteur où la corrélation entre la signature spectrale du substrat et la profondeur de l’eau était très forte. Au terme de l’analyse, on a obtenu une image sur laquelle la variation des valeurs numériques était liée aux changements du type de substrat et non à la profondeur de l’eau, ce qui a donc permis de créer une image des peuplements de macrophytes marins sur une région pour laquelle on ne disposait pas d’informations sur les propriétés optiques de l’eau.
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La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes
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INTRODUCTION L’acquisition d’informations sur les ressources en macrophytes marins est d’un grand interêt tant économique qu’environnemental. Les sousproduits qui sont extraits des macrophytes marins sont utilisés dans une variété de produits de consommation (Chapman, 1980). Toutefois, sur la côte est canadienne, l’exploitation de ces ressources demeure limitée à cause, notamment, des équipements de coupe qui ne seraient pas appropriés (Lambert, 1992). L’élimination de cette seule contrainte pourrait mener à une augmentation de la pression sur l’écosystème côtier. Dans ce contexte, les ressources devraient faire l’objet de gestion, ce qui fait appel à un processus d’acquisition d’information et de surveillance régulière à l’échelle de très vastes territoires. Les peuplements de macrophytes marins représentent une composante essentielle de l’écosystème planétaire, leur productivité primaire est à peu près équivalente à celle des forêt tropicales (Dawes, 1981). Toutefois, seulement une faible proportion de l’énergie produite par les végétaux marins, soit à peine 10 %, est effectivement utilisée par les autres composantes de l’écosystème marin. Il est donc important de s’assurer du maintien de la biomasse des peuplements. L’observation des peuplements de macrophytes peut nous apporter des informations sur la qualité de l’environnement côtier. Cette ressource se trouve dans un environnement intermédiaire aux milieux terrestre et marin et elle est sensible à la qualité de ces deux environnements. Les caractéristiques des macrophytes peuvent rendre compte de la qualité de l’environnement. Par exemple, la pollution organique peut causer une augmentation anormale du développement d’espèces pionnières au dépens des espèces biologiquement plus complexes (Littler et Murray, 1978). En conséquence, la diversité dans les peuplements se trouve diminuée et l’écosystème peut être déséquilibré par la surreprésentation d’espèces qui seraient consommatrices d’énergie plutôt que productrices. Par ailleurs, les taux de croissance et de reproduction des macrophytes marins peuvent être affectés par l’introduction massive ou graduelle de polluants organiques et chimiques aux eaux côtières. II a aussi été démontré que plusieurs espèces de macrophytes étaient sujettes à la bioaccumulation, entre autres de métaux lourds (Levine, 1980). Le processus de bioaccumulation a non seulement un effet néfaste sur les macrophytes eux-mêmes, mais également sur la qualité des composantes de l’écosystème côtier qui se situent aux niveaux trophiques supérieurs. Que ce soit pour une meilleure gestion des ressources ou pour l’acquisition de connaissances sur la qualité de l’environnement côtier, la télédétection satellitaire est d’une utilité certaine pour recueillir des informations pour un vaste territoire. Bien qu’ils ne soient pas
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spécifiquement conçus pour la surveillance de l’environnement côtier et du milieu immergé, les capteurs Haute Résolution Visible (HRV) de SPOT et Thematic Mapper (TM) de LANDSAT ont des résolutions spatiale et spectrale qui, théoriquement, s’y prêteraient bien. Toutefois, certaines contraintes ont été identifiées dans l’application des méthodes d’analyse d’images pour la cartographie du milieu submergé. Une de ces méthodes a été adaptée en intégrant des informations sur la bathymétrie.
1. TRAVAUX ANTÉRIEURS Les images satellitaires ont été utilisées à quelques reprises pour la localisation des peuplements de macrophytes totalement immergés. Les résultats de simulations des données HRV et TM semblaient prometteurs tant pour la localisation des macrophytes émergés, qu’immergés (Ackleson et Klemas, 1985 ; Loubersac et Belbeoch, 1982 ; Spitzer et Dirks, 1986). Toutefois, l’analyse des données réelles de ces capteurs a fait ressortir certaines limites. Klemas et al. (1988) ont en effet observé que le bruit radiométrique des images enregistrées dans les bandes du visible réduisait considérablement leur potentiel d’application pour les peuplements immergés. Les données HRV, enregistrées en mode multispectral, ont aussi été expérimentées dans les régions côtières de Bretagne, de la Méditerranée et de la Polynésie française (Ben Moussa, 1987 ; Belsher, 1988). Les peuplements de laminaires, de phanérogames (Posidenia oceanica), ainsi que les récifs coralliens ont été localisés jusqu’à près de 16 m de profondeur. Belsher (1988) note que le succès obtenu dans l’utilisation des données HRV doit, en partie, être attribué à la grande transparence de l’eau des secteurs étudiés. Il est ressorti de ces analyses que les images enregistrées dans les bandes spectrales du vert et du rouge sont plus appropriées à la détection des macrophytes immergés. Dans ces longueurs d’onde, l’atténuation de la lumière dans l’eau est assez faible. Le principal problème soulevé par la cartographie thématique du milieu immergé est lié à la variation de la profondeur de l’eau. L’application des algorithmes permettant d’uniformiser la réponse spectrale associée à chaque type de substrat, qui excluent les variations causées par la bathymétrie, est limitée par l’inégalité spatio-temporelle de la qualité de l’eau (Viollier et al., 1985 ; Spitzer et Dirks, 1986). Lyzenga (1978) a proposé une méthode d’analyse pour la classification du type de substrat immergé, faisant appel à des données précises sur la qualité optique de l’eau qui doivent être recueillies simultanément à l’enregistrement des images. On a fait l’analyse d’images HRV et TM en se basant sur cette méthode, mais on y utilise
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La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes
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un modèle numérique de la bathymétrie (MNB), plutôt que les coefficients d’atténuation de la lumière dans l’eau, pour extraire l’information sur la localisation des macrophytes immergés.
2. SITE D’ÉTUDE Le site d’étude est localisé sur la côte nord de la baie des Chaleurs, au Québec. II est limité à l’ouest par la municipalité de Maria et à l’est, par la pointe Bonaventure. La portion du littoral dont on a tenu compte couvre une distance d’environ 50 km et elle fait face au sud-ouest (figure 7.1). Il était intéressant d’utiliser ce site pour effectuer la recherche, car une quantité appréciable de données in situ sur les peuplements de macrophytes y avaient déjà été acquises (Gendron, 1983). En 1983, près du tiers du site d’étude a fait l’objet de l’interprétaton de photographies aériennes afin de localiser les peuplements de macrophytes (Lavoie et al., 1985). La baie des Chaleurs est une vallée submergée (Tiphane, 1965) qui a une longueur approximative de 180 km dans l’axe ouest-est et une largeur d’environ 40 km dans l’axe nord-sud. La côte nord de la baie est caractérisée par la présence quasi continue de falaises qui sont principalement composées de conglomérats et de grès rouges. La présence de ces types de matériaux, combinée à celle de plages essentiellement constituées de sédiments fins, n’est pas favorable à la croissance de macrophytes en zone intertidale. On s’est donc concentré sur la localisation des peuplements de macrophytes immergés qui seraient, en majeure partie, composés de l’espèce Laminaria sp.
3. DONNÉES L’image HRV de SPOT-1 a été enregistrée en mode multispectral (XS) le 26 octobre 1986, tandis que l’image TM de LANDSAT-5 a été acquise le 16 juillet 1987 (tableau 7.1). Les conditions météorologiques étaient généralement bonnes lors de l’enregistrement de l’image HRV. Toutefois, sur l’image TM, on retrouve quelques masses nuageuses dans le secteur de la baie de Cascapédia et au large de Saint-Siméon. Le MNB (modèle numérique de bathymétrie) du site d’étude a été créé à partir de quatre cartes des minutes hydrographiques à l’échelle du 1:50 000 (Ministère des Pêches et des Océans du Canada, 1964 à 1966). Les cartes faisaient état de la profondeur de l’eau à des points distancés de 600 m ou moins, en fonction desquels on a tracé et numérisé des isobathes avec une équidistance de 1 m. Une fois
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représentés dans un fichier en format matriciel, les isobathes ont servi de référence pour interpoler la profondeur de l’eau à tous les pixels du MNB (Letts et Rochon, 1980). Le modèle numérique original avait une résolution spatiale de 50 x 50 m, laquelle a été déterminée en tenant compte des limites de l’algorithme d’interpolation et de la faible densité d’isobathes dans certaines portions de l’image. Le MNB a été rééchantillonné avec une résolution de 20 x 20 m et de 30 x 30 m, en fonction de la projection cartographique UTM, afin de l’intégrer à l’analyse des images HRV et TM.
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La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes
TABLEAU 7.1
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Identification et conditions d’enregistrement des images HRV et TM utilisées dans l’analyse
Image
HRV
Date Heure (GMT) Angle zénithal de visée (deg) Angle zénithal solaire (deg) Latitude du centre de l’image (deg) Longitude du centre de l’image (deg) Orbite Rang Vitesse (m/s) et direction du vent Température de l’air (°C) Hauteur de marée (m)
1986-10-26 15:30:20 3,25 60,81 48,000 -65,660 230 — 4,12 ouest 1,0 -0,3
TM 1987-07-16 14:38:07 0 34,89 48,271 -66,389 10 27 4,12 ouest 20,0 1,6
4. PRÉTRAITEMENTS Le prétraitement des images comprenait des corrections atmosphériques, géométriques et radiométriques. Les corrections atmosphériques ont servi à estimer la réflectance de la surface. On s’est alors basé sur les constantes de calibration des capteurs, les conditions d’enregistrement des images et les caractéristiques de l’atmosphère, au moment de l’enregistrement des images (Tanré et al., 1986 ; Royer et al., 1988 ; Lambert, 1992). Les corrections géométriques ont permis de rendre les images conformes à la projection cartographique UTM. L’algorithme de rééchantillonnage du « plus proche voisin » a été utilisé afin de ne pas altérer les valeurs numériques des images originales. Étant donné que l’analyse portait sur un secteur situé à proximité de la côte, on se devait de conserver les contrastes entre les milieux immergés et émergés, notamment à proximité de la côte. Des fréquences de bruit radiométrique caractéristiques aux données HRV et TM de LANDSAT-5 (Bégni et al., 1987 ; Wrigley et al., 1985) affectaient nos images. Seules les larges stries verticales qui étaient présentes sur l’image HRV ont fait l’objet de corrections. On a d’abord calculé la valeur numérique moyenne des pixels correspondant à l’eau profonde, pour chaque strie et pour toute l’image. Ensuite, la différence de valeur numérique de chacune des stries avec celle de l’image a été additionnée ou soustraite, selon le cas, aux pixels de chaque strie. II n’a pas été possible d’éliminer le bruit radiométrique de l’image TM ou le bruit de haute fréquence de l’image HRV à cause de l’inconsistance de leur magnitude à travers toute l’image. Toutefois, on
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Élizabeth Lambert
a vérifié s’ils étaient toujours apparents sur les images thématiques finales et, lorsque c’était nécessaire, ils ont été éliminés par l’application d’un filtre passe-bas. La dernière étape du prétraitement des données consistait à appliquer un masque sur les secteurs ennuagés et sur la zone émergée afin de les exclure des traitements subséquents. Les milieux émergé et immergé ont été relevés à l’aide des images enregistrées dans le proche infrarouge (XS3 et TM4). Par ailleurs, les secteurs ennuagés ont été repérés visuelle-ment à partir des images enregistrées dans les bandes spectrales du visible. On a aussi masqué la portion des images HRV et TM correspondant au milieu immergé dans lequel on a estimé que les peuplements de macrophytes ne pouvaient être différenciés du substrat nu. Cette estimation était basée sur la résolution radiométrique des capteurs HRV et TM, dans les bandes du vert et du rouge, soit la différence de réflectance équivalente au bruit (drEB) qui est de 0,5 % (Bégni et al., 1987 ; Wrigley et al., 1985). À cette dernière a été comparée la différence de réflectance entre les macrophytes et le substrat nu (dr(ms)i) à différentes profondeurs. On a alors utilisé des mesures de réflectance in situ du substrat de sédiments fins et des macrophytes, submergés à 1 m de profondeur, qui ont été faites sur le site d’étude (Gauthier, 1990). Ces mesures ont été analysées en tenant compte du coefficient d’atténuation de la lumière qui est caractéristique des eaux côtières de « type 1 » et de l’angle d’élévation solaire au moment de l’enregistrement des images (tableau 7.1) (Pickard et Emery, 1982 ; Lambert, 1992). Lorsque la profondeur de l’eau était trop grande et que la drEB devenait supérieure à la dr(ms)i, on considérait que le substrat occupé par des macrophytes et le substrat nu ne pouvaient être distingués sur l’image. Après avoir relevé cette profondeur limite, on a restreint l’analyse des images à la zone où l’on savait a priori que les peuplements de macrophytes pouvaient être localisés. On a utilisé le MNB pour isoler cette zone sur les images HRV et TM enregistrées dans les bandes du vert et du rouge.
5. MÉTHODOLOGIE La méthode que Lyzenga (1978) a proposé pour cartographier le type de fond en eau peu profonde a servi de base à l’analyse des images. Dans ce contexte, le MNB a été utilisé pour pallier l’absence de données précises sur le coefficient d’atténuation de la lumière dans l’eau. La première étape de l’analyse consistait à créer des images où les valeurs numériques variaient linéairement en fonction de la profondeur de l’eau. Compte tenu du fait que la réflectance du substrat immergé décroît exponentiellement avec l’augmentation de la profondeur de l’eau, pour chaque bande spectrale du visible, une variable dépendante de la profondeur de l’eau a été obtenue par l’application de l’équation 1.
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La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes
Xi= ln (ri – r∞i) où
et
Xi
est une variable dépendante de la profondeur de l’eau pour la longueur d’onde i,
ri
est la réflectance de l’eau peu profonde
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(1)
r∞i est la réflectance de l’eau profonde.
Dans l’espace des variables Xi, on a obtenu des valeurs numériques qui se distribuaient le long d’axes parallèles, chacun d’eux correspondant à un type de substrat. On a créé les variables Xv et Xr à partir des images enregistrées, respectivement dans les bandes du vert (TM2 et XS1) et du rouge (TM3 et XS2). Par la rotation de ce système de coordonnées, on a créé un nouvel espace d’analyse où l’abcisse représentait la variable dépendante de la profondeur de l’eau et où les valeurs en ordonnée étaient dépendantes du type de substrat. Le calcul de l’équation de rotation du système de coordonnées Xv et Xr a été fait en tenant compte du MNB. Il s’agissait d’abord d’échantillonner des valeurs Xv et Xr qui étaient fortement dépendantes de la profondeur de l’eau. Dix polygones ont été délimités sur chacune des images HRV et TM (figure 7.2). À partir de ces derniers, on a calculé le coefficient de corrélation entre les variables Xi et les valeurs numériques correspondantes sur le MNB. Les valeurs du polygone d’échantillonnage qui montraient la plus forte corrélation avec la profondeur de l’eau ont été utilisées dans une analyse en composantes principales. On a alors extrait les valeurs propres des variables Xv et Xr qui étaient associées à la seconde composante principale. Ces valeurs propres correspondaient aux coefficients de l’équation de la variable indépendante de la profondeur de l’eau, laquelle était donc associée à la variation du type de substrat. L’équation a été appliquée à l’ensemble de l’image en étant réajustée pour représenter les résultats sur l’échelle de valeurs numériques situées entre 0 et 255. Les valeurs numériques de l’image résultante ont été regroupées pour créer une image-synthèse du type de fond. Le critère de regroupement des valeurs numériques était la distribution de fréquence des valeurs numériques correspondant à chaque groupe et l’analyse visuelle de l’image. Chaque groupe de pixels associé à un type de fond devait présenter une distribution de fréquence conforme à une distribution normale (Lyzenga, 1978). Ainsi, on a vérifié la normalité des distributions correspondant à chaque thème par l’application du test de KolmogorofSmirnov (a = 0,01). L’analyse visuelle de l’image a été faite en se basant sur les données préalablement acquises pour le site d’étude (Lavoie et al., 1985 ; Gendron, 1983). Afin de vérifier si une fréquence significative de bruit radiométrique apparaissait sur les images-synthèse, on y a appliqué une analyse
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harmonique (Legendre et Legendre, 1984). Cette analyse a été effectuée à partir des valeurs extraites de transects verticaux et horizontaux sur l’image. On pouvait alors déterminer s’il était nécessaire d’appliquer un filtre passe-bas aux images-synthèse. FIGURE 7.2 Carte de localisation des polygones d’échantillonnage utilisés pour le calcul du coefficient de corrélation entre la profondeur de l’eau et les variables Xv et Xr des images HRV et TM
6. RÉSULTATS La profondeur maximale à laquelle un contraste attribuable à la présence de macrophytes a été estimée à 7 et 5 m, respectivement avec les images HRV et TM enregistrées dans la bande verte (tableau 7.2). Par ailleurs, c’est jusqu’à 2 mètres de profondeur que les images HRV et TM de la bande rouge nous permettaient de distinguer les macrophytes du substrat nu. Puisqu’on utilisait l’image de la bande verte, on a appliqué l’analyse à la zone située entre 0 et 7 m de profondeur avec l’image TM. Dans le cas de l’image HRV, on a isolé la zone située entre 0 et 5 m de profondeur. Les polygones d’échantillonnage qui ont été délimités sur les images Xv et Xr couvraient des superficies variant entre 9 et 84 hectares. Il était important que, dans tous les polygones, soient représentées les classes de profondeur d’eau dans lesquelles les
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TABLEAU 7.2 Estimation de la différence de réflectance entre le substrat et les macrophytes (dr(ms)i) selon la profondeur, pour les bandes spectrales du vert et du rouge de HRV et TM
dr(ms)i pour i : Profondeur (m)
0 1 2 3 4 5 6 7 8
XS1
XS2
TM2
TM3
0,0397 0,0258 0,0167 0,0109 0,0071 0,0046 0,0030
0,0489 0,0123 0,0633 0,0007 0,0117 0,0085 0,0062 0,0045 0,0033
0,0410 0,0299 0,0219 0,0160
0,0420 0,0154 0,0056 0,0021
XS1 et TM2 : bande spectrale du vert de HRV et de TM, respectivement ; XS2 et TM3 : bande spectrale du rouge de HRV et de TM, respectivement.
peuplements de macrophytes pouvaient être différenciés du substrat nu. La dimension des polygones était généralement plus faible sur l’image HRV que sur l’image TM, car sur la première, l’analyse ne couvrait que les profondeurs de 0 à 5 m. On a observé la plus forte corrélation entre la profondeur de l’eau et les variables Xv et Xr avec les valeurs du polygone n° 8 du secteur de Saint-Siméon (tableau 7.3). Cette corrélation rendrait compte de la plus grande uniformité du type de substrat qui est représenté par les pixels qui ont été échantillonnés. Compte tenu que la réflectance moyenne qui correspond au polygone n° 8 était relativement élevée, par rapport à celle des autres polygones, le substrat y serait surtout composé de sédiments fins. Par ailleurs, on n’a observé aucune influence de la dimension des polygones d’échantillonnage sur les coefficients de corrélation qui ont été calculés. L’analyse en composantes principales a été appliquée aux valeurs Xv et Xr qui étaient contenues dans le polygone de Saint-Siméon. Les vecteurs propres de la seconde composante principale correspondaient alors aux coefficients de l’équation de la variable indépendante de la profondeur de l’eau (équations 2 et 3 ; figure 7.3). Ils ont été appliqués à chacune des images HRV et TM pour créer les images de type de substrat. Les coefficients des équations 2 et 3 font ressortir que la variable Xv eu un poids plus important que la variable Xr dans la création de l’image du type de substrat. Cette différence dans
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la valeur des coefficients est expliquée par le plus grand pouvoir discriminant de la bande verte pour les macrophytes qui se situent à plus de 2 mètres de profondeur.
Où
VIP (XS) = 0,86 Xxsi - 0,52 XXS2
(2)
VIP (TM) = 0,86 XTM2 - 0,57 XTM3
(3)
VIP est la valeur numérique de la variable indépendante de la profondeur de l’eau, X est la variable dépendante de la profondeur de l’eau, XS1 et TM2 sont les bandes vertes des capteurs HRV et TM respectivement et XS2 et TM3 sont les bandes rouges des capteurs HRV et TM respectivement.
TABLEAU 7.3 Coefficient de corrélation entre la profondeur de l’eau et les variables Xv et Xr pour dix secteurs du site d’étude Image HRV Numéro de polygone 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Localisation Maria Baie de Cascapédia New-Richmond Caps-Noirs (ouest) Caps-Noirs (est) Ruisseau-Leblanc Caplan Saint-Siméon Bonaventure Pointe Bonaventure
Image TM
In(XS1)
In(XS2)
In(TM2) In(TM3)
-0,320 +0,196 +0,440 -0,264 -0,320 -0,201 -0,432 -0,793 -0,683 -0,568
-0,432 -0,427 -0,318 -0,550 -0,432 -0,438 -0,547 -0,781 -0,691 -0,640
+0,069 -0,463 -0,655 -0,147 +0,069 -0,566 -0,371 -0,785 -0,541 -0,437
+0,074 -0,572 -0,698 -0,125 +0,074 -0,518 -0,314 -0,742 -0,451 -0,392
Avec l’histogramme des images résultantes, on a mis en évidence deux classes distinctes de type de substrat. L’une d’elles correspond au substrat nu et la seconde, à la présence de peuplements de macrophytes. Le défaut radiométrique du capteur HRV, qui enregistrait les données simultanément en modes panchromatique et multispectral (caractérisé par les larges stries verticales), était à l’origine d’une importante discordance entre les valeurs numériques correspondant aux mêmes catégories de type de substrat situées de part et d’autre de Caps-Noirs. On a alors, temporairement, divisé l’image en deux sections pour analyser les histogrammes indépendamment.
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La localisation des peuplements de macrophytes immergés à l’aide de la télédétection et de données connexes 141
FIGURE 7.3
Distribution des valeurs pixels du polygone d’échantillonnage de Saint-Siméon dans l’espace d’analyse formé par les variables Xv et Xr des images HRV et TM
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Elizabeth Lambert TABLEAU 7.4 Comparaison des superficies (hectares) occupées par les macrophytes et par le substrat nu, à différentes profondeurs, sur les images HRV et TM (superficie relative (%) par classe de profondeur) Identification Identique sur HRV et TM
Type de substrat Profondeur (m) Macrophytes Oà1 1à2 2à3 3à4 4à5 Oà5
37 16 12 14 17 22
Substrat nu 18 24 33 36 33 27
Identification Différente selon les capteurs HRV : Macrophytes HRV : Substrat nu TM : Substrat nu TM : Macrophytes 27 19 15 9 8 18
18 41 40 41 42 33
Total 100 100 100 100 100 100
L’image TM de type de substrat n’était pas affectée de façon significative par le bruit radiométrique de basse fréquence. Ce dernier affectait la zone qui n’a pas été analysée (située à plus de 7 m de profondeur) et où le rapport signal sur bruit était très faible. Par contre, le bruit de haute fréquence demeurait apparent sur d’importantes sections des imagessynthèse. On y a donc appliqué un filtre modal de 3 x 3 pixels afin d’estomper les discontinuités, dans la distribution spatiale des classes de type de substrat, qui étaient associées au bruit de haute fréquence. Les informations sur la localisation des peuplements de macrophytes ont été obtenues pour une superficie totale de 4 354 hectares, avec les images HRV et TM (planche XIV, tableau 7.4). Ici, on tient compte de la zone située entre 0 et 5 m de profondeur et exempte de nuages, ce qui correspond à la superficie classifiée commune aux deux images. La localisation des superficies occupées par les peuplements de macrophytes et le substrat nu coïncident, d’une image à l’autre, dans une proportion de près de 50 %. C’est entre 0 et 1 m de profondeur que l’on observe le moins de changements, tandis que la plus faible proportion de pixels classifiés de façon identique sur les deux images, soit 40 %, se trouve entre 1 et 2 m de profondeur. Les différences entre les deux images sont expliquées dans une proportion de 65 % par la présence de macrophytes sur l’image TM alors que l’on retrouve du substrat nu sur l’image HRV. La situation inverse (substrat nu sur l’image TM correspondant à des macrophytes sur l’image HRV) se présente près de deux fois moins. On observe qu’une importante superficie est occupée par des peuplements de macrophytes à l’embouchure de la rivière Cascapédia, de part et d’autre du chenal qui se démarque assez nettement. Les
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macrophytes sont aussi distribués tout le long de la côte du site d’étude, plus particulièrement dans les secteurs de Caplan et de Bonaventure.
7. ANALYSE DES RÉSULTATS L’analyse de l’image HRV a été limitée à la zone située entre 0 et 5 m de profondeur, plutôt qu’entre 0 et 7 m comme avec l’image TM, parce que l’angle zénithal solaire était relativement important à la fin d’octobre, réduisant ainsi l’intensité du rayonnement transmis dans l’eau. Bien qu’il soit désavantageux d’utiliser une image enregistrée en automne, à cause de la plus faible superficie qui peut être couverte par l’analyse, l’image HRV a permis de mettre en évidence une variation saisonnière dans la distribution des peuplements de macrophytes. En effet, on observe que la superficie occupée par les peuplements de macrophytes ne représente, à la fin d’octobre (image HRV), que 73 % de celle qui est présente en juillet (image TM). L’ajout de peuplements de macrophytes sur l’image TM, par rapport à l’image HRV, s’est fait surtout dans la baie de Cascapédia. Cette augmentation de la superficie occupée par les macrophytes s’est produite sur un secteur assez vaste (d’environ 20 km2) et homogène. Le renouvellement de la biomasse dans la baie de Cascapédia s’est fait sur une période de quelques mois, si l’on tient compte de la saison hivernale où le taux de croissance des plantes est limitée, d’autant plus que dans la baie de Cascapédia, les conditions d’englacement, à proximité de la côte, peuvent être les plus sévères de tout le site d’étude (Lambert, 1992). Par ailleurs, les peuplements de macrophytes qui ont été relevés avec l’image HRV, et non sur l’image TM, se trouvent entre Caps-Noirs et Saint-Siméon, ainsi qu’à l’est de Bonaventure. Ces secteurs, où les peuplements seraient disparus entre les mois d’octobre 1986 et de juillet 1987, sont de superficie assez restreinte. Ceci pourrait être expliqué par l’action locale des facteurs environnementaux tels les conditions d’englacement, le mode d’exposition aux vents et le broutage des plantes par l’oursin de mer. Toutefois, l’incidence de ces facteurs n’a pu être démontrée, notamment à cause de la faible résolution spatiale des données s’y rapportant (Lambert, 1992). L’intérêt d’utiliser les images HRV et TM dans la mise à jour de l’information sur les ressources réside, entre autres, dans l’augmentation de la résolution temporelle de l’information. Considérant uniquement leurs résolutions radiométrique et spectrale, toutes deux nous offrent la possibilité d’acquérir des informations sur les peuplements de macrophytes à des profondeurs équivalentes. Ce n’est qu’au niveau de l’analyse multisaisonnière de l’information qu’on relève une limite qui touche les deux types d’images.
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Elizabeth Lambert
CONCLUSION Les images satellitaires et le MNB nous ont permis de localiser les peuplements de macrophytes malgré l’absence de données sur la qualité optique de l’eau. L’information sur la bathymétrie est généralement moins difficile à obtenir que celle ayant trait aux coefficients d’atténuation de la lumière dans l’eau. Ainsi, la méthode qui a été présentée peut être appliquée dans différentes régions côtières, avec un minimum de contraintes. Sur plus de la moitié du site auquel l’analyse a été appliquée, les macrophytes occupent une frange de seulement quelques centaines de mètres de large à cause, entre autres, de la forte pente du littoral. À ce niveau, la résolution spatiale des données qui sont utilisées est très importante à considérer et les données aéroportées seraient plus appropriées à l’étude détaillée de la distribution des peuplements. Néanmoins, la carte thématique qui a résulté de l’analyse représente la première étape de l’acquisition d’information pour la gestion des ressources. D’abord, elle nous permet de connaître où se trouvent les peuplements de macrophytes sur un très vaste secteur. Cette information de base est sans doute valable, particulièrement pour les régions où aucune donnée n’est encore disponible sur la distribution des ressources en macrophytes. De plus, il est possible de faire la mise à jour des informations obtenues à partir des images HRV et TM. La surveillance des ressources en macrophytes constitue un aspect essentiel de leur gestion, surtout pour les régions où la qualité de l’environnement peut être instable et où les ressources peuvent être exposées à une exploitation commerciale intensive.
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Étude par télédétection de l’évolution de l’environnement périlagunaire en Côte-d’Ivoire N’Guessan KOUAKOU E., Orega YouPo et Mamadou FOFANA
Sommaire Introduction Documents de référence 1. Présentation du milieu d’étude 2. Méthode 2.1. Création d’un fond de carte 2.2. Analyse des photographies aériennes 2.3. Analyse visuelle de la composition colorée de l’image LAN DSAT/TM 2.4. Vérité-terrain 2.5. Traitement numérique 2.6. Évaluation de l’évolution 3. Remarques sur les données photographiques et satellitaires 4. Règle d’interprétation 5. Résultats 5.1. Phase d’interprétation 5.1.1. Apport des photographies aériennes 5.1.2. Apport des données satellitaires : composition colorée TM 3-4-7, TM 4-5-7 et traitement numérique
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N’Guessan Kouakou E., Orega Youpo et Mamadou Fofana
5.2. Analyse du milieu naturel 5.2.1. Secteur de N’Guechie (photos nos 4-5) 5.2.2. Secteur du Lac Kessiemie (photos nos 6-7) 5.2.3. Secteur de Bono (photos nos 6-7) 5.2.4. Secteur de Atouanou (photos nos 8-9) 5.2.5. Secteur ripicole périlagunaire de Potou (photos nos 8-9) 5.3. Évolution des unités carto-topographiques 5.3.1. Voies de communication 5.3.2. Lignes de transport de courant électrique 5.3.3. Habitat 6. Discussion Conclusion Références bibliographiques
Résumé Cette étude s’inscrit dans le cadre de l’évaluation par télédétection du processus d’occupation de l’environnement périlagunaire qui constitue un écosystème particulier dans lequel coexistent des formations marécageuses, des mangroves et des formations de sol ferme. Des photographies aériennes de 1956 choisies comme état de référence et une image satellite TM de 1987 représentant l’aspect actuel de ce milieu ont servi d’éléments de comparaison pour déterminer les axes et les zones de progression de l’occupation humaine. Ces données ont été exploitées selon la méthode de photo-interprétation classique pour les photographies aériennes et le tirage papier de l’image satellite. Des améliorations apportées par traitement numérique ont contribué à affiner l’interprétation de l’image satellitaire. Ce travail présente l’état d’occupation du milieu entre 1956 et décembre 1987. L’étude comparative a permis de mettre en évidence la rapide progression du milieu agricole au détriment des formations forestières de sol ferme. Ainsi, les formations marécageuses, du fait de leurs difficultés d’accès et de mise en valeur par les moyens traditionnels des paysans, sont relativement peu touchées par l’occupation humaine et donc mieux conservées, alors que les zones de forêts sur sol ferme ont toutes été colonisées par l’agriculture ou remplacées par des jachères plus ou moins anciennes. Cette étude permet de mettre en évidence, à l’aide de l’imagerie satellitaire, les dégradations subies par la végétation de la zone périlagunaire pendant plus d’une trentaine d’années sous l’action anthropique. © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
Étude par télédétection de l’évolution de l’environnement périlagunaire en Côte-d’Ivoire
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INTRODUCTION L’exploitation des ressources naturelles sans ménagement particulier conduit parfois à des dégradations irréversibles de certains milieux. II paraît donc indispensable de procéder à une évaluation environnementale systématique de l’état actuel des ressources naturelles dites renouvelables afin d’assurer leur contrôle et prévoir leur tendance. La télédétection, qui permet une vision globale des phénomènes, est le moyen d’étude privilégié pour contribuer à assurer une meilleure gestion de l’environnement. C’est dans ce cadre qu’a été entreprise cette étude sur l’environnement périlagunaire, compte tenu des spécificités qu’il présente dans ses composantes biotiques, en particulier ses formations végétales climaciques composées de mangroves, de forêts marécageuses, de forêts denses sur sol à forte humidité édaphique et de forêts denses sur sol ferme bien drainé. Le milieu d’étude a été choisi en fonction des documents photographiques disponibles, entre les lagunes Adjin, Potou et Ono situées dans les zones d’influence de Bingerville et Grand-Bassam. Des photographies aériennes des missions AOF (AfriqueOccidentale française) de 1955-1956 et de 1973 et l’image LANDSAT/TM de 1987 de Grand-Bassam ont fourni les données de comparaison pour étudier l’évolution des différentes composantes du milieu. DOCUMENTS DE RÉFÉRENCE Les documents suivants ont été utilisés : −
Carte IGCI (Institut géographique de Côte-d’Ivoire) au 1:200 000, feuille de Grand-Bassam, 2e édition, juin 1965 ;
−
Photographies aériennes : * mission AOF 1955-56 NB-30-IX-X noir et blanc, 1:50 000, * mission 046-400 noir et blanc, 1:10 000 ;
−
Image LANDSAT/TM : * tirage GEOPIC du quart de l’image Grand-Bassam (embouchure Comoé) TM 3-4-7., cadre 195 56, Q3 du 31/12/87 ; * données numériques de LANDSAT-TM sur bandes magnétiques.
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Il fait partie d’un ensemble de bas-plateaux s’étageant de 40 à 50 m d’altitude et correspondant à des sédiments tertiaires argilo-sableux à sable fin ou argileux issus d’alluvions récents recouvrant le socle. Dans l’ensemble, ce relief plat s’accompagne d’un mauvais drainage qui détermine des sols hydromorphes (Avenard, 1971). Ce milieu appartient au secteur ombrophile du domaine guinéen soumis à un régime pluviométrique équatorial de transition caractérisé par des précipitations annuelles comprises entre 1 400 et 2 500 mm. Quatre principales formations végétales climaciques se partagent ce milieu : −
forêts marécageuses à Symphonia globulifera (Guittifères) et Mitragyna ciliata (Rubiacées) ;
−
forêt dense sempervirente à Diospyros spp (Ebenacées) et Mapania spp (Cypéracées) sur sol à forte capacité de rétention en eau. Cette forêt renferme les espèces les plus hygrophiles du secteur ombrophile ;
−
mangrove sur sol hydromorphe à gley le long de la lagune Potou ;
−
forêt dense sempervirente de sol ferme.
2. MÉTHODE Cette étude a été réalisée selon la démarche suivante : 2.1. CRÉATION D’UN FOND DE CARTE À partir de la carte IGCI au 1:200 000, nous avons rédigé un fond planimétrique au 1:50 000 contenant le réseau hydrographique, les routes et l’habitat. Cette échelle a été choisie pour permettre le report direct des thèmes relevés sur les photographies aériennes qui sont au 1:50 000. 2.2. ANALYSE DES PHOTOGRAPHIES AÉRIENNES Les photographies aériennes ont été analysées sous stéréoscope à miroir pour délimiter, sur un calque d’interprétation, des plages ayant une même apparence physionomique suivant les différentes nuances de gris. Après le montage d’une mosaïque sommaire, les unités délimitées ont été reportées sur le fond planimétrique au 1:50 000 par ajustement local. 2.3. ANALYSE VISUELLE DE LA COMPOSITION COLORÉE DE L’IMAGE LAN DSAT/TM L’analyse de la composition colorée des canaux 3-4-7 du tirage GEOPIC et de la visualisation écran de la composition colorée des canaux 4-5-7 (photo n° 1 de la planche XV) a d’abord consisté à extraire
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les thèmes carto-topographiques (réseau hydrographique, routes, habitat, etc.) et à délimiter ensuite les thèmes ayant le même rendu coloré. 2.4. VÉRITÉ-TERRAIN Cette étape a été rendue nécessaire pour valider la nomenclature de certains thèmes proposés après l’exploitation des photographies aériennes et de la composition colorée de l’image LANDSAT. Elle a en outre permis de réaliser une classification supervisée dans l’étape du traitement numérique. 2.5. TRAITEMENT NUMÉRIQUE La composition colorée en trichromie classique (rouge, vert, bleu) des canaux TM 3, TM 4 et TM 7 ayant déjà permis d’interpréter tous les éléments du milieu, le traitement dont le but est l’amélioration de la perception visuelle des informations a été limité à une classification supervisée (photo n°2 de la planche XV) et à la visualisation de l’indice de végétation (photo n° 3 de la planche XV). Un apprentissage avec six classes dans deux fenêtres de 512 x 512 pixels renfermant toutes les informations a été généralisé à l’ensemble de la zone d’étude par classification barycentrique. Des couleurs ont été affectées aux composantes principales et le résultat a été produit au 1:69 000 grâce à une imprimante Tektronix. 2.6. ÉVALUATION DE L’ÉVOLUTION Les plages de texture et de structure homogène délimitées sur les photographies aériennes de 1956 ont été comparées au rendu visuel des surfaces équivalentes sur l’image satellite de 1987.
3. REMARQUES SUR LES DONNÉES PHOTOGRAPHIQUES ET SATELLITAIRES Les photographies aériennes de la mission AOF 1955-56 qui ont été utilisées comme point de départ (temps initial) de l’étude sont de qualité médiocre et à une échelle qui ne permet pas une bonne discrimination des tons de gris. Les limites des différents thèmes ne sont donc pas nettes et ne peuvent se prêter à un planimétrage précis. Les photographies de la mission CIV 046-400 de 1973, qui sont de bonne qualité, ont simplement contribué à confirmer certaines structures mises en évidence sur les documents de référence (1956). Les données satellitaires, qui peuvent subir différents traitements numériques fiables et faciles à réaliser, permettent de relever les contours précis des thèmes. C’est pourquoi les données chiffrées des
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superficies ne sont qu’approximatives pour l’état de 1956 alors qu’elles sont assez précises pour 1987.
4. RÈGLE D’INTERPRÉTATION Le tableau 8.1 présente la règle d’interprétation des photographies aériennes et de l’image satellitaire. TABLEAU 8.1 Règle d’interprétation des photographies aériennes et de l’image satellitaire
Restitution Unité d’occupation
Photographie N & B 1 :100 000
Composition colorée (TM3-4-7) 1:100 000
Forêt marécageuse Mangrove
Gris moyen homogène, cimes basses, compactes
Rouge grenat
Forêt dense sur sol à forte humidité édaphique (forêt hydrophile)
Gris sombre différencié
Brun verdâtre
Forêt dense de sol ferme
Gris sombre différencié, cimes homogènes
Rouge dense
Forêt dégradée
Mosaïque de gris sombre et de gris clair
Moucheté de jaune, orange bleu
Jachères ou cultures pérennes ombragées
Gris clair à gris moyen
Mosaïque de taches bleu-orange, jaune
Culture herbacée au recrû herbeux
Gris clair
Jaune
Habitat
Gris très clair, structure quadrillée
Blanc bleuté
Eau
Gris sombre
Noir
5. RÉSULTATS 5.1. Phase d’interprétation 5.1.1. Apport des photographies aériennes L’analyse des photographies aériennes a permis de proposer la nomenclature suivante : © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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a) Végétation −
Forêt marécageuse : elle apparaît sous forme de plages gris moyen homogène ; sous stéréoscope, les cimes sont assez compactes et basses par rapport aux formations de sol ferme.
−
Forêt dense de sol ferme : elle apparaît sous forme de plages gris sombre différenciées. Les cimes apparentes sont très hétérogènes.
−
Forêt dégradée : elle se présente sous forme d’une mosaïque de gris sombre avec des cimes différenciées et de gris clair sans cimes apparentes.
−
Mosaïque jachère-culture : elle apparaît sous forme d’une mosaïque de gris moyen sans structure apparente et de gris clair le long des voies de communication et autour des villages. N.B : La notion de jachère a été étendue à toute végétation spontanée non forestière.
b) Autres thèmes −
Habitat : il est représenté par de petites plages gris clair à blanc avec une structure quadrillée.
−
Eau : la réponse de l’eau varie du gris sombre au blanc suivant son éclairement par le soleil.
− Voies de communication : elles correspondent à des traits gris clair à blanc reliant les structures quadrillées (habitat).
c) Analyse globale Le report des différents thèmes sur le fond de carte met en évidence cinq secteurs homogènes (photos n°S 1, 2, 3). −
le secteur de N’Guechie à l’ouest du milieu d’étude,
−
le secteur de Bono sur la rive droite du fleuve Comoé, au nord de N’Gokro,
−
le secteur du lac Kessiemie au centre-nord du milieu d’étude,
−
le secteur de Atouanou entre la lagune Potou et le village de Atouanou,
−
le secteur périlagunaire de Potou.
5.1.2. Apport des données satellitaires : composition colorée TM 34-7, TM 4-5-7 et traitement numérique L’interprétation de la composition colorée classique du tirage GEOPIC a permis de proposer la nomenclature suivante :
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a) Végétation −
forêt marécageuse,
−
forêt dense sur sol à forte humidité édaphique (forêt dense hygrophile),
−
forêts dégradées et cacaoyères très ombragées sur sol à forte humidité édaphique,
−
cultures et recrûs herbeux,
−
mosaïques jachère-cultures et forêts dégradées sur sol ferme.
b) Autres thèmes −
habitat ;
−
eau ;
−
voies de communication ;
−
lignes de transport de courant électrique.
Mais la nomenclature définitive a été proposée après la classification supervisée. Selon les couleurs attribuées aux classes principales, les thèmes suivants ont été retenus : −
forêt marécageuse,
−
forêt dense sur sol à forte humidité édaphique (forêt dense hygrophile),
−
cultures, recrû herbeux,
−
habitat, sol nu,
−
eau,
−
forêt dégradée, jachère, cacaoyère ombragée,
−
mosaïque jachères-cultures,
−
mosaïque cultures-jachères.
c) Analyse globale Le report du calque d’interprétation des différentes unités confirme le découpage en 5 secteurs du milieu d’étude (photo n° 3 de la planche XV). 5.2. ANALYSE DU MILIEU NATUREL 5.2.1. Secteur de N’Guechie (photos n°S 4-5) Il est essentiellement occupé par une forêt marécageuse à Symphonia globulifera Linn. (Guittifères) et Mitragyna ciliata Aubrév. et pellegr. (Rubiacées) (Guillaumet et Adjanohoun, 1971) dont une partie de 2 800 hectares est protégée par arrêté 319/SEF 28-1-45 portant
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N’Guessan Kouakou E., Orega Youpo et Mamadou Fofana
classement de la forêt de N’Guechie. L’analyse détaillée des différents documents photo-graphiques et satellitaires permet de distinguer trois nuances dans ce massif : −
forêt marécageuse sur sol organique à hydromorphie de surface permanente,
−
forêt marécageuse sur sol à hydromorphie de surface temporaire,
−
forêt de sol ferme à hydromorphie de profondeur.
La forêt marécageuse sur sol à hydromorphie permanente occupe toute la partie centrale du massif. Elle est bordée, sur le flanc ouest le long de la rivière Me, de forêt dense de sol ferme et à l’est, d’une forêt sur sol dont I’hydromorphie décroît du nord au sud, si bien que vers Ogouedoume et Akoure, elle est pratiquement remplacée par une forêt de sol ferme. En 1956, tout le massif était homogène à l’exception de quelques clairières intraforestières vers le sud-est. L’ensemble du massif couvrait environ 5 360 hectares. En 1987, l’occupation humaine qui s’est opérée dans les parties les moins hydromorphes a entraîné une régression de 1 380 hectares, soit 25,7 %. En 1956, la partie protégée couvrait 2 800 hectares dont 2 510 de forêt marécageuse. En 1987, la forêt marécageuse a régressé de 320 hectares, soit 12,7 % en 31 ans. Dans ce massif, il existe deux principales contraintes à l’occupation : l’existence d’une zone classée et I’hydromorphie de surface incompatible avec les systèmes d’exploitation traditionnelle. 5.2.2. Secteur du lac Kessiemie (photos nos 6-7) C’est un petit secteur réduit à une forêt marécageuse qui couvrait 1 120 hectares en 1956. En 1987, la configuration globale du massif a été conservée mais un front d’attaque périphérique à partir de quelques clairières a entraîné une régression de 280 hectares, soit 25 % en 31 ans. L’occupation humaine s’est faite en priorité dans la partie nord moins hydromorphe. 5.2.3. Secteur de Bono (photos nos 6-7) Ce secteur délimité sur la rive est du fleuve Comoé est occupé par un massif se composant d’une forêt marécageuse et d’une forêt de sol ferme. En 1956, la forêt marécageuse était intacte alors que quelques clairières existaient déjà à l’intérieur de la forêt de sol ferme. En 1987, la forêt marécageuse apparaît légèrement mitée à partir de l’ouest alors que toute la forêt dense de sol ferme est remplacée par une jachère ou des reliques de forêt dégradée.
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Sur l’ensemble du massif qui couvrait 6 250 hectares en 1956 dont 1 870 hectares de forêt marécageuse et 4 330 hectares de forêt de sol ferme, il ne restait plus en 1987 que 1 650 hectares de forêt marécageuse, soit une régression de 11,7 % alors que toute la forêt de sol ferme a totalement disparu. 5.2.4. Secteur de Atouanou (photos nos 8-9) Ce secteur se compose de deux grands massifs forestiers séparés par une jachère dans l’axe sud-ouest - nord-est. Ces deux massifs établis sur sol argilo-sableux à forte capacité de rétention d’eau correspondent à la forêt dense sempervirente à Diospyros spp (Ebenacées) et Mapania spp (Cyperacées) (Guillaumet et Adjanohoun, 1971). En 1956, ces deux blocs de forêt couvraient environ 7 220 hectares. La superficie a régressé de 2 540 hectares en 1987, soit de 35 % en 31 ans. 5.2.5. Secteur ripicole périlagunaire de Potou (photos nos 8-9) II est occupé par une mangrove ripicole, le long de la lagune Potou et par une végétation d’arrière-mangrove qui s’étend sur une largeur de 350 m. Il couvre environ 510 hectares et sa superficie n’a pratiquement pas varié depuis 1956. 5.3. ÉVOLUTION DES UNITÉS CARTO-TOPOGRAPHIQUES (planche XVI) 5.3.1. Voies de communication Depuis 1956, il y a eu une amélioration du réseau routier avec la création de nouvelles voies mises en évidence sur l’image-satellite de 1987 : Bassam-Alepé : 42 km de route secondaire, N’gokro-Adouagossopié : 8 km de piste, N’gokro-Botoukro : 8 km de piste, Atounoua-Akouré : 19 km de piste, Atounoua-Dabré : 19 km de piste, Piste forestière : 19 km entre Atounoua et la lagune Potou. 5.3.2. Lignes de transport de courant électrique En 1956, il n’existait qu’une seule ligne traversant le nord de la zone d’étude suivant l’axe Alepé-Ahoutoué. En 1987, une ligne de transport à haute tension traversant la moitié sud de la zone d’étude est mise en évidence sur l’image satellite. D’autres lignes de moindre importance relient les principaux villages.
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5.3.3. Habitat Aux sites des habitats repérés sur les photographies de 1956 s’ajoute celui de Nougoussi.
6. DISCUSSION La méthode que nous avons adoptée pour cette étude découle de principes déjà expérimentés au cours de plusieurs projets concernant l’étude des forêts naturelles protégées à partir des données satellitaires LANDSAT et SPOT dans les régions forestières du centre-ouest et savanicoles du Nord. Cette méthode, très simple, dont les différentes étapes ont été succinctement décrites au cours de l’étude, s’est avérée très fiable pour caractériser et déterminer les cultures et les types forestiers présents dans la zone d’étude. En effet, nous constatons que les moyens nécessaires pour tirer les informations de l’imagerie satellitaire sont simples mais robustes. Ainsi, les traitements numériques appliqués pour obtenir ces résultats sont peu complexes et sont effectués sur des systèmes composés de micro-ordinateurs. L’utilisation des photographies aériennes dans cette étude nous a permis de déterminer l’importance des formations existantes dans cette zone en 1956 et 1973. Les surfaces de ces formations calculées à partir de l’interprétation des photographies aériennes étaient de 20 460 hectares à cette période. Ces surfaces constituent, dans cette étude, l’état de référence de la végétation dans cette zone périlagunaire. En ce qui concerne l’image-satellite LANDSAT/TM de 1987, l’interprétation visuelle de la composition colorée standard TM 4, TM 7, TM 3 de l’image GEOPIC est apparue insuffisante pour discriminer, de façon précise, les unités d’occupation dans cette zone fortement transformée. Par contre, la composition colorée réalisée à partir des canaux TM 4, TM 5, TM 7 après seuillage et amélioration de la dynamique, permet de mieux distinguer ces unités. Ainsi, les parcelles d’apprentissage ont été tracées sur l’image améliorée et validées par plusieurs observations sur le terrain. Ces parcelles sont à la base des traitements numériques qui ont conduit à la réalisation d’une classification supervisée avec une assez bonne précision thématique où le pourcentage de pixels bien classés atteint 90 %. Les résultats obtenus après ces différents traitements appliqués à l’image spatiale de 1987 montrent que ces surfaces forestières ont régressé d’environ 43 % entre 1956 et 1987. L’expérience conduite dans cette région montre que l’imagerie satellitaire LANDSAT/TM utilise une résolution spatiale adaptée pour révéler l’évolution d’ensemble et noter les types de dégradation des formations végétales.
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Cependant, de nombreuses observations de terrain sont nécessaires pour interpréter correctement la grande richesse des informations contenues dans celle-ci. En outre, une meilleure définition spatiale de l’image satellite facilitera encore plus la tâche de l’interprète forestier. Enfin, on retiendra que l’intérêt de cette étude réside dans le fait que les informations tirées des images satellite permettent de suivre l’évolution et la dynamique de la végétation soumise à des pressions diverses au cours de plusieurs années. Cela est très important, car les difficultés d’accès à ces forêts à hydromorphies permanentes ou temporaires (forêts de mangroves, forêts marécageuses et forêts hygrophiles) bordant les lagunes et les embouchures des fleuves et rivières, comme c’est le cas dans ce milieu périlagunaire, rendent plus impératif encore l’emploi de méthodes nouvelles et modernes dans l’étude de ces écosystèmes complexes. L’utilisation des photographies aériennes et de traitements numériques d’images satellite permet d’apprécier le degré de conservation de ces forêts et de réaliser sa cartographie afin de mettre en place des projets judicieux d’aménagement de ce milieu.
CONCLUSION Cette étude a permis de mettre en évidence des secteurs homogènes et de visualiser les modifications qu’ils ont subies depuis 1956. Le mode d’occupation de ces secteurs a permis de distinguer dans l’ensemble du milieu : −
des zones très sensibles établies sur sols fermes exondés,
−
des zones moins agressées correspondant aux formations marécageuses dans lesquelles l’occupation humaine s’est encore peu fait sentir.
La principale contrainte à l’occupation totale de ce milieu semble être la forte hydromorphie des sols mais aussi la densité de l’habitat qui reste assez faible. Cette étude fournit surtout l’état actuel des principales composantes du milieu et devrait permettre d’éclairer les prises de décision relatives à la gestion de cet environnement.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AVENARD, J.M. (1971. Aspect de la géomorphologie en milieu naturel de la Côte-d’Ivoire. Mémoire ORSTOM N° 50, Paris, p. 11-67. GHUILLAUMET, J.L. et E. ADJANOHOUN (1971). La végétation en milieu naturel de la Côte-d’Ivoire. Mémoire ORSTOM N° 50, Paris, p. 161-263. PERRAUD, A. (1971). Les sols en milieu naturel de la Côte-d’Ivoire, p. 269-389. Mémoire ORSTOM N° 50, Paris.
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LA VÉGÉTATION FORESTIÈRE Les forêts de notre planète constituent, et de loin, la plus importante biomasse et la première source de matière organique présente sur les terres émergées. Elles ont un rôle de premier plan dans la fixation du gaz carbonique de l’atmosphère, dans la régénération de l’oxygène, dans la régulation climatique et dans le maintien de la biodiversité. Selon les époques et les civilisations, elles ont été considérées comme source de nourriture et de gibier, comme un lieu où règnent les bons et les mauvais esprits, comme une ressource naturelle à exploiter ou comme un refuge des valeurs naturelles. Les débats entourant la gestion de la forêt sont souvent passionnés et donnent lieu à des affrontements entre des idéologies différentes du développement économique. Les récents débats sur la forêt amazonienne, qui ont été mis en évidence par le Sommet de Rio en 1992, montrent bien que la perception de la valeur de nos ressources forestières varie fortement selon que l’on est du Nord ou du Sud, et selon les secteurs de l’économie auxquels on se rattache. Dans bien des cas, il manque une information objective sur l’état des ressources forestières, leur évolution dans le temps et l’usage que l’on en fait dans l’économie. La télédétection, par sa vision globale, systémique et diachronique permet d’apporter quelques réponses objec-
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La végétation forestière
tives à ces grandes questions qui touchent les ressources forestières et leur évolution : où, comment, combien ? Dans cette partie, nous verrons comment les radars à synthèse d’ouverture permettent de faire un suivi de l’état de la végétation forestière dans les secteurs où la couverture nuageuse empêche une détection par les capteurs optiques, comment les satellites et les spectromètres imageurs permettent d’observer et de suivre les maladies de la forêt et comment l’observation des changements de la végétation ligneuse tropicale peut fournir des indicateurs de l’évolution des écosystèmes sahéliens.
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture M. Diane THOMPSON, Goze Bertin BÉNIÉ et Robert V. Dams
Sommaire Introduction 1. Historique 2. Programmes satellitaires RAAS des années 90 2.1. ERS-1 2.2. J-ERS-1 2.3. RADARSAT 3. Description du système RAAS STAR-1 4. Exemple d’études en milieu tropical avec des données STAR 4.1. Projet australien 4.2. Projet du Costa Rica 4.3. Exemples malais 4.4. Projet du Congo 4.5. Projet colombien 5. Résultats et conclusions 5.1. Cartographie des types de couvert forestier
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M. Diane Thompson, Goze Bertin Bénié et Robert V. Dams
5.2. Cartographie et suivi des zones d’exploitation forestière de coupes 5.3. Cartographie des plantations 5.4. Planification de la gestion forestière Références bibliographiques
Résumé Ce travail présente quelques programmes opérationnels de recherche et développement dans le cadre de la cartographie forestière et de l’occupation du sol en milieu tropical, à l’aide de données aéroportées à haute résolution du radar à antenne synthétique (RAAS). Les radars imageurs à haute résolution spatiale représentent une source utile d’information sur la forêt pour des travaux d’inventaire et de gestion. En effet, beau temps mauvais temps, ces données qui peuvent être acquises de façon relativement indépendante de la température (couverture nuageuse) ou des conditions d’éclairement constituent une excellente source de données dans le cadre de programmes de gestion et de suivi de la forêt tropicale. Des programmes mis en place au cours des dernières années dans des zones tropicales ont démontré que les données RAAS ont des applications très étendues dans la cartographie et le suivi des paramètres tels que le type de couvert forestier, les unités physiographiques, la localisation et l’étendue des perturbations de l’environnement forestier ou tout autre aspect relié à la planification de la gestion forestière. Les avantages et les limites ainsi que des thèmes de recherche et développement sont relevés.
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture 165
INTRODUCTION Depuis 1983, des données ont été acquises pour de vastes secteurs à l’échelle mondiale à l’aide du système radar numérique à antenne synthétique à haute résolution (RAAS) STAR-1 de la firme Intera, dans le but de réaliser la cartographie et le suivi des ressources. Les radars imageurs à haute résolution spatiale représentent une nouvelle source d’information importante sur les ressources, particulièrement en ce qui concerne la forêt tropicale où la couverture nuageuse est abondante, ou encore pour des études géologiques ou des analyses de terrain en quelque endroit que ce soit. Les préoccupations mondiales récentes quant aux problèmes environnementaux à l’échelle du globe, et plus particulièrement celles relatives au recul de la forêt tropicale, renforcent l’intérêt de tels systèmes dans le champ de l’acquisition d’information pertinente pour la gestion forestière. Au cours des dernières années, des efforts considérables ont été fournis pour évaluer et faire la démonstration de l’utilité des données RAAS pour des études de gestion de la forêt tropicale. Des programmes d’acquisition et d’interprétation de données RAAS acquises avec le système STAR-1 ont été réalisés dans des régions tropicales avec pour objectif la cartographie de l’occupation du sol et du couvert forestier. Ces études comprennent des programmes scientifiques de recherche et développement ainsi que des projets opérationnels de cartographie et de suivi. En plus de faire un rapide tour d’horizon sur les programmes satellitaires RAAS, les résultats pertinents dérivés de ces études sont résumés dans ce texte.
1. HISTORIQUE L’utilisation du RAAS suscite un intérêt croissant dans le domaine de la gestion forestière depuis quelques années, depuis son acceptation comme outil de premier ordre dans le suivi des ressources forestières dans le cas des régions tropicales. Les données RAAS présentent des différences significatives par rapport aux autres données de télédétection : en tant que capteurs actifs, les radars ne sont pas limités par la quantité de lumière disponible ou par le couvert nuageux. Ces capteurs sont dotés d’une capacité de « géométrie latérale » procurant ainsi une perspective différente du terrain. Les données sont acquises en format numérique et parfois en stéréoscopie, dans la région microonde du spectre. Cet intérêt a également été entretenu par les vastes programmes de recherche et développement entrepris au cours des dernières années durant la période de préparation de plusieurs programmes satellitaires RAAS (RADARSAT, ERS-1 et J-ERS-1).
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M. Diane Thompson, Goze Bertin Bénié et Robert V. Dams
Une revue de la littérature récente sur l’utilisation du RAAS à des fins d’application forestière montre que la plupart des travaux de recherche ont trait aux régions forestières situées en zone tempérée et que les systèmes radar utilisés étaient en bande L, C et X. Ces études démontrent que certains types de couvert forestier peuvent être repérés de façon relativement exacte à l’aide des données RAAS et que les meilleurs résultats étaient obtenus, dans le cas de données forestières saisonnières en zone tempérée, et qui incorporaient la teinte de grisé et la texture dans le processus d’analyse visuelle (Lowry et al., 1986a ; Lowry et al., 1986b ; Knowlton et Hoffer, 1981). Les données les plus utilisées ont une polarisation HH, quoique des données de polarisation multiple aient également démontré leur utilité pour l’interprétation. Dans des zones à relief accidenté, on a noté un problème au niveau des effets d’ombre. L’utilisation du RAAS pour l’évaluation des paramètres individuels du couvert forestier n’a pas fait l’objet de recherches intensives. On a évalué l’âge d’un peuplement utilisant des données en bande L (Ford et Wickland, 1985). La hauteur des arbres a été corrélée avec le signal rétro-diffusé en bande L dans différentes polarisations (Wu, 1987 et 1989 ; Sader, 1987). On a rapporté que la biomasse (productivité) pouvait être reliée aux signaux rétrodiffusés en bande C et L, pour certaines espèces et selon des modes de polarisation spécifiques (Drieman et al., 1989 ; Sader, 1987). Il apparaît ainsi que l’on peut distinguer les types de couvert forestier de façon plutôt constante au niveau des conifères et des feuillus et, dans certains cas, au niveau de l’espèce. Toutefois, ces résultats ne sont pas directement applicables au cas de la forêt tropicale qui présente une grande diversité d’espèces et une biomasse importante. On enregistre des perturbations de la forêt lors d’opérations forestières, d’incendies, par l’action d’insectes, de maladies, de la pollution ou d’autres incidents (inondations, construction d’emprises). Des études ont démontré que des coupes à blanc peuvent être identifiées de façon relativement précise en termes de superficie et de limite à l’aide de données en bande C et X, mais avec une certaine confusion dans le cas de la régénération des terres humides et des prairies (Knowlton et Hoffer, 1981 ; Werle et al., 1986 ; Dams et al., 1990 ; Leckie, 1984 ; Drieman et al., 1989). Des zones incendiées ont été relevées à l’aide du RAAS en bande C (Moulton et Peddle, 1989) mais aucune étude ne fait référence aux insectes, aux maladies ou à des études d’impacts environnementaux causés par la pollution et utilisant le RAAS. La régénération dans des zones forestières perturbées semble démontrer une corrélation entre le retour du signal radar et le stade de régénération, mais il y existait plusieurs sources de confusion (Leckie, 1984 ; Drieman et al., 1989 ; Hardy, 1981). Quoique ces études procurent de bons résultats de recherche dans le cas de forêts situées en zone tempérée, on ne peut extrapoler
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture 167
ces données pour les rendre applicables à un environnement comme celui de la forêt tropicale. La différenciation et la diversité des espèces, la biomasse, la densité et la géométrie de la couronne, le climat et l’humidité, la structure des peuplements, les pratiques de gestion et les infrastructures régionales et locales génèrent différents paramètres de cible et, par conséquent, du signal radar rétrodiffusé. Il est donc essentiel d’examiner les résultats obtenus avec l’utilisation du RAAS dans le domaine des applications aux études de la forêt tropicale afin de parvenir à des conclusions plus réalistes quant au potentiel de cette technologie pour l’inventaire et le suivi dans ces régions.
2. PROGRAMMES SATELLITAIRES RAAS DES ANNÉES 90 L’Agence spatiale européenne (ASE), le Japon et le Canada développent depuis quelques années des programmes satellitaires RAAS. II s’agit de ERS-1 (European Remote Sensing Satellite), de J-ERS-1 (Japan — Earth Resources Satellite — 1) et de RADARSAT. Leurs applications majeures sont dans les domaines de la météorologie, l’océanographie, l’étude des glaces, la surveillance de l’environnement (problème de pollution) et la gestion des ressources terrestres dont la forêt. Il faut que les RAAS étudiés aient une sensibilité spéciale aux caractéristiques de rugosité et de topo-graphie essentielles pour l’étude de la forêt. 2.1. ERS-1 ERS-1 est le premier d’une nouvelle génération de satellites équipés de capteur RAAS qui promettent une contribution aux études scientifiques de notre environnement. Il a été lancé avec succès le 16 juillet 1991 à 22 heures, heure de Kourou (Guyane). Ses principales caractéristiques font l’objet du tableau 9.1. Il comprend une batterie de capteurs opérant dans les bandes millimétriques et centimétriques et produisant des données ponctuelles (altimètres radar), des images de capteurs passifs à faible résolution (diffusomètre) et surtout des images RAAS dont la limite de résolution est de 30 mètres (Bonn et Rochon, 1991). 2.2. J-ERS-1 Le satellite J-ERS-1 possède deux capteurs : un RAAS d’une limite de résolution de 20 mètres et un capteur multibande (7 canaux dans le visible et le proche infrarouge) à barrette ayant une tache au sol d’environ 25 mètres. Ce dernier capteur offrira des possibilités de stéréoscopie par l’addition d’un huitième canal décentré (Bonn et Rochon, 1991). Les principales caractéristiques de J-ERS-1 font l’objet du tableau 9.2. Signalons que ce satellite a été lancé en 1992.
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M. Diane Thompson, Goze Bertin Bénié et Robert V. Dams TABLEAU 9.1 Principales caractéristiques de ERS-1 (ESA) (d’après Francis et al., 1991)
Principal paramètre
Gamme de mesure
Champ de vents — Vitesse
Largeur du couloir 500 km -1 4-24 m·s
± 2 m·s-1 ou 10 %
— Direction
0-360°
± 20°
Diffusomètre « vents » et altimètre radar Diffusomètre « vents »
1-20 m 0-360° 50-1000 m
± 0,5 m ou 10 % ± 15° 20 %
Altimètre radar RAAS mode « vagues » RAAS mode « vagues »
80 km (largeur minimale du couloir balayé)
Limite de résolutions RAAS Mode Imageur géométrique et radiométrique a) 30 m à 2,5 db b) 100 m à 1 dB
745-825 km
Précision absolue 2 Précision relative ± 10 cm
Altimètre radar
± 10 cm
PRARE et LASER
Champ de vagues — Hauteur des vagues — Direction des vagues — Longueur d’onde Images de la surface de la Terre — Océans — Zones côtières — Glaces marines — Zones terrestres Altitude — Au-dessus de l’océan — Calottes glaciaires
Localisation du satellite et distance du sol
Précision
Capteur principal
Température de surface de la mer
Couloir balayé : 50 km
± 0,5 K
ATSR (IR)
Vapeur d’eau
Plage de 25 km
10 %
Sondeur à hyperfréquences (M)
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture 169 TABLEAU 9.2 Principales caractéristiques de J-ERS-1 (d’après NASDA, 1989) J-ERS-1 Le capteur Forme
Structure de forme rectangulaire. Approx. 1 m x 1,8 m x 3,1 m Radar à antenne synthétique. Approx. 12 m x 2,5 m Panneau solaire. Approx. 8 m x 3,4 m
Masse
Approx. 1,4 t
Contrôle d’attitude
Stabilisé sur les trois axes
Durée de fonctionnement
2 ans
Lanceur
H-1 (2 étages)
Site de lancement
Centre spatial de Tanegashima
Date de lancement
Hiver 1992 Type Altitude Inclinaison Période Répétitivité
Héliosynchrone, orbite subrécurrente Approx. 570 km Approx. 98 degrés Approx. 96 min. 44 jours La plate-forme
Radar à antenne synthétique (RAAS)
Largeur de la trace Résolution Angle de visée oblique Fréquence d’impulsions
75 km 18 m x 18 m 35 degrés 1 275 MHz
Capteurs optiques (OPS)
Largeur de la trace Résolution Nombre de bandes d’observation
75 km 18 m x 24 m Bandes visibles et proche infrarouge : Bandes moyen infrarouge : Bande stéréoscopique :
Émetteur des données de mission (MDT)
Onde porteuse Mode de modulation Amplificateur d’alimentation Type d’antenne
Enregistreur de données de la Vitesse d’enregistrement des données mission (MDR) Temps d’enregistrement Durée de fonctionnement
Bande de 8 GHz QPSK TWT Antenne à faisceau d’ondes à surface corrigée et à miroir 30 Mb/s x 2 canaux 20 minutes 2 000 heures (maximum)
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M. Diane Thompson, Goze Bertin Bénié et Robert V. Dams
2.3. RADARSAT Le satellite RADARSAT sera équipé d’un RAAS de haute limite de résolution (environ 10 mètres) fonctionnant dans la bande C (5,3 GHz). Prévu pour être lancé en 1995, ce satellite aura une durée de vie de 5 ans. Le tableau 9.3 montre la configuration de son système d’acquisition (Bonn et Rochon, 1992). Le programme est confié à l’Agence spatiale canadienne et l’organisme chargé de la commercialisation des données est RADARSAT International (RSI). TABLEAU 9.3 Configuration du système d’acquisition et caractéristiques connexes de RADARSAT
Limite de résolution longitudinale (azimut) Nombre Largeur Angles transversale (portée) de trace de visées d’incidence
Mode Faisceaux normaux
25 m x 28 m
4
100 km
20° - 49°
Trace étendue
35 m x 28 m
4
150 km
20° - 39°
10 m x 9 m
1
45 km
37° - 48°
Haute résolution Angle d’incidence élevé
20 m x 28 m
4
75 km
49° - 59°
ScanSAR : 2 faisceaux
25 m x 30 m
1
300 km
20° - 39°
100 m x 100 m
16
32 m x 55 m
1
500 km
20° - 49°
100 m x 100 m
8
4 faisceaux
3. DESCRIPTION DU SYSTÈME RAAS STAR-1 Le système STAR-1, monté à bord d’un appareil Cessna Conquest, est un RAAS en bande X entièrement numérique et léger (Nichols et al., 1986) ; il est opérationnel depuis 1983. Il possède deux modes d’acquisition de données : le mode résolution standard (6 mètres x 12 mètres) et le mode haute résolution (6 mètres x 6 mètres). Émettant et recevant en polarisation HH, il est doté d’un processeur à sept visées et d’un système d’affichage en temps réel. Au début, on y avait recours surtout pour effectuer le suivi des glaces, mais par la suite on l’a utilisé de façon intensive pour des levées de terrain et des inventaires de ressources. Plus de 50 millions de kilomètres carrés ont été imagés à l’aide de ce système, dans l’Arctique (pour le suivi des glaces) et ailleurs dans le monde (pour l’exploration géologique, des programmes de gestion forestière, des analyses d’utilisation du sol, etc.).
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture 171
Les données RAAS stéréoscopiques ont également été utilisées pour générer des cartes topographiques et des modèles numériques de terrain (MNT) à l’aide du système de cartographie topographique STARMAP (Mercer et al., 1989 ; Mercer et Kirby, 1987). Le système permet de générer divers produits dont des images sur ruban magnétique ou sur film en mode simple ou stéréoscopique, et des mosaïques numériques (habituellement à l’échelle de 1:250 000 pour la résolution standard et de 1:100 000 pour la haute résolution). Les données STAR représentent une amélioration significative par rapport aux autres générations de radars aéroportés à visée latérale et de radars à antenne synthétique pour plusieurs raisons, en voici quelques-unes : − − − −
la capacité entièrement numérique, la qualité et la haute résolution des images produites, les coûts relativement faibles de production d’images (comparativement aux anciens systèmes qui requéraient des plates-formes aéroportées beaucoup plus grandes), les possibilités de réaliser des mosaïques numériques et de générer l’information topographique numérique à partir des données stéréoscopiques.
Ainsi, de telles données sont maintenant appliquées à des programmes de cartographie beaucoup plus rigoureux qu’auparavant. L’application au domaine de la gestion de la forêt tropicale est un bon exemple de ce changement.
4. EXEMPLE D’ÉTUDES EN MILIEU TROPICAL AVEC DES DONNÉES STAR Des programmes d’acquisition et d’interprétation de données utilisant les données du système STAR ont été réalisés dans plusieurs régions des tropiques au cours des dernières années. On peut citer entre autres les projets ayant eu lieu en Australie, en Malaisie, au Congo, au Gabon, en Guinée équatoriale, au Costa Rica, en Colombie, etc. Dans la plupart de ces projets, on a cartographié ou réalisé le suivi de quelques paramètres liés à la gestion forestière. Dans certains cas, des interprétations additionnelles ont été faites dans des domaines reliés à la cartographie de l’utilisation du sol ou de la couverture du sol, aux analyses de traficabilité, à la cartographie des voies d’accès pour la planification logistique et la délimitation d’unités physiographiques ou de terrain. Les résultats de certaines de ces études sont présentés dans les lignes suivantes.
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M. Diane Thompson, Goze Bertin Bénié et Robert V. Dams
4.1. PROJET AUSTRALIEN Dans une région tropicale côtière située au nord de l’Australie, Lowry et al. (1986) ont rapporté que l’on avait réalisé la cartographie extensive de la couverture du sol à partir de données STAR à résolution standard. Ce projet s’est concentré sur l’étude de la forêt tropicale (inventaire de forêts d’eucalyptus, de mangroves et de zones de coupe). L’interprétation a été réalisée en observant la teinte de grisé et la texture sur des images sur film à l’échelle de 1:250 000. Les signatures des mangroves apparaissaient très distinctement quoique l’on pût parfois les confondre avec des zones côtières marécageuses. Des forêts d’arbustes situées sur les sommets orientés vers l’ouest ont pu être discriminées de façon constante des forêts tropicales à relief plutôt plat. La localisation et l’étendue des coupes effectuées en vue de l’agriculture, de l’exploitation minière ou du développement urbain apparaissaient de façon évidente de même que la présence de routes principales ou de voies ferrées. Dans les plantations forestières, on a pu distinguer diverses classes d’âge. 4.2. PROJET DU COSTA RICA Au Costa Rica, on a utilisé des données STAR à haute résolution pour l’établissement des principaux types de couvert et pour la cartographie de l’utilisation du sol dans une région côtière. Cette région est caractérisée par des terres basses et des montagnes vers l’intérieur où les principaux couverts étaient composés de pâturages, de terres en culture et de secteurs accidentés de la forêt tropicale (Dams et al., 1987). À partir de l’interprétation visuelle de données stéréoscopiques sur film au 1:100 000 et d’agrandissements sur support papier auxquels on a fait subir un traitement numérique supplémentaire pour rehausser la texture, on a pu relever plusieurs types de couvert forestier ou d’utilisation du sol. Le couvert forestier a pu être séparé en légumes « mimosoid » et en trois types de palmiers ; on a pu également distinguer divers stades de régénération forestière secondaire dans des zones de coupe. Les types de couverture et d’utilisation du sol qu’on a pu discriminer comprennent les pâturages, les bananeraies, les champs de bambou et de canne à sucre indienne, des forêts primaires et secondaires, des marécages et la végétation riparienne. On a fait ressortir des perturbations forestières sous forme de clairières établies pour des fins d’exploitation agricole temporaire aussi petites que 0,25 hectares. Les effets du relief, d’orientation et d’angle de visée par rapport au signal radar sont apparus comme des facteurs affectant significativement la rétrodiffusion radar ; ils ont été considérés lors de l’interprétation des données.
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture 173
4.3. EXEMPLES MALAIS Dans une étude détaillée de la forêt Lesong dans l’ouest de la Malaisie, Ahmad et al. (1988) ont fait une comparaison des données multibandes LANDSAT (MSS), SPOT et RAAS pour la cartographie des paramètres de la forêt et de la couverture du sol. La zone d’étude comprenait des types forestiers composés de hautes forêts fermées sur terres sèches et de forêts fermées sur terres gorgées d’eau. On avait effectué des coupes forestières dans la majeure partie de la forêt située sur les terres basses et les versants, ce qui a donné pour résultat de très grandes variations dans la composition de la structure et des espèces. Les données RAAS ont été interprétées visuellement à partir de clichés sur film à l’échelle de 1:100 000 et un traitement numérique supplémentaire a été réalisé dans le but de faire l’analyse de texture et l’intégration avec les autres ensembles de données numériques (MSS de LANDSAT et SPOT). Les données RAAS ont été utilisées comme source d’information valable pour étudier les types de couvert forestier (plantations de caoutchouc et de palmiers à huile), les routes et les pistes (indicateurs de coupes sélectives), des voûtes à étages multiples et la forêt vierge. Par contre, dans certains cas, on a confondu des plantations avec des clairières. Ceci est probablement dû à l’âge de la plantation, comme cela a déjà été démontré dans des études impliquant des forêts en milieu tempéré, ce qui n’a pu être confirmé par ailleurs. Les données satellitaires (SPOT et LANDSAT) disponibles pour cette région présentant des problèmes en raison de la présence d’une couverture nuageuse et de brume sèche n’ont pas été utiles comme prévu. Toutefois, l’intégration des données satellitaires et des données RAAS a démontré que la combinaison de l’information spectrale du visible et de l’infrarouge fournie par les satellites et de l’information fournie par le RAAS sur le terrain et la texture constitue une source précieuse d’information sur la forêt. L’intégration des données radar à haute résolution a permis de résoudre en partie le problème lié à la présence de nuage et à la brume sèche ainsi qu’à la faible résolution des satellites. L’information spectrale rendue par les satellites a permis une caractérisation supérieure des types de couvert forestier et d’utilisation du sol par rapport aux données RAAS utilisées seules. Une autre étude réalisée dans le Sud-Est asiatique (non publiée) concernait l’utilisation de données stéréoscopiques STAR à haute résolution pour l’inventaire des types de couverts, la délimitation d’unités physiographiques et l’étude des pratiques de gestion forestière. La zone, située en plaine côtière et qui s’étendait dans un secteur au relief ondulé, disséqué et montagneux, incluait des forêts perturbées et non perturbées, des zones agricoles temporaires ou permanentes, des plantations forestières, des zones urbaines et rurales. Les forêts côtières de marécages avaient été coupées de façon sélective sur une partie du
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territoire, selon une méthode d’extraction basée sur l’utilisation d’un chemin de fer à voie étroite. Certains de ces marécages avaient subi des coupes lors d’un premier cycle d’abattage (abattage d’arbres de 60 centimètres et plus) alors que d’autres secteurs étaient dans leur deuxième cycle d’abattage (abattage d’arbres de 40 centimètres et plus). Dans les collines, les forêts de diptérocarpes connaissaient les mêmes cycles d’abattage (construction de chemins forestiers). On retrouvait des zones agricoles temporaires principalement dans les secteurs accidentés et disséqués qui incluaient la culture du tapioca, du cacao, du riz et du poivre dans des champs de faible dimension et de forme irrégulière. On retrouvait également des plantations à grande échelle de palmiers à huile et de cocotiers. Une partie importante de l’étude a consisté en une campagne extensive de collecte de données. À l’aide d’agrandissements sur support papier de données stéréoscopiques STAR, on a réalisé facilement l’interprétation des unités physiographiques. Il a ainsi été possible d’identifier les terrains disséqués, vallonnés et montagneux, de même que les plaines alluviales et côtières. La cartographie du couvert forestier et de la couverture du sol incluait trois niveaux de perturbations spécifiques (non perturbé, abattage de premier cycle et abattage de second cycle). On a procédé à l’identification des marécages composés de mangroves et de palmiers nypa, des forêts de plage et de dyptérocarpes de colline (la plupart perturbées), de végétation herbacée et d’habitats humains. Les données RAAS constituent une source rapide pour la cartographie de ces couverts forestiers dans une zone caractérisée par la couverture nuageuse omniprésente, où aucune information récente n’avait pu être acquise. 4.4. PROJET DU CONGO Un programme STAR réalisé au Congo dans un tout autre but a permis de recueillir une information très utile sur l’utilisation des données RAAS pour l’évaluation des plantations forestières. Ces données à haute résolution ont permis de discriminer les pins cultivés des peuplements d’eucalyptus. Elles ont de plus aidé à mettre en relief les différences entre des stades de croissance à l’intérieur même de chaque type. Malheureusement, la précision de cette étude n’a pu être déterminée par manque de vérification sur le terrain. 4.5. PROJET COLOMBIEN En 1989, un programme élaboré de cartographie à l’aide de données STAR à résolution standard et à haute résolution a été mis sur pied dans le Nord-Est de la Colombie (De Molina et De Molina, 1989) pour une zone caractérisée par une végétation herbacée très humide et arbustive,
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et des marécages alternant avec des communautés de palmiers et de peuplements importants de caticos (Prioria copaifera), une espèce d’une grande valeur commerciale. L’objectif du programme était de cartographier la végétation et l’utilisation du sol dans le cadre d’un plan de gestion forestière et de récolte pour la région. L’étude visait également à comparer les données STAR avec les photographies aériennes et les données RVL (SLAR) et SIR-A existantes pour le même territoire. La cartographie a été réalisée à partir d’une interprétation visuelle (teinte de grisé, texture, patron, etc.) des données stéréoscopiques à l’échelle de 1:100 000 et de 1:25 000 sur support papier, afin de produire des cartes à l’échelle de 1:25 000 selon le système de classification mis au point par l’Institut géographique Augustin Codazzi (IGAC, Bogota) pour les forêts tropicales humides. La méthode implique l’identification préalable des régions physiographiques qui sont alors subdivisées selon le type de couvert végétal et de couverture du sol. De plus, les routes, les voies ferrées et les canaux (utilisés dans les zones marécageuses pour le flottage du bois) ont été cartographiés. On a même relevé à l’aide des données STAR un secteur récemment incendié par des colons. Les résultats de l’interprétation ont été vérifiés de façon intensive par des forestiers locaux au cours d’une campagne de terrain dans la zone du projet. Une partie importante de l’étude a consisté en l’évaluation de la rentabilité et de l’efficacité de l’utilisation des données STAR. Les cartes produites à l’échelle de 1:50 000 et de 1:25 000 permettent de distinguer les différents types et sous-types de couvert forestier (figure 9.1). Elles constituent les premières cartes forestières détaillées du secteur et elles ont été utilisées pour la planification de la gestion forestière. Les auteurs ont comparé le temps requis pour compléter l’acquisition, le traitement et la cartographie de la région avec des données STAR par rapport aux photographies aériennes, et ils concluent que l’utilisation du radar est 5,4 fois plus rapide que l’utilisation des photographies aériennes tout en fournissant une information presque similaire (échelle de 1:40 000). Cette évaluation ne comprenait pas le temps requis pour obtenir les photographies aériennes, ce qui représente beaucoup, dans le contexte d’une région tropicale où la couverture nuageuse est omni-présente. Par ailleurs, l’acquisition des données STAR et le traitement sous forme de mosaïque numérique et de film n’ont pris que 35 jours. Les résultats de l’étude ont aussi permis de mettre au jour certains problèmes rencontrés dans l’interprétation des données STAR. La cartographie des canaux de drainage de petite dimension, particu-lièrement dans les secteurs peu accidentés, a été difficile à cause du couvert forestier dense dans ces secteurs. Aussi, faiton mention du problème d’interprétation dans les régions à relief élevé où les pentes faisant face au signal radar tendent à apparaître plus
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brillantes que celles qui leurs sont opposées. Ces problèmes d’effets de terrain sont typiques des données radar peu importe la région et constituent un champ d’intérêt pour la recherche et le développement dans le domaine du traitement radar.
5. RÉSULTATS ET CONCLUSIONS Plusieurs développements significatifs ont été enregistrés dans différents domaines d’application ayant trait à la gestion de la forêt tropicale ou à la gestion forestière ailleurs dans le monde. Citons entre autres la cartographie des types de couvert forestier, la cartographie des zones d’exploitation forestière et des zones de coupes, la cartographie des plantations et la planification de la gestion forestière. Les études énumérées ci-dessus, réalisées dans différentes régions de la forêt tropicale et faisant appel aux données STAR ont fourni des résultats à divers niveaux.
5.1. CARTOGRAPHIE DES TYPES DE COUVERT FORESTIER Les études ont démontré que l’on peut utiliser les données STAR pour repérer les forêts primaires et secondaires ainsi qu’une variété de types de couvert forestier (marécages de mangroves/palmiers nypa, forêts de plage, forêts de diptérocarpes de colline, des couverts formés d’arbres à
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thé, forêts d’eucalyptus, des forêts de palmiers), en plus d’autres types de couvert végétal tels que la végétation herbacée. Dans certains cas, où une espèce a une signature très caractéristique et où l’on peut retrouver des peuplements concentrés, il est possible d’interpréter au niveau même de l’espèce. Toutefois, la plupart des forêts tropicales primaires et secondaires présentent une très grande diversité d’espèces si bien que seuls des types généraux de couvert peuvent être cartographiés. II en est de même pour la cartographie faisant appel à d’autres types de données de télédétection. 5.2. CARTOGRAPHIE ET SUIVI DES ZONES D’EXPLOITATION FORESTIÈRE DE COUPES Des rapports sur l’interprétation de données radar en zones forestières situées en milieu tempéré ont démontré que l’on peut identifier les zones de coupe de façon très précise en termes de localisation des périmètres et de calcul des surfaces (Dams et al., 1990). Les études en milieu tropical ont surtout porté sur deux types de perturbation forestière : les coupes sélectives et les clairières créées pour l’agriculture. La texture du couvert forestier telle que perçue à l’aide des données STAR permet la discrimination de zones perturbées ou de forêts secondaires par rapport aux zones de forêts primaires ou non perturbées. Il est possible de distinguer des forêts ayant subi des coupes sélectives par la texture et par la teinte de grisé, ou encore par association de caractéristiques particulières (présence de voies ferrées, chemins forestiers ou canaux). Dans une étude, on a réussi à relever trois niveaux de perturbation : forêt non perturbée, forêt exploitée de premier cycle et forêt exploitée de second cycle. Des clairières réalisées pour cultiver la terre de façon temporaire ou permanente au sein même de la forêt tropicale constituent des indicateurs importants quant à l’épuisement de la forêt. Ils sont ainsi essentiels pour effectuer un suivi de l’environnement forestier. À partir des données à haute résolution STAR, il a été possible de cartographier des clairières de dimension aussi petite que 0,25 hectares. Dans certains cas, l’identification des types de culture situés à l’intérieur des clairières de plus grande dimension a même été possible. Parmi ces différents types de cultures, on compte les bananes, les pâturages, le bambou, le cacao et le riz. Dans la plupart des cas, ces cultures correspondent à des signatures radar très caractéristiques, un patron particulier dans l’alignement des plants ou dans le type de croissance (le cacao) ou des conditions d’humidité très particulières (les rizières). Il a également été possible de relever des perturbations forestières causées par des incendies récents. 5.3. CARTOGRAPHIE DES PLANTATIONS Le repérage de plantations à partir de données STAR est relativement aisée lorsque celles-ci sont de grande dimension, l’alignement des
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cultures est typique et/ou si ces dernières sont situées à l’intérieur d’une forêt primaire ou secondaire (ce qui entraîne un signal radar tacheté caractéristique des forêts naturelles). Les études effectuées au moyen de données STAR ont démontré que des plantations de pins, d’eucalyptus, de palmiers à huile, de cocotiers et d’arbres à caoutchouc peuvent être décelées par leur teinte de grisé caractéristique, leur texture, le patron et/ou le contexte. Deux études ont émis l’hypothèse que l’on pouvait même établir l’âge de la plantation, mais cela n’a pu être corroboré par des mesures au sol. Dans un cas, on a confondu des plantations avec des zones de clairières, mais cette situation aurait pu être reliée à l’âge de la plantation. 5.4. PLANIFICATION DE LA GESTION FORESTIÈRE La planification de la gestion forestière implique une variété de paramètres incluant la logistique pour l’inventaire de terrain, l’évaluation de la distance d’accès et pour le transport du bois dans le cadre de l’exploitation forestière, la planification de la récolte et l’évaluation des impacts environnementaux. Les études énumérées dans ce texte démontrent que l’on peut tirer des informations pertinentes pour la gestion forestière à partir des données STAR notamment sur : −
le type de couvert forestier et le niveau de perturbation ;
−
la localisation des routes, voies ferrées et canaux ;
−
la localisation d’habitats humains, d’activités agricoles permanentes ou temporaires ;
−
les unités physiographiques ;
−
la localisation et, dans une certaine mesure, la détermination du type de plantation forestière ;
−
la localisation et la superficie des clairières ;
−
la localisation des secteurs récemment incendiés.
Ainsi, les données du radar aéroporté à antenne synthétique telles que celles acquises par le système STAR sont utiles dans des applications reliées au domaine de la gestion de la forêt en milieu tropical. On a démontré les avantages et les limites de cette source de données pour ces zones où la couverture nuageuse est importante et il ressort que l’on devra consentir des efforts additionnels dans le domaine de la recherche et du développement pour améliorer les capacités de ces différents niveaux d’information pour leur utilisation dans la gestion forestière. Néanmoins, les données RAAS constituent un outil efficace et opérationnel dans cette application particulière. On devra orienter ces efforts vers l’évaluation de nouvelles informations satellitaires RAAS, informations qui seront disponibles grâce aux satellites ERS-1, J-ERS-1 et RADARSAT. La recherche et le développement dans les domaines de la
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Cartographie de la forêt et de l’occupation du sol en milieu tropical par radar à synthèse d’ouverture 179
texture, des effets de pente ou du terrain, de l’intégration des données avec d’autres données numériques ou encore impliquant une foule d’autres aspects continueront à accroître notre aptitude à interpréter ces données dans le cadre de la gestion forestière en milieu tropical.
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L’imagerie LANDSAT/TM pour la surveillance de la défoliation du conifère Jean BEAUBIEN
Sommaire Introduction 1. L’imagerie LANDSAT/TM 2. Méthodologie 2.1. Accentuation 2.1.1. Compositions colorées 2.1.2. Composantes principales 2.1.3. Combinaisons linéaires de bandes spectrales 2.1.4. Segmentation des composantes images 2.2. Classification de l’image accentuée 3. Les niveaux de défoliation 4. Une application courante au Québec Conclusion Références bibliographiques
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Jean Beaubien
Résumé Au Québec, la principale défoliaison forestière est causée aux conifères par la tordeuse des bourgeons de l’épinette (TBE). Vu l’importance des pertes en matière ligneuse, le ministère des Forêts (MFO) planifie annuellement des arrosages aériens ou une récupération des peuplements forestiers plus sévèrement défoliés. À la suite de travaux conjoints avec le Centre de foresterie des Laurentides (CFL) de Forêts Canada, le MFO utilise l’imagerie LANDSAT/TM comme outil auxiliaire pour cette planification. En raison de la complexité du couvert forestier et d’autres facteurs (atmosphérique, phénologique, etc.), il est difficile d’établir les degrés de défoliation par analyse numérique des seules caractéristiques spectrales de l’image. Ceci a poussé le CFL à orienter ses recherches vers l’accentuation de l’image pour faciliter l’interprétation visuelle. La transformation en composantes principales (TCP), basée sur un échantillonnage particulier de l’image, a été particulièrement utilisée au cours des dernières années. Pour éviter l’échantillonnage difficile à systématiser, des recherches ont conduit à substituer la TCP par des combinaisons linéaires de bandes spectrales. Pour synthétiser l’information recherchée et mieux contrôler l’accentuation, la réso-lution radiométrique des composantes image résultantes est réduite par segmentation orientée. Un simple algorithme par parallélépipèdes permet ensuite de classifier des niveaux de défoliation et de les superposer à l’accentuation. Le MFO utilise aujourd’hui une méthodologie dérivée de celle-ci pour cartographier la défoliation en quatre niveaux : sain (0-20 % de têtes mortes), léger (20-40 %), modéré (40-60 %) et sévère (60 % et plus) pour peuplements denses et ouverts.
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L’imagerie LANDSAT/TM pour la surveillance de la défoliation du conifère
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INTRODUCTION Depuis 1970, l’Est du Canada est envahi par une nouvelle épidémie de la tordeuse des bourgeons de l’épinette (TBE) (Choristoneura fumiferana [Clem.]). Après avoir causé un maximum de dégâts en 1976 elle est encore bien présente au Québec. En 1990, elle affectait 1 250 000 hectares de forêt causant des dommages plus ou moins importants surtout au sapin baumier (Abies balsamea [L.] Mill.) et à l’épinette blanche (Picea glauca [Moench] Voss) (Forêts Québec et Forêts Canada, 1991). La perte annuelle de matière ligneuse est estimée à environ 0,5 x 106 m3. Comme le sapin et l’épinette blanche constituent au Québec environ 27 % du volume total des forêts commerciales, l’épidémie a des répercussions économiques considérables. C’est pourquoi le ministère des Forêts du Québec (MFO) combat annuellement l’insecte par des programmes de pulvérisation aérienne d’insecticides. L’insecte s’attaque surtout à la pousse de l’année courante de l’arbre qui meurt s’il subit une défoliation sévère pendant quatre ou cinq ans. Pour planifier les pulvérisations, le MFO a traditionnellement procédé chaque année à des inventaires visuels aériens au moment où le feuillage attaqué présente une teinte rougeâtre. Cette défoliation courante n’est visible que pendant deux ou trois semaines par année, généralement au cours du mois de juillet. Des vents violents ou de fortes pluies peuvent contribuer à réduire cette période déjà trop courte pour couvrir tout le territoire à inventorier. C’est pourquoi aujourd’hui, les pulvérisations et les coupes de récupération se planifient aussi à partir de la défoliation cumulative (défoliation totale accumulée avec les années) visible une bonne partie de l’année, plus facile à observer par télédétection satellitaire. Avec les méthodologies développées au Centre de foresterie des Laurentides (CFL) de Forêts Canada, le MFO fait maintenant appel à l’imagerie LANDSAT/TM pour réduire au minimum l’inventaire visuel aérien, coûteux et de précision variable, selon l’expérience de l’observateur.
1. L’IMAGERIE LANDSAT/TM Le tableau 10.1 illustre la distribution relative de quatre types de couvert forestier le long de l’histogramme des six bandes spectrales réflectives de l’imagerie LANDSAT/TM : le résineux sain (RS), le résineux défolié (RD), le feuillu (FE) et une aire dénudée (DN). La dynamique des trois bandes (B, V, R) du spectre visible est plutôt faible. Elles ne permettent pas de relever beaucoup de nuances en forêt, si ce n’est de distinguer nettement les dénudés et les semi-dénudés occupant les plus hautes intensités. Les bandes PIR et MIR ont une dynamique plus forte et apportent plus de discrimination en forêt. La distance moyenne entre la
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luminance du résineux (RS) et du feuillu (FE) fait du PIR une bande particulièrement informatrice sur les principaux types de peuplements forestiers et leur stade d’évolution. En outre, le MIR fait ressortir un contraste entre le résineux sain (RS) et défolié (RD). TABLEAU 10.1 Valeur numérique relative de quatre types de couvert forestier sur les six bandes réflectives de l’imagerie LANDSAT/TM
Pour la production de compositions colorées ou pour réduire le volume des données à traiter, le nombre de bandes spectrales TM disponibles force l’analyste à choisir celles qui correspondent le mieux à ses objectifs. Il est généralement admis que la combinaison de toutes les bandes spectrales n’apporte guère plus de discrimination entre les objets au sol qu’un choix judicieux de deux, trois ou quatre bandes choisies en fonction des buts d’un projet. II est également reconnu qu’une bande de chacune des trois zones du spectre (visible, PIR, MIR) soit une heureuse combinaison pour une discrimination générale en forêt. Les bandes 3 (R), 4 (PIR) et 5 (MIR) sont particulièrement privilégiées (Benson et De Gloria, 1985 ; Horler et Ahern, 1986). Comme le laisse voir le tableau 10.1 et le niveau de séparation des signatures spectrales du tableau 10.2, c’est sur la bande 5 (MIR) que les résineux sains et défoliés ressortent le mieux. En effet, avant l’avènement d’une bande MIR avec LANDSAT/TM, nos études démontraient que seules les défoliations très sévères étaient apparentes sur l’imagerie MSS traitée à cette fin. Ces trois bandes spectrales ont été utilisées dans la majorité des projets pour discriminer les niveaux de défoliation tout en conservant une bonne information générale sur la composition forestière.
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TABLEAU 10.2 Niveaux de séparation (distance de Bhattacharrya (Richard, 1986) du résineux sain et sévèrement défolié pour les bandes spectrales réflectives TM, individuellement et suivant trois types de combinaison. Les coefficients soulignés indiquent une bonne séparation. Bande spectrale 1 2 3 4 5 7
Zone du spectre B V R PIR MIR MIR+
Coefficient de séparation 1,566 1,266 1,722 0,387 1,956 1,987
Addition de bandes
Coefficient de séparation
1,2,3,4,5,7
2,000
3,4,5
1,999
2,3,4
1,887
Échelle des coefficients de séparation suggérée : 0,0 à 1,0 très pauvre 1,0 à 1,9 pauvre 1,9 à 2,0 bonne
2. MÉTHODOLOGIE En raison de son hétérogénéité et des facteurs affectant sa réflectance, le couvert forestier est particulièrement difficile à classifier par analyse numérique. Ses classes sont souvent composées de plus d’une espèce croissant en concentration et densité variées (Beaubien, 1986). La topographie (pente, exposition) et la variation fréquente de la couche atmosphérique à l’intérieur de la même image ou entre deux images juxtaposées augmentent les confusions dans l’analyse des réflectances. Ces facteurs et d’autres encore rendent la discrimination forestière difficile et inconsistante, particulièrement celle se rapportant aux niveaux de défoliation, si elle est uniquement basée sur les caractéristiques spectrales. Le CFL a, entre autres, étudié la possibilité d’utiliser l’imagerie satellitaire pour inventorier la défoliation forestière, particulièrement celle causée par la TBE aux sapinières. Étant donné la complexité du couvert forestier, les premières recherches ont démontré que l’interprétation visuelle d’images accentuées par traitement numérique était la meilleure façon de localiser les niveaux de défoliation ou, de façon générale, d’extraire plus d’information forestière. De plus, l’expérience et les connaissances de l’interprète aident à élucider les confusions spectrales inévitables.
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processus d’interprétation analogique. Les méthodes les plus utilisées pour accentuer une image multispectrale sont l’étalement des données, les rapports de bandes, les filtrages spatiaux et l’extraction des composantes principales (CP). Le CFL a particulièrement exploité les CP ou, plus récemment, de simples combinaisons linéaires de bandes spectrales. Ces dernières permettent de créer des composantes image répondant plus spécifiquement aux objectifs d’un projet. 2.1.1. Compositions colorées Les accentuations les plus communes sont produites par superposition de trois bandes spectrales étalées sur les canaux rouge, vert et bleu d’un écran cathodique ou d’un synthétiseur d’images. La superposition respective des bandes 4, 5 et 3 produit une composition colorée particulièrement informative sur le milieu végétal. On y distingue, par exemple, la défoliation du conifère qui apparaît d’un verdâtre caractéristique. Cette composition sert souvent d’image de départ pour cerner des zoneséchantillons permettant de produire des accentuations plus contrastées et plus malléables. 2.1.2. Composantes principales La transformation en composantes principales (TCP) est une technique reconnue particulièrement efficace pour l’accentuation des images multispectrales. En décorrélant les données originales, elle produit de nouvelles composantes image qui apportent plus de contraste entre les objets au sol. Une première méthodologie a été développée pour l’imagerie MSS (Beaubien, 1984). Elle ne permettait de localiser qu’approximativement les zones très sévèrement défoliées. Avec l’avènement du capteur TM de LANDSAT-4, transmettant une imagerie d’une résolution spatiale et surtout spectrale accrue, la méthodologie a été repensée (Beaubien, 1987). L’addition des bandes couvrant la zone MIR du spectre ajoute une troisième dimension significative aux données TM, comparativement à celles de MSS qui forment essentiellement une structure à deux dimensions (Kauth et Thomas, 1976). La TCP produit une rotation et une translation d’axes basées sur tous les éléments (pixels) d’une image ou, préférablement pour mieux orienter une accentuation, sur un échantillonnage d’éléments choisis en fonction des objectifs d’un projet. L’expérimentation a démontré qu’un échantillonnage réduit de résineux, de feuillus et de dénudés suffisait pour produire des accentuations forestières se rapprochant de celles issues d’une sélection plus variée. Ces types de couverts relativement
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faciles à distinguer, se situant aux extrémités des histogrammes des bandes spectrales utilisées (R, PIR, MIR), ont un maximum d’influence sur la transformation des données, ainsi que sur l’apport des bandes spectrales aux composantes principales tel qu’exprimé par les vecteurs propres. Un échantillonnage proportionnel de résineux et de feuillus, additionné de 10 à 20 % d’aires dénudées, produit trois premières composantes principales localisant bien les niveaux de défoliation tout en procurant une bonne information forestière générale. Ces CP sont visionnées par le biais de l’espace de couleurs Taylor (Taylor, 1974) : brillance, rouge-vert, bleu-jaune. 2.1.3. Combinaisons linéaires de bandes spectrales La TCP est basée sur les statistiques d’échantillons sélectionnés par l’opérateur en fonction des objectifs d’un projet. Une bonne identification thématique des zones-échantillons devient un facteur déterminant pour la suite du processus. La réalisation de plusieurs projets par TCP a démontré que la subjectivité de l’échantillonnage constituait un des principaux problèmes d’exécution. La TCP produisant des composantes image qui découlent d’apports de bandes spectrales proportionnels aux valeurs des vecteurs propres, des recherches ont conduit à substituer à la TCP de simples combinaisons ou additions pondérées des bandes spectrales jugées les plus informatives. L’expérimentation a démontré que ces combinaisons étaient une façon souple d’obtenir l’accentuation souhaitée sans l’intermédiaire d’un échantillonnage difficile à systématiser. Le but poursuivi est le même que dans le cas d’une TCP : obtenir une certaine distribution des couverts au sol le long des trois axes de la structure de couleurs généralement utilisée : brillance, rouge-vert, bleu-jaune. Par exemple, au tableau 10.3 apparaissent des combinaisons de bandes rehaussant la végétation forestière tout en mettant en évidence la défoliation du conifère. L’addition d’une proportion de la bande MIR (5) à la bande PIR (4) sur l’axe-brillance donne plus de clarté aux conifères défoliés en accroissant leur valeur numérique. Une soustraction d’un poids de PIR (4) au MIR (5) sur la deuxième composante image a pour effet d’opposer les peuplements sains à ceux défoliés, ou aux zones dénudées. La troisième composante, décorrélée des deux premières, aide à cerner la défoliation en opposant différents milieux dégarnis de feuillage. Elle est composée d’une dominance de la bande du visible R (3), d’un apport négatif de MIR (5) et d’un plus léger apport positif de PIR (4). Un indice de végétation (PIR — R (X)) comme troisième composante fait aussi ressortir la défoliation du conifère mais avec moins de discrimination générale, particulièrement en ce qui concerne les aires semi-dénudées.
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Jean Beaubien TABLEAU 10.3 Valeur numérique relative de quatre types de couvert forestier sur trois combinaisons de bandes fréquemment utilisées, étalées sur les axes de l’espace de couleurs de « Taylor »
Ceci n’est qu’un exemple de combinaisons de bandes. Une variation des pondérations permet de diriger les contrastes de l’image résultante, et la défoliation est plus apparente si l’analyste consent à saturer d’autres couverts. 2.1.4. Segmentation des composantes image Pour synthétiser l’information et faciliter l’interprétation, les composantes image sont souvent segmentées pour réduire leur résolution numérique (niveaux de gris). Une programmation a été développée pour fixer le nombre et les limites des segments, ainsi que leur intensité (0 à 255). Une modification de la segmentation permet de modifier une accentuation pour la rendre plus fidèle aux connaissances acquises du terrain ou pour favoriser la discrimination de certains couverts. Les patrons de l’image sont fonction de la position des limites fixées aux segments et les contrastes de leur intensité relative. Ainsi, il est possible d’augmenter ou de réduire les aires occupées par les peuplements défoliés. 2.2. CLASSIFICATION DE L’IMAGE ACCENTUÉE Les accentuations aux composantes segmentées produisent des images « pseudo-classifiées ». Par exemple, une image dont les trois composantes sont respectivement segmentées en 8, 5 et 4 tranches ne renferme qu’un maximum de 160 couleurs dont vraisemblablement
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une trentaine dominent dans les principaux couverts, les autres étant des tons intermédiaires représentés par des pixels plus ou moins isolés. Un simple algorithme par parallélépipèdes permet de regrouper les couleurs significatives dont on connaît la représentativité. Des thèmes ainsi classifiés, par exemple des niveaux de défoliation, peuvent être superposés à l’accentuation pour les mettre davantage en évidence ou pour quantifier les surfaces qu’ils occupent.
3. LES NIVEAUX DE DÉFOLIATION Jusqu’à maintenant, les niveaux de défoliation ont surtout été évalués par interprétation d’accentuations sur diapositives ou papier photographique. L’information était portée sur cartes par des méthodes de transfert cartographique conventionnelles. Présentement, on a de plus en plus recours à des « stations d’interprétation numérique interactive » permettant de tracer les polygones directement sur le visuel et de les emmagasiner sous forme numérique (Audet et al., 1985). Les accentuations interprétées permettent d’évaluer chez le conifère au moins trois niveaux de défoliation ( % de têtes mortes) apparaissant d’un bleu turquoise caractéristique (planche XVII, tableau 10.4). II est aussi possible de distinguer la défoliation du conifère des peuplements mélangés si elle est sévère. Les classes du tableau 10.4 correspondent à celles déduites de deux études ; elles pourraient varier à la suite d’autres études couvrant des territoires différents. Ce type d’accentuation permet aussi généralement d’interpréter trois classes de densité et deux classes d’âge de résineux, la régénération résineuse et feuillue, deux classes d’âge de feuillus et deux classes de dénudés (totaux et partiels).
TABLEAU 10.4 Classes de défoliation par TBE généralement interprétées sur imagerie TM, accentuée à cette fin. Les classes sont basées sur le pourcentage de têtes de cimes résineuses mortes plutôt que sur le pourcentage d’aiguilles affectées ou tombées, difficilement évaluable sur images satellitaires
Type de peuplement Résineux
Classes
Pourcentage de têtes mortes chez les résineux
1
0 — 25 (sain)
2
25—75
3
75 et +
Mélangé — résineux
4
75 et +
Mélangé — feuillu
5
75 et +
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4. UNE APPLICATION COURANTE AU QUÉBEC Présentement, l’imagerie satellitaire TM est couramment appliquée au Québec pour la surveillance des dommages causés aux sapinières par la TBE. En effet, le ministère des Forêts utilise une méthodologie d’accentuation dérivée de celles décrites précédemment pour localiser quatre niveaux de défoliation aidant à la planification des arrosages aériens ou de la récupération des peuplements forestiers plus sévèrement endommagés. Les quatre classes sont : sain (0-20 % de têtes mortes), léger (20-40 %), modéré (40-60 %) et sévère (60 % et plus) pour peuplements denses et ouverts. On estime éliminer ainsi 90 % des fastidieux survols en hélicoptère pratiqués annuellement au Québec depuis plusieurs années et réduire les coûts d’inventaire d’environ 200 000 $ CAN par année.
CONCLUSION Comme la défoliation forestière se présente sous des aspects fort variés et souvent complexes, il est difficile d’en classifier les niveaux par des méthodes basées uniquement sur des caractéristiques spectrales. Des recherches ont démontré que l’interprétation visuelle d’images accentuées par traitement numérique était une façon efficace d’y parvenir. La transformation en composantes principales a été largement utilisée pour l’accentuation de l’image. Des recherches ont conduit à substituer la TCP par de simples combinaisons linéaires de bandes spectrales. Une segmentation des composantes image résultantes permet de synthétiser les patrons de couleurs et de faciliter leur interprétation ou classification. L’interprétation de l’image accentuée s’apparente à celle de photographies aériennes. Les résultats qu’on peut en tirer dépendent des connaissances et de l’expérience de l’interprète, mais aussi de la qualité de l’accentuation. Le niveau de précision obtenu est difficile à quantifier ; il est fonction de la composition des peuplements (plus ou moins mélangés, par exemple), de leur âge et densité. Compte tenu de la résolution de l’imagerie TM, les usagers ont généralement été satisfaits et même agréablement surpris de la précision des résultats. Ainsi, l’imagerie TM s’avère un excellent outil de synthèse pour la localisation de la défoliation du conifère sur de vastes territoires. Elle devient même un outil supplémentaire presque indispensable pour ceux qui ont appris à l’utiliser conjointement avec les méthodes d’inventaire conventionnelles : observations ou photographies aériennes. En outre, la défoliation est souvent plus apparente sur une image TM traitée à cette fin que sur photographies aériennes à échelle moyenne. La rareté de bonnes images captées à des dates appropriées demeure cependant la principale limitation à l’utilisation plus courante de l’imagerie satellitaire pour une surveillance annuelle.
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L’imagerie LANDSAT/TM pour la surveillance de la défoliation du conifère
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RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AUDET, H., J. BEAUBIEN et C. DELISLE (1985). L’interprétation numérique interactive, une nouvelle approche. Actes du 9e Symposium canadien de télédétection, St. John’s, Terre-Neuve, p. 555-562. BEAUBIEN, J. (1984). Une méthode de rehaussement d’images Landsat pour la classification du couvert végétal. Actes du 8e Symposium canadien de télédétection, Montréal, Québec, p. 559-566. BEAUBIEN, J. (1986). Visual interpretation of vegetation through digitally enhanced Landsat-MSS images. Remote Sensing Reviews, 2, p. 111143. BEAUBIEN, J. (1987). Méthodologie d’accentuation des images TM pour une meilleure discrimination des couverts forestiers. Actes du 11e Symposium canadien de télédétection. Waterloo, Ontario, p. 227-237. BENSON, A.S. et S.D. DE GLORIA (1985). Interpretation of Landsat-4 Thematic Mapper and multispectral scanner data for forest surveys. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 51 (9), p. 1281-1289. FORÊTS QUÉBEC, FORÊTS CANADA (1991). Insectes et maladies des arbres – Québec 1990, Publication conjointe : Service de la protection contre les insectes et les maladies, Ministère des Forêts Québec ; Relevé des insectes et des maladies des arbres, Forêts Canada, Région du Québec, 34 pages. HORLER, D.N.H. et F.J. AHERN (1986). Forestry information content of Thematic Mapper data. International Journal of Remote Sensing, 7 (3), p. 405-428. KAUTH, R.J. et G.S. THOMAS (1976). The Tasselled cap : a graphic description of the spectral-temporal development of agricultural crops as seen by Landsat. Proceedings of the Symposium on Machine Processing of Remotely Sensed Data, West Lafayette, Indiana (USA), p. 4B.414B.51. RICHARDS, J.A. (1986). Remote Sensing Digital Image Analysis, SpringerVerlag, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo, p. 206-225. TAYLOR, M (1974). Principal component colour display of ERTS imagery. Proceedings of 2nd Canadian Symposium on Remote Sensing. Guelph, Ontario, avril, p. 295-314.
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Le suivi spectral du dépérissement des érables Colette ANSSEAV et Catherine PALMIER
Sommaire Introduction Le dépérissement des érablières : historique, répartition et conséquences économiques Identification du phénomène et évaluation 1. Problématique 1.1. Examen critique des procédés d’évaluation en vigueur 1.2. La télédétection 1.3. Potentialités des spectromètres imageurs et de la haute résolution spectrale 1.4. Le diagnostic précoce du dépérissement et la signature spectrale 2. Étude fondamentale 2.1. Méthodologie 2.2. Analyse des résultats 2.3. Applications 3. Dépérissement et hypothèses causales 3.1. Hypothèses 3.2. Cartographie du dépérissement « potentiel » Conclusion Références bibliographiques
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Résumé Dans cet article, nous présentons le développement d’une méthodologie de suivi du dépérissement des érablières impliquant des techniques de télédétection, à la fois pour connaître et comprendre ce phénomène. Les buts poursuivis sont, dans un premier temps, la vérification de l’hypothèse voulant que le dépérissement se traduise, au niveau des feuilles et des peuplements, par des symptômes observables et quantifiables par des méthodes de télédétection et ce, avant l’apparition de symptômes visibles à l’œil nu. Dans cette optique, des relations sont établies entre les modifications de réflectance observées en laboratoire à l’aide d’un spectroradiomètre et certaines caractéristiques biologiques des feuilles. Les conclusions de l’étude fondamentale en laboratoire conduisent à envisager l’utilisation d’un type nouveau de capteurs aéroportés, les spectromètres imageurs. En août 1991, des données spectrales ont été acquises à l’aide du CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager), au cours d’un survol expérimental de la région du lac Mégantic. Bien que la prudence soit de mise quant aux conclusions à tirer, les premières analyses des données acquises permettent néanmoins d’envisager avec optimisme l’utilisation des spectromètres imageurs en tant que solution de rechange aux méthodes actuelles d’estimation du dépérissement des érablières. Parallèlement, la structure spatiale de la répartition du dépérissement sur tout le territoire est étudiée en relation avec les facteurs environnementaux. Cette analyse spatiale vise à la fois à optimiser l’échantillonnage aérien destiné à assurer le suivi du dépérissement et à établir les secteurs de plus grande vulnérabilité dans une perspective d’aménagement sylvicole.
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INTRODUCTION LE DÉPÉRISSEMENT DES ÉRABLIÈRES : HISTORIQUE, RÉPARTITION ET CONSÉQUENCES ÉCONOMIQUES Le déclin des érables est un phénomène connu en Amérique du Nord depuis le début du siècle. Au Canada, les premiers cas sont observés en 1952 en Ontario dans le comté de Grey (Griffin, 1965) et en 1976 dans les districts de Parry Sound et de Owen Sound (Howse et al., 1980). Au Québec, par contre, le dépérissement des érables n’est pas notable avant 1978. D’après les observations effectuées depuis 1980, il se distingue des précédents cas par l’ampleur, l’étendue et l’intensité des dommages (Dessureault, 1985). L’érable à sucre n’est pas la seule essence atteinte, d’autres feuillus tels que le bouleau jaune (Betula alleghaniensis Britton), le hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia Ehrh.), le frêne noir (Fraxinus nigra Marsh.), le noyer cendré (Juglans cinerea L.), le chêne rouge (Quercus rubra L.) ou le caryer cordiforme (Carya cordiformis (Wang.) K. Koch) sont également en déclin (Lachance et al., 1984 ; Bonneau et al., 1986 ; Gagnon et al., 1985). Toute la région de la forêt feuillue du Québec méridional est concernée, sans qu’on ne puisse, semble-t-il, attribuer ce fait à aucune cause précise. En 1982, le dépérissement touche une superficie de 4 500 km2 dans les Appalaches, soit 19 % de la superficie totale de l’érablière québécoise. De 1983 à 1986, la superficie atteinte augmente jusqu’à 24 000 km2, soit la quasi-totalité de l’aire de l’érablière (Lachance, 1985 ; Carrier, 1986). Les régions les plus touchées sont la Beauce, les comtés de Mégantic, Frontenac et Arthabasca. Dès 1984, le phénomène se répand vers l’est jusqu’à Rivière-du-Loup, vers le sud-ouest jusqu’à la rivière Richelieu et vers le nord au-delà du Saint-Laurent. Tout le grand domaine de l’érablière est touché. Le dépérissement des érables est une menace sérieuse pour l’industrie du sirop d’érable qui rapporte plus de 100 millions de dollars annuellement dans tout l’Est de l’Amérique du Nord (Hendershot et Jones, 1989) ; la production québécoise représente les trois quarts de la production mondiale et 89 % de la production canadienne, les principales régions productrices étant la Beauce, les Bois-Francs et l’Estrie (Norton, 1983). En 1982, le ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec (MAPAQ) note une diminution du potentiel d’entailles de 9 % dans la Beauce et de 8 % en Estrie par rapport à 1980, ce qui correspond, sur l’ensemble du Québec, à une perte d’environ 1 million d’entailles (Robitaille et al., 1986). En 1985, l’Union des producteurs agricoles (regroupant 7 953 membres) signale une diminution de 2 millions du nombre d’entailles entre 1981 et 1985 (dont 1 million dans la Beauce),
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soit 15 % du nombre total de points de saignée au Québec, ce qui correspond à une perte financière de 87,6 millions de dollars canadiens (Ménard, 1985). Ce chiffre ne représente qu’une estimation partielle des pertes financières subies par les producteurs acéricoles (le calcul ne tient compte que de la mortalité des arbres et non de leur baisse de rendement). Il faudrait y ajouter notamment les sommes liées aux baisses de rendement par entaille des arbres encore vivants mais en voie de dépérissement, le coût des traitements sylvicoles, du ramassage du bois mort et de la perte des autres essences cohabitant avec l’érable. De même, il faudrait y ajouter les pertes secondaires liées à l’industrie de transformation des produits de l’érable et les pertes de possibilités de travail pour les producteurs et leurs familles. Un grand nombre de producteurs de sirop d’érable sont touchés et de nombreux cas de faillite sont rapportés. En 1984, sur les 3 500 membres de la Société coopérative des producteurs de sucre d’érable du Québec, 1 300 déclarent être « touchés par le dépérissement » (Rioux, 1985).
IDENTIFICATION DU PHÉNOMÈNE ET ÉVALUATION Les premières évaluations du dépérissement ont été faites par enquête postale en décembre 1982, auprès de 7 000 acériculteurs par le MAPAQ, et en décembre 1984 auprès de 3 500 membres de la Société coopérative des producteurs de sucre d’érable du Québec. Dès 1983, la section du Relevé des insectes et des maladies des arbres du Centre de Foresterie des Laurentides (Forêts Canada) complète les premières évaluations par des inventaires au sol avec la collaboration du MAPAQ et du Service de la recherche du ministère de l’Énergie et des Ressources (MER) (Lachance, 1985). Parallèlement à l’inventaire au sol, le dépérissement est évalué depuis 1983 par le Service de la protection contre les insectes et les maladies du MER par observations visuelles à partir d’un hélicoptère. La superficie évaluée est de 19 400 2 2 km en 1983 et 1984, et de 25 100 km en 1985 (Bordeleau, 1986, Thérriault et Dostie, 1990). Le territoire couvert s’étend du lac Champlain à l’ouest, à Saint-Pascal de Kamouraska, à l’est, et de la frontière des États-Unis, au sud, au Saint-Laurent au nord. Les érablières couvrent 21, 2 % du territoire survolé, soit 5 336 km2. Les critères d’évaluation sont le pourcentage de défoliation de la cime par rapport à un témoin sain et la décoloration des feuilles. Des cartes ont été produites qui codent le dépérissement selon quatre classes (Bordeleau, 1986, 1987).
1. PROBLÉMATIQUE 1.1 EXAMEN CRITIQUE DES PROCÉDÉS D’ÉVALUATION EN VIGUEUR La méthode d’évaluation visuelle du dépérissement, en plus d’être longue et laborieuse, est relativement subjective et divers facteurs,
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comme les conditions d’éclairement au moment de la détermination, peuvent conduire à des classifications différentes d’un même arbre (Neumann et Stowasser, 1987 ; Lick et Krapfenbauer, 1986 ; Innes, 1988). Les intervalles des classes utilisées par le MER sont trop larges pour pouvoir donner une image précise de l’état de déclin des érablières : deux arbres peuvent appartenir à la même classe mais avoir 20 % de défoliation d’écart (pour la classe 4, par exemple, voir Bordeleau, 1987), ce qui entraîne une perte certaine d’information. De plus, les critères d’évaluation ne tiennent compte que des symptômes visibles (décoloration des feuilles et perte du feuillage) correspondant à un stade relativement avancé du dépérissement. Or, on sait que celui-ci se manifeste d’abord par des symptômes prévisuels traduisant une dégradation du métabolisme général (Bernier et Brazeau, 1988) et un ralentissement de la croissance. À ce stade précoce du dépérissement, des mesures correctives (fertilisations) peuvent être appliquées pour ralentir le déclin des arbres (Hendershot et Jones, 1989 ; Bernier, 1988). La recherche de signes prévisuels et, éventuellement, la mise en évidence d’un bio-indicateur quantitatif du dépérissement devraient permettre un repérage précoce des zones en voie de dépérissement et, en tout cas, une évaluation plus fine des dommages. 1.2. LA TÉLÉDÉTECTION Il semble donc nécessaire de trouver une méthode qui soit à la fois plus objective, uniforme et rapide pour l’évaluation du dépérissement des érablières. Dans ce contexte, l’utilisation des techniques de télédétection, tant pour favoriser une meilleure compréhension du phénomène que pour en assurer le suivi, semble pertinente. L’utilisation d’une telle technique repose sur le fait que les végétaux absorbent et réfléchissent sélectivement la lumière (Gates et al., 1965). Ainsi, dans le visible (400 à 700 nm), le rayonnement est principalement absorbé par les pigments foliaires tels que les chlorophylles, les caroténoïdes et les xanthophylles (Gausman, 1977). Le rayonnement du proche infrarouge (700 à 1 300 nm) n’est pas affecté par les pigments foliaires et très peu d’énergie est absorbée par la feuille dans ces longueurs d’onde (Gausman, 1974). Lorsque la feuille est saine, le rayonnement incident du proche infrarouge est réfléchi à plus de 50 % par les cellules du parenchyme lacuneux et près de 40 % en est simplement transmis au travers de la feuille (Gallo et Daughtry, 1987). Dans le domaine du moyen infrarouge (1 300 à 2 500 nm), les propriétés optiques des feuilles sont essentiellement liées à leur teneur en eau (Tucker, 1980). Les maladies et les stress physiologiques des plantes affectent leurs propriétés optiques, surtout dans le visible et le proche infrarouge (Knipling, 1970). Cette propriété a d’ailleurs été mise à profit pour évaluer à divers titres l’état de santé de la végétation par de nombreux auteurs (Morin et Dubois, 1989).
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Dans les forêts de conifères, on a pu établir des corrélations significatives entre les modifications des propriétés spectrales du couvert et les variations du rapport biomasse verte / biomasse ligneuse, liées à la perte des aiguilles (Vogelman, 1988 ; Wastenson et al., 1988). Sur une image numérique acquise par satellite ou par survol aéroporté, l’information relative à la perte d’aiguilles provient principalement des rapports de bandes larges infrarouge / rouge (Campbell, 1987). L’application de tels rapports de bandes sur une image permet de rehausser les différences spectrales existantes et cette technique a été utilisée avec succès pour classifier des forêts de conifères présentant des taux de dépérissement supérieurs à 20 % (Riom, 1988 ; Rock et al., 1988, 1985 ; Vogelman, 1988 ; Wastenson et al., 1988). L’étude du dépérissement des forêts feuillues à l’aide des indices de végétation (famille d’indices utilisant différentes combinaisons du rapport proche infrarouge / rouge) se heurte à un certain nombre de problèmes. Ces indices, qui sont en fait des indices de biomasse verte, ne peuvent pas être corrélés à la biomasse verte des arbres seuls, le sous-bois apparaissant à travers les branches et masquant les modifications liées au dépérissement. Par ailleurs, le dépérissement des peuplements ne peut être détecté par les capteurs satellitaires à bandes spectrales larges qu’à un stade relativement avancé de perte ou de décoloration du feuillage. Il s’agit de plus d’un phénomène diffus, les arbres dépéris étant répartis dans l’érablière au milieu d’arbres sains ; actuellement, la faible résolution spatiale des images satellitaires ne permet pas de les distinguer. Les satellites d’observation de la Terre tels que LANDSAT et SPOT ne constituent donc pas une panacée en ce qui concerne l’observation à distance des peuplements de feuillus, et l’imagerie satellitaire en général ne permet pas encore une étude précise du dépérissement forestier en raison de la faible résolution spatiale et spectrale des capteurs actuels. Tout un domaine d’étude ne peut donc encore être abordé de façon opérationnelle par la télédétection satellitaire, celui des différents types de dépérissement et donc de l’identification des différents facteurs de stress en cause dans le déclin forestier. Les techniques permettant l’observation des signes prévisuels liés aux premières altérations du fonctionnement du végétal doivent encore être mises au point. Or, pour les érablières, la recherche de signes précoces du dépérissement est essentielle afin d’en assurer une meilleure gestion, et notamment pour l’application de fertilisants à un stade moins avancé de dégradation, ce qui augmenterait l’efficacité du traitement (Hendershot, 1988 ; Bernier, 1988). L’expérience a montré que la progression du dépérissement est très rapide une fois que les symptômes visuels se sont manifestés. II devient alors primordial d’identifier les érablières
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dépérissantes avant l’apparition de ces symptômes si l’on veut en planifier l’aménagement de façon appropriée. L’utilisation de la télédétection pour la reconnaissance de ces signes permettra ultérieurement un suivi de la dynamique du dépérissement sur l’ensemble du territoire concerné et donc, le cas échéant, l’établissement de programmes d’action d’envergure destinés à maintenir le potentiel de l’acériculture. L’apparition des capteurs à haute résolution, permettant une étude plus fine du phénomène, ouvre une voie dans ces domaines. Ils rendront possible une cartographie précise aussi bien des zones dépéries que de celles présentant des signes précoces ou précurseurs du dépérissement. 1.3. POTENTIALITÉS DES SPECTROMÈTRES IMAGEURS ET DE LA HAUTE RÉSOLUTION SPECTRALE Les spectromètres imageurs aéroportés à haute résolution spatiale et spectrale sont une solution de rechange aux satellites. Avec leur grande résolution spatiale, ils permettent de discerner des détails fins à l’intérieur des peuplements forestiers et sont donc d’un grand intérêt en foresterie (Leckie, 1990). En outre, cette grande résolution spectrale permet une étude fine du spectre de chaque pixel composant l’image. Ainsi, les spectromètres imageurs peuvent être utilisés pour l’étude des glissements spectraux de certaines portions du spectre telles que celle de la remontée de réflectance entre le rouge et le proche infrarouge, qui peut être caractérisée par la position en longueur d’onde du point d’inflexion de la courbe (Horler et al., 1983). Dès les premiers travaux effectués en laboratoire à l’aide de spectroradiomètres et portant sur les variations de position de cet épaulement entre le rouge et le proche infrarouge, par Gates et al. (1965), une corrélation apparaît entre les variations des teneurs en chlorophylle et celles de la longueur d’onde correspondant au point d’inflexion ; cette relation est confirmée par la suite (Horler et al., 1983). Toute diminution des teneurs en chlorophylle s’accompagne d’un déplacement de ce paramètre spectral vers les courtes longueurs d’ondes. Un tel glissement vers le bleu de l’épaulement rouge / proche infrarouge a été mis en évidence dans le cas de stress liés aux métaux lourds (Chang et Collins, 1983 ; Collins et al., 1983 ; Milton et al., 1983 ; Miller et al., 1988). 1.4. LE DIAGNOSTIC PRÉCOCE DU DÉPÉRISSEMENT ET LA SIGNATURE SPECTRALE Les premiers signes visuels du dépérissement sont précédés par des signes invisibles au premier abord, et qui traduisent un affaiblissement général du métabolisme du végétal. Étudiées chez de nombreuses
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espèces arborées, les premières manifestations du dépérissement apparaissent au niveau de l’appareil photosynthétique et se traduisent par une diminution des teneurs en chlorophylle liée à la désorganisation des chloroplastes (Zellnig et al., 1989). Ces symptômes sont suivis par toute une séquence de modifications subcellulaires, anatomiques et morphologiques conduisant à la chute des feuilles. Chez les feuillus, ces modifications sont les plus marquées en fin de saison et se traduisent par une sénescence automnale intervenant anormalement tôt (Schwaller et Tkach, 1985). La diminution des teneurs en chlorophylle totale, la dégradation préférentielle de la chlorophylle a et les variations du rapport chlorophylle a sur chlorophylle b qui en découlent ont fait l’objet de nombreuses études visant à mettre en évidence un bio-indicateur de sénescence précoce et donc éventuellement du dépérissement (Rabe et Kreeb, 1980 ; Malhotra, 1977). La chlorose observée lors d’une sénescence précoce provoquée par un stress suggère une voie d’étude basée sur les modifications spectrales liées à la dégradation des chlorophylles. Tout paramètre spectral corrélé aux teneurs en chlorophylle peut donc constituer un indicateur spectral de sénescence précoce liée au dépérissement. La longueur d’onde correspondant au point d’inflexion de l’épaulement entre les faibles réflectances du visible et le plateau de réflectance du proche infrarouge a fait l’objet d’études allant dans ce sens (Horler et al., 1983 ; Miller et al., 1985).
2. ÉTUDE FONDAMENTALE 2.1. MÉTHODOLOGIE Afin de valider la reconnaissance par télédétection des signes précoces du dépérissement, on a étudié parallèlement les caractéristiques spectrales et les paramètres biologiques indicatifs de l’état physiologique des feuilles d’érables à divers stades de dépérissement. Des feuilles de lumière ont été prélevées à mi-cime et en exposition sud au cours de la saison végétative. Elles sont découpées selon la nervure centrale. La partie droite de chaque feuille sert à la mesure de la réponse spectrale. La partie gauche est utilisée pour le dosage des chlorophylles, pour la détermination du contenu en eau et de la masse surfacique. La réflectance des feuilles est mesurée au laboratoire, à l’aide d’un radiomètre SPECTRASCAN, modèle RVNT-R, construit par Spectrascan Limited of Ensworth. Cet appareil permet la mesure de la réflectance de la cible entre 400 et 2 400 nm. La résolution spectrale est de 5 nm entre 400 et 1 000 nm et de 10 nm, entre 1 000 et 2 400 nm. L’ensemble de la courbe de réflectance entre 400 et 2 400 nm est examiné et tout particu-
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fièrement la zone de transition abrupte entre le rouge et le proche infrarouge (entre 650 et 800 nm). Le point d’inflexion de la remontée de la réflectance entre les basses valeurs du rouge et le plateau du proche infrarouge est déterminé par le pic principal de la dérivée première des spectres de réflectance, entre 680 et 780 nm. Les teneurs en chlorophylles a et b sont déterminées sur la demifeuille opposée selon la méthode de Arnon (1949) ainsi que le contenu en eau et la masse surfacique, qui est un indice de l’épaisseur des tissus. Ces observations sont effectuées à intervalles réguliers tout au long de la saison de croissance de façon à en suivre l’évolution et à détecter, le cas échéant, des signes de sénescence précoce. 2.2. ANALYSE DES RÉSULTATS L’analyse des spectres obtenus au cours de la saison (figure 11.1 a) montre qu’il est possible au milieu de l’été de distinguer spectralement les feuilles provenant d’un arbre dépéri et d’un arbre sain par la position du point d’inflexion (figure 11.1 b) de leur spectre de réflectance alors que ces spectres sont confondus en début et fin de saison végétative. Les courbes des dérivées premières de ces spectres ont une forme caractéristique unimodale en début de saison. Dès le début du mois d’août, on observe un changement de forme des courbes des dérivées premières chez les feuilles provenant de l’arbre dépéri ; elles adoptent une allure bimodale avec un pic prédominant vers les courtes longueurs d’onde alors que celles correspondant à des feuilles provenant de l’arbre sain conservent une forme unimodale avec un pic aux environs de 720 nm. Ces différences se maintiennent jusqu’au début du mois de septembre. Au-delà, les dérivées des courbes des deux provenances ont la même forme caractéristique unimodale décentrée vers les courtes longueurs d’onde avec un pic à 705 nm. En août, la différence entre les points d’inflexion peut atteindre 10 nm. Nos résultats confirment l’existence d’une corrélation significative -2 entre ce paramètre spectral et la teneur en chlorophylle (en µg·cm ) (figure 11.3). Aux faibles teneurs folaires en chlorophylle correspond un point d’inflexion décalé vers les courtes longueurs d’onde. L’examen des variations saisonnières des paramètres étudiés (figures 11.2a et 11.2b) montre que la dégradation des chlorophylles, annonciatrice de la sénescence automnale, intervient plus tôt chez un arbre dépéri (défolié à 30 %). Les variations saisonnières de la longueur d’onde du point d’inflexion de l’épaulement rouge / proche infrarouge suivent le même modèle. On observe un glissement vers les courtes longueurs d’onde dès juillet chez l’arbre dépéri alors que chez l’arbre sain, le glissement n’intervient qu’à partir de la mi-août.
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Colette Ansseau et Catherine Palmier FIGURE 11.1 Spectres de réflectance (a) et dérivées premières de feuilles d’érables à sucre (Acer saccharum Marsh.) sains et dépéris (b). Moyennes de cinq mesures
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FIGURE 11.2
Variations saisonnières (a) des teneurs en chlorophylle -2 totale (µg·cm ) et (b) de la longueur d’onde (nm) du point d’inflexion du spectre de réflectance de feuilles d’érables à sucre (Acer saccharum Marsh.) sains et dépéris. Moyenne et écart type de cinq feuilles
FIGURE 11.3
Variation de la longueur d’onde du point d’inflexion du spectre de réflectance de feuilles d’érables à sucre (Acer saccharum Marsh.) en fonction de la teneur en -2 chlorophylle totale (µg·cm ). Équation de régression polynominale de degré deux
y = 698.82 - 0.37586x + 6.6282e - 2x2 R2 = 0.533
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2.3. APPLICATIONS Seuls les spectromètres imageurs permettent de mesurer de telles variations fines dans la réflectance. Ces appareils fournissent des images formées de pixels pouvant chacun être décomposés en un spectre continu de 400 à 900 nm avec une résolution de 2,5 nm, contrairement aux images satellitaires composées de pixels ne contenant que l’information relative à la réflectance moyenne dans une bande large du spectre. Les développements récents dans ce domaine sont décrits par O’Neill et al. (1989). L’intérêt du suivi à l’aide des spectromètres imageurs des glissements spectraux est multiple. En premier lieu, ils présentent un avantage sur les capteurs à bandes larges puisqu’ils permettent l’étude d’un élément de la physiologie du végétal, la teneur en chlorophylle, alors qu’aucune corrélation significative n’apparaît entre les teneurs en chlorophylle et les rapports de bandes tels que les indices de végétation fournis par l’imagerie satellitaire. Les satellites ne peuvent que nous renseigner sur les proportions relatives de biomasse verte ; en aucun cas, ils ne nous renseignent sur le fonctionnement du végétal. Un des principaux avantages des spectromètres imageurs est l’indépendance vis-à-vis de la géométrie du couvert et des propriétés spectrales du sol apparent sous la végétation, car c’est la forme de la courbe et non les valeurs de réflectance elles-mêmes qui sont examinées. Cela permet donc d’envisager l’utilisation du point d’inflexion pour la quantification des modifications subtiles liées aux pigments même lorsque le couvert arboré est incomplet. Ensuite, les glissements spectraux sont indépendants des perturbations atmosphériques (Guyot et Baret, 1989), ce qui est prometteur en ce qui concerne le suivi de ce paramètre spectral à l’aide des générations futures de spectromètres imageurs satellitaires. Enfin, les études de Rock et al. (1990), ont montré que les mesures spectroradiométriques au sol de l’épaulement rouge / proche infrarouge et celles obtenues grâce à un spectroradiomètre imageur aéroporté (FLI) sont fortement corrélées. L’extrapolation des études préliminaires au sol en vue de simulations de mesures satellitaires est donc possible. 2.3.1. Survol expérimental de la région du lac Mégantic Une des premières étapes vers une application pratique des résultats obtenus en laboratoire a consisté en l’acquisition de données spectrales au-dessus d’un couvert forestier. Un survol expérimental a pour cela été réalisé en août 1991 au-dessus d’une zone test (région du lac Mégantic). Le spectromètre imageur utilisé était le Compact Airborne Spectrographic Imager. Le CASI, un spectromètre imageur de seconde génération, recueille des données spectrales entre 423 et 946 nm en utilisant une matrice CCD de 576 x 288 pixels illuminée par un
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réseau de diffraction avec un champ de visée total de 35°. Il opère en deux modes : imageur ou spatial et multispectromètre ou spectral. En mode spatial, le signal est enregistré dans un nombre limité de bandes spectrales (jusqu’à 15). En mode spectral, le signal est enregistré dans 288 bandes pour un nombre restreint de pixels par ligne de l’image (jusqu’à 39). Ainsi, en mode spectral, le spectre entier de certains pixels sélectionnés sur l’image est enregistré, alors qu’en mode spatial, seules quelques bandes sont enregistrées, mais pour tous les pixels de l’image. La résolution spatiale des spectromè- tres imageurs, c’est-àdire la taille au sol des pixels constituant l’image, est bonne car ils sont aéroportés. Comprise dans le cas du présent survol entre 50 cm et 18 m, elle varie en fonction de la vitesse et de l’altitude de vol, du temps d’intégration de l’appareil, ainsi que du mode d’opération. Elle est toujours meilleure en mode spatial. L’analyse des données qui ont été acquises en mode spectral et spatial au cours du survol expérimental doit permettre, grâce à l’utilisation d’algorithmes de reconnaissance de forme applicables aux pixels sélectionnés et à des programmes d’extraction automatisée des paramètres spectraux pour chaque pixel, de produire ultimement des images de stress à l’aide d’un logiciel de traitement d’images conventionnel. Les résultats présentés devraient alors permettre de développer une technique de détection et de quantification des dommages causés aux forêts à partir du suivi du paramètre spectral caractérisant l’épaulement de réflectance.
3. DÉPÉRISSEMENT ET HYPOTHÈSES CAUSALES 3.1. HYPOTHÈSES Pour comprendre l’évolution du dépérissement, en vue notamment d’en assurer le suivi, il est nécessaire de s’intéresser aux causes possibles autant qu’à l’étendue et à la répartition spatiales du phénomène. Bien que les causes exactes du dépérissement soient encore loin d’être élucidées, le rôle des facteurs environnementaux est considéré comme déterminant. Ils peuvent agir à des échelles différentes, allant notamment de celle du site (facteurs pédologiques) à celle de la région (climat, pollution atmosphérique, etc.). Plusieurs facteurs ont été proposés comme responsables du dépérissement des érablières, les deux principaux étant la pollution atmosphérique et les aléas climatiques. Il est en fait plus probable qu’un ensemble de facteurs défavorables soit en cause, leurs effets s’additionnant et induisant une réponse non spécifique chez le végétal. La littérature distingue des facteurs prédisposants, des facteurs incitants et des facteurs contribuants, selon la terminologie proposée par Manion (1981), correspondant à trois niveaux de stress se succédant dans le temps et ayant un effet cumulatif (Dessureault, 1985). À chaque étape, l’arbre devient
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plus vulnérable au stress de l’étape suivante (Lachance, 1985 ; Klein et Perkins, 1988). 3.2. CARTOGRAPHIE DU DÉPÉRISSEMENT « POTENTIEL » Avant de formuler des hypothèses sur les causes de dépérissement, il est utile d’en déterminer le patron de répartition spatiale, notamment pour pouvoir examiner les corrélations entre les patrons de dépérissement et des patrons environnementaux. Pour ce faire, l’étendue du dépérissement a été interpolée spatialement entre les points pour lesquels on a des données afin d’établir une carte du dépérissement potentiel des érablières. Une carte des zones d’isopotentiel de dépérissement a été ainsi produite par krigeage à partir des cartes du MER relatives aux survols de 1985-1986, selon les techniques testées précédemment (Daoust et al., 1992). Ce travail confirme l’existence d’autocorrélation spatiale dans le phénomène du dépérissement. L’établissement de zones d’isopotentiel de dépérissement, à partir de ces observations, va de plus permettre d’optimiser le plan d’échantillonnage pour les travaux subséquents. Par comparaison avec des cartes de facteurs environnementaux produites à l’aide d’un Système d’information à référence spatiale (SIRS), les relations éventuelles entre les zones de dépérissement et certaines données environnementales peuvent être révélées. Des résultats préliminaires mettent en évidence une relation inverse entre le dépérissement et la qualité du site : les érablières installées dans des sites correspondant aux conditions suboptimales de croissance de l’érable sont les plus fortement dépéries. C’est le cas notamment pour les hautes terres des Appalaches et des Laurentides où les sols podzoliques sont dominants, et pour la région de Thetford Mines où les sols présentent de fortes teneurs en éléments minéraux toxiques.
CONCLUSION Les méthodes de détection des premiers signes du dépérissement ont été peu développées jusqu’ici, la principale raison étant la faible résolution spatiale et spectrale des capteurs existants. Celle-ci limite, en effet, la détection des modifications subtiles des propriétés optiques des végétaux dans les premiers stades du dépérissement, alors qu’aucune variation de l’indice de surface foliaire ou de la structure de la communauté n’est encore observée. À ce stade précoce, les modifications optiques sont liées à des modifications physiologiques invisibles à l’œil nu que ne peuvent détecter les capteurs à bande large. Par contre, les générations futures de satellites à haute résolution le permettront, ce qui justifie d’autant plus les recherches de type fondamental entreprises à l’aide des spectroradiomètres à haute
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résolution. La mise au point de nouveaux spectromètres imageurs ou l’adaptation au survol satellitaire des prototypes utilisés maintenant sont des priorités actuelles. Notons que le Canada, avec le FLI et le CASI, maîtrise assez bien cette technologie. Les travaux rapportés ici ont permis de vérifier l’existence de relations entre les caractéristiques de réflectance des feuilles et des paramètres biologiques indicatifs de l’état physiologique des arbres, puis de vérifier si les feuilles, en apparence saines mais provenant d’érables de différentes classes de dépérissement, présentent effectivement des caractéristiques spectrales particulières pouvant être relevées par des techniques spectroradiométriques. Les résultats de cette étude permettent de proposer comme indicateur de sénescence précoce ou de dépérissement le déplacement vers les courtes longueurs d’onde du point d’inflexion de l’épaulement rouge / proche infrarouge. L’analyse des données acquises par le Compact Airborne Spectrographic Imager lors d’un survol expérimental de la région du lac Mégantic vise à vérifier si les potentialités des spectromètres imageurs dans la télédétection du dépérissement sont réelles.
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Suivi de la végétation forestière dense humide en Afrique de l’Ouest par télédétection spatiale Frédéric ACHARD, Nadine LAPORTE et François BLASCO
Sommaire Introduction État des surfaces forestières en Côte-d’Ivoire État des surfaces forestières en Guinée 1. Principaux objectifs de l’utilisation de la télédétection pour l’étude des formations forestières tropicales 1.1. Comprendre les rythmes biologiques des principaux biomes tropicaux à partir des séries temporelles d’images NOAA 1.2. Délimiter les surfaces forestières sur des images à faible résolution spatiale (approche globale) 1.3. Détection des zones affectées par la déforestation 2. Moyens et méthodes 2.1. Utilisation des données NOAA AVHRR : combinaisons de bandes ; température de surface 2.2. Une approche multirésolution : SPOT, HRPT et GAC 2.3. Phénologie, stratification et cartographie
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3. Résultats 3.1. Comportements phénologiques et rythmes biologiques des grands ensembles de végétation sur quelques sites à partir d’images NOAA AVHRR HRPT 3.2. Essai de cartographie d’un massif forestier 3.3. Évaluation de la déforestation Conclusion et prospective Références bibliographiques
Résumé
La communauté scientifique internationale a déjà montré que la dégradation globale des milieux naturels a une influence directe sur les transformations climatiques planétaires. Nous nous intéresserons dans ce texte au problème particulier de la déforestation dans deux pays d’Afrique de l’Ouest : la Guinée et la Côte-d’Ivoire. Nous montrons la complémentarité d’images à haute résolution spatiale et d’images (à 1 km de résolution) pour l’étude de deux aspects principaux liés à la surveillance des forêts tropicales : 1) Une étude des rythmes saisonniers des formations forestières au contact forêt-savane. 2) Un essai de cartographie d’un massif forestier en Côte-d’Ivoire avec des données à 1 km de résolution et évaluation de la déforestation. Nos conclusions suggèrent qu’il ne faut pas limiter l’utilisation des données satellitaires au seul paramètre « indice de végétation ». En effet, le canal moyen infrarouge (canal 3) de l’instrument AVHRR ou les températures de surface sont des compléments très utiles : ils permettent de mieux différencier les types de végétation. Nous montrons aussi que, même si les données fournies par le capteur AVHRR ne sont pas parfaitement adaptées à l’approche conventionnelle de la description de la végétation, il est possible de cartographier les grands ensembles forestiers tropicaux en utilisant les canaux 2 et 3 de l’AVHRR selon de larges classes physionomiques de végétation. Une méthode de validation d’une telle cartographie à une échelle régionale reste encore à développer.
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INTRODUCTION II existe aujourd’hui quelques 9 millions de km2 de forêts denses humides qui jouent un rôle encore mal connu sur les grands équilibres de notre planète. Trois massifs sont immenses : la cuvette amazonienne (3,5 millions de km2), la cuvette congolaise (Zaïre : 1 million de km2) et l’archipel de l’Asie du Sud-Est (Indonésie : 1,2 million de km2). On ne peut pas dire précisément quelle est la vitesse de l’évolution actuelle de ces surfaces forestières, même si l’on sait que la forêt indonésienne est en train de disparaître à une vitesse très grande et qu’il en est de même dans certains États situés au sud du bassin amazonien au Brésil. Notre zone d’étude recouvre en particulier la Côte-d’Ivoire et la Guinée où la transformation de zones forestières en surfaces agricoles a été très rapide au cours de ces dernières années.
ÉTAT DES SURFACES FORESTIÈRES EN CÔTE-D’IVOIRE Depuis une trentaine d’années, le développement économique de la Côte-d’Ivoire est axé principalement sur l’exploitation des ressources du secteur forestier (économie du bois, cultures vivrières et commerciales, plantations agro-industrielles). En 1947, l’estimation du massif forestier ivoirien était de 14,5 millions d’hectares et les inventaires de 1966 conduisent à un chiffre de 8,98 millions d’hectares. En 1974, l’actualisation des inventaires de 1966 montre que la forêt dense originelle ne représente plus que 5,4 millions d’hectares tandis que 3,58 millions d’hectares sont en forêt dégradée. Enfin, un état évaluatif des surfaces de végétation ligneuse en 1980 donne 4,46 millions d’hectares de forêt dense feuillue non dégradée et 8,4 millions d’hectares de jachères forestières (FAO, 1988). Les surfaces de forêts denses non encore exploitées ne dépassent pas quelques centaines de milliers d’hectares ; les surfaces des forêts denses déjà exploitées représentent la quasi-totalité des forêts denses productives (3,1 millions d’hectares en 1980). Mais certaines zones n’ont été que très partiellement dégradées alors que d’autres l’ont été intensivement. Il existe aussi des forêts classées dans lesquelles l’exploitation forestière est autorisée mais où les défrichements agricoles sont interdits. Ce « domaine forestier permanent de l’État » doit permettre de produire du bois et de garantir l’équilibre écologique. Il était composé en 1980 de 2,4 millions d’hectares en zone forestière humide. Ces estimations montrent la forte régression de la forêt dense humide de Côted’Ivoire et l’incertitude quant à l’extension réelle des surfaces forestières concernées. Les effets des défrichements intervenus depuis 30 ans dans la zone forestière de Côte-d’Ivoire sont graves : la diminution du taux de © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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boisement qui, pour des régions entières, est au-dessous de 20 % entraîne la raréfaction des ressources ligneuses ainsi que des effets écologiques irréversibles.
ÉTAT DES SURFACES FORESTIÈRES EN GUINÉE Les forêts guinéennes constituent le prolongement des forêts du Libéria et de l’Ouest de la Côte-d’Ivoire. De faibles superficies sont encore occupées par la forêt dense. La végétation climacique de la Guinée forestière est une mosaïque de forêts denses humides sempervirentes et semi-caducifoliées. L’essentiel des zones de forêt peu altérées par l’homme correspond aux forêts qui ont été classées pendant les années 30. En Guinée forestière, la forêt dense ne subsiste pratiquement plus que dans les zones au relief prononcé, difficiles d’accès. C’est en fait un paysage de « forêts savanisées » qui domine, c’est-à-dire des forêts secondaires très appauvries qui sont souvent envahies par des graminées. Les principales zones classées sont : le massif forestier du mont Ziama (110 000 hectares), la forêt de Diécké (62 000 hectares) au sud de N’Zérékoré et le massif des Fons (30 000 hectares). Ces superficies représentaient environ les deux tiers de la surface totale des forêts de la Guinée forestière en 1980 (FAO, 1982). La même étude fait état d’un taux moyen annuel de déforestation de 26 000 hectares par an en 1980, ce qui représentait environ 10 % des surfaces forestières denses humides du sud de la Guinée. D’après Adam (1968), la région de Kissidougou était encore couverte de forêts en 1875. Kissidougou se trouve à environ 60 km au nord du domaine forestier, ce qui permet d’estimer très grossièrement un recul moyen de 0,6 km/an dans cette région.
1. PRINCIPAUX OBJECTIFS DE L’UTILISATION DE LA TÉLÉDÉTECTION POUR L’ÉTUDE DES FORMATIONS FORESTIÈRES TROPICALES Parmi les grandes transformations intervenant à la surface du globe, l’extension de la déforestation, des surfaces de savanes tropicales et de la désertification ont été identifiées comme essentielles lors d’un récent colloque sur l’effet de serre (Bouwman, 1990). La déforestation, l’élargissement des zones dénudées, des périmètres irrigués ou simplement mis en culture font partie des transformations imputables aux sociétés humaines. Personne ne connaît précisément ni les conséquences des transformations de la biosphère continentale, ni les effets des combustions industrielles sur les composantes physico-chimiques de l’atmosphère.
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1.1. COMPRENDRE LES RYTHMES BIOLOGIQUES DES PRINCIPAUX BIOMES TROPICAUX À PARTIR DES SÉRIES TEMPORELLES D’IMAGES NOAA Le premier objectif de cette étude est de suivre la dynamique saisonnière des formations végétales qui forment la limite entre la forêt dense et les différents types de savanes en Afrique de l’Ouest. En outre, la compréhension des rythmes biologiques des principaux types forestiers est une nécessité afin de mieux interpréter leur réponse spectrale à une date donnée et d’optimiser le choix de la période pour cartographier des forêts. 1.2. DÉLIMITER LES SURFACES FORESTIÈRES SUR DES IMAGES À FAIBLE RÉSOLUTION SPATIALE (APPROCHE GLOBALE) Ce second objectif de cartographie des surfaces forestières à une échelle globale correspond au problème général d’inventaire des ressources forestières dans les régions tropicales (Malingreau et Tucker, 1988). Il est justifié par les incertitudes actuelles des estimations des surfaces de forêts primaires réalisées à partir de moyens statistiques classiques. 1.3. DÉTECTION DES ZONES AFFECTÉES PAR LA DÉFORESTATION La déforestation, la savanisation intertropicale et les différents processus de désertification sont vraisemblablement des transformations interdépendantes. Il faut donc les étudier conjointement (Blasco et Achard, 1990). Ces types de transformations planétaires majeures devraient faire l’objet d’un contrôle continu par satellite. La question se pose alors à savoir si les instruments spatiaux actuels sont adaptés au suivi de la dénudation des terres à l’échelle globale et en particulier au suivi de la déforestation dans les pays tropicaux.
2. MOYENS ET MÉTHODES 2.1. UTILISATION DES DONNÉES NOAA AVHRR : COMBINAISONS DE BANDES ; TEMPÉRATURE DE SURFACE Assurer un suivi des transformations qui affectent la biosphère nécessite, pour des raisons techniques et monétaires, d’avoir recours à des données de type NOAA AVHRR, celles de SPOT et de LANDSAT/TM (Thematic Mapper) n’étant pas adaptées à la connaissance des phénomènes sur de grandes surfaces. En fait, il est possible de combiner l’utilisation de ces deux types de données satellitaires : série d’images multitemporelles NOAA AVHRR HRPT (High Resolution Picture Transmission) à 1 km de résolution et NOAA AVHRR GAC (Global Area Coverage) à 4 km de résolution ; © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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images à haute résolution spatiale SPOT ou LANDSAT/TM qui servent pour la calibration et la validation sur des sitestests. Les caractéristiques principales des données AVHRR HRPT sont la haute fréquence temporelle d’acquisition (tous les 9 jours au nadir) avec une faible résolution (1,1 km x 0,8 km au nadir) alors que les données SPOT ou LANDSAT/TM sont caractérisées par leur haute résolution spatiale (20 ou 30 m) avec une faible fréquence temporelle de passage audessus d’un même point (tous les 26 ou 16 jours). Ces caractéristiques sont reprises dans le tableau 12.1. TABLEAU 12.1 Caractéristiques des capteurs NOAA/AVHRR, SPOT/HRV et LANDSAT/TM Satellite Lancement
NOAA-9/NOAA-11 Déc. 1984 / Oct. 1988
SPOT-1 Février 1986
LANDSAT-5 Mars 1984
Capteur
AVHRR
HRV
Thematic Mapper
Résolution au sol
0,8 km x 1,1 km au nadir 2,4 km x 6,9 km à l’angle de visée maximal
20 m x 20 m 30 m x 30 m en mode multispectral
Taille d’une scène
2 700 x 1 600 km
60 km x 60 km
185 km x 185 km
Numérisation
10 bits
8 bits
8 bits
Heure de passage à l’équateur
Ascendant 14 : 30
Descendant 10 : 30
Descendant 9 : 45
Périodicité
9 jours
26 jours
16 jours
Canaux spectraux avec leur intervalle (µm)
1 : 0,58 - 0,68 2 : 0,725 - 1,1 3 : 3,55 - 3,93 4 : 10,3 - 11,3 5 : 11,5 -12,5
1 : 0,50 - 0,59 2 : 0,61 - 0,68 3 : 0,79 - 0,89
1 : 0,45 - 0,52 2 : 0,52 - 0,60 3 : 0,63 - 0,69 4 : 0,76 - 0,90 5 : 1,55 -1,75 6 : 10,40 -12,50 7 : 2,08 - 2,35
L’instrument AVHRR fut conçu pour des applications météorologiques et océanographiques, mais l’inclusion de bandes sensibles au rouge et au proche infrarouge du spectre solaire a conduit à l’utilisation de ces données dans un grand nombre d’études des ressources terrestres. L’intérêt des bandes rouge et proche infrarouge présentes sur les instruments AVHRR, HRV et TM réside dans l’absorption de la première par les pigments chlorophylliens et les carotènes et dans la
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sensibilité de la seconde à la structure mésophylle des feuilles. Dans la partie du spectre électromagnétique située entre 0,5 et 0,7 µm, la végétation verte absorbe fortement le rayonnement, alors qu’entre 0,7 et 1,1 µm, les épidermes foliaires ont l’effet inverse de réflexion. Les rapports entre ces deux canaux sont, théoriquement, corrélés à la part du rayonnement photosynthétiquement actif absorbé (RPAA) par le couvert végétal (Tucker et Sellers, 1986). Le plus utilisé de ces rapports est l’indice de végétation normalisé (NDVI : Normalized Difference Vegetation Index). Nous avons utilisé l’indice de végétation normalisé (NDVI) et la température de surface (TS), calculée par la méthode du « split window » (Deschamps et Phulpin, 1980) sur quelques sites-tests sélectionnés pour les principales classes de végétation en zone forestière (forêt dense, savane herbeuse, cultures). 2.2. UNE APPROCHE MULTIRÉSOLUTION : SPOT, HRPT ET GAC Une première étape consiste à relever et à classer les différentes formations végétales sur quelques sites-tests à partir d’images à haute résolution spatiale. En particulier, deux sites-tests, le parc de la Marahoué et la réserve du Haut-Sassandra en zone « guinéenne » de Côte-d’Ivoire ont été cartographiés à partir d’images SPOT (canaux XS1, XS2, XS3). Les techniques de télédétection ont été utilisées dans ce cas pour préparer et compléter la phase de terrain. Une méthode de classification par maximum de vraisemblance peut être appliquée séparément sur quelques fenêtres après repérage sur le terrain de parcelles d’entraînement homogènes. Cette information thématique a été reliée à la densité de recouvrement arboré pour être finalement dégradée à une résolution de 1 km dans la même projection que les images NOAA. Alors que les canaux rouge et proche infrarouge des images à haute résolution spatiale sont suffisants pour produire une classification automatique à grande échelle, il est difficile de séparer la forêt dense des mosaïques forêt-culture en milieu guinéen au moyen du seul NDVI à 1 km de résolution, ce qui montre la difficulté du passage d’une échelle à une autre. En outre, l’archivage des données HRPT n’est pas systématique dans toutes les stations de réception et celles-ci ne couvrent pas encore l’ensemble de la ceinture intertropicale. Par exemple, pour le domaine tropical de l’Afrique, la seule station assurant un archivage systématique des données à 1 km de résolution est la station de Maspalomas (Îles Canaries, Espagne) pour l’Afrique de l’Ouest. La station de Niamey (Niger), qui couvre l’Afrique de l’Ouest et l’Afrique centrale, fonctionne depuis 1988 mais n’a commencé à assurer un archivage systématique
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qu’au début de 1991. Une autre station, celle de Nairobi (Kenya) devrait permettre d’avoir, dès cette année, une base de données complète sur toute l’Afrique tropicale (les stations de La Réunion, France et de Harare, Zimbabwe, sont opérationnelles mais n’assurent pas l’archivage des données). II existe un autre type de données appelées GAC qui sont acquises de façon journalière par les services de la NOAA sur l’ensemble du globe dans les 5 canaux de I’AVHRR. Celles-ci sont obtenues par un rééchantillonnage des données à pleine résolution à bord du satellite. Un pixel GAC est obtenu en affectant la moyenne de 4 pixels HRPT sur une même ligne à un bloc de 5 pixels et 3 lignes. Pour les études régionales nécessitant une base de données historiques, il est nécessaire d’utiliser ces données GAC, même si la procédure de sous-échantillonnage à l’origine de celles-ci limite l’interprétation de l’information contenue lorsqu’elles sont utilisées à pleine résolution (Belward, 1991). Les données AVHRR, combinées avec d’autres sources d’information telles que les données à haute résolution spatiale des satellites et les observations de terrain, peuvent donc conduire à la constitution d’une base de données globale ; cette base de données doit servir à la surveillance des surfaces forestières encore intactes sur toute la ceinture tropicale et à une meilleure compréhension du fonctionnement des écosystèmes forestiers tropicaux. 2.3. PHÉNOLOGIE, STRATIFICATION ET CARTOGRAPHIE La première étape a consisté à identifier les différentes formations végétales existantes en Afrique de l’Ouest. Pour caractériser les différents types physionomiques dans la zone phytogéographique « guinéenne », nous avons considéré les classes suivantes : forêt dense ombrophile, forêt dense semi-décidue, savane herbeuse et cultures (tableau 12.2). TABLEAU 12.2 Description physionomique simplifiée des unités de végétation dans la zone d’étude (d’après Guillaumet et Adjanohoun, 1971 et UNESCO, 1973) 1. Forêt dense humide ombrophile : dense, haute (40 m), multistrate. 2. Forêt mésophile semi-décidue : multistrate, strate supérieure en partie décidue au cours de la saison sèche, deuxième strate toujours verte. 3. Savane herbeuse : hautes graminées avec de rares arbres.
4. Cultures tropicales telles que café, cacao et plantations de bananiers et différents types de mosaïques forêt dégradée – culture.
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Les facteurs climatiques et la stratification du milieu déterminent les variations saisonnières des ligneux et des herbacées : –
Pour la forêt dense semi-décidue, les variations journalières et saisonnières des facteurs d’environnement sont importantes. Certaines essences telles que le Terminalia superba restent défeuillées pendant plusieurs semaines : la défoliation est courte mais quasi totale en janvier et février (observations en forêt près de Bouaké, Côte-d’Ivoire).
−
En zone de savanes, le grand démarrage de la végétation herbacée s’effectue après les premières pluies. Les feux de brousse sont un facteur important de la dynamique des savanes ; ils marquent en général la fin du cycle des plantes annuelles.
Le but d’une stratification est d’individualiser de grandes zones homogènes du point de vue des conditions écologiques et en particulier du climat, et d’aider ainsi à l’identification des formations végétales. Une stratification se justifie par le fait qu’une même formation végétale (d’un point de vue physionomique) peut être présente dans plusieurs domaines mais avoir un cycle phénologique très différent suivant le domaine bioclimatique dans lequel elle se développe. Une stratification peut être réalisée soit de manière classique à partir des cartes bioclimatiques ou phytogéographiques existantes, soit à partir de l’interprétation visuelle d’images de télédétection. Une telle méthode a été testée en utilisant des compositions colorées d’images NOAA AVHRR en saison sèche dans la représentation canal 3 en rouge, canal 2 en vert et canal 1 en bleu (Laporte, 1990). Des zones de transition ont pu être définies et une comparaison avec la carte de White (1983) a été effectuée. Dans cette étude, nous nous sommes intéressés principalement à la zone de transition forêt-savane. Une composition colorée (planche XVIII) où le canal moyen infrarouge (AVHRR 3) apparaît en rouge, le canal proche infrarouge (AVHRR 2) apparaît en vert et le canal rouge (AVHRR 1) apparaît en bleu permet de séparer les domaines de la végétation « guinéenne » humide de la végétation « soudanienne » sèche (Achard et Blasco, 1990a) grâce au gradient thermique caractéristique d’un transect nord-sud dans cette zone de transition (Malingreau et al., 1989). Un seuillage a été réalisé dans le canal 2 de I’AVHRR sur cette composition colorée. L’utilisation de ce simple seuillage permet de séparer la forêt dense humide sempervirente ou semi-décidue de son environnement de cultures arbustives et de plantations à l’intérieur du domaine phytogéographique dit « guinéen ».
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3. RÉSULTATS 3.1. COMPORTEMENTS PHÉNOLOGIQUES ET RYTHMES BIOLOGIQUES DES GRANDS ENSEMBLES DE VÉGÉTATION SUR QUELQUES SITES À PARTIR D’IMAGES NOAA AVHRR HRPT La première étape porte sur les variations au cours de l’année de l’activité chlorophyllienne de la phytomasse sur nos sites-tests. Trentequatre images LAC depuis octobre 1986 jusqu’à septembre 1987 ont été calibrées radiométriquement (éclairement solaire), corrigées géométriquement et cartographiées dans une projection degré-carré (1 200 points x 1 000 lignes, résolution : 1/100°). Grâce aux courbes d’évolution du NDVI (figure 12.1), il est possible de séparer le comportement de la savane herbeuse de celui de la forêt dense semi-décidue : en saison sèche (janvier à mars) l’indice de végétation de la forêt est élevé à partir du moment de la feuillaison des arbres décidus. Mais il est impossible de séparer le comportement des cultures de celui de la forêt, car ces cultures tropicales (café, cacao, etc.) ont les mêmes cycles d’activité chlorophyllienne et leurs réponses sont intermédiaires entre celles de la forêt de la Marahoué (jouxtant la savane) et celle de la forêt du HautSassandra (plus à l’intérieur dans la zone forestière). Le tracé des évolutions de la température de surface (figure 12.1) montre qu’il est possible de séparer le comportement de la savane herbeuse de celui de la forêt dense semi-décidue sur le site du parc de la Marahoué. La savane atteint un maximum en février (40 °C) qui est plus important que celui de la forêt (31 °C) dont le comportement est plus stable. Pour le site de la réserve du Haut-Sassandra, la température de surface de la forêt et celle des couverts de culture présentent de faibles différences (moyenne de 23 °C pour la forêt) et il est impossible de séparer ces deux classes. Le maximum de température en fin de saison sèche permet donc de différencier la végétation à cycle saisonnier bien marqué (savane herbeuse), de la végétation sempervirente ou semi-décidue. Les différences de comportement thermique deviennent nettes à partir du mois de janvier et restent élevées jusqu’au mois de mars. Le déphasage du début de l’élévation de la température par rapport au début de la saison sèche s’explique probablement par le recouvrement partiel par les herbacées desséchées en début de saison sèche. 3.2. ESSAI DE CARTOGRAPHIE D’UN MASSIF FORESTIER En zone « guinéenne », les types de végétation naturelle étant relativement homogènes, on obtient de bons résultats de classification sur les images à haute résolution spatiale (par exemple, 95 % de pixels bien classés sur le parc de la Marahoué à partir d’une image SPOT).
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FIGURE 12.1 Courbes d’évolution du NDVI et de la température de surface en zone guinéenne sur le parc national de la Marahoué et la réserve du Haut-Sassandra
ÉVOLUTION DE L’INDICE DE VÉGÉTATION NORMALISÉ (NDVI) Moyenne des valeurs de tous les pixels
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FIGURE 12.1 Courbes d’évolution du NDVI et de la température de surface en zone guinéenne sur le parc national de la Marahoué et la réserve du Haut-Sassandra (suite)
ÉVOLUTION DE LA TEMPÉRATURE DE SURFACE (TS) Moyenne des valeurs de tous les pixels
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Une interprétation des images NOAA traitées peut être faite dans une composition colorée particulière : NDVI codé en rouge, indice de brillance codé en vert (calculé sur les canaux 1 et 2) et température de surface codée en bleu. En milieu de saison sèche, il est possible de séparer les deux grandes zones à potentialités écologiques différentes : région des savanes et région de la forêt dense humide (stratification). La première région est caractérisée par un faible indice de végétation correspondant à un dessèchement des herbacées et une température de surface élevée, alors que la seconde montre un indice plus élevé dû à la présence du feuillage des arbres et une température plus faible due à la protection du couvert végétal. Nous savions déjà que le NDVI calculé à partir des données à 1 km de résolution peut aider, en saison sèche, à mettre en évidence des différences de recouvrement arboré (Achard et Blasco, 1990b). Cependant, les écarts entre valeurs sur l’axe virtuel de cet indice de végétation sont relativement faibles. Pour la cartographie des forêts denses, l’utilisation du canal 2 ou du canal 3 est nécessaire. Ainsi, un seuillage des réflectances dans le canal 2 sur l’image du 13 janvier 1987 à une valeur de 7 % semble donner une bonne estimation des surfaces forestières du parc national de la Marahoué et de la réserve forestière du Haut-Sassandra. La forêt dense se caractérise, en effet, par des valeurs plus faibles dans le canal proche infrarouge et moyen infrarouge que les formations dégradées qui l’entourent pendant la saison sèche. Une méthode cartographique des forêts à partir de données AVHRR avait été développée pour le Ghana (Païvinen et Witt, 1988) et les résultats de cette classification ont été évalués par comparaison numérique avec une carte issue de données LANDSAT/TM (Cross et al., 1991). Une carte des forêts denses humides de l’Afrique de l’Ouest (Libéria, Guinée, Côte-d’Ivoire et Ghana) a été obtenue par synthèse de classifications automatiques de deux images HRPT (13 janvier 1987 et 4 janvier 1989). Un regroupement des classes de végétation en deux classes principales, forêt et non-forêt, a été effectué par interprétation visuelle. La planche XIX montre un extrait sur la Côte-d’Ivoire et la Guinée. Le comptage des pixels doit permettre de donner une évaluation récente des surfaces forestières denses humides encore peu dégradées. 3.3. ÉVALUATION DE LA DÉFORESTATION Les principales conclusions de l’étude sur le terrain dans cette zone de contact forêt-savane portent sur la richesse floristique (gradient de diversité spécifique en forêt selon l’axe nord-sud dans le parc national de la Marahoué) et sur le grand dynamisme des systèmes de production en
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périphérie du parc et de la réserve forestière. L’importance d’une cartographie et d’un suivi de la déforestation sont justifiées par l’ignorance des défrichements réalisés à l’intérieur des limites du parc et de la réserve. Les données dérivées des satellites SPOT et LANDSAT sont intéressantes pour des études détaillées, mais ne permettent pas de se rendre compte de l’amplitude du phénomène alors que nous avons vu que les observations d’une nature plus globale sont possibles avec l’instrument AVHRR. En particulier, la haute fréquence temporelle de couverture globale relevée par le capteur AVHRR à une résolution de 4 km sur l’ensemble des zones tropicales, ou de 1 km en certaines zones, et la possibilité de réaliser une cartographie forêt/non-forêt avec ce type de données permettent d’envisager un système de surveillance de la déforestation tropicale. En effet, le suivi de la dynamique saisonnière de la végétation forestière sur certains sites déterminants et la possibilité de discrimination sous certaines conditions entre les forêts denses humides intactes et les forêts dégradées ou les cultures permettent d’espérer le développement prochain d’un système de suivi des surfaces forestières (projet TREES, 1990). L’analyse des données AVHRR fournit aussi des éléments uniques d’informations liées aux dommages et aux contraintes exceptionnelles que subissent les forêts tropicales.
CONCLUSION Les images à haute résolution ont montré leur utilité comme référence pour travailler avec une série d’images NOAA AVHRR à 1 km de résolution. En outre, le suivi de l’indice de végétation normalisé (NDVI) sur deux sites en zone phytogéographique « guinéenne » nous montre qu’il n’est pas possible de séparer les surfaces de cultures arbustives des milieux naturels forestiers à partir de ces seuls paramètres à la résolution du kilomètre. À l’intérieur des milieux naturels ou spontanés, seuls les comportements de la savane herbeuse (sans ligneux) et des types très boisés peuvent se séparer, notamment grâce au décalage phénologique des herbacées et des ligneux en saison sèche. La température de surface ou le canal moyen infrarouge sont des compléments très utiles au NDVI : ces paramètres permettent, d’une part, de mieux différencier les types de végétation et fournissent, d’autre part, une information supplémentaire sur l’état thermique du couvert. Même si la qualité des réponses enregistrées par le capteur AVHRR est limitée par les perturbations atmosphériques qui affectent cette région (vent d’harmattan ou nuages de la mousson), la séparation
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entre les deux zones à potentialités écologiques différentes que sont la zone forestière (forêt dense humide) et la zone de savanes (et forêt sèche) est possible en milieu de saison sèche. L’utilisation combinée des canaux 2 et 3 nous a permis d’obtenir une cartographie à petite échelle des forêts denses humides tropicales de l’Afrique de l’Ouest, mais une méthode de validation d’une telle cartographie à une échelle régionale doit être développée. L’utilité des canaux proche infrarouge et moyen infrarouge du capteur AVHRR a cependant été clairement démontrée pour cet objectif de cartographie. L’utilisation combinée des données AVHRR à 1 et 4 km de résolution et des données à haute résolution spatiale de type SPOT ou LANDSAT permet de cartographier et de suivre l’évolution des surfaces forestières denses à une échelle globale tout en autorisant des contrôles très détaillés et précis de la méthode mise en œuvre sur des sites particulièrement vulnérables.
PROSPECTIVE Ce travail sur l’utilisation des produits spatiaux aux diverses résolutions nous permet d’exprimer quelques idées sur le thème de la déforestation intertropicale, étudiée grâce aux satellites actuels. Il s’agit essentiellement de dégager les principaux axes d’investigations dans ce domaine. Nous concluons, d’une part, qu’il ne faut pas limiter l’utilisation des données satellitaires au seul paramètre « indice de végétation », mais qu’il est indispensable de pouvoir utiliser l’information des canaux 2 et 3 de I’AVHRR. Nous constatons, d’autre part, que les données fournies par le capteur AVHRR ne sont pas bien adaptées à l’approche conventionnelle de la description très détaillée de la végétation. Il apparaît donc primordial de développer plusieurs axes d’investigation susceptibles de faire progresser notre connaissance de la végétation forestière tropicale et des informations spectrales. Les démarches futures nécessitent : 1) l’établissement de nouvelles cartes de végétation à petite échelle, afin d’y intégrer les informations fournies par les satellites, en particulier sur les cycles saisonniers d’activité chlorophyllienne des couverts végétaux. 2) le recours à la télédétection pour l’étude de ces problèmes globaux, et qu’elle ne soit plus considérée comme un simple outil, mais comme une source d’information unique : ses données sont probablement les seules qui puissent nous permettre d’évaluer et de comprendre les mécanismes de dégradation des grands ensembles forestiers tropicaux.
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Une telle approche devrait permettre, à moyen terme, d’évaluer les conséquences des transformations planétaires en cours et, en particulier, celles de la déforestation tropicale.
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Les applications du radar en milieu forestier Annick JATON et Keith P.B. THOMSON
Sommaire Introduction 1. Les systèmes radars 1.1. Les systèmes radars aéroportés 1.2. Les systèmes radars dans l’espace 1.3. Les diffusomètres 2. Les sites d’étude 3. L’identification des types de couvert forestier 3.1. La distinction entre la forêt et les autres utilisations du sol 3.2. La distinction entre les feuillus et les conifères 3.3. L’identification des types de feuillus 3.4. L’identification des types de conifères 4. L’identification des zones de coupes et de régénération 5. L’identification des perturbations du milieu forestier 5.1. Les feux de forêts 5.2. Les maladies 6. L’estimation de l’âge, de la hauteur et de la densité des arbres 7. Autres informations détectées par radar 8. L’apport du contenu textural des images radar Conclusion Références bibliographiques
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Annick Jaton et Keith P.B. Thomson
Résumé Ce document vise à résumer les études menées au cours des années 80 portant sur le potentiel des données radar en milieu forestier. Le lancement prochain de plusieurs plates-formes satellitaires munies de radar suscite déjà depuis quelques années un intérêt grandissant pour les applications de ce type de données aux ressources terrestres. Par ailleurs, des problèmes tels que la déforestation et l’état général des écosystèmes forestiers du globe sont de plus en plus à l’ordre du jour. Le radar, de par son indépendance relative face aux conditions climatologiques et d’illumination, peut être un outil très utile pour des travaux d’inventaire ou d’aménagement forestier. Ceci est non seulement vrai en milieu tropical mais également pour d’autres régions du globe, car la fréquence possible d’acquisition des données radar est un atout de taille. Ainsi, un résumé des études reliées à la cartographie des types de couvert forestier, des zones de coupes, d’incendie ou de maladie à l’aide des données radar est présenté. Les paramètres radar optimaux nécessaires à cette cartographie et à l’aménagement forestier sont également abordés. Les zones à l’étude se situent principalement en forêt boréale ou tempérée de l’Amérique du Nord et de l’Ouest de l’Europe et en forêt tropicale, alors que les données proviennent principalement du radar à antenne synthétique (RAS) du Centre canadien de télédétection (CCT), des systèmes STAR 1 et 2 de la compagnie Intera, du satellite SEASAT et des missions SIR-A et SIR-B. Les travaux effectués jusqu’à ce jour ne permettent pas de conclure à la grande efficacité du radar pour des travaux de cartographie. Toutefois, les études portant sur la distinction entre les forêts et les autres utilisations du sol, l’identification de coupes et de forêts inondées et la séparation entre feuillus et conifères se sont avérées concluantes. Les mesures de texture et les analyses multitemporelles du RAS ont un avenir particulièrement prometteur en foresterie.
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Les applications du radar en milieu forestier
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INTRODUCTION Depuis les années 70, les techniques de télédétection ont pénétré graduellement le monde forestier. Bien qu’encore aujourd’hui la photographie aérienne soit le médium le plus fréquemment utilisé, les images numériques peuvent s’avérer d’une grande utilité en milieu forestier. Rappelons que depuis le lancement de LANDSAT-1 en 1972, les applications en foresterie n’ont cessé de se développer. De leur côté, les capteurs ont également évolué améliorant leurs résolutions spatiale, spectrale et radiométrique. Les données du capteur TM (Thematic Mapper) de LANDSAT ont prouvé leur utilité en foresterie. Des expériences de cartographie de coupes, de feux de forêt et de types de couvert forestier se sont avérées concluantes (Horler et Ahern, 1986 ; Hopkins et al., 1988 ; Williams et Nelson, 1986). Le capteur HRV (haute résolution visible) de SPOT a confirmé ces résultats bien que n’apportant pas d’améliorations significatives (Seuthé et al., 1987 ; Guyon et Riom, 1987). Les années 80 nous ont, par ailleurs, apporté les données dans le domaine des micro-ondes et, par conséquent, différents systèmes RADAR (Radio Detecting and Ranging). L’utilité incontestable de ces données en océanographie et pour les glaces a entraîné la mise sur pieds de trois projets majeurs de systèmes radars satellitaires dans les années 90 soit : RADARSAT (Canada), ERS-1 (Europe) et J-ERS-1 (Japon). La disponibilité prochaine et fréquente d’images radar ne pouvait qu’inciter les chercheurs à relever les possibilités de ce type de capteur pour d’autres applications et plus particulièrement, en ce qui nous concerne, pour la foresterie. Non seulement la fréquence d’acquisition est un atout majeur du radar mais son indépendance face aux conditions d’illumination ou météorologiques fait également sa force. Même si le radar peut être la seule source de données pour le suivi des forêts tropicales, ses capacités peuvent être mises à profit pour d’autres régions du globe. N’oublions pas que d’énormes efforts et de gros montants d’argent ont déjà été investis afin d’estimer les surfaces forestières, leurs caractéristiques et leurs changements temporels. De plus, la proportion d’images acquises dans les domaines du visible et de l’infrarouge qui ne présentent pas une trop forte couverture nuageuse est insuffisante pour rendre opérationnelle l’utilisation des données satellitaires en foresterie (Ahern et Horler, 1986). La télédétection peut donc jouer un rôle important et être bénéfique autant aux industries forestières et aux gouvernements qu’aux personnes préoccupées par la qualité de l’environnement. Ainsi, au cours des dernières années, de nombreuses recherches ont été menées afin de vérifier le potentiel du radar en milieu forestier. Cet article représente un résumé des conclusions tirées au fil de ces
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recherches. Après une description des systèmes radars disponibles ou futurs, nous verrons les capacités du radar à distinguer des types de couverts forestiers, des zones de coupe et de régénération forestière, des feux de forêt et d’autres perturbations de ce milieu tout en gardant une vision environnementale du sujet.
1. LES SYSTÈMES RADARS Le but de cet article n’est pas d’expliquer les finesses d’un système radar ni son fonctionnement. Les principes fondamentaux de ce système sont d’ailleurs décrits dans plusieurs ouvrages tels que The Manual of Remote Sensing (Colwell, 1983) ou d’autres publications (Elachi, 1988 ; Bonn et Rochon, 1992). Cependant, pour mieux nous situer, nous présentons à la figure 13.1 le spectre élecromagnétique et plus particulièrement les bandes spectrales propres au radar. Mentionnons, par ailleurs, que les micro-ondes pénètrent la végétation plus ou moins profondément en fonction de la longueur d’onde, de la polarisation et de l’angle d’incidence, et qu’elles sont très sensibles à l’humidité. Toutefois, même après plusieurs années de recherche, l’interaction entre micro-ondes et végétation n’est pas complètement expliquée (Ulaby et al., 1986). Ulaby et Dobson (1989) fournissent de l’information supplémentaire quant à la diffusion du radar sur certains types de végétation.
Les systèmes radars faisant l’objet des principales recherches sont les radars à synthèse d’ouverture aussi appelés radars à antenne synthétique (RAS). Rappelons que le RAS se distingue par une
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antenne synthétique ou virtuelle permettant de simuler une longue antenne, ce qui est absolument nécessaire pour obtenir une bonne résolution azimutale à haute altitude. Les paragraphes suivants dressent un portrait des systèmes radars fonctionnels ou futurs et de leurs principales caractéristiques. 1.1. LES SYSTÈMES RADARS AÉROPORTÉS Dans les années 70, les premières études sur les applications du radar en foresterie ont été effectuées avec des données traitées optiquement et provenant de radars aéroportés. Dans un premier temps, ces systèmes étaient munis d’une seule bande spectrale alors que par la suite, ils opéraient avec plusieurs bandes spectrales et plusieurs polarisations (comme par exemple, le RAS-580 du Centre canadien de télédétection (Rawson et al., 1975)). Par la suite, soit dans les années 80, les procédés numériques d’enregistrement et de traitement des données RAS ont permis le développement des systèmes aéroportés RAS du CCT (Livingstone et al, 1987), et STAR 1-2 de Intera. Les principaux systèmes radars aéroportés sont présentés au tableau 13.1. TABLEAU 13.1 Les principaux systèmes RAS aéroportés depuis 1970
Nom
Provenance
GEMS Goodyear CV-990 NASA/JPL RAS-580 CCT/ERIM
STAR-1
INTERA
1971 1977 1973 1973 1982 1984
STAR-2
INTERA
1987
RAS C/X CCT
Bandes spectrales
Année
1987
X L X L C X
(3 cm) (25 cm) (3 cm) (24 cm) (5,5 cm) Haute résolution Balayage large X Haute résolution Balayage large C/X Mode nadir Balayage étroit Balayage large
Polarisation Largeur Résolution Transmission/Réception couloir 10 x 10 m 10 x 10 m 10 x 10 m
HH HH, VV, HV, VH HH, VV, HV, VH
37 km 8-15 km 5,4-20 km
6x6m 12 x 6 m 8x5m
HH HH HH HH HH, VV, HV, VH HH, VV, HV, VH HH, VV, HV, VH
25 km 50 km 19 km 65 km 22 km 18 km 63 km
6x6m 6x6m 20 x 10 m
1.2. LES SYSTÈMES RADARS DANS L’ESPACE La fin des années 70 et les années 80 ont également vu l’arrivée des premiers systèmes RAS expérimentaux dans l’espace. À ce momentlà, les procédés d’enregistrement et de traitement des données
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numériques du RAS s’étaient déjà grandement développés. SEASAT a été le premier satellite porteur d’un RAS. Ce satellite, à vocation océanographique, était équipé de deux capteurs passifs SVIRR (Scanning Visible and Infrared Radiometre) et SMMR (Scanning Multichannel Microwawe Radiometer), d’un altimètre radar, d’un diffusomètre radar et d’un RAS. SEASAT a également servi pour des études en foresterie et les caractéristiques du RAS sont résumées au tableau 13.2. TABLEAU 13.2
Les caractéristiques du RAS de SEASAT, de SIR-A et SIR-B
Nom
Bandes spectrales
Résolution azimutale
SEASAT SIR-A SIR-B
L (23,5 cm) L (23,5 cm) L (23,5 cm)
25 m 40 m 25 m
Polarisation Transmission/Réception
Champs d’observation
Angle d’incidence
100km 50 km 20-50 km
20° 47° 15°- 57°
HH HH HH
La navette spatiale américaine a également participé à l’observation de la Terre par radar lors des deux missions SIR-A (1981) et SIR-B (1984). Le capteur SIR-A (Shuttle Imaging Radar-A) était en fait une version dérivée du radar latéral de SEASAT et SIR-B, quant à lui, était similaire à SIR-A mais avec un angle d’incidence réglable entre 15° et 60° (tableau 13.2). Les études en milieu forestier reportées dans les sections suivantes feront référence à ces trois principaux capteurs RAS de l’espace, mais vu le lancement récent de deux satellites munis de RAS (ERS-1 et )ERS-1), et le lancement prochain de RADARSAT, un résumé de leurs propriétés fait l’objet du tableau 13.3. TABLEAU 13.3 Nom du satellite
Pays
Les futurs RAS satellitaires Année de Bandes Résolution Champs Angle lancement spectrales azimutale Polarisation d’observation d’incidence
ERS-1 Europe (ASE) 1991 J-ERS-1 Japon 1992 RADARSAT Canada 1995
C (5,66 cm) L C
20 m 25 m 30 m
VV HH HH
80 km 75 km 150 km
23° 35° 30°-45°
1.3. LES DIFFUSOMÉTRES Afin de déterminer les propriétés de la rétrodiffusion des arbres, des études avec diffusomètre ont débuté dès le début des années 80 en foresterie. La compréhension du coefficient de rétrodiffusion néces-
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Les applications du radar en milieu forestier
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sitait de contrôler les mesures autant en fonction de la fréquence, de la polarisation et de l’angle d’incidence qu’en fonction des cibles (arbres, troncs, branches, feuilles, aiguilles, sol, etc.). Les diffusomètres sont installés soit près du sol, soit montés à bord des avions ou encore manipulés en laboratoire. Les études forestières avec diffusomètre présentées dans ce document sont menées avec les bandes K, X, C et L, les différentes polarisations — polarisation parallèle en transmission et réception (HH ou VV) ou encore, polarisation croisée (HV ou VH) – et des variations de l’angle d’incidence.
2. LES SITES D’ÉTUDE Les principaux travaux exécutés dans le but d’étudier les applications du radar en foresterie ont été effectués dans la forêt boréale ou tempérée du Canada, des États-Unis et de l’Ouest de l’Europe. Comme le radar présente un avantage évident en milieu tropical, la forêt tropicale de l’Amérique du Sud (Colombie), du Sud-Est de l’Asie (Malaisie), de l’Afrique (Congo) et du Nord de l’Australie sera également traitée dans ce document. Notons, par ailleurs, que la plupart des études ont été menées en été mais que les différences de conditions (climat, types de forêt, densité, etc.) rendent difficile la comparaison des résultats.
3. L’IDENTIFICATION DES TYPES DE COUVERT FORESTIER Cette section et les suivantes seront consacrées à un résumé des recherches effectuées ayes les RAS présentés antérieurement. La prudence est de mise quant à la généralisation des résultats ou à leur extrapolation, car même encore aujourd’hui peu d’études sont disponibles, surtout en bande X, les données provenant de l’espace n’étant captées, jusqu’à récemment, qu’en bande L. Werle (1989a) présente une revue de littérature plus exhaustive concernant les applications du radar en foresterie. 3.1. LA DISTINCTION ENTRE LA FORÊT ET LES AUTRES UTILISATIONS DU SOL La forêt peut être distinguée clairement des autres types d’utilisation du sol avec des données radar aéroportées ou satellitaires et des diffusomètres et ceci dans les trois bandes spectrales C, X et L (Drieman et al., 1989b ; Hoffer et al., 1985 ; Muller et Hoffer, 1985 ; Thompson et Dams, 1990). Toutefois, les analyses avec le diffusomètre ont démontré que la distinction est plus évidente en bande L (Mehta, 1984 ; Hoekman, 1987). Hoffer et al., (1985) ont également montré que l’angle d’incidence influence grandement la capacité du radar en bande L (SIR-B) à différen-
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cier la forêt des zones non forestières. De leur côté, Muller et Hoffer (1985) ont démontré qu’en bande L avec des données aéroportées, la polarisation croisée apportait un contraste supérieur entre la forêt et les autres utilisations du sol à celui que procurait la polarisation parallèle. Notons que la distinction entre une zone forestière ou non forestière est possible autant en forêt boréale, tempérée qu’en forêt tropicale. Thompson et Dams (1990) rapportent d’ailleurs plusieurs études concluantes en milieu tropical. 3.2. LA DISTINCTION ENTRE LES FEUILLUS ET LES CONIFÈRES La distinction entre les feuillus et les conifères est généralement possible avec les données du RAS dans toutes les fréquences. La bande X a démontré un taux de succès plus élevé que la bande L (Sieber et Noack, 1986 ; Shuchman et al., 1978). Par ailleurs, la polarisation parallèle est dans ce cas plus efficace que la polarisation croisée comme nous l’ont démontré Muller et Hoffer (1985) en bande L, Drieman et al. (1989a) en bande C et Knowlton et Hoffer (1983) en bande X. Des analyses multitemporelles telles que celle effectuée par Drieman et al., (1989b) avec des données RAS (C-HH) en Ontario ont certainement un avenir prometteur pour la distinction des feuillus et des conifères et l’identification des essences. 3.3. L’IDENTIFICATION DES TYPES DE FEUILLUS Peu d’études nous révèlent les capacités du radar pour la détection des essences feuillues. Néanmoins, il semble qu’il soit possible d’en différencier quelques types dans les trois bandes C, X et L avec un taux de succès moyen (Shuchman et al., 1978 ; Sieber et Noach, 1986). Les données de SIR-B (L-HH) permettent la distinction de plusieurs espèces de feuillus en forêt tempérée ou tropicale à condition que l’angle d’incidence soit modéré (Antony, 1986, Antony, 1986, Way et al., 1990). Les résultats des études avec un diffusomètre révèlent que les principaux centres de diffusion des feuillus sont les branches et les ramilles plutôt que les feuilles en bande L (Sieber, 1985). 3.4. L’IDENTIFICATION DES TYPES DE CONIFÈRES Quelques types de conifères peuvent être perçus avec le RAS. Shuchman et al. (1978) indiquent que plusieurs espèces de pin ont pu être détectées en se servant de la bande L et de la polarisation HH. Hoffer et al. (1987) distinguent également, en bande L-HH, les plantations de pins par rapport aux pins à l’état naturel. Sieber et Noach (1986) confirment eux aussi que la bande L est la plus appropriée dans ce cas.
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Les recherches effectuées avec le diffusomètre rapportent encore une fois l’importance de l’angle d’incidence dans la différenciation d’espèces et confirment le fait que la distinction d’essences n’obtient qu’un succès moyen.
4. L’IDENTIFICATION DES ZONES DE COUPES ET DE RÉGÉNÉRATION Alors que les données fournies par SEASAT et SIR-B, analysées séparément, ne permettent qu’une distinction vague ou impossible des coupes et des sites de régénération (Werle et al., 1986), la combinaison des deux types par une analyse multitemporelle est très encourageante pour localiser les zones de déforestation, de reboisement ou de régénération par contraste avec les zones où aucun changement n’a eu lieu (Hoffer et Lee (1989) obtiennent 85 % de précision). Ahern et Drieman (1988) ont conclu que la qualité d’une cartographie de coupes en forêt boréale avec le RAS C-HH à 6 mètres de résolution était bonne mais insuffisante pour satisfaire les normes d’inventaires forestiers provinciaux au Canada. Ils ajoutent qu’une analyse multitemporelle améliorerait certainement les résultats. De leur côté, Kneppech et Ahern (1989) ont pu, par analyse visuelle d’images, repérer les coupes et les zones de régénération sans toutefois pouvoir distinguer les niveaux de régénération (données RAS C-VV et C-VH). Par contre, Edwards et al. (1988) ont détecté différents stades de régénération à l’aide d’information texturale. En général, la bande C ressort comme étant la bande la plus prometteuse et la polarisation croisée est jugée plus appropriée avec des données aéroportées. En forêt tropicale où le problème de déforestation est très présent, différents projets de cartographie de l’utilisation du sol ont permis de relever et de cartographier des coupes partielles et des coupes intensives ayant pour but l’agriculture. Dams et al. (1987) et Thompson et Dams (1990) rapportent de tels projets au Costa Rica, au Congo, en Malaisie et en Colombie avec des données de STAR-1 et Werle (1989b) en Chine avec des données de SIR-B. Les auteurs mentionnent des problèmes d’interprétation dans les régions de haut relief où le signal radar tend à être très brillant. L’identification des coupes dans ce milieu est réalisée autant par interprétation visuelle des niveaux de gris, par comparaison des textures ou encore par association d’objets (présence de chemins, de canaux, etc.). Même si l’identification des coupes et donc l’évaluation de l’état d’épuisement de la forêt ne peuvent se faire que sous certaines conditions avec le radar, il reste qu’en milieu tropical, cet outil est indispensable. Mentionnons d’ailleurs que 50 % des ressources
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forestières mondiales se trouvent sous les tropiques et que ces ressources évoluent très rapidement dans un tel environnement. Cette évolution incessante est due principalement à l’activité humaine et se doit d’être évaluée et de surcroît contrôlée. La dégradation des écosystèmes forestiers et la rupture de la production de biomasse forestière ont une influence sur la stabilité des processus écologiques. En fait, tout changement perturbe le cycle hydrodynamique, les flux de température, le cycle du carbone et la préservation des sols.
5. L’IDENTIFICATION DES PERTURBATIONS DU MILIEU FORESTIER 5.1. LES FEUX DE FORÊTS La prévention des feux de forêts et l’évaluation de l’étendue de leurs dégâts est un aspect important de la foresterie. Les forêts ravagées par le feu sont facilement repérées avec des données dans le domaine du visible ou de l’infrarouge, tout comme les coupes. En milieu tropical, le radar est encore une fois un atout pour la détection des dommages causés par les incendies. Des zones récemment incendiées ont été relevées avec les données STAR-1 (Thompson et Dams, 1990). Par contre, en forêt boréale ou tempérée, les données radar sont plus utiles à la prévention de ces catastrophes écologiques. Les feux sont très dépendants de l’essence, de l’âge, de la densité, des pratiques sylvicoles, des dommages causés par les insectes et, bien sûr, du degré d’assèchement. Plusieurs de ces paramètres peuvent être estimés par les RAS et pensons plus particulièrement à l’humidité du sol et des arbres ou aux infestations (sujet de la prochaine section). Malheureusement, peu d’études sur le sujet sont disponibles. 5.2. LES MALADIES Les principales études sur l’utilité du radar pour la détection des forêts malades concernent la tordeuse des bourgeons d’épinette. Cet insecte s’attaque principalement à certains résineux de l’Est de l’Amérique du Nord. La tordeuse se nourrit des bourgeons et des nouvelles aiguilles (quoique en cas extrême, elle s’attaque également aux plus anciennes). Les aiguilles deviennent rouges une fois la tordeuse installée puis finissent par tomber. Si la défoliation se poursuit sur plusieurs années, l’arbre meurt. Peu de recherches se rapportent à ce domaine mais Churchill et Keech (1984) indiquent qu’il est possible de bien identifier les régions atteintes avec des données RAS en bande C ou X. Nous n’avons aucune étude permettant de croire à la prévision des zones à risque. Les recherches en cours quant à l’information recueillie par le signal
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radar sur la biomasse forestière devraient fournir d’ici quelques années des indications sur la capacité du radar à prédire ou à évaluer de telles infestations ou autres maladies de la forêt.
6. L’ESTIMATION DE L’ÂGE, DE LA HAUTEUR ET DE LA DENSITÉ DES ARBRES L’âge, la hauteur et la densité des arbres constituent les trois paramètres qui, avec l’essence, permettent de caractériser des peuplements forestiers. Ils sont recueillis habituellement par photo-interprétation et visites sur le terrain. La télédétection ne peut donner de l’information aussi précise que ces deux dernières techniques mais peut, par contre, fournir des estimations très utiles. Dans le domaine des micro-ondes, obtenir des approximations ou classes grossières de l’âge, de la hauteur et de la densité est possible sous certaines conditions d’après le peu d’études menées jusqu’à ce jour. Différentes classes d’âge et de hauteur ont été relevées avec des données du RAS aéroporté en bande L par Riom et Le Toan (1980) et Wu et Sader (1987). Les capacités des bandes C et X de RAS aéroportés et de la bande L de SEASAT ou SIR-B sont encore inconnues pour ce type d’applications. De plus, il semble que les polarisations HH ou HV soient plus appropriées que les polarisations VV ou VH pour discriminer la hauteur des arbres. Ford et Wickland (1985) indiquent qu’une multipolarisation aide à la discrimination de la densité (bande L). Finalement, la densité n’a pas été beaucoup évaluée. Seul Wu (1986) a remarqué qu’au diffusomètre en bande Cet X les feuillus denses retournaient un signal plus fort que les feuillus épars. Le tableau 13.4 donne une vision glogale des possibilités des RAS aéroportés ou satellitaires en foresterie.
7. AUTRES INFORMATIONS DÉTECTÉES PAR RADAR Le radar a montré des aptitudes pour la détection des zones forestières inondées et des marécages ou tourbières avec les données RAS aérportées (Ford et Wickland, 1985 ; Muller et Hoffer, 1985) et plus particulièrement avec les données de SIR-B (Richards et al., 1987). Cette information est certes d’importance pour l’exploitation forestière. Certaines conditions de croissance et la longueur de la saison de croissance peuvent être évaluées par radar puisque ce dernier est sensible à la présence ou non de neige. En fait, un suivi de la fonte des neiges peut très bien fournir une indication du taux d’humidité ou de la température du sol et des arbres au printemps. Cette période de l’année
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est critique en foresterie puisque différents travaux, notamment les plantations, ont lieu à ce moment. Après une étude effectuée durant l’hiver, Way et al., (1990) ont rapporté la sensibilité du radar à la température, au gel et au dégel et donc à l’humidité de la neige et des arbres. La chute des feuilles pourrait également être suivie dans le temps puisque la bande X marque une distinction entre les arbres avec ou sans feuilles (Hirosawa et al., 1989). D’ailleurs, les aiguilles et les feuilles sont responsables d’une grande partie de la rétrodiffusion en haute fréquence (la bande X est sensible à l’humidité dans les aiguilles et les feuilles).
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Qui plus est, en milieu tropical, des informations paraforestières peuvent être recueillies par les données radar ; mentionnons simplement les routes forestières, les canaux, des données physiographiques, l’évaluation des distances pour l’exploitation et toute autre indication amenant une gestion plus efficace du territoire forestier. Ces données sont souvent inconnues ou non disponibles dans un milieu constamment couvert de nuages ou inaccessible par voie terrestre. Thompson et Dams (1990) se sont penchés sur ce sujet.
8. L’APPORT DU CONTENU TEXTURAL DES IMAGES RADAR II a été fait mention à plusieurs reprises au cours des derniers paragraphes de la notion de texture. Cet élément est suffisamment important en foresterie pour qu’on s’y attarde plus longuement. La texture est une forme de mesure de la variation spatiale des pixels et plusieurs algorithmes existent afin de la mesurer. Pour l’analyse du contenu d’images de différentes provenances (cas typique en télédétection), la méthode de dépendance spatiale des niveaux de gris est appropriée et souvent utilisée. Cette méthode repose sur le fait que l’information texturale d’une image est contenue dans la relation spatiale de ses niveaux de gris (Haralick, 1979). D’autres avenues sont également explorées pour mesurer la texture, soit : −
Le parcours d’isodensité : méthode basée sur la compilation de niveaux de gris identiques et linéairement adjacents pour une longueur de course.
−
Les différences des niveaux de gris : méthode basée sur la différence absolue entre des paires ou moyennes de niveaux de gris.
−
L’autocorrélation : méthode fournissant de l’information sur la primitive tonale de l’image.
−
Le maximum-minimum : méthode déterminant le nombre de maxima et minima locaux en termes de niveaux de gris dans une direction donnée.
−
Le spectre de Fourier : méthode étudiant la rugosité et l’orientation privilégiée de la texture d’une image.
—
Les arêtes : méthode basée sur la discontinuité de la fonction d’intensité d’une image.
−
La dimension fractale : méthode décrivant le comportement complexe et irrégulier de la texture.
Conners et Harlow (1980) et Haralick (1979) expliquent les mesures de texture plus en détails. Ils présentent et comparent aussi certains algorithmes de mesure de texture.
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L’analyse de texture et la classification se basant sur la texture sont des outils précieux pour la discrimination des types de couverts forestiers. Grâce à l’apport de mesures texturales (dépendance spatiale des niveaux de gris), Edwards et al. (1988) ont pu relever cinq classes distinctes de couverture forestière qui n’étaient pas visibles par l’analyse des niveaux de gris. Moulton et Peddle (1989) ont également préféré les mesures de texture à l’analyse des tons de gris. Knowlton et Hoffer (1983) constatent, de plus, qu’une classification basée sur la texture et sur des groupes de pixels améliore la séparation entre les couverts forestiers par rapport à une classification traditionnelle pixel par pixel. Hoekman (1987) mentionne également qu’une mesure de la rugosité de la végétation est corrélée avec la structure spatiale des arbres (bande X, polarisation HH).
CONCLUSION D’après les différentes études effectuées au cours des années 80, le radar est un outil complémentaire intéressant pour la foresterie. Cela est principalement vrai pour les régions fréquemment couvertes par des nuages. Par contre, jusqu’à ce jour, le radar n’a pu égaler les capacités du capteur TM en milieu forestier. Les principales forces du radar sont : —
La distinction entre les zones de forêt et les autres utilisations du sol. Cette affirmation a été vérifiée aussi bien avec des données acquises par avion, dans l’espace ou par diffusomètre sur des forêts boréales, tempérées ou tropicales que dans les trois bandes spectrales X, C et L. Cette dernière est la plus prometteuse.
—
La disctinction entre feuillus et conifères : les données aéroportées ont fourni de meilleurs résultats en haute fréquence (bande X) alors que les données SIR-B (bande L) ont permis de distinguer feuillus et conifères par l’analyse de données acquises avec plusieurs angles d’incidence.
—
L’identification d’essences : il est possible d’identifier différents types de conifères dans les trois bandes spectrales L, C et X avec des données aéroportées.
—
L’identification de coupes : les coupes récentes sont détectables par radar aéroporté.
—
L’identification de forêts inondées ou marécageuses : SIR-B et SEASAT ont démontré une aptitude particulière dans ce domaine.
Malgré l’identification de certaines caractéristiques forestières, il reste qu’une cartographie précise n’est pas encore possible en
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foresterie avec les données radar. Néanmoins, plusieurs auteurs soulignent l’avenir prometteur des analyses multitemporelles, multifréquences et multipolarisations et des mesures de texture en foresterie. Les études faites avec un diffusomètre commencent à nous renseigner quant aux caractéristiques de la rétrodiffusion en milieu forestier. II en ressort les faits suivants : les branches extérieures des conifères et les branches et ramilles des feuillus constituent les principaux agents de rétrodiffusion et d’atténuation ; la pénétration de la végétation est fortement influencée par la fréquence, la polarisation et l’angle d’incidence. Le radar est encore très mal compris et son efficacité comme aide de gestion du milieu forestier reste mal connue. Malgré tout, on a déjà procédé à des applications concrètes, principalement en milieu tropical où il constitue la seule source de données et où on l’utilise pour surveiller les signes de dégradation des écosystèmes forestiers. Avec la venue prochaine de satellites munis de radars et donc d’une banque de données importante, l’avenir reste prometteur, d’autant plus que nous nous dirigeons à grands pas vers une gestion de la forêt à l’échelle mondiale.
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Évaluation et suivi de la végétation ligneuse en région tropicale sèche (Burkina Faso) Pierre DEFOURNY
Sommaire Introduction 1. Cadre géographique de l’étude 2. Évaluation quantitative de la végétation ligneuse 2.1. Méthodologie 2.2. Résultats 3. Évaluation qualitative de la dynamique du couvert arboré 3.1. Données 3.2. Méthodes d’analyse 3.3. Région de Ouagadougou 3.4. Région de Bobo-Dioulasso 3.5. Résultats 3.6. Interprétation de l’évolution autour de Ouagadougou 3.7. Évolution observée dans la région de BoboDioulasso 4. Perspectives Références bibliographiques
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Cette étude a été réalisée dans le cadre du projet « Caractérisation par les techniques de télédétection au sud du Sahara », deuxième phase, financé par la DGVIII de la Commission des Communautés européennes. Toute notre reconnaissance va également à l’Institut géographique du Burkina et au ministère de l’Environnement pour leur appui efficace.
Résumé À partir d’une analyse des besoins en information forestière dans les pays du CILSS (Comité interétats de lutte contre la sécheresse au Sahel), plusieurs outils de télédétection sont retenus suivant que l’on recherche une information d’action, de planification, de sensibilisation ou de suivi. Pour l’évaluation de la biomasse ligneuse, une méthode opérationnelle a été mise au point en faisant appel à différents types de données (mesures au sol, photographies à basse altitude, photographies aériennes et données satellitaires à haute résolution). La démarche repose sur l’intercalibration des données des différentes plates-formes en vue d’évaluer la surface terrière, la surface de recouvrement des couronnes et les indices de végétation. La méthodologie a été appliquée avec succès dans le Sud-Ouest du Burkina Faso et l’extrapolation spatiale sur le plan régional est en cours. La démarche s’est aussi avérée pertinente pour la cartographie de zones plus petites comme les forêts classées. Les résultats concrets sont présentés sous la forme d’une cartographie de la biomasse ligneuse. La dynamique saisonnière et pluriannuelle de la végétation ligneuse est également analysée, mettant en évidence l’évolution du couvert ligneux de 1972 à 1987, autour de Ouagadougou et Bobo-Dioulasso. Elle met en évidence les impacts différents de la sécheresse, des migrations de population, de la croissance urbaine et des filières d’approvisionnement en bois de feu pour les villes.
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Évaluation et suivi de la végétation ligneuse en région tropicale sèche (Burkina Faso)
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INTRODUCTION Dès le lancement des premiers satellites d’observation de la Terre en 1972, les forestiers furent d’emblée très intéressés par les données de télédétection spatiale (Lanly, 1973). Au même titre que la photographie aérienne et en principe à moindre coût, cette technologie d’acquisition d’information se prête particulièrement bien au domaine forestier étant donné les vastes étendues qu’il couvre et leur faible accessibilité. Néanmoins, après l’euphorie des premières études, des limitations importantes de ce nouvel outil sont rapidement apparues dans le cadre d’une mise en œuvre opérationnelle. Après un certain désenchantement lié à une image très répandue d’une technologie « miracle », la plupart des forestiers ont fait le choix de méthodes visuelles d’interprétation des données en termes qualitatifs, voire simplement relatifs. À l’heure actuelle, la très grande majorité des inventaires forestiers utilisent de manière tout à fait systématique et routinière l’interprétation visuelle des images satellite, essentiellement dans les étapes de stratifications et de définition des plans de sondage. Cette interprétation visuelle est le plus souvent pratiquée à partir de tirages papier d’un seul canal ou de compositions colorées des données spectrales (Pain, 1982 ; FAO-UNEP, 1980). L’évolution informatique a permis d’envisager une interprétation numérique des données toujours en termes qualitatifs. De nombreuses études ont testé les différentes méthodes de classification des données pour identifier un maximum de formations végétales différentes (Pain, 1982 ; Defourny, 1988 ; Lavenu et al., 1987). Sur le plan local, ces techniques de classification numérique plus ou moins supervisée se révèlent particulièrement efficaces, mais le traitement de grandes zones met en évidence de sérieuses limitations quant aux possibilités d’extrapolation, en particulier quand les formations végétales ne sont pas nettement différenciées. Dans de telles situations, l’expérience semble montrer que la technique la plus efficace en termes de coût/bénéfice consiste en une interprétation visuelle interactive sur écran, avec possibilités d’amélioration locale du contraste, d’agrandissement d’image et d’utilisation de néocanaux. Toutefois, depuis quelques années, plusieurs approches quantitatives ont été développées pour extraire l’information forestière des données de télédétection. D’une manière générale, elles tentent de corréler des variables forestières au signal télédétecté plus ou moins transformé. Les unes (Olsson, 1985 ; Helden, 1987 ; Defourny, 1989b) cherchent des relations empiriques entre le signal enregistré et des paramètres dendrométriques. D’autres (Franklin et Strahler, 1988 ; Franklin et Hiernaux, 1991 ; Woodcock, 1988 ; Jupp et al., 1986) font appel à un modèle théorique de représentation de la végétation pour déduire du signal télédétecté la densité des peuplements et la taille
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moyenne des arbres. D’autres encore caractérisent de manière numérique l’organisation spatiale du couvert ligneux à partir d’indicateurs morphologiques (Jacqueminet et al., 1989). L’étude présentée ici tente de définir une démarche opérationnelle d’interprétation quantitative pour la zone soudano-sahélienne ; elle fait appel à des relations empiriques établies à différents niveaux d’observation. Dans les zones d’évolution rapide du couvert végétal, l’intérêt de l’exploitation des informations fournies par la télédétection est double. D’une part, la vitesse et l’extension de la dégradation de la couverture végétale en région soudano-sahélienne nécessitent une approche diachronique rapprochée et une vision synoptique des processus d’évolution. Seul le caractère systématique des acquisitions permet une analyse rétrospective de la dynamique des formations végétales. D’autre part, la crise écologique liée à l’appauvrissement des ressources disponibles nécessite une approche systémique du paysage en vue d’un aménagement équilibré et d’une gestion rationnelle des ressources disponibles. Le niveau d’agrégation de l’information définira l’utilisation qui en sera faite. Les phénomènes de dégradation observés se situent à différents plans d’analyse qui vont de la crise locale au processus régional. L’exploitation des données de plusieurs plates-formes satellitaires peut fournir une réponse à des niveaux d’abstraction différents. Avant d’entamer cette recherche au Burkina Faso, trois échelles géographiques opérationnelles ont été établies avec le concours des principaux utilisateurs : – Une information d’action (1:10 000 au 1:50 000) : à l’intention de l’agent forestier, ces données doivent être précises et détaillées. Ce document doit permettre une intervention directe sur le paysage. – Une information de sensibilisation (1:500 000) : à l’intention des responsables nationaux et des bailleurs de fonds, ce document doit être synthétique et représentatif. Il ne fournira que des ordres de grandeur nécessaires à la planification. – Une information de suivi (> 1:1 000 000) : outre la surveillance de changements globaux à l’échelle subcontinentale, cette faible résolution spatiale permet une résolution temporelle assurant notamment la détection d’événements temporaires. L’ensemble du travail présenté ici ne concerne que la thématique forestière et plus précisément la biomasse ligneuse aérienne sur pied. Dans un premier temps, une méthodologie d’évaluation quantitative de cette biomasse ligneuse développée pour fournir une information d’action est brièvement décrite. Ensuite, l’accent est mis sur la
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dynamique temporelle du paysage végétal pour deux régions aux évolutions contrastées afin d’en extraire une information de sensibilisation.
1. CADRE GÉOGRAPHIQUE DE L’ÉTUDE L’ensemble de l’étude a été menée au Burkina Faso. Ce pays sahélien est considéré comme l’un des plus éprouvés par ce que l’on a souvent appelé la « désertification ». De plus, la densité de population exceptionnelle pour la région (29 habitants par kilomètre carré en 1985) rend particulièrement fragile l’équilibre entre exploitation et conservation du milieu. Les deux zones étudiées sont respectivement centrées sur les deux principales villes du pays : –
Ouagadougou, la capitale située par 12° 20' de latitude N et 1 ° 30' de longitude O ;
−
Bobo-Dioulasso située 400 kilomètres plus loin, par 11° 10' de latitude N et 4° 20' de longitude O.
D’une manière générale, la végétation de la zone est une mosaïque de formations ligneuses hautes plus ou moins denses, de savanes comportant tous les sous-types depuis la savane boisée à la savane herbeuse. Ces dernières, en raison des pratiques agricoles et du feu, prédominent dans les zones à forte densité de population.
2. ÉVALUATION QUANTITATIVE DE LA VÉGÉTATION LIGNEUSE 2.1. MÉTHODOLOGIE Pas à pas, une méthodologie a été développée afin d’interpréter de manière quantitative la biomasse ligneuse sur pied. L’ensemble de la démarche est sous-tendue par une volonté explicite de partir du terrain pour progressivement prendre de l’altitude et, à l’aide de différentes plates-formes de télédétection aéroportées et satellitaires, appréhender des surfaces de plus en plus grandes. Partant des variables dendrométriques habituelles, une recherche a été effectuée afin de relever les variables de télédétection les mieux corrélées à la biomasse ligneuse (Defourny, 1989b). La surface terrière (section du tronc à 1,30 m exprimée en m2/ha) est retenue comme indicateur du volume sur pied et est appréhendée par une mesure « pied à pied » au sol selon les techniques d’inventaires forestiers par placette. Elle réclame un travail de terrain important mais fournit une valeur exacte pour des échantillons de petite taille.
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Le recouvrement de la couronne ( %) est mesuré à partir de photographies aériennes à basse altitude au 1:1 000. Chaque placette mesurée au sol de manière exhaustive est survolée à basse altitude. La corrélation du recouvrement à la surface terrière est donc effectuée à l’aide d’un échantillonnage réduit (n = 25) et de taille compatible avec leur temps de mesure au sol (2 800 m2). Les relations obtenues sont stables dans le temps pour une zone écologique donnée. Les mesures précises du recouvrement foliaire obtenues à partir des photographies à basse altitude ont également permis de développer une méthode numérique d’estimation de recouvrement à partir de photographies aériennes conventionnelles (1:20 000). Cette méthode procède par numérisation des photographies aériennes à l’aide d’un scanneur et par interprétation supervisée. L’erreur d’interprétation liée aux ombres portées est minimisée à l’aide d’un modèle de correction des ombres portées visibles du zénith. Ce modèle tient compte de la densité du couvert, de la superposition entre couronnes, de la hauteur moyenne des arbres et de l’élévation solaire au moment de la prise de vue (Defourny, 1991 a). En ce qui concerne la mesure du recouvrement sur photographies aériennes conventionnelles, il n’y a pas de limitation matérielle importante au regard de la taille de l’échantillon mesuré, et le nombre d’échantillon dépend uniquement de la disponibilité des prises de vue récentes. Enfin, les indices de végétation obtenus à partir des données enregistrées par les satellites fournissent une estimation de la part du rayonne-ment effectivement absorbé par la végétation pour la photosynthèse (Hatfield et al., 1984 ; Sellers, 1987) et couvrent de manière exhaustive l’ensemble de la zone d’étude. Cette estimation n’est stable ni dans le temps ni dans l’espace. Les mesures sur photographies aériennes conventionnelles permettent une calibration répétée des données satellitaires à l’aide de nombreux échantillons de grande taille. Le nombre d’échantillons permet de considérer la diversité des paramètres écologiques du paysage (type de végétation, substrat pédologique, affectation du sol) intervenant dans la réflectance. La taille des échantillons minimise les erreurs de localisation des sites sur l’image liées à la résolution spatiale effective des données. La nécessité d’un étalonnage répété de ces indices à la fois dans le temps et dans l’espace a conduit à définir deux étapes distinctes : 1. Étalonnage du recouvrement par rapport à la surface terrière à l’aide d’un échantillonnage réduit et de taille compatible avec leur temps de mesure au sol. 2. Étalonnage de l’indice de télédétection par rapport au recouvrement mesuré sur photographie aérienne à l’aide de
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nombreux échantillons de grande taille, compatible avec la résolution effective du capteur satellitaire. La combinaison de ces deux étapes produira une cartographie de la surface terrière exprimée en mètre2 par hectare à partir de l’information télédétectée. Afin de repérer les données de télédétection rendant le mieux compte des mesures de recouvrement, une douzaine d’indices de télédétection ont été corrélés avec les variables forestières pour un échantillon de 150 sites de 6 hectares. Différentes résolutions spatiales ont été envisagées (SPOT, LANDSAT/TM, MOS/MESSR et LANDSAT/MSS). Huit dates d’enregistrement réparties sur les deux périodes de transition entre saison sèche et saison humide ont été traitées. 2.2. RÉSULTATS Au niveau de l’étalonnage du recouvrement en fonction de la surface terrière, il avait été préalablement montré que la surface de la couronne d’un individu rend compte de 81,9 % de sa surface terrière. En termes de peuplement, en tenant compte des superpositions entre couronne, le recouvrement de la strate arborée est corrélé à la surface terrière de la formation avec un coefficient de détermination de 0,79 (Defourny, 1991 b). En ce qui concerne la relation recouvrement-indice de télédétection, le traitement de toutes les données a mis en évidence différents types de résultats. D’abord, la résolution spatiale n’a pas d’influence significative sur la relation recouvrement-indice de télédétection, mais joue un rôle important dans la localisation des sites d’étalonnage de la relation. Ensuite, la date d’enregistrement joue un rôle primordial quant à la qualité de relation obtenue entre le recouvrement et les paramètres télédétectés. La meilleure corrélation est obtenue au moment où l’ensemble de la strate herbacée est complètement sénescente et la strate arborée toujours chlorophyllienne, c’est-àdire en début de saison sèche. Le choix de la date d’acquisition consiste en un compromis délicat entre l’avancement maximum dans la saison sèche et le minimum de zones brûlées. En effet, des feux de brousse parcourent de grandes parties du paysage aussitôt que la strate graminéenne est bien sèche ; le passage de ces feux masque complètement le signal télédétecté. Enfin, pour ce qui est des types d’indices de télédétection retenus, ce sont les indices de végétation du type rapport (NDVI, TVI, SAVI, RVI) qui sont les plus performants pour ces corrélations (R2 ~ 0,8). La figure 14.1 illustre l’évolution de la relation recouvrement-indice de végétation au cours de la transition entre la fin de la saison des pluies et le début de la saison sèche. Début octobre, la strate graminéenne
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encore verte sature complètement l’indice de végétation, quel que soit le couvert arboré. Fin octobre, la strate arborée contribue davantage aux valeurs de l’indice de végétation. Mi-novembre, la strate herbacée est complètement sénescente et une étroite relation indice de végétationrecouvrement de la strate arborée toujours chlorophyllienne est clairement observée.
FIGURE 14.1 Diagramme de dispersion entre le recouvrement et l’indice de végétation (NDVI) calculé pour trois dates différentes d’enregistrement (données LANDSAT/MSS pour le mois d’octobre et LANDSAT/TM pour le 19 novembre). Pour chaque date, l’échantillon mesuré est constitué de 150 sites de 6 hectares
La stabilité spatiale de ce type de relation a été vérifiée sur chacune des quatre scènes LANDSAT/MSS qui couvrent le Sud-Ouest du Burkina Faso, soit plus de 400 échantillons de six hectares répartis dans 20 régions différentes (figure 14.2) (Defourny, 1991 b). L’ensemble de l’expérience a été menée dans une perspective opérationnelle. Différents produits cartographiques sont actuellement en phase d’évaluation afin d’en calculer la précision effective. La validation des résultats est effectuée, d’une part, à l’aide de prises de vue verticales à basse altitude le long de transect aérien. D’autre part, un ensemble de mesures de surface terrière a été
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effectué au relascope de Bitterlich au cours d’un sondage systématique le long des axes accessibles en véhicule tout-terrain. La localisation de ces deux types de points de vérification est assurée par un système global de positionnement (GPS) avec une erreur théorique de 30 mètres.
3. ÉVALUATION QUALITATIVE DE LA DYNAMIQUE DU COUVERT ARBORÉ L’expérience précédente a permis d’identifier les données les plus susceptibles de convenir à l’étude de la végétation ligneuse en zone soudanosahélienne. Vu l’étroite corrélation du signal télédétecté avec le recouvrement arboré en début de saison sèche, il semble tout à fait intéressant de mener une analyse multitemporelle afin de dégager la dynamique du couvert arboré. 3.1. DONNÉES Seules les données LANDSAT/MSS permettent une analyse diachronique sur une période plus grande qu’une décennie. Les images retenues ont toutes été enregistrées en début de saison sèche. Quatre scènes LANDSAT ont défini la zone centrée sur Bobo-Dioulasso, tandis que deux scènes suffisent pour couvrir la zone centrée sur Ouagadougou (tableau 14.1).
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Quatre mosaïques de compositions colorées ont été produites de manière différente pour chaque zone d’étude. TABLEAU 14.1 Données traitées dans le cadre de l’analyse multitemporelle
Zone d’étude LANDSAT 1 Ouagadougou
Bobo-Dioulasso
Date d’enregistrement LANDSAT 5
1972 12 et 13 novembre (3 scènes) 1972 14 et 15 novembre (4 scènes)
1985 15 novembre (2 scènes) 1990 4, 20 et 27 novembre (4 scènes)
3.2. MÉTHODES D’ANALYSE Pour la région de Ouagadougou, l’interprétation visuelle sera privilégiée alors que pour la région de Bobo-Dioulasso, une calibration radiométrique des huit scènes sera effectuée afin d’en dégager ultérieurement une information quantitative. 3.2.1. Région de Ouagadougou Afin d’obtenir des documents comparables en l’absence de calibration radiométrique, les compositions colorées ont été traitées de telle sorte que les éléments stables du paysage (plans d’eau, sols dénudés, villes) apparaissent de la même manière sur les deux mosaïques (Defourny, 1989a). L’interprétation visuelle au 1:500 000 a défini des zones de densité homogène de végétation chlorophyllienne. Les relevés de terrain combinés aux informations bibliographiques ont permis de compléter l’interprétation visuelle. 3.2.2. Région de Bobo-Dioulasso La calibration radiométrique des données permet de convertir le signal enregistré par le satellite en une variable physique telle que la luminance, exprimée en unités scientifiques fondamentales. La procédure de correction radiométrique brièvement présentée ci-dessous est la plus largement recommandée (Markham et Barker, 1986, 1987 ; Price, 1987 ; Royer et Charbonneau, 1988). Un bref
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rappel des différentes étapes de correction radiométrique et de leur objectif est repris ci-dessous. Pour les formules détaillées et ies valeurs des différents para-mètres, le lecteur se référera à Markham et Barker (1987). 3.2.2.1. Différences de capteurs : transformation en luminance spectrale La calibration radiométrique absolue des détecteurs convertit les valeurs brutes du signal transmis par le satellite en valeur numérique (Digital Number) décompressée avec la même dynamique (6, 7 ou 8 bits) pour toutes les scènes traitées au sol pendant une période donnée. La calibration radiométrique relative ou égalisation des détecteurs d’un même canal a pour objet de réduire le lignage subsistant par différentes procédures d’équalisation d’histogramme de la scène. Ces corrections radiométriques sont généralement pratiquées par les stations de réception à l’exception des données traitées par l’Earthnet à Fucino qui sont corrigées en tenant compte du contenu radiométrique de chaque scène (Earthnet, 1985 : Bartholomé, 1989). La calibration radiométrique absolue entre canaux de deux capteurs différents est assurée par un dispositif d’étalonnage interne. La conversion des valeurs numériques en radiance spectrale ou luminance spectrale, exprimée en mW·cm-2·sr-1·µm-2 tient compte des différents paramètres de calibrations obtenus par ce dispositif pour chaque capteur et pour chaque bande spectrale. 3.2.2.2. Variations d’illumination et d’angle solaire : réflectance exoatmosphérique La luminance spectrale est convertie en réflectance effective au satellite, appelée aussi la réflectance exoatmosphérique (Robinove, 1982 ; Nelson, 1985 ; Markham et Barker, 1986 et 1987 ; Price, 1987). La transformation tient compte de la réflectance effective au niveau du satellite, de la distance Terre-Soleil à la date de l’enregistrement considérée, du rayonnement exoatmosphérique solaire moyen et de l’angle d’élévation solaire en degrés. Cette transformation permet : −
de normaliser les différences de largeur de bande spectrale en tenant compte de la distribution spectrale de la lumière du soleil ;
−
de compenser l’influence de l’élévation solaire qui varie avec la date, l’heure et le lieu.
L’absence d’information météorologique pertinente sur l’atmosphère empêche toute correction atmosphérique absolue.
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La précision des paramètres de calibration n’est pas toujours parfaite (Nelson, 1985 ; Markham et Barker, 1987 ; Slater et Biggar, 1987 ; Royer et Charbonneau, 1988). Ainsi, les valeurs enregistrées pour des sites en principe stables tels que les affleurements rocheux, les eaux profondes et les forêts galeries relictuelles ont été comparées pour évaluer la qualité des corrections radiométriques. Il apparaît que, au sein d’une même mosaïque (quatre dates différentes acquises par le même capteur), les valeurs radiométriques sont très bien ajustées tandis que les indices de végétation calculés pour les données de LANDSAT-5 (1985) semblent systématiquement légèrement plus élevés que ceux fournis par LANDSAT-1 (1972). Pour la comparaison multitemporelle, l’étalonnage de la relation indice de végétation–recouvrement pour chaque date différente constituant les deux mosaïques assurera au mieux la comparabilité des données. Enfin, les images d’indice de végétation ainsi que les canaux corrigés radiométriquement ont été assemblés et ajustés à la projection cartographique utilisée par l’Institut géographique burkinabé par transformation géométrique. La mosaïque de 1990 a été construite à partir de près de 250 points de contrôle situés en longitude et latitude sur les cartes au 1:200 000, tandis que la mosaïque de 1972 a été directement corrigée par rapport à la mosaïque de 1990 afin d’assurer une superposition maximale. 3.3. RÉSULTATS 3.3.1. Interprétation de l’évolution autour de Ouagadougou La comparaison des deux mosaïques montre une transformation très importante de la répartition de la végétation ligneuse. Elle met d’abord clairement en évidence : −
une dégradation quantitative sensible qui se traduit par une forte réduction des surfaces forestières ;
−
une nette régression qualitative qui a largement éclairci l’ensemble des formations naturelles.
À l’origine de cette évolution, trois processus distincts peuvent être relevés sur ces images, leur impact respectif étant assez bien localisé dans l’espace. Au nord, le surpâturage est le facteur prépondérant de la dégradation et il limite la régénération naturelle même dans les zones les plus marginales. Plus au centre, en région périurbaine, c’est la consommation en bois de chauffage qui a exercé une pression croissante sur le patrimoine ligneux. Au sud et jusqu’à la frontière ghanéenne, l’extension des surfaces mises en culture a conduit à un défrichement extraordinaire, particulièrement dans la région de Pô et le long des axes routiers vers Léo.
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L’impact de ces trois facteurs a par ailleurs été accentué par les conditions climatiques défavorables de ces deux dernières décennies. De plus, l’analyse multitemporelle fait ressortir deux dynamiques spatiales de transformation du paysage végétal. Au nord, en région sahélienne, c’est un front continu de dégradation qui a progressé vers le sud. En treize années, ce front situé un peu au nord du lac de Barn a rejoint la Volta Blanche et dépassé Kaya à l’est. Par contre, au centre comme au sud, l’évolution se fait par plages de dégradation qui s’agrandissent en auréoles, s’anastomosent et finissent par se rejoindre. Centrées en 1972 sur les villes de Ziniaré, Ouagadougou, KombissiriManga et Kokologo, ces auréoles se sont rejointes pour former une immense aire de dégradation. À la frontière ghanéenne, les villes de Léo et Pô, dans lesquelles l’impact de la dégradation est à peine visible en 1972, constituent aujourd’hui les points de départ de la colonisation des formations naturelles les mieux conservées. En outre, l’analyse détaillée de l’évolution de la région périurbaine de Ouagadougou s’est révélée particulièrement intéressante. Une relation étroite peut être établie entre les filières d’approvisionnement en bois et l’évolution du paysage végétal. En 1972, l’exploitation de la végétation se caractérise par un ensemble de plages bien marquées qui gravitent autour de celle de la capitale. Elles sont séparées de la métropole par des espaces de végétation plus dense et entourent le plus souvent des centres secondaires. Cette structure de dégradation en plages dispersées est vraisemblablement liée au fait que les combustibles ligneux ne constituent qu’un fret de retour pour les transporteurs, le prix du bois ne justifiant pas un aller et retour. Ce sont dès lors les camions reliant les centres secondaires à la capitale qui ravitaillent celle-ci en bois de chauffage et valorisent ainsi leur trajet de retour. L’image de 1972 présente effectivement le résultat d’une exploitation forestière confinée autour de la capitale et autour des centres secondaires. L’enquête menée en 1972 (Ouédraogo, 1974) décrit une aire de ramassage qui peut s’étendre au-delà de 100 kilomètres. À partir de 1971, l’augmentation du nombre de charrettes à ânes spécialisées dans le trans-port du bois conduira petit à petit à la surexploitation des zones arborées les plus proches de la ville. Ces charrettes vont dominer le marché pendant une dizaine d’années. Avec l’épuisement des ressources ligneuses à proximité de la capitale apparaissent alors des camions spécialisés dans le commerce du bois qui assureront le ravitaillement urbain à partir de zones de coupes de plus en plus éloignées. Simultanément, la structure du prix du bois de chauffe a évolué en faveur du « producteur » et la distance à parcourir devient un paramètre important qu’il faut minimiser à tout prix.
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Cette évolution se traduira rapidement par un véritable épuisement de l’environnement immédiat de la ville, visible sur la mosaïque de 1985. Les plages isolées de dégradation périurbaine qui apparaissent sur la mosaïque de 1972 ont fini par se rejoindre pour ne plus former qu’une vaste étendue dégradée. Autour du centre urbanisé, qui a nettement progressé depuis 1972 (de 150 000 à 440 000 habitants en 1985), s’organise une succession d’auréoles concentriques de dégradation. Se succèdent une auréole témoignant d’une très forte dégradation des sols et de la végétation, une auréole qui paraît nettoyée de toute végétation naturelle, une aire où le couvert se résume à un verger karité-néré, une plage de savane arborée dégradée et finalement, le front de végétation naturelle plus ou moins intact au sud, mais qui a déjà disparu au nord. Par contre, la Forêt Classée de Gonsé (à l’est de Ouagadougou) et celle située en bordure nord de la capitale (en aval du lac de barrage) ont été relativement bien protégées. 3.3.2. Évolution observée dans la région de Bobo-Dioulasso La validation de l’évaluation quantitative de la végétation ligneuse n’étant pas complètement terminée, il est préférable de s’en tenir à l’heure actuelle à une analyse qualitative des données. L’évolution du couvert végétal autour de Bobo-Dioulasso est très différente pour une période sensiblement plus longue (1972 à 1990). En dépit d’une extension assez nette de la tâche urbaine bâtie, ni l’occupation agricole, ni le couvert végétal des zones périurbaines ne semblent avoir évolué. Seuls quelques projets de plantations forestières et l’extension de la piste d’atterrissage témoignent des 18 années écoulées. Par contre, à 60 kilomètres au nord de la ville, le paysage végétal a été complètement transformé. En 1972, il s’agissait de formations naturelles arborées plus ou moins denses où l’occupation humaine s’organisait le long de quelques axes routiers et le long des bas-fonds. En 1990, l’évolution est telle que la végétation naturelle se limite essentiellement aux reliefs et aux Forêts Classées qui sont littéralement assiégées, lorsqu’elles ne sont pas envahies. Cette extension extraordinaire des superficies mises en culture est à mettre en relation avec un important flux migratoire venant du nord qui a démarré avant les années 70 et s’est largement amplifié au cours des deux dernières décennies. Fuyant la sécheresse récurrente et des sols largement épuisés, les migrants ont recherché une terre plus hospitalière vers le sud. La plupart se sont arrêtés dès que les conditions agro-écologiques semblaient plus favorables et l’espace agricole disponible, reproduisant plus au sud des densités élevées de populations et important leurs pratiques agricoles. Dans le paysage, ces pratiques se traduisent par un nettoyage des formations végétales et un épuisement rapide des sols
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qui conduisent déjà une seconde génération de migrants à quitter des terres qui les avaient accueillis. Ce phénomène est particulièrement visible sur la rive gauche de Mouhoun qui a été littéralement décapée de toute formation naturelle arborée un peu dense sur des provinces entières. Seul le traditionnel verger de karité maintient une certaine végétation arborée. Le front continu est arrivé à 60 kilomètres au nord de Bobo-Dioulasso, mais il a déjà atteint la région d’Orodara située à peu près à la même latitude 90 kilomètres plus à l’ouest. Le long de l’axe Bobo-Dioulasso–Ouagadougou l’occupation du sol s’est considérablement intensifiée allant jusqu’à mettre véritablement en péril certaines Forêts Classées. Plus au sud, à la suite de l’éradication de l’onchocercose, de vastes zones totalement vierges le long de la Bougouriba sont en train d’être très rapidement colonisées de manière e plus ou moins planifiée suivant les endroits. En revanche, au sud du 11 parallèle, la couverture végétale semble ne pas avoir été modifiée à l’exception de quelques transformations locales, avec notamment au sud de Sidéradougou, une progression des formations arborées en 1990 au détriment des zones cultivées.
4. PERSPECTIVES La méthodologie décrite dans la première partie de cette étude a permis d’extraire une information quantitative indicatrice du volume de bois sur pied. La méthodologie proposée décompose la démarche d’étalonnage en deux étapes. D’une part, elle permet de calibrer chaque outil de télédétection avec rigueur grâce à l’adéquation de l’échantillon mesuré à la résolution spatiale, tout en assumant les contraintes liées aux mesures au sol. D’autre part, dans une perspective opérationnelle, la décomposition en deux phases distinctes permet une actualisation rapide de l’évaluation des ressources sans devoir répéter les mesures fastidieuses au sol. La relation recouvrement–surface terrière est du type d’un tarif de cubage aérien et reste valable d’une année à l’autre, tant que la composition floristique n’a pas trop évolué. Par contre, la relation recouvrement—indice de végétation doit être ajustée pour chaque nouvel enregistrement, mais elle ne demande, dans cette procédure, aucune mesure sur le terrain. Les limitations intrinsèques de la méthode se situent d’abord au niveau du décalage phénologique indispensable entre la strate herbacée et la strate arborée. Par ailleurs, la méthode faisant appel à des mesures de recouvrement par photographie aérienne n’est valable que pour des formations dont le recouvrement est inférieur ou égal à 100 %. Quant à l’analyse multitemporelle des mosaïques, elle a mis en évidence différents processus de dégradation du couvert arboré : exten-
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sion des superficies cultivées, approvisionnement en combustibles et surpâturage. La dégradation intervenue durant les deux dernières décennies est considérable pour les deux zones étudiées, mais la diversité des évolutions observées est également très importantes. Ainsi, la dynamique relevée autour de Bobo-Dioulasso n’a rien a voir avec ce qui se passe autour de Ouagadougou. Ces différences de situations appellent une grande prudence de diagnostic. Ces évolutions régressives du couvert arboré illustrent clairement un des problèmes fondamentaux du processus appelé la « désertification » : le décalage d’échelles spatio-temporelles entre l’action anthropique de dégradation, nécessairement locale et ponctuelle, et la réponse de l’environnement, toujours globale et à long terme.
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LA VÉGÉTATION HERBACÉE ET L’AGRICULTURE
Les zones de végétation herbacée représentent souvent dans le monde des zones de transition : transition entre la forêt et la toundra dans le milieu subarctique, transition entre la zone forestière et le monde minéral dans les paysages alpins, mais sutout, transition entre les zones forestières tropicales et le milieu désertique. Les zones de transition subissent plus que d’autres les fluctuations des conditions climatiques ou écologiques de niveau planétaire. Des variations à peine perceptibles des conditions globales peuvent souvent se traduire, dans ces zones de transition, par des déplacements marqués des limites entre les différents ensembles biogéographiques. Et cela entraîne, pour les populations qui occupent ces secteurs, des modifications très importantes reliées aux conditions de vie et à l’autosuffisance alimentaire. Les deux chapitres compris dans cette partie montrent, à des degrés divers, à quel point le milieu sahélien, un cas typique des zones de transition, est sensible aux variations, même subtiles, des conditions climatiques mondiales. Les pratiques agricoles ancestrales comme les feux de brousse ne sont pas toujours adaptées à ces conditions changeantes, reliées en partie à la démographie galopante des dernières années. Mais les données satellitaires, même si elles sont loin
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La végétation herbacée et l’agriculture
d’apporter des solutions définitives, permettent au moins d’aider à comprendre l’ampleur des phénomènes à l’échelle régionale.
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Le suivi des feux de brousse au Sénégal par télédétection Racine KANE, Sindre LANGAAS et Yves PRÉVOST
Sommaire Introduction 1. Détermination du type d’imagerie satellitaire pour le suivi des feux de brousse au Sénégal 2. Méthodes de suivi et d’estimation des surfaces brûlées 2.1. Interprétation visuelle 2.2. Traitement numérique 3. Vers un suivi en temps réel des feux de brousse Références bibliographiques
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Racine Kane, Sindre Langaas et Yves Prévost
Résumé Les feux de brousse surviennent dès la fin de la saison des pluies ; ils sont fortement liés à l’activité humaine et se développent au détriment des formations végétales, notamment herbacées. Le passage d’un feu laisse au sol des traces de calcination qui sont visibles sur les imageries NOAA-AVHRR utilisées au Centre de suivi écologique (CSE). Les différentes caractéristiques spectrales des superficies brûlées ont été étudiées au sol grâce à des campagnes de mesures radiométriques visant à faciliter le suivi satellitaire de l’action des feux. Le programme mis sur pied par le CSE doit appuyer les services de développement dans leur lutte active pour réduire les cas de feux.
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Le suivi des feux de brousse au Sénégal par télédétection
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INTRODUCTION Les feux de brousse affectent annuellement, sitôt la saison des pluies terminée, les écosystèmes du Sénégal qu’ils contribuent à dégrader. On cite des causes multiples à l’apparition des feux ; elles sont presque toutes liées à l’activité humaine (débroussaillement, chasse, récolte de miel ou de sève, etc.). Face à l’ampleur de ce phénomène préoccupant, les moyens traditionnels de suivi se révèlent insuffisants à l’échelle du territoire et empêchent d’effectuer une estimation correcte des surfaces brûlées, base de toute démarche en vue d’une intervention appropriée des services de développement. Pour répondre à ce besoin, le Centre de suivi écologique, en collaboration avec ces services de développement, a mis sur pied un programme de suivi des feux de brousse par télédétection aérospatiale. L’objectif de ce programme est d’élaborer une méthodologie fiable permettant d’estimer les superficies annuellement touchées par les feux et de quantifier la biomasse consumée en relation avec les cartes de production végétale régulièrement délivrées par le Centre (Frederiksen et al., 1990). Le suivi en temps réel des feux est un objectif à moyen terme lié à l’acquisition d’une station de réception de l’imagerie NOAA.
1. DÉTERMINATION DU TYPE D’IMAGERIE SATELLITAIRE POUR LE SUIVI DES FEUX DE BROUSSE AU SÉNÉGAL Afin de déterminer l’imagerie la plus appropriée au suivi des surfaces brûlées, des campagnes de mesures radiométriques ont été réalisées avec les moyens du CSE. Les radiomètres utilisés sont le GSFC Mark II de la NASA et l’ICAR, ce dernier combinant simultanément photographies au-dessus d’une zone et enregistrement du signal radiométrique. Les données recueillies au-dessus des surfaces brûlées aussitôt après le passage du feu ainsi que les jours suivants montrent une évolution très rapide des réflectances de ces surfaces (figure 15.1). Cela s’explique en grande partie par le déblayage de la cendre sous l’effet du vent qui participe aussi à la chute des feuilles asséchées par suite des fortes températures lors du passage de l’incendie (Langaas et Kane, 1991). La rapidité de cette évolution oblige à recourir à un satellite imageur ayant une fréquence de couverture (résolution temporelle) suffisamment grande et dont les produits sont à des niveaux de prix abordables. Le capteur AVHRR du satellite NOAA répond à ces critères : malgré sa résolution spatiale (1 kilomètre carré) assez grossière, ce type d’imagerie a l’avantage de permettre une couverture de l’ensemble du territoire à un coût très abordable. De la station de réception de Maspalomas (files Canaries), le CSE reçoit 8 images par décade, soit 4 de jour et 4 de nuit. Des prétraitements sont effectués au centre même ; ils consistent en un redressement selon des coordonnées UTM et le calcul de l’indice
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Racine Kane, Sindre Langaas et Yves Prévost
de végétation. Le suivi des feux se fait à partir de ces images redressées selon trois approches principales. FIGURE 15.1 Évolution des réflectances d’une surface avant et après le passage du feu
2. MÉTHODES DE SUIVI ET D’ESTIMATION DES SURFACES BRÛLÉES 2.1. INTERPRÉTATION VISUELLE L’analyse visuelle de l’imagerie satellitaire fait appel au jugement de l’interprète qui fonde son raisonnement sur des critères bien définis. Aussi, la reconnaissance des feux sur l’imagerie NOAA-AVHRR se faitelle en fonction des paramètres suivants : −
l’apparition soudaine d’une ou de plusieurs taches sombres sur une séquence d’images ;
−
la persistance de ces taches qui changent éventuellement de forme suivant le développement du feu ;
−
leur disparition progressive avec possibilité d’éclatement en plusieurs petites taches.
Ces étapes successives traduisent le changement rapide des réflectances telles que les campagnes de mesures radiométriques l’ont démontré. Une lecture des valeurs numériques au sein de la zone brûlée montre une chute brutale aussitôt après le passage du feu ; mais ces valeurs ont tendance à s’élever progressivement, ce qui finit par réduire le contraste remarquable noté sur les images du début.
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Le suivi des feux de brousse au Sénégal par télédétection
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Les canaux du visible et du proche infrarouge du capteur AVHRR (1 et 2) sont ceux qui se prêtent le mieux à la classification visuelle des feux de brousse alors que l’indice de végétation reflète correctement la destruction de la biomasse par le feu. L’association de différents canaux au sein d’une composition colorée est aussi un excellent moyen de visualiser les surfaces brûlées : une combinaison classique associe dans une composition colorée les niveaux de gris dans le thermique moyen (bande 3, en rouge), ceux enregistrés dans le proche infrarouge (bande 2, en vert) et celles correspondant aux longueurs d’onde du rouge (bande 1, en bleu). La classification visuelle est une interaction entre l’intreprète et la machine qui permet au moins de localiser les zones brûlées une fois les limites administratives du Sénégal placées sur l’imagerie. Dans le cas de feux de grande envergure, le produit de ce type de classification s’est révélé fort utile pour l’orientation sur le terrain des équipes de vérification. 2.2. TRAITEMENT NUMÉRIQUE La structure des données satellitaires permet de faire un traitement numérique de l’information. Différentes opérations mathématiques connues sous le nom de classifications sont appliquées sur l’imagerie dans le but d’obtenir un regroupement des pixels en classes qui correspondent à des « objets » représentant la réalité de la scène. L’application de ces opérations pour l’isolement des zones brûlées et l’estimation des surfaces affectées a été jusqu’à présent handicapée par l’hétérogénéité des « paysages spectraux » du Sénégal qui fragilisent les seuils à partir desquels se fait la répartition des pixels appartenant à ces types de surface. Pour surmonter cette difficulté, le CSE procède actuellement à une stratification du territoire national en domaines spectraux homogènes à partir desquels s’effectueront séparément les classifications des surfaces brûlées. La vérification des surfaces classées « brûlées » est indispensable pour valider une classification. L’imagerie NOAA, compte tenu de sa 2 résolution spatiale grossière (1 km ) rend cette étape cruciale à cause du risque réel d’une exagération des parties réellement brûlées sur le terrain. Pour surmonter ce risque, deux possibilités ont été testées : la vérification sur le terrain et l’utilisation des images à haute résolution pour rechercher la proportion de surface brûlée au sein du pixel NOAA. Dans ce dernier cas, il est d’usage de superposer l’imagerie NOAA classifiée à une imagerie LANDSAT-MSS classifiée et rééchantillonnée à une résolution spatiale comparable, de la dimension d’une grille de 1 km de côté renfermant 100 pixels MSS. Il en résulte une image qui définit un pourcentage de pixels MSS brûlés équivalant à la surface effectivement touchée par le feu dans chaque pixel NOAA. L’avantage de cette méthode est de rapprocher les résultats de la classification de
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Racine Kane, Sindre Langaas et Yves Prévost
l’imagerie NOAA avec la vérité-terrain et de réaliser une équivalence entre les signaux recueillis par les capteurs AVHRR et MSS au-dessus d’une même surface brûlée.
3. VERS UN SUIVI EN TEMPS RÉEL DES FEUX DE BROUSSE L’objectif à moyen terme du CSE est de faire le suivi en temps réel des feux de brousse pour participer plus directement à la lutte contre ce fléau qui dégrade les formations végétales du Sénégal et occasionne parfois des pertes matérielles et humaines considérables. La réalisation de cet objectif est assujettie à deux conditions qui sont la mise en place d’une station de réception et l’implantation d’un algorithme de détection des surfaces en feu à partir des canaux thermiques (3, 4 et 5) du capteur AVHRR. Le principe de l’acquisition d’une station de réception de l’imagerie NOAA a été accepté par les bailleurs du projet. À l’instar de Niamey et Maspalomas (station qui fournit le CSE actuellement), Dakar sera un pôle sous-régional dans le domaine pointu de la technologie satellitaire. L’avantage que retirera le CSE de cette implantation se mesurera par sa capacité à traiter sans délai les données reçues, ce qui, dans le cas des feux, ouvre la perspective d’une surveillance des foyers actifs sur l’ensemble du territoire. En collaboration avec l’Institut de géographie de l’Université de Copenhague, le CSE travaille à la mise en place d’un algorithme de repérage des territoires à températures de surface anormalement élevées, plus connu sous le nom de « hot-spot » (Dozier, 1981). Une fois sa mise au point achevée, cet algorithme permettra une détection automatique des foyers d’incendie qui pourront être éventuellement maîtrisés si un système de communication efficace permet la transmission des informations en temps quasi réel aux équipes de lutte basées sur le terrain. Une mini-station de réception de marque Dartcom, opérée par micro-ordinateur, a été installée au Centre de suivi écologique depuis août 1992 et permet de faire un suivi en temps réel des feux de brousse en relation avec les services de lutte basés sur le terrain.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES DOZIER, J. (1981). A method for satellite identification of surface temperature fields of sub-pixel resolution. Remote Sensing of Environment, 11, p. 221229. FREDERICKSEN, P., S. LANGAAS et M. MBAYE (1990). NOAA AVHRR and GIS based monitoring of fire activity in Senegal — A provisional methodology and potential applications in fires in the tropical biota. J.G. Goldammer (dir.), Ecological Studies, vol. 84 (Berlin : Springer-Verlag), p. 400-417.
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Le suivi des feux de brousse au Sénégal par télédétection
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LANGAAS, S. et R. KANE (1991). Temporal spectral signatures of firescars in savanna woodland in remote sensing : global monitoring for earth management. International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Helsinki University of Technology, Espoo, Finland, du 3 au 6 juin, p. 11571160.
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Télédétection et suivi des productions agricoles en Afrique de l’Ouest Etienne BARTHOLOMÉ
Sommaire Introduction 1. Spécificités de la problématique du suivi des productions agricoles au Sahel 1.1. Aspects macrogéographiques 1.1.1. Démographie 1.1.2. Prédominance du mil et du sorgho 1.1.3. Prédominance de l’agriculture de subsistance, faiblesse des techniques de production 1.1.4. Précarité de l’autosuffisance alimentaire 1.2. Aspects microgéographiques 1.2.1. Répartition du domaine agricole 1.2.2. Structuration interne du domaine agricole 1.2.3. Hétérogénéité des champs 1.3. Aspects institutionnels 1.3.1. Qui sont les utilisateurs de l’information 1.3.2. Nature de l’information requise 2. L’apport de la télédétection 2.1. Améliorations des enquêtes agricoles 2.1.1. Justification 2.1.2. Approche proposée 2.1.3. Résultats
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Étienne Bartholomé
2.2. Suivi des productions agricoles 2.2.1. Définition des besoins 2.2.2. Approche proposée 2.2.3. Résultats Conclusion Références bibliographiques
Résumé Dans cet article, nous verrons les possibilités et les limites de la télédétection en matière d’estimations des superficies et des rendements des cultures d’importance stratégique pour la politique alimentaire des pays de l’Afrique occidentale sahélienne. L’analyse porte à la fois sur les questions de suivi de campagne et sur celles de l’amélioration des méthodes d’enquête de terrain. D’un point de vue géographique, la perspective choisie est imposée par les nécessités telles qu’elles sont vécues à l’heure actuelle dans les pays du CILSS. La demande d’information que peut et devrait satisfaire la télédétection se situe à l’échelle nationale, avec un besoin de détail ne dépassant guère les deux niveaux supérieurs de la hiérarchie des découpages administratifs. Elle se situe également à l’échelle supranationale ou souscontinentale lorsque l’on considère les pays du CILSS comme un ensemble géographique continu soumis aux mêmes problématiques agro-alimentaires. Nous décrivons dans cette perspective la contribution des différentes sources d’information télédétectée, de la photographie aérienne à l’imagerie des satellites météorologiques à faible résolution et haute répétitivité (NOAA AVHRR) en passant par les données fournies par les satellites LANDSAT et SPOT. Ces différentes contributions sont évaluées ensuite en termes de faisabilité technique, opérationnelle et d’orientations de recherche.
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Télédétection et suivi des productions agricoles en Afrique de l’Ouest
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INTRODUCTION L’équilibre des ressources alimentaires reste une préoccupation majeure dans les pays sahéliens. Celle-ci s’exprime, d’une part, par le souci de promouvoir le développement des productions vivrières pour atteindre l’autosuffisance et, d’autre part, par la mise en œuvre de réseaux de surveillance destinés à avertir des risques de disette et des besoins en aide d’urgence. Les initiatives en cette matière sont nombreuses et diverses. Mentionnons simplement le GIEWS, système mondial d’information et d’alerte précoce de la FAO/OAA, FEWS, le système d’alerte précoce des risques de famine de l’agence des États-Unis pour l’Aide au développement (USAID) couvrant uniquement les pays sahéliens, le projet Diagnostic Permanent organisé par le Comité interétats de lutte contre la sécheresse au Sahel (CILSS) et financé par le Fonds européen de développement (FED), le programme AGRHYMET, également mené sous les auspices du CILSS avec le soutien financier de plusieurs donateurs, ainsi que diverses actions menées sur le plan national, qu’il serait trop long d’énumérer ici. Plusieurs de ces organismes s’efforcent d’intégrer les techniques de télédétection dans leur démarche. Force est cependant de constater que jusqu’à présent l’utilisation de cette technologie pour le suivi des productions agricoles reste secondaire par rapport aux méthodes traditionnelles. Le Centre commun de recherche (CCR) de la Commission des Communautés européennes s’est intéressé à la mise au point de méthodes permettant une utilisation plus appropriée de la télédétection dans le domaine. Les travaux ont été menés, pour une large part, en étroite collaboration avec le projet du CILSS-FED « surveillance des ressources naturelles renouvelables au Sahel » qui a fourni les appuis nécessaires sur le terrain et exprimé son souci constant pour l’utilité pratique des travaux de recherche et leur possible intégration dans les méthodes de travail des structures nationales et internationales telles que le Centre AGRHYMET. Cette préoccupation est restée constamment à l’esprit et a conduit à certains choix quant aux hypothèses de travail et aux techniques envisagées. En tout état de cause, la télédétection n’est pas envisagée ici comme la panacée permettant de résoudre tous les problèmes de gestion des ressources alimentaires, d’autant plus que cette technique ne peut intervenir que dans l’estimation des productions agricoles, qui n’est qu’un des éléments du calcul du bilan alimentaire. Comme le montre la figure 16.1, la plupart des paramètres (stocks, démographie, habitudes alimentaires, import-export) entrant dans le calcul du bilan vivrier ne peuvent être mesurés que par des observations directes sur le terrain. Celles-ci ne sont pas toujours suffisantes et conduisent à des interprétations et interpolations différentes suivant les sources. C’est le
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Étienne Bartholomé FIGURE 16.1 Diagramme des interrelations entre les variables déterminant le calcul du bilan céréalier
cas, par exemple, pour l’évaluation du bilan de la campagne 1990-1991 au Mali où, se basant sur la consommation céréalière annuelle par habitant, les estimations varient entre un surplus d’environ 180 000 tonnes et un déficit de 400 000 tonnes pour une production locale de l’ordre de 1,8 à 2 millions de tonnes (FEWS, 1991). Pour une population de 8 millions d’habitants comme c’est le cas au Mali, au Burkina ou au Niger, une différence de un kilo/habitant représente la production céréalière pluviale d’environ 10 000 hectares en tenant compte des rendements actuels. De telles divergences proviennent du mode d’estimation : étude microsociologique des habitudes alimentaires, étude macroéconomique du bilan céréalier, les autres paramètres étant supposés correctement estimés. Les chiffres de population nationale peuvent présenter quant à eux des divergences allant jusqu’à 10 %, des différences plus grandes encore sont à craindre sur des unités spatiales plus petites (Bartholomé, 1989). Les causes sont selon les cas : mauvaise estimation du taux de croissance naturelle et omission
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Télédétection et suivi des productions agricoles en Afrique de l’Ouest
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des mouvements migratoires dans les calculs d’extrapolation et taille d’enquête trop réduite lors de sondages. Les estimations des stocks portent principalement sur les grands entrepôts publics et privés. L’état des stocks sur exploitation qui peuvent atteindre jusqu’à 80 % de la production nationale (Hindmarsh et Trotter, 1989) est apprécié de manière indirecte par les prix sur les marchés. La production agricole elle-même est difficilement estimable avec exactitude. Ainsi, pour la campagne 1990-1991, les chiffres du Mali et du Burkina sont revus à la baisse presque six mois après la récolte, passant de 1,8 à 1,6 millions de tonnes pour le Mali (–10 %) et de 1,78 à 1,35 millions de tonnes pour le Burkina (–24 %) (FEWS ay., 1991). Ces quelques observations soulignent la nécessité d’améliorer la précision des mesures de tous les paramètres entrant dans le calcul du bilan alimentaire et céréalier. Les lignes qui suivent montrent que la télédétection peut contribuer à cet objectif en améliorant les estimations des productions vivrières. Nous y décrivons les spécificités de la problématique du suivi des productions agricoles dans les pays sahéliens, justifiant les solutions proposées ensuite en matière d’amélioration des enquêtes agricoles nationales et de suivi de campagne à l’échelle supranationale.
1. SPÉCIFICITÉS DE LA PROBLÉMATIQUE DU SUIVI DES PRODUCTIONS AGRICOLES AU SAHEL 1.1. ASPECTS MACROGEOGRAPHIQUES 1.1.1. Démographie Les quatre pays concernés par cette étude, le Sénégal, le Mali, le Burkina Faso et le Niger, occupent une superficie totale de près de 3 millions de kilomètres carrés à comparer aux 2,4 millions de la Communauté européenne. La population totale est, quant à elle, très faible : de l’ordre de 30 millions d’habitants (DIAPER, 1987), soit le onzième de la population des pays de l’Europe des Douze. Les densités de population qui en résultent sont donc aussi modestes, avec cependant de forts contrastes régionaux. Les noyaux majeurs sont concentrés dans l’arrière-pays de Dakar et autour de Ouagadougou, Maradi et Zinder. En dehors de ces zones géographiquement circonscrites, les densités régionales les plus élevées de l’Ouest africain sont du même ordre de grandeur (≈ 50 hab./km2) que les moins peuplées des régions d’Europe classées comme défavorisées par la Commission des Communautés européennes (CCE, 1986). Les populations restent majoritairement rurales (de 75 à 90 % du total) et une frange importante de la population urbaine reste dépendante du secteur agricole pour sa subsistance, traduisant la
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Étienne Bartholomé
faiblesse du secteur manufacturier dans ces pays. Cette sujétion aux ressources aléatoires de l’agriculture explique les mouvements migratoires internes ou externes dans ces pays caractérisés par un fort taux de croissance naturelle (25 à 30 %). En résumé, les quatre pays étudiés se caractérisent par une population majoritairement agricole, de faible densité mais en forte croissance, trois éléments dont il faut tenir compte dans la compréhension des modes d’occupation du sol, des techniques de production agricole et du développement de l’économie rurale de ces régions en général. 1.1.2. Prédominance du mil et du sorgho Mil et sorgho dominent dans le bilan total des superficies cultivées (tableau 16.1). Pour la majorité des populations des pays étudiés, ces deux céréales constituent la base de l’alimentation. On estime en effet que deux tiers à trois quarts de l’apport énergétique sont fournis par les céréales (FAO, 1976). TABLEAU 16.1 Principales caractéristiques de l’économie agricole des quatre pays étudiés (moyennes 1980-1984 d’après DIAPER 1987 et divers annuaires nationaux) Sénégal sup. nat. (1 000 km2) 197 197 sup. régions agric. (1 000 km2) sup. cultivée (1 000 ha) 2 298 sup. cultivée ( % rég. agric.) 12 sup. céréalière (1 000 ha) 1 169 sup. céréalière ( % s. cultivée) 51 sup. mil + sorgho (1 000 ha) 1 025 sup. mil + sorgho ( % sup. céréal.) 88 sup. mil + sorgho ( % sup. cult.) 45 prod. mil + sorgho (1 000 t) 478 sup. riz (1 000 ha) 65 sup. riz ( % sup. céréal.) 6 sup. maïs (1 000 ha) 79 sup. mais ( % sup. céréal.) 7 rendt moyen mil et sorgho (kg/ha) 466 rendt moyen riz (kg/ha) — rendt moyen maïs (kg/ha) — population en 1985 (1 000 hab.) 6 812 prod. céréale tot./hab. 119
Mali
Burkina
Niger
Total
1 241 400 1 800 5 1 560 87 1 326 85 74 998 147 9 88 6 752 — — 8 099 126
274 274 2 325 8 2 085 90 1 945 92 82 1 003 31 1 131 6 524 — — 7 982 186
1 267 550 5 679 10 4127 73 4 098 99 72 1 544 20 0 9 0 377 — — 6 344 272
2 979 1 421 12 102 9 8 941 74 8 364 94 69 4 023 263 3 307 3 481 1 110 875 29 237 —
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Le riz et le maïs restent d’un intérêt secondaire dans le bilan des productions céréalières locales (tableau 16.1), bien qu’il faille souligner que le riz constitue la principale céréale d’importation (tableau 16.2) : on consomme deux fois plus de riz qu’on n’en produit dans ces pays. TABLEAU 16.2 Bilan céréalier des quatre pays étudiés dans le contexte africain et mondial (les quatre pays : moyennes 1979-1985 d’après DIAPER, 1987, l’Afrique ACP et le monde : moyennes 1979-1988 d’après la FAO et Van de Velde, 1989) Monde production totale (1 000 t) production de blé (1 000 t) part du blé ( %) prod. céréales secondaires (1 000 t) part céréales secondaires ( %) dont maïs (1 000 t) part du maïs ( %) production de riz (1 000 t) part du riz ( %) importations totales dont aide alimentaire import. totale / produc. totale ( %) importations de blé (1 000 t) part du blé dans les importations ( %) import. céréales secondaires (1 000 t) part cér. sec. dans les import. ( %) importations de riz (1 000 t) part du riz dans importations ( %)
Afrique ACP 4 pays
1 570 182 489 556 31 785 190 50
44 732 1 520 3 38 886 87
295 447 19
4 327 10 9 529 21 4 796 50 2 006 21 2 627 28
4 812 … … 4 452 93 284 6 360 7 794 255 17 154 19 239 30 401 50
1.1.3. Prédominance de l’agriculture de subsistance, faiblesse des techniques de production La faiblesse des rendements des cultures vivrières et la part dominante de celles-ci dans l’économie agricole indiquent que, sauf exception, la plupart des régions rurales sahéliennes vivent dans des conditions d’agriculture de subsistance au sens large (George, 1978). Les quantités produites d’excédents commercialisables sont essentiellement liées aux aléas climatiques. Lorsque l’année est mauvaise, la disette frappe tous les exploitants. Au contraire, lorsque la saison est très favorable, comme en 1989, elle l’est pour tous, les prix de vente restent faibles et l’excédent de production ne se traduit donc pas par un revenu supplémentaire pour le paysan, le privant ainsi des ressources nécessaires pour améliorer son outil de production.
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Suivant les années, on peut enregistrer des fluctuations du prix de détail des céréales sur les marchés locaux pouvant aller du simple au quintuple, les prix les plus bas étant souvent inférieurs à ceux du commerce de gros sur le marché international. Les techniques de production agricole restent caractérisées par la faiblesse des intrants (peu d’engrais, diffusion lente des semences améliorées) et de l’outillage (la « daba », houe à manche court reste l’instrument principal du paysan sahélien, sinon son symbole). Les engrais sont presque exclusivement utilisés pour les cultures de rente, principalement l’arachide et le coton, ils ne concernent qu’une part minime des superficies cultivées. La céréaliculture ne peut profiter des engrais composés que lorsqu’elle est réalisée en rotation avec une culture de rente. Hors des zones privilégiées où celle-ci est pratiquée, seuls les champs de case reçoivent une fumure régulière. 1.1.4. Précarité de l’autosuffisance alimentaire La réponse à l’accroissement démographique constant des populations sahéliennes se limite actuellement à un accroissement des superficies cultivées et à une réduction de la durée des jachères. Les rendements ne présentent quant à eux aucun mouvement significatif à la hausse. Au total, le taux général d’autosuffisance alimentaire a tendance à diminuer avec le temps, obligeant les pays sahéliens à faire appel au marché céréalier international. Le taux d’autosuffisance est très variable aussi bien dans le temps que dans l’espace, d’une région à l’autre. Lors des années très mauvaises, comme en 1984, la presque totalité du territoire des pays sahéliens est soumise à la disette. Heureusement, cette situation extrême ne se répète pas tous les ans. On se trouve le plus souvent dans une situation où de nombreuses poches déficitaires s’observent entre des régions excédentaires. Les régions déficitaires du point de vue du bilan céréalier ne subissent pas automatiquement une situation de crise alimentaire si d’autres ressources (élevage, cultures de rente, activités non agricoles rétribuées, etc.) permettent l’acquisition des céréales nécessaires. Dans les années moyennes, il existe donc bien des possibilités de complémentarités interrégionales qui pourraient être plus largement exploitées qu’à l’heure actuelle. La mise en œuvre de ces complémentarités requiert cependant une information fiable et précoce des perspectives de production régionale, non disponible, sauf exception, à l’heure actuelle. Ces quelques observations indiquent le double besoin en information auquel les autorités responsables des politiques alimentaires sont confrontées : d’une part, il est nécessaire de connaître la situation sur le plan national pour organiser les mouvements d’import-export et le
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stockage, d’autre part, la connaissance des situations régionales permet de renforcer les flux et les solidarités de voisinage régional. 1.2. ASPECTS MICROGÉOGRAPHIQUES Sans entrer dans une description exhaustive des particularités locales de l’organisation de l’espace rural des régions sahéliennes, il n’est pas inutile d’en souligner certains traits qui imposent des contraintes spécifiques dans l’utilisation des techniques d’observation spatiale et empêchent une application directe des méthodes de travail utilisées à l’heure actuelle pour le suivi des régions agricoles européennes ou nordaméricaines. 1.2.1. Répartition du domaine agricole L’agriculture pluviale des pays sahéliens n’occupe qu’une part minime du territoire. La carte 1 de la planche XX montre que la superficie consacrée à la culture ne dépasse que très localement 25 %, les taux étant le plus souvent inférieurs à 12 %. Les taux de mise en culture se corrèlent assez bien avec la densité de population dans ces régions orientées principalement vers l’agriculture de subsistance. La répartition spatiale de détail de ces surfaces est guidée, d’une part, par les facteurs ethniques et culturels qui définissent des modes spécifiques de gestion des terres (Lambin, 1988) et, d’autre part, par la disponibilité des sols arables. Les domaines agricoles s’organisent ainsi suivant un schéma spatial double : d’une part, la distance au centre habité qui détermine une structuration en auréoles concentriques et, d’autre part, la qualité des sols dont la répartition épouse dans plusieurs régions, et spécialement dans le Nord du Soudan, la structure du réseau hydrographique s’insinuant entre les massifs rocheux et les surfaces recouvertes de cuirasses latéritiques. Ainsi, dans la plupart des régions à faible taux de culture, on retrouve un domaine agricole discontinu et de petite taille, de l’ordre de un à cinq kilomètres. Dans les zones les plus méridionales du Mali et du Burkina Faso, on constate, au contraire, à la faveur de conditions pédologiques et climatiques plus favorables, un éclatement du domaine agricole en surfaces de taille réduite, souvent de quelques centaines de mètres de largeur. II est important de souligner que le domaine agricole est parsemé de jachères. En l’absence d’apport d’engrais, il s’agit bien de la seule technique utilisée pour restaurer la fertilité des sols. Sous la pression de la sécheresse qui a réduit les rendements et de l’accroissement démographique, les jachères ont été réduites ou même abandonnées, spécialement dans les régions septentrionales, les paysans ayant accru les superficies emblavées pour maintenir leur production. Ailleurs, une partie importante et même
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majoritaire du domaine agricole peut être constituée de surfaces dénudées ou occupées par de la végétation buissonnante suivant l’ancienneté de la jachère. Le suivi des espaces agricoles à l’aide de données satellitaires à faible résolution, par exemple, avec les images AVHRR des satellites météorologiques NIMBUS (résolution au nadir : 1,1 km) est rendu difficile par la petitesse des zones agricoles. Ces données fournissent de l’information sur l’état des cultures qui est largement brouillée par la végétation des jachères. 1.2.2. Structuration interne du domaine agricole Si les moyens des populations rurales ne leur permettent pas d’utiliser les engrais chimiques pour accroître leur production ni de réaliser d’importants aménagements agricoles, par contre, les agriculteurs sahéliens sont passés maîtres dans l’art de valoriser au mieux les potentialités spécifiques de chaque facette de paysage. Les techniques culturales employées déterminent la structuration interne du domaine agricole. Ainsi, seuls les champs voisins de l’habitation bénéficient d’un apport régulier d’engrais organique fourni par les détritus ménagers et le fumier du bétail. Ces parcelles accueillent en général les cultures bénéficiant des plus grands soins, ou encore des céréales (mil, sorgho, maïs) à cycle court et destinées à assurer la « soudure » entre les réserves de l’année précédente et les nouvelles récoltes. Ces champs de case contribuent à la production agricole au-delà de leur part de surface dans les superficies cultivées, et leur importance reste sousestimée à l’heure actuelle. En outre, les agriculteurs tiennent compte des ressources hydriques des sols, ce qui les amène à traiter d’une manière particulière les bas-fonds inondables, qui peuvent accueillir des cultures de riz ou de sorgho, des vergers et des jardins permettant aussi les cultures de contre-saison grâce à l’eau fournie par des puits peu profonds. Alors que l’agriculteur européen et nord-américain a homogénéisé le paysage rural par l’utilisation toujours croissante du machinisme agricole et des fertilisants, le cultivateur des pays sahéliens compense son manque de moyens techniques par une adéquation aussi étroite que possible de ses cultures aux potentialités de son milieu. Cependant, la forte fragmentation du paysage qui en résulte représente une difficulté particulière aussi bien pour l’observation satellitaire que pour toute enquête de terrain. 1.2.3. Hétérogénéité des champs À l’échelle de la parcelle, les pratiques culturales couramment utilisées rendent également ardue l’utilisation de la télédétection. Leur taille peut aller de l’are au demi-hectare, bien qu’on observe dans certaines régions des blocs de plusieurs hectares. Sauf exception, la taille des parcelles
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est donc souvent peu compatible avec la résolution spatiale des satellites SPOT et LANDSAT-TM. La pratique de la culture associée est très courante, l’association la plus classique étant le mil ou le sorgho et le niébé (Vigna unguiculata). En l’absence d’apport de fertilisants, les rendements restent faibles et la biomasse des plantes cultivées ne couvre que très partiellement le sol qui reste largement visible en vue verticale : sur l’imagerie satellitaire un champ se caractérise souvent plus par son sol dénudé que par sa végétation, même au maximum du cycle de croissance. La plupart des parcelles sont parsemées d’arbres : kad ou gao, karité, baobab, rônier, etc. qui donnent au paysage son cachet si caractéristique et fournissent diverses ressources aux populations rurales. Dans de telles conditions, il serait donc vain de vouloir dériver des observations satellitaires de quelconques « signatures spectrales » propres aux cultures et circonscrites dans les limites d’une parcelle.
1.3. ASPECTS INSTITUTIONNELS Parallèlement aux contraintes techniques imposées par les particularités du paysage rural des pays sahéliens, il est important d’évaluer les besoins et les contraintes des utilisateurs d’informations relatives aux productions agricoles avant d’envisager le développement et la mise en œuvre de méthodes d’observations incluant la télédétection. 1.3.1. Qui sont les utilisateurs de l’information ? On peut trouver des utilisateurs potentiels d’information relative aux productions vivrières à toutes les échelles spatiales depuis la parcelle cultivée jusqu’au continent. Cependant, les observations directes sont à coup sûr plus rapides, moins coûteuses et plus précises que la télédétection et autres méthodes sophistiquées pour surveiller l’état de la végétation aux niveaux les plus bas, c’est-à-dire depuis le champ individuel jusqu’aux échelles locales et sous-régionales. Les méthodes telles que la télédétection devraient être limitées à des niveaux spatiaux pour lesquels il n’y a pas d’alternative efficace réellement disponible. Les flux céréaliers présentent, systématiquement ces dernières années, un solde déficitaire dans les pays sahéliens. Pour les quatre pays considérés ici les importations céréalières représentent en moyenne de 15 à 20 % de la production locale (tableau 16.2). Cette proportion est cependant très variable d’un pays à l’autre : le Sénégal importe en moyenne pratiquement autant de céréales qu’il en produit, alors que les importations céréalières n’atteignent en moyenne que 5 % de la production dans les trois autres pays. La charge financière que cela représente est elle aussi assumée de manière très différente d’un pays à l’autre : l’aide alimentaire internationale ne représente en moyenne que 12 % des importations au Sénégal qui bénéficie de
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rentrées financières liées à l’arachide, suivant en cela la moyenne générale des pays en développement (10 %, Kennes, 1989). Pour les trois autres pays plus démunis en ressources propres, cette aide représente en moyenne 78 % des importations. Aux cours mondiaux moyens (FAO et Van de Velde, 1989) la valeur des importations céréalières annuelles des quatre pays est de l’ordre de 150 à 200 millions de dollars américains. L’intérêt économique d’une meilleure connaissance des productions agricoles devrait donc résider à la fois du côté des responsables gouvernementaux et administratifs en matière de politique économique et alimentaire dans les pays concernés, mais aussi dans la communauté internationale des pays et organismes donateurs. Le besoin en information se situe à la fois sur le plan national (gestion des achats et ventes sur les marchés internationaux, aide d’urgence) et sur le plan régional pour organiser les flux interrégionaux. Malgré la valeur relativement élevée des importations céréalières, les ressources allouées aux services responsables de la collecte d’information statistique sont en général limitées dans les pays sahéliens. La production d’information fiable en matière de statistiques agricoles n’est apparemment pas perçue comme une priorité. Au Burkina Faso, par exemple, seulement 125 enquêteurs seraient à la disposition du service en charge des statistiques agricoles. Parmi ceux-ci, moins de 10 % appartiendraient au cadre administratif permanent. En regard des conditions économiques et des politiques d’ajustement structurel en cours, le volume de main-d’œuvre a tendance à se réduire, tandis que les moyens techniques mis à disposition restent très limités : les enquêteurs sont généralement amenés à effectuer leurs déplacements à pied ou en vélo, ce qui limite leur champ d’action. Une telle évolution exclut toute possibilité d’améliorer de manière significative la collecte de l’information avec des techniques traditionnelles. Les organismes donateurs sont, quant à eux, demandeurs d’informations fiables, soit pour orienter leurs actions en matière d’aide alimentaire, soit pour cibler leur politique de coopération. Ces organismes sont en général prêts à financer l’introduction d’outils et de méthodes de travail performants dans les services nationaux. En revanche, ils sont très hésitants lorsqu’il s’agit d’assumer les coûts de fonctionnement, soutenant que ceux-ci doivent être pris en charge par les budgets nationaux dès la fin de la phase de mise en route. Cet aspect des choses ne doit pas être sous-estimé lorsqu’on envisage d’avoir recours à des techniques sophistiquées et exigeantes aussi bien du point de vue technique que financier, même si elles ont démontré leur efficacité dans des contextes différents de ceux des pays en développement. Si l’on veut s’assurer de la pérennité de la mise en œuvre des outils et méthodes, il faut donc veiller à minimiser les coûts de fonctionnement à moyen terme.
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1.3.2. Nature de l’information requise Deux contraintes de temps doivent ici être prises en considération. Pour la gestion régionale des ressources alimentaires entre zones excédentaires et déficitaires, une information précoce est en général plus importante qu’une information très précise (Spiers et al., 1986). De plus, l’information peut sans inconvénient se limiter aux cultures vivrières d’importance stratégique. Ce type d’information est en principe diffusé par les Systèmes d’alerte précoce. Par contre, pour ce qui a trait à la gestion et au développement rural, il est utile de disposer d’information précise et fiable concernant tous les aspects de la production agricole. Pour de telles applications, le facteur temps est moins contraignant. C’est le domaine d’élection des statistiques agricoles. Dans la pratique, on observe cependant que les services responsables sont mis sous pression pour dépouiller très précocement leurs enquêtes qui sont de facto la seule source d’information quantitative sur les espérances de production. Suivi de campagne et enquête statistique sont donc confondus.
2. L’APPORT DE LA TÉLÉDÉTECTION Pour répondre aux besoins en information définis plus haut, le CCR a proposé de suivre une stratégie d’utilisation de la télédétection articulée selon deux axes distincts : −
Un axe « amélioration des procédures d’enquêtes agricoles à l’aide des techniques de télédétection » susceptible d’aboutir rapidement à une mise en œuvre opérationnelle par les services nationaux en charge des statistiques agricoles. L’objectif est de renforcer l’efficacité de ces structures déjà existantes en fournissant un cadre statistique rénové pour la collecte d’observations de terrain.
−
Un axe « suivi des productions agricoles par les techniques de télédétection », destiné à renforcer à moyen terme les outils et méthodes utilisés pour le suivi à l’échelle nationale et multinationale.
2.1. AMÉLIORATIONS DES ENQUÊTES AGRICOLES 2.1.1. Justification Les méthodes actuellement utilisées sont entièrement fondées du point de vue des techniques statistiques, mais souffrent de deux faiblesses majeures en partie inhérentes au contexte dans lequel elles sont appliquées : imprécision de la base de sondage et lourdeur de l’enquête de terrain.
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Les enquêtes sont réalisées à l’aide de sondages s’appuyant sur des données sociodémographiques : population, unités morphologiques ou fiscales d’habitat (« concession » ou « carré ») ou ménages. De telles bases de sondage souffrent de l’imprécision quant aux estimations démographiques et aux dénombrements d’unités d’habitat. Cellesci peuvent recouvrir des réalités très différentes d’une région à l’autre en matière d’organisation de la vie sociale et agricole. Ces imprécisions affectent particulièrement les estimations de surfaces, qui sont calculées par extrapolation. Les enquêtes ne sont pas complètes : sont exclus de facto les agriculteurs à temps partiel exerçant d’autres métiers ou habitant en zone urbaine (fonctionnaires, etc.) ou les gros exploitants privés (commerçants, chefs religieux, personnalités retirées de la vie publique). Par ailleurs, on peut mettre en doute la pertinence de la base de sondage (par unités d’habitat), car elle ne correspond pas aux variables observées (surfaces et rendement). En outre, sous la contrainte des faibles moyens disponibles pour les statistiques agricoles, le nombre d’enquêteurs est particulièrement faible en regard des étendues à inventorier. La procédure de levé de terrain couramment utilisée consiste à arpenter chaque année les parcelles cultivées des exploitations désignées par le sondage statistique. Il n’est pas sûr que toutes les parcelles cultivées par les différents membres de la famille ou de la concession soient effectivement déclarées. La lourdeur du travail à réaliser a pour corollaire un risque (régulièrement observé) de réalisation imparfaite ou incomplète des mesures. Au Sénégal, par exemple, environ 250 enquêteurs sont chargés de visiter chaque année 2 500 carrés administratifs cultivant un total de l’ordre de 25 000 ha. Ainsi, chaque enquêteur est censé arpenter chaque année 100 ha de terres cultivées. La qualité des statistiques agricoles ne peut donc se maintenir et s’accroître que par la mise en œuvre de nouvelles méthodes plus performantes. 2.1.2. Approche proposée S’inspirant des méthodes utilisées avec succès depuis de nombreuses années dans diverses régions du monde (Holko et Sigman, 1984 ; Fournier et Meyer-Roux, 1985 ; Ministère de l’Agriculture d’Italie, s. d.) Etats-Unis, Canada, France, Italie, Communautés européennes, Maroc, Soudan, l’approche proposée par le CCR (Bartholomé, 1986-1987) est une acclimatation du « sondage aréolaire » aux spécificités décrites précédemment du paysage agricole soudano-sahélien (la population statistique sondée n’est plus la population des agriculteurs, mais l’espace géographique utilisé pour l’agriculture). Elle vise à 1) améliorer la base de sondage, 2) améliorer l’efficacité des levés de terrain,
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3) rendre la méthodologie aussi indépendante que possible des sources spécifiques de données télédétectées. Cette adaptation consiste à intégrer, d’une part, les principes du sondage aréolaire et, d’autre part, les principes d’organisation de l’espace bien connus des spécialistes de la géographie du paysage, de la cartographie synthétique de l’environnement et de l’aménagement en « terroirs villageois » (Bonfils, 1987) et qui mettent en évidence les liens entre la géomorphologie, la phytogéographie et l’utilisation agricole des terres (Howard et Mitchell, 1985). À l’intérieur d’un territoire national donné, trois niveaux hiérarchisés d’espaces géographiques ont été sélectionnés. 1.
La région agricole
C’est l’espace à l’intérieur duquel la structure du paysage agricole est homogène. Cette homogénéité est la résultante des conditions naturelles et des modes de production des populations qui occupent la région. Cette situation favorise l’homogénéité des rendements et des proportions de domaines agricoles consacrés aux différentes cultures et permet de minimiser la variance intrarégionale des statistiques agricoles. De telles régions ne correspondent pas directement ni entièrement avec la notion de région agro-écologique. Elles peuvent être délimitées à l’aide d’indicateurs dérivés d’images à résolution moyenne comme les données LANDSATMSS. Ce type d’imagerie permet en outre de cartographier d’une manière exhaustive le domaine agricole et donc de limiter la base de sondage aréolaire aux espaces concernés par les productions agricoles. 2. Le terroir Aussi appelé facette de paysage, le terroir est compris ici comme une unité physique considérée sous l’angle de l’agriculture (Derruau, 1976 ; Lebeau, 1979). Aux potentialités du milieu, parfois transformé par de longues pratiques agricoles, s’associent des pratiques culturales et des productions spécifiques. Il s’agit, par exemple, des auréoles de culture permanentes autour de lieux d’habitat, qui bénéficient d’un amendement régulier et accueillent souvent de manière exclusive certaines cultures (maïs, céréales hâtives) ou encore des zones de bas-fonds accueillant la riziculture. La caractérisation et la mesure des surfaces des différents types de terroirs sur le plan régional permettent de répartir les observations de terrain de telle sorte que les cultures d’importance secondaire, en termes de superficie, mais d’une grande importance, soit par leur valeur, leur rôle ou leur rendement, soient adéquatement couvertes. Le faible taux de sondage entraîne parfois des erreurs dans l’estimation de certaines productions, car le hasard fait qu’elles sont mal représentées dans l’échantillonnage ou qu’elles en sont carrément absentes. Cela a, par exemple, amené à diagnostiquer
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erronément un risque de disette dans le Sud-Est du Sénégal en 1989, parce que les cultures de maïs, traditionnellement abondantes dans cette région, avaient été sous-évaluées (C. I. Ndiaye, communication orale). 3.
Les segments élémentaires
Ce sont des blocs de parcelles dont les limites sont matérialisées sur le terrain (topographie, cours d’eau, sentier). Ils sont sélectionnés dans chaque type de terroir, proportionnellement à leur importance. L’enquêteur recueille ses observations à l’aide du plan parcellaire établi sur ces segments.
FIGURE 16.2
Synthèse de la méthode proposée pour l’amélioration de la collecte des statistiques agricoles
Les données recueillies sur les segments élémentaires sont agrégées pas à pas de manière à établir les estimations par région agricole et à les exprimer ensuite selon les unités administratives. La figure 16.2 synthétise la procédure proposée. Celle-ci fait appel à la
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télédétection satellitaire ou aérienne pour cartographier les structures spatiales stables (régions, domaines agricoles, terroirs, plans parcellaires) sur des périodes pouvant aller jusqu’à une décennie. Une telle approche est donc a priori compatible à la fois avec les techniques les plus récentes en matière d’acquisition, de transmission et de traitement de l’imagerie satellitaire et avec les possibilités de financement d’une telle opération, car l’investissement de départ est exploité ensuite durant de nombreuses années. Tous les travaux d’interprétation peuvent s’exécuter visuellement avec report manuel sur des reproductions photographiques à l’échelle désirée de l’imagerie satellitaire. La qualité d’un tel travail est subordonnée à la compétence du personnel employé. Les procédures numériques offrent l’avantage de l’uniformité et de la rapidité de traitement lorsque des procédures standardisées sont bien établies. Le travail de mise au point s’est donc focalisé sur le développement de méthodes numériques autorisant un traitement standardisé et rapide et tenant compte des exigences de la mise en place opérationnelle des procédures proposées sur l’ensemble des pays du CILSS. En effet, environ 200 images LANDSAT-MSS, de l’ordre du millier d’images SPOT sont nécessaires pour couvrir l’entièreté des régions agricoles de ces pays. 2.1.3. Résultats 1. Automatisation des chaînes de traitement de données satellitaires Une chaîne standardisée de cartographie numérique du domaine agricole à l’aide de données LANDSAT-MSS a été développée par Sysame, une société contractante du CCR et du projet Surveillance. Les résultats se comparent de manière satisfaisante avec l’interprétation visuelle établie par des experts connaissant les régions concernées (Sodéteg, 1988). La procédure comprend une reconnaissance de terrain préalable. Elle doit en outre être complétée par un contrôle de terrain a posteriori pour en évaluer quantitativement la précision. À la demande du projet Surveillance la méthode a déjà été appliquée à de larges zone du Mali, du Sénégal, du Burkina et du Niger. Tout comme la légende, le principe de classification des images est très simple : en début de saison sèche, le domaine agricole apparaît systématiquement moins végétalisé que les zones non agricoles. II existe donc toujours un contraste local entre les deux classes recherchées. Des difficultés apparaissent cependant lorsqu’on désire traiter de très larges zones, car les deux thèmes recherchés présentent
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des phénomènes de dérive spectrale, en relation soit avec l’état de l’atmosphère, soit avec les conditions écologiques locales. 2. Amélioration des méthodes de travail de terrain Pour accroître la productivité des enquêteurs disponibles, on a proposé d’améliorer les méthodes d’enquête de terrain. Deux variantes ont été évaluées : observations le long de transects et établissement de segments permanents par levé topographique de terrain ou par photographies aériennes. La méthode des transects a été évaluée au Mali par le projet Surveillance. Elle permet d’obtenir très rapidement des estimations quant aux proportions des différentes utilisations de sol. Elle présente cependant de sérieux handicaps tant du point de vue théorique que pratique. Du point de vue théorique, les règles statistiques à la base de cette méthode ne sont pas clairement établies, ce qui amène à extrapoler le transect à une surface déterminée arbitrairement de part et d’autre du trajet parcouru. Il n’est pas possible dans ces conditions d’estimer le taux de sondage utilisé. On est en outre confronté à l’anisotropie fréquente de l’organisation de l’espace (les champs peuvent être orientés). Dans ce cas, l’orientation du transect influe sur les résultats. En pratique, il peut être difficile de réaliser les transects à travers les cultures, ceci est d’autant plus vrai dans les régions méridionales du CILSS que la végétation y est plus dense. Cette méthode ne peut donc être recommandée que comme un pis-aller pour des reconnaissances rapides (Sysame, 1991). L’équipe du projet Surveillance a en outre évalué la mise en place de segments carrés de 50 ha (700 x 700 m) par levé topographique. Une équipe entraînée (minimum deux personnes) lève en général un segment par jour : en une semaine l’équipe de deux personnes a accompli un travail équivalant à celui demandé chaque année dans les enquêtes classiques. Toutes les parcelles sont regroupées en une seule zone : les déplacements sont minimisés par rapport à la méthode traditionnelle. De plus, le plan parcellaire reste valable pour plusieurs années. Les années suivantes, il suffit qu’un seul enquêteur parcoure le segment pour noter les natures de cultures et éventuellement les quelques changements de limites de parcelles, et les surfaces se déduisent du plan parcellaire. Les carrés de rendement sont implantés sur les parcelles du segment. Les gains de temps sont donc enregistrés dès la deuxième année. Les inconvénients résident dans la compétence nécessaire au travail topographique et dans le fait que la qualité du travail des nombreuses équipes de terrain nécessaires à la mise en place des segments est difficilement contrôlable.
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Le CCR a donc évalué la possibilité d’établir ces plans parcellaires à l’aide d’observations aérospatiales. L’analyse a porté sur l’imagerie satellitaire à haute résolution (SPOT), sur les couvertures aérophotographiques systématiques couramment disponibles, sur des prises de vues 24 x 24 cm au 1:10 000 et sur des prises de vues 70 mm par ULM à diverses échelles allant du 1:2 000 au 1:12 000 (Bartholomé, 1988). Cette analyse montre que 1) les données satellitaires ne conviennent pas du tout à ce type d’objectif à cause de leur faible résolution, 2) les couvertures systématiques sont inadaptées pour des questions de date de prise de vue (en général il s’agit de la saison sèche) et d’échelle, surtout dans le cas de parcelle de petite taille (le sol est dénudé et les limites parcellaires n’apparaissent pas), 3) les photos au 1:10 000 sont parfaitement adaptées, mais des échelles moindres (1:15 000 — 1:20 000) peuvent suffire, de même que des émulsions noir et blanc, pourvu que les prises de vues soient réalisées durant la saison culturale, 4) les clichés 70 mm constituent une solution bon marché et 5) l’ULM doit être réservé à des travaux sur des zones restreintes. Des estimations grossières des coûts semblent indiquer que ceux-ci peuvent être du même ordre de grandeur que ceux induits par des levés de terrain. Une telle méthode a l’avantage de garantir un travail de qualité homogène par la centralisation des opérations de dépouille-ment et de cartographie.
3. Développement de méthodes statistiques nouvelles Les procédures d’enquête agricole, qu’elles soient basées sur le sondage d’univers statistiques de nature démographique ou géographique, s’appuient toujours sur des tirages aléatoires. Dans la pratique, cela amène à sélectionner des sites inaccessibles aux enquêteurs, soit par la difficulté du terrain (îles de Casamance ou du fleuve Sénégal), soit par manque de moyens de transport. En outre, les procédures classiques de photo-interprétation amènent à définir des « régions homogènes » dont l’organisation spatiale n’est pas aléatoire. Une analyse préliminaire de la question a permis d’établir l’analogie entre cette caractéristique et les phénomènes considérés en statistique comme « stationnaires » (Sysame, 1991). Le principe de stationnarité permet, par exemple, aux géologues, de considérer les résultats de l’analyse d’un échantillon comme parfaitement représentatifs des caractéristiques de l’ensemble de la roche dont il est issu. La vérification systématique de cette hypothèse, dans le cas des régions homogènes et des facettes de paysages, devrait permettre de réduire a priori le volume d’observations de terrain pour un niveau de précision espéré, ce qui est une manière nouvelle d’optimiser le travail de terrain.
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2.2. SUIVI DES PRODUCTIONS AGRICOLES 2.2.1. Définition des besoins Aspect thématique Comme l’indiquent les tableaux 16.1 et 16.2, le mil et le sorgho sont largement dominants dans l’ensemble des superficies cultivées comme dans celui des productions céréalières. On s’est donc concentré exclusivement sur ces deux cultures vivrières les plus importantes. Aspect spatial Du point de vue spatial, l’expérience semble indiquer qu’une information de qualité (c’est-à-dire une information chiffrée et de fiabilité reconnue) produite sur des unités administratives de 5 à 10 000 km2 satisfait la plupart des besoins. La synthèse de l’information locale vers les échelles nationales et sous-continentales est, surtout en matière de prévision, d’autant plus aléatoire, hétérogène et imprécise qu’elle couvre des espaces plus larges. La transmission de l’information est d’autant plus lente et irrégulière qu’elle gravit un nombre élevé d’échelons dans la hiérarchie administrative avant d’en atteindre le sommet. Il existe donc un besoin non encore correctement satisfait pour lequel la télédétection présente d’intéressantes perspectives, pour un suivi rapide (c’est-à-dire avec un intervalle de temps réduit entre l’observation et l’interprétation), homogène et fiable aux échelles générales. Aspect temporel Les premières estimations de productions sont en général déjà réclamées dès le 15 septembre, soit environ un mois à un mois et demi avant la récolte, ou encore approximativement au début de la deuxième moitié du cycle végétatif des cultures, durant laquelle le grain se développe. II est donc nécessaire d’établir une estimation des rendements potentiels en se basant sur la végétation déjà développée à ce moment. Précision Les exigences en précision s’accroissent au fur et à mesure que l’on s’approche du moment des récoltes. Il est cependant douteux que ce besoin soit réellement satisfait à l’heure actuelle. En l’absence de termes de comparaison fiables, l’information ne peut être appréciée que par rapport à la qualité intrinsèque des méthodes utilisées et au respect de leur application. La faiblesse des moyens mis en œuvre pour établir
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les statistiques agricoles ne permet pas de recueillir suffisamment d’observations pour garantir une précision suffisante aux chiffres diffusés. II est ainsi souvent admis que la valeur quantitative des statistiques publiées pour les unités administratives locales est largement sujette à caution, tandis que les données régionales ou départementales sont d’une fiabilité « acceptable » mais non précisée autrement. L’analyse des publications des différents systèmes d’alerte précoce indique en tout cas la nécessité de disposer très tôt de chiffres nationaux précis pour organiser les achats et l’aide alimentaire, ce qui ne paraît toujours pas être le cas actuellement (FEWS, 1991). Elle indique aussi que les seules informations quantitatives réellement disponibles à la miseptembre portent sur les surfaces ensemencées telles qu’elles ont été observées deux mois plus tôt. Parallèlement à l’interprétation agroclimatologique des conditions météorologiques, l’observation satellitaire peut donc judicieusement compléter l’information existante par une estimation des rendements dérivée de l’état observé des cultures et de la végétation en général. 2.2.2. Approche proposée Par rapport à ces contraintes externes, le CCR a orienté ses recherches selon les axes suivants : – Utilisation préférentielle de données satellitaires à faible résolution et haute fréquence de passage, afin de couvrir de très larges espaces avec un volume réduit de données à traiter et de résoudre les difficultés liées à la forte nébulosité durant l’hivernage. – Utilisation de l’indice de végétation dérivé des observations satellitaires, qui exprime relativement bien à la fois la quantité de biomasse verte et le taux de productivité primaire de celleci. – Vérification de la possibilité de suivre simultanément le mil et le sorgho sans discrimination préalable de l’espace cultivé. – Vérification de la faisabilité d’approches empiriques (les données satellitaires sont simplement ajustées statistiquement aux observations de terrain) et modélistiques (les rendements sont estimés à l’aide de modèles déterministes dont certains paramètres peuvent être mesurés à l’aide de satellites). 2.2.3. Résultats Similitude des rendements du mil et du sorgho Diverses campagnes de mesures au sol ont été menées avec la collaboration des composantes nationales du projet Surveillance. Elles
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ont permis de montrer que, dans des conditions de culture égales, les signatures spectrales du mil et du sorgho sont similaires, de même que les relations entre ces signatures et des paramètres de rendement (Bartholomé, 1988a). D’autres observations réalisées sur des cultures en milieu paysan montrent que le rendement est plus sensible au site utilisé et donc à la disponibilité en eau et à la qualité du sol, qu’au type de céréale cultivée (mil ou sorgho) (Bartholomé, 1988b). Les statistiques agricoles des quatre pays étudiés révèlent en outre que les rendements régionaux du mil et du sorgho sont fortement corrélés entre eux (Bartholomé, 1989). Cet ensemble d’observations indique qu’on peut accepter de ne pas différencier ces deux cultures dans l’analyse des relations entre rendement et indices de végétation télédétectés. Corrélations empiriques Des données satellitaires à faible résolution (AVHRR GAC) ont été étudiées pour trois années (1984, 1985, 1986). Elles ont permis de montrer que les moyennes d’indices de végétation, calculées sur 85 2 unités administratives d’une taille de l’ordre de 5 à 10 000 km , réparties dans la zone concernée par l’agriculture dans les quatre pays étudiés, sont en bonne concordance avec les rendements signalés dans les annuaires de statistiques agricoles pour ces mêmes unités administratives. Les données satellitaires arrivent, dès le début du mois de septembre, soit plus d’un mois avant la récolte (cartes 2 et 3 de la planche XX), à décrire de 50 à 66 % de la variabilité selon les années (Bartholomé, 1989 ; Massait, 1990). Si ces résultats peuvent paraître faibles, ils sont néanmoins encourageants dans la mesure où les données satellitaires utilisées sont très approximatives (aucune correction préalable ne leur a été appliquée pour tenir compte de l’état des instruments à bord des satellites ou des conditions atmosphériques et d’insolation) et les statistiques agricoles officielles souffrent des imprécisions déjà évoquées précédemment. Spécificité du domaine agricole Une analyse de détail a montré que le comportement radiométrique des domaines agricoles se différencie significativement de celui des zones non agricoles. Cette différenciation s’exprime par des décalages dans les cycles végétatifs et dans des différences d’intensité des signaux (figure 16.3). Ceci souligne, d’une part, l’intérêt qu’il y a de focaliser les mesures sur la dizaine de pour cent de l’espace qui est effectivement concernée par l’agriculture et, d’autre part, les difficultés inhérentes à une telle approche eu égard à la faible résolution des données satellitaires utilisées (AVHRR, 1,1 km au nadir).
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FIGURE 16.3
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Variation de la différence d’indice de végétation NDVI entre domaine agricole et domaine non agricole au cours de la saison dans une zone du Bélédougou (nord de Bamako, Mali)
Étalonnage a priori des indices de végétation Comme déjà noté en conditions expérimentales (Bartholomé, 1988a), la relation entre mesures satellitaires et rendements présente un comportement dans le temps qui peut être modélisé (Bartholomé, 1989). La faible qualité des données utilisées n’a pas permis de vérifier sans discussion la stabilité interannuelle de ces relations. Bien que celles-ci fussent apparemment différentes d’une année à l’autre, les différences observées n’étaient pas significatives d’un point de vue statistique. Des études ultérieures sont donc nécessaires pour vérifier ce point qui permettrait, le cas échéant, de s’appuyer sur des données historiques pour établir un étalonnage exploitable à tout moment durant une nouvelle saison d’observation. Calendrier phénologique Les inflexions des courbes temporelles d’indice de végétation dérivées des données satellitaires permettent d’établir sous forme spatialisée des indications utiles pour le calage des modèles agrométéorologiques classiques. L’imagerie satellitaire enregistre en effet la réponse réelle de la végétation aux conditions climatiques (figure 16.4). II est intéressant de noter que la répartition spatiale de ces phénomènes ne suit pas exactement celle des rendements (cartes 3 et 4 de la planche XX).
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FIGURE 16.4 Corrélation entre le démarrage de la courbe temporelle d’indice de végétation, indiquant le début du développement de la végétation et la date de la première décade suffisamment pluvieuse pour autoriser le développement des cultures
Approche modélistique L’approche purement modélistique s’est basée sur le modèle de productivité primaire de Monteith (1972), adapté pour les productions agricoles. Cette analyse a été réalisée elle aussi à l’échelle souscontinentale, soit sur les 85 unités administratives déjà citées. Les résultats montrent la faisabilité de l’approche basée sur des modèles déterministes et mettent en évidence les problèmes encore à résoudre (Bartholomé, 1989 et 1990). Ils soulignent la nécessité d’exploiter des mesures satellitaires ciblées sur les zones spécifiquement agricoles de manière à éliminer au maximum le « bruit » provoqué par la végétation naturelle. De plus, le modèle (pourtant un des plus simples qui soient) fait appel à des paramètres peu disponibles ou de fiabilité incertaine au regard de la taille de l’espace géographique étudié. Il s’agit 1) de l’efficacité photosynthétique (quantité de matière sèche produite par unité d’énergie solaire assimilée et transformée par la photosynthèse), 2) de la relation pondérale entre les organes végétatifs de ces cultures, discernables par télédétection et la production utile qu’est le grain, non observable depuis l’espace, 3) de la répartition spatiale et temporelle de l’énergie solaire utilisable par la photosynthèse et effectivement disponible durant la saison de croissance des cultures et 4) du rayonnement solaire. Ce dernier peut être estimé par une combinaison d’imagerie satellitaire et de mesures en station météorologique (Brakke et Kanemasu, 1981 ; Kerr et Delorme, 1981 ; etc.) ; la connaissance de
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l’efficacité photosynthétique exige quant à elle de très gros efforts de mesures agrométéorologiques et physiologiques à réaliser sur des cultures dans des milieux paysans diversifiés pour tenir compte de la variabilité des conditions écologiques et des variétés cultivées dans les pays du CILSS. Ces expérimentations sont jusqu’à présent restées rares et ponctuelles (Bègue, 1991). L’approche modélistique requiert, en outre, un traitement très soigné des données satellitaires pour obtenir des grandeurs physiques aussi précises que possible, cette question n’est pas encore parfaitement résolue dans les chaînes de traitement routinier.
CONCLUSION La gestion des ressources vivrières requiert un effort d’amélioration des méthodes de suivi et d’évaluation de campagne agricole dans les pays sahéliens. Les caractéristiques du milieu rural de ces pays de même que les conditions économiques qui y prévalent requièrent l’utilisation de nouvelles techniques et méthodes à la fois plus performantes et peu coûteuses. Dans ce contexte, la télédétection offre la possibilité de renforcer et d’améliorer les méthodes de travail déjà utilisées dans les organismes nationaux et internationaux chargés des statistiques agricoles et du suivi de campagne. Ainsi, les travaux menés sous l’impulsion du CCR ont permis 1) de mettre en évidence les avantages décisifs (base de sondage, enquêtes de terrain) de l’enquête aréolaire par rapport aux méthodes en usage à l’heure actuelle dans les pays sahéliens ; 2) d’acclimater les méthodes aux conditions environnementales de ces pays en proposant l’association des principes du sondage aréolaire et de ceux qui régissent l’organisation spatiale des régions rurales. Le moment est donc venu de mettre en œuvre de manière opérationnelle ces procédures d’enquête agricole basées sur l’échantillonnage aréolaire et de poursuivre les efforts de recherche et développement, d’une part, pour découvrir des méthodes numériques de traitement routinier des données satellitaires et, d’autre part, pour mettre au point de nouveaux concepts et outils statistiques adaptés à l’analyse spatiale. Par ailleurs, les résultats, tant ceux qui ont été acquis par le CCR dans le cadre du projet Surveillance que ceux obtenus par d’autres chercheurs, convergent pour montrer l’utilité, dans le contexte agricole des pays sahéliens, des indices de végétation dérivés des satellites à faible résolution ; d’une part, pour dériver des informations sur l’évolution de la saison agricole et, d’autre part, pour estimer de manière quantitative les principales productions céréalières pluviales. Ils indiquent en outre la possibilité, à brève échéance, d’exploiter de
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manière approfondie l’information fournie par les données satellitaires à faible résolution pour améliorer l’estimation des rendements régionaux dans le cadre des systèmes de suivi et d’alerte des pays sahéliens, à condition que les efforts nécessaires soient déployés pour établir l’étalonnage de ces données télédétectées. La pleine mise en valeur de ces données ne sera cependant atteinte que par l’utilisation concomitante d’autres approches faisant appel à d’autres sources d’observation.
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L’ATMOSPHÈRE ET LES CHANGEMENTS CLIMATIQUES
La question des changements climatiques et de l’évolution des conditions atmosphériques est au cœur de la plupart des préoccupations actuelles dans le domaine de l’environnement. L’augmentation du taux de gaz carbonique dans l’atmosphère et l’effet de serre qui lui est associé, les sécheresses à répétition dans plusieurs régions du monde, mais en particulier en Afrique, et les inondations catastrophiques dans d’autres régions ont toujours attiré l’attention du public et mis en relief la vulnérabilité des sociétés humaines vis-à-vis des éléments atmosphériques. Les effets du climat se font sentir à toutes les échelles, du niveau global au niveau local, et ils contribuent à la productivité des écosystèmes mais aussi à leur fragilité quand les conditions d’équilibre sont rompues ou se modifient rapidement. Le rayonnement solaire est le moteur de la photosynthèse, source de toute vie sur la Terre, mais il est aussi à la base de l’évaporation et des sécheresses. La télédétection permet de comprendre et de visualiser les termes du bilan d’énergie de la surface terrestre et, avec l’aide des outils connexes de modélisation, de prévoir dans une certaine mesure l’évolution des écosystèmes sous l’action des facteurs climatiques.
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L’atmosphère et les changements climatiques
Dans cette partie, nous verrons comment il est possible de modéliser l’effet des changements climatiques sur la forêt boréale, comment la télédétection permet de visualiser les variations spatiales de la température de surface et de l’évapotranspiration et comment elle permet de mieux comprendre les microclimats et leurs intéractions sur la croissance forestière. Enfin, on découvrira un outil informatique de visualisation et de transmission des connaissances sur l’environnement planétaire.
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Impact des changements de l’environnement global sur la forêt boréale au Québec Alain ROVER, Colette ANSSEAU, Alain VIAU, Andrée THÉRIAULT, Ferdinand BONN, Norman T. O’NEILL, Hardy B. GRANBERG, Bhawan SINGH, Peter SCHUEPP, Jean BEAUBIEN et Josef CIHLAR
Sommaire Introduction 1. Modélisation 2. Base de données à références spatiales 2.1. Mise en conformité spatiale 2.2. Régionalisation des données ponctuelles 2.2.1. Données climatiques 2.2.2. Données forestières 2.2.3. Réduction de données/généralisation/classification 2.2.4. Données de télédétection 3. Résultats 3.1. Intégration spatiale et modélisation 3.2. Intégration temporelle des données Discussion Conclusion Références bibliographiques
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Alain Royer et al.
Cet article, dont une grande partie est parue originellement dans le Journal canadien de télédétection, vol. 19, n° 1, janvier 1993, sous le titre « Intégration de la télédétection dans un système d’information géographique pour la modélisation de l’impact climatique sur la forêt boréale au Québec », a été reproduit et modifié avec l’autorisation de la Société canadienne de télédétection. Ce projet a été financé par le Fonds FCAR du Québec (91-AS-2834) et le CRSNG du Canada. Il a été réalisé avec le concours du CTQ, MER et du MFO du Québec, ainsi que du CCT, EMR Canada et de Forêts Canada. Nous remercions de leur précieuse collaboration Guy Simard, Godelieve Deblonde, Jean Boivin et Richard Pelletier.
Résumé La compréhension des interactions entre la biosphère terrestre et en particulier la forêt boréale et l’atmosphère est très importante. En effet, la forêt boréale constitue un écosystème majeur dans le cycle du carbone, mais c’est aussi une ressource économique considérable. Il est donc fondamental d’en assurer la pérennité, c’est-àdire de maintenir un équilibre entre son exploitation, son aménagement et sa protection face aux pressions constantes des modifications environnementales : augmentation des gaz à effet de serre, pollution, etc. Le but du projet est de mieux comprendre la dynamique de l’écosystème forestier, les facteurs qui influent sur cette dynamique et la sensibilité de l’écosystème face aux modifications de ces facteurs, en particulier face aux changements climatiques qui résulteraient d’un doublement de CO2 atmosphérique. Notre étude de l’impact climatique sur la forêt boréale repose sur le concept d’un système d’analyse intégré de modélisation environnementale basé sur l’utilisation d’un système d’information géographique incorporant les images de télédétection. Nous traitons dans cet article certains aspects de la problématique liés à l’intégration de différents types de données (ponctuelles, vectorielles, polygonales et matricielles) dans le modèle écologique de simulation de la dynamique forestière que nous avons utilisé. Il s’agit de la mise en conformité spatiale de la base de données, de la régionalisation des données ponctuelles, de la réduction de données, soit la généralisation ou la classification de l’information, du traitement des images de télédétection et, enfin, de l’intégration spatiale et temporelle des données. Nous présentons un exemple d’intégration des données pour l’estimation de la biomasse ligneuse simulée sur une base régionale au sud de la baie James (Matagami, Québec), caractéristique de la pessière noire à mousse.
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Impact des changements de l’environnement global sur la forêt boréale au Québec
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INTRODUCTION L’objectif du projet est l’analyse de la dynamique de l’écosystème de la forêt boréale dans une hypothèse de changements climatiques. Il est maintenant communément admis que l’accroissement constant des gaz à effet de serre dans l’atmosphère pourrait entraîner, au cours des prochaines décennies, une augmentation importante de la température moyenne mondiale. Mais l’incertitude reste encore grande aussi bien dans les estimations de l’ampleur, de la localisation et des échéances de ces changements que dans l’analyse de leurs effets sur la biosphère. Le Programme canadien des changements à l’échelle du globe (PCCEG, 1991) souligne qu’il est primordial d’investir dans la compréhension des interactions entre la biosphère terrestre et l’atmosphère afin d’évaluer leur rôle dans le changement global, en particulier les variations du bilan interannuel du carbone (BOREAS, 1990). Le Conseil canadien de la recherche sur l’évaluation environnementale (CCREE, 1988) suggère le développement pour l’étude et l’évaluation des effets cumulatifs, d’outils et de modèles de simulation applicables à différentes échelles de l’effet synergique entre les changements climatiques projetés, la réponse du milieu forestier et les activités qui y sont reliées. Peu de recherches ont porté jusqu’à maintenant sur cette question (Royer et al., 1991 et 1993a). Cependant, les études menées par le Saskatchewan Research Council (Wheaton et al., 1987) et par le CCREE pour le Nouveau-Brunswick (Rattie et al., 1987) indiquent clairement la nécessité d’orienter nos efforts vers le développement de systèmes intégrés d’analyse de l’évolution de la forêt boréale face à un changement climatique. Notre étude de l’impact climatique sur la forêt boréale repose sur le concept d’un système d’analyse intégré de modélisation environnementale. L’approche utilisée est basée sur le développement d’un système d’information géographique (SIG) (figure 17.1) permettant : a) d’incorporer des données multisources (du sol au satellite) ; b) d’intégrer spatialement les structures théoriques (modèles) et les mesures ou informations ponctuelles (climat ou paramètres forestiers, par exemple) aux données obtenues à l’échelle régionale (pédopaysages, image satellite) ; c) de créer une interface entre les modèles écologiques et les modèles de développement (modèles économiques). Nous traitons dans cet article certains aspects de la problématique liés à l’intégration de différents types de données dans un modèle écologique de simulation de la dynamique forestière.
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Alain Royer et al.
FIGURE 17.1
Schéma d’intégration des différents éléments (et modèles associés) à considérer dans l’analyse de l’impact d’un changement climatique sur la forêt boréale
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Impact des changements de l’environnement global sur la forêt boréale au Québec
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1. MODÉLISATION La moitié du territoire canadien est couvert de forêts qui constituent un écosystème majeur dans le cycle global du carbone. Tans et al. (1990) soutiennent que la végétation continentale n’aurait pas seulement un effet sur les variations saisonnières de la teneur atmosphérique en CO2 (fixation par photosynthèse), mais régulariserait également la teneur moyenne par un flux net de carbone de l’atmosphère vers la biosphère (fertilisation biosphérique). La biosphère terrestre de l’hémisphère nord agirait donc comme un puits (réservoir) de CO2 atmosphérique et pourrait donc avoir un rôle très important dans le cycle du carbone. Par ailleurs, l’industrie forestière est aussi le pivot de l’économie canadienne avec un chiffre d’affaires de plus de 30 milliards de dollars et 900 000 emplois directs ou indirects, et la vie sociale, culturelle et récréative des Canadiens est étroitement reliée à cette ressource. C’est pourquoi il est fondamental d’en assurer la pérennité, c’est-à-dire de maintenir un équilibre entre son exploitation (gestion économique à court terme), son aménagement et sa protection (gestion du patrimoine à long terme) face aux pressions constantes des modifications environnementales : augmentation des gaz à effet de serre, pollution (pluies acides), dépérissement, etc. Le but du projet est de mieux comprendre 1) la dynamique de l’écosystème forestier, 2) les facteurs qui influent sur cette dynamique et 3) la sensibilité de l’écosystème face aux modifications de ces facteurs, en particulier face aux changements climatiques (Royer et al., 1993a et 1993b). Nous avons entrepris cette étude à partir du modèle écologique de simulation de la dynamique forestière développé par G. Bonan (1990). Ce modèle contient une banque de données d’ordre physiologique et phénologique pour toutes les espèces considérées, soit principalement l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP.), l’épinette blanche (Picea glauca (Moench) Voss.), le sapin baumier (Abies balsamea (L.) Mill.), le pin gris (Pinus banksiana Lamb.), le bouleau à papier (Betula papyrifera Marsh.) et le peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.). II permet de simuler la croissance d’un peuplement (régénération annuelle, croissance et mortalité) en réponse à des variations de conditions de sites (disponibilité en éléments nutritifs, humidité du sol, pergélisol et horizons organiques) couplées aux conditions climatiques (température, précipitations et nébulosité) et aux effets des feux (perte de biomasse pendant le feu, volatilisation de l’azote et minéralisation de l’azote organique) (figure 17.2). Ce type de modèle paramétrique (gap model) fait donc appel à différents types de données biogéophysiques sur le sol, la surface et les perturbations (feux) ainsi qu’à des paramètres climatiques (figure 17.2).
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Bien qu’il ait été conçu pour simuler la dynamique forestière en un site donné (une surface de 1/12 ha définie par sa latitude, sa pente, son orientation et son altitude), nous avons analysé la possibilité de l’utiliser sur une base régionale. Un certain nombre de problèmes apparaissent alors dans la constitution et l’intégration de la base de données d’entrée de même que dans la spatialisation de certains paramètres. FIGURE 17.2
Organigramme schématique du modèle de simulation dynamique de la forêt boréale utilisé pour l’analyse des interactions entre le climat et la productivité forestière (d’après Bonan, 1990)
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2. BASE DE DONNÉES À RÉFÉRENCES SPATIALES Les données considérées dans la modélisation, décrites dans le tableau 17.1, sont de quatre types : ponctuelles, vectorielles, polygonales (définissant les contours d’une surface) et matricielles (correspondant aux images de télédétection). Chacun de ces types présente certaines caractéristiques spécifiques nécessitant un prétraitement approprié. Nous analysons ci-dessous quelques-uns de ces problèmes : mise en conformité spatiale, régionalisation des données, classification, extraction des données de télédétection et intégration spatio-temporelle des données.
TABLEAU 17.1 Description de base de données utilisée dans la modélisation de la dynamique forestière
N°
Nom
Source
Taille approx. Type
1
Atlas national
ÉMR Canada111
2 3
NGDC USA(2) 40 Mo matrice (3) 3000 Mo points SEA Canada (CCC)
4
MNT ETOPO-5 Simulations climatiques CO2 Stations météo
5
Pédopaysages
Agriculture Canada
6
Placetteséchantillons permanentes(PEP)
7
7 Mo
(4
vecteurs
Échelle spatiale résolution 1:2 M 9 par 9 km 3,5 degrés
Couverture
s.o.
Québec et Terre-Neuve s.o. Terre aux 12 heures Amérique sur 10 ans du Nord journalière 47° à 53°N 71°à83°W s.o. Sud-Ouest du Québec deux lectures 48° à 51 °N entre 1972 62° à 80° et 1990
400 Mo
points
6 Mo
polygones 1:1 M
Ministère des Forêts (6) du Québec
20 Mo
points
1/25 ha
NASA USA(7) du Nord (7) NASA USA du Nord GSFC USA(8)
1 Mo
matrice
1 degré
s.o.
Amérique
1 Mo
matrice
1 degré
saisonnière
Amérique
9
Végétation Matthews et 10 minutes Albédo Matthews et 10 minutes Neige
1 Mo
matrice
30 minutes
hiver
10 11 12 13
Feux Écodistricts Zones écoclimatiques Zones climatiques
Env. Canada (4) Env. Canada (4) Env. Canada J. Litynski UQTR(9)
1 Mo 5 Mo 1 Mo 1 Mo
polygones polygones polygones matrice
1:6 M 1:1 M 1:1 M 1:2 M
s.o. s.o. s.o. s.o.
Amérique du Nord Québec Québec Québec Québec
8
Env. Canada
(4)
(5)
ponctuel
Échelle temporelle
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Alain Royer et al. TABLEAU 17.1 Description de base de données utilisée dans la modélisation de la dynamique forestière (suite)
N°
Nom
Source
14 Régions écologiques du Québec 15 NDVI (AVHRR)
MER Québec(10)
Échelle spatiale Échelle Taille approx. Type résolution 5 Mo
ÉMR Canada (CCT)(1) 40 Mo
16 Classification du territoire a) AVHRR ÉMR CTQ(11) b) LANDSAT-TM ÉMR Canada c) MSS (CCT)(1) 17 GVI NOM USA(12)
6 Mo 65-Mo 45 Mo 150 Mo
temporelle
Couverture
polygones 1:1 250 000
s.o.
Sud
matrice
1 km
10 jours
Canada ou mensuelle
matrice matrice matrice matrice
1 par 1 km 30 par 30 m 80 par 80 m 15 par 15 km
1988-89 1987-91 1972-8 sept jours
Québec Régional Québec Terre ou mensuelle (1983-91)
[Références : (1) Secteur des levés, de la cartographie et de la télédétection, Ministère de l’Énergie, Mines et Ressources, Ottawa. Canada ; (2) U.S. National Geophysical Data Center ; (3) Centre climatique canadien, Service de l’environnement atmosphérique, Environnement Canada, Downsview, Ontario ; (4) Environnement Canada, Downsview, Ontario ; (5) Shield et al., 1990 ; (6) Fortin, 1983 ; (7) Matthews, E. 1983. Global Vegetation and land use : new high resolution data bases for climate studies. J. Climate and Appl. Meteor., 22, p. 474-487 ; (8) Goddard Space Flight Center. NASA. Washington, D.C. ; (9) Litynski, J., Université du Québec à Trois-Rivières, Carte éditée par Édition GAMMA, 1988. Montréal, Québec ; (10) Thibault, 1985 ; (11) Centre de télédétection du Québec, Ministère Énergie et Ressources, Québec ; (12) Satellite Data Services Division, National Climatic Data Center, NESDIS. NOAA, U.S. Department of Commerce, Washington, D.C., USA]
2.1. MISE EN CONFORMITÉ SPATIALE Toutes les « planches » intégrées au SIG doivent être exactement superposables et donc conformes au même type de projection. Cela nécessite l’utilisation d’un modèle de correction géométrique permettant de passer d’une projection à une autre et d’un modèle de rééchantillonnage spatial à un autre lorsque l’information est sous forme matricielle, comme c’est le cas des images satellitaires (voir Colwell, 1983). Dans notre projet, nous avons utilisé la base cartographique de l’Atlas national (EMR, Canada) définie par un fichier vectoriel au 1:2 000 000 selon la projection Lambert conforme conique à deux parallèles standard (LCC2, 49° N et 77° N). En outre, la numérisation des données a été faite à partir d’une échelle différente d’un document à l’autre (tableau 17.1) ; cela peut générer des problèmes de précision et de mise en conformité spatiale. La figure 17.3 illustre ce problème dans la superposition d’une
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classification à partir d’images AVHRR-NOAA (A. Grenon et D. Pilon, CTQ, communication personnelle) avec le fichier de l’Atlas national. À cette échelle, le réseau hydrographique laisse apparaître des imprécisions, comme par exemple les rivières qui ne vont pas jusqu’à la mer, ou des contours de lacs différents entre l’image et l’Atlas. FIGURE 17.3
Classification de la couverture du sol à partir d’une mosaïque d’images AVHRR-NOAA (1988-1989) superposée au fichier de l’Atlas national (limite administrative, réseau hydrographique, lacs et routes) de la région de Matagami, au sud de la baie James (Québec). La région correspond à la pessière noire à mousse.
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2.2. RÉGIONALISATION DES DONNÉES PONCTUELLES 2.2.1. Données climatiques Les données climatiques correspondant au climat actuel sont les normales climatiques établies à partir de l’ensemble des stations météorologiques pour lesquelles il existait une série temporelle de données la plus longue possible avec des suivis variant de 15 à 30 ans (MENVIQ 1992, figure 17.4). La répartition des stations étant très variable, l’information doit ici être régionalisée à l’aide d’un modèle d’interpolation. Les résultats obtenus peuvent être différents suivant le modèle utilisé (Viau et al., 1993). Ce problème est d’autant plus important que le nombre de stations est faible comme c’est le cas au nord du 50e parallèle. Les simulations climatiques utilisées dans le modèle écologique correspondent aux scénarios générés par le modèle de circulation générale de l’atmosphère (MCG) du Centre climatique canadien (CCC, Environnement Canada, Boer et al., 1989). Ce modèle génère une série de variables climatiques pour des points de grille répartis uniformément à l’échelle du globe. Le problème majeur de ce type de modèle est leur résolution spatiale très faible (3,75° x 3,75° pour le modèle du CCC, Boer et al., 1989), ce qui représente pour le Québec une trentaine de points (figure 17.4). Il est donc nécessaire d’interpoler l’information entre ces points de grille. De plus, l’utilisation à une échelle régionale du modèle qui correspond à des simulations sur une échelle globale nécessite une correction des sorties du MCG par rapport aux paramètres observés (station météo). Chaque surface représentative du point de grille (défini dans le SIG par un polygone de 3,75° x 3,75°) a donc été corrigée par la moyenne des normales climatiques mesurées dans toutes les stations météorologiques à l’intérieur de celle-ci (Viau et al., 1993). L’intégration de ces données dans le SIG permet de façon très pratique de réaliser ces deux opérations (correction et interpolation). Les résultats de l’analyse climatique sont présentés dans le tableau 17.2. Pour chaque point de grille du MCG, on a calculé les variations de température et de précipitation correspondant à un doublement de CO2. Les valeurs 2 x CO2 correspondent aux conditions climatiques obtenues à partir d’un scénario de doublement instantané de gaz carbonique dans l’atmosphère et une mise à l’équilibre du climat au bout de 30 ans. Sur l’ensemble du territoire, on observerait une augmentation de température de l’ordre de 6 °C en hiver (déc., jan., févr., tableau 17.2) et de 4 °C en été (juin, juil., août), et une légère augmentation des précipitations (+ 70 mm). Ces variations de température seraient beaucoup plus importantes dans le Nord (> 54°N), pouvant atteindre + 11 °C (point de grille 19), que dans le Sud, et les variations de précipitations seraient plus importantes dans la partie Ouest que Est.
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FIGURE 17.4
Répartition des points de grille (carrés) du modèle climatique du CCC
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Alain Royer et al.
TABLEAU 17.2 Variations des températures moyennes pour les saisons d’hiver (DJF) et d’été (JJA) et des précipitations totales pour chaque point de grille du modèle climatique du CCC (voir la localisation des points dans la figure 17.4) correspondant au climat actuel (normales climatiques observées sur la période 1961-1990) et au climat 2 x CO2 (valeurs simulées corrigées, voir texte) Température moyenne (° C) DJF Points Nombre de grille de stations Normale
Précipitations totales (mm)
JJA
2 x CO2 Normale 2 x CO2 Normale 2 x CO2
1 2
68 119
-13,3 -10,2
-7,8 -5,0
16,7 18,2
21,0 22,5
3
158
-10,6
-5,3
17,2
21,4
1111
1158
4 7 8 9 10
14 13 3 27 34
-11,4 -16,3 -16,9 -14,9 -11,8
-6,3 -10,5 -11,2 -8,9 -5,5
16,2 15,0 14,6 16,0 15,2
20,4 19,0 18,5 19,9 19,1
1 014 776 925 959 1 002
1 054 955 987 995 978
11
11
-10,7
-3,7
14,4
17,4
1 028
992
12 13 15
6 2 1
-11,3 -20,1 -21,6
-4,7 -11,9 -14,5
12,3 11,0 11,7
15,1 15,4 16,1
1124 632 837
1132 696 983
16
1
-20,2
-13,3
11,4
15,9
807
904
1 1 — —
-22,7 -21,9 -15,6 (±4,7)
-11,4 -15,0 -9,0 (±3,8)
7,4 9,4 13,8 (±3,1)
9,6 14,4 17,7 (±3,4)
425 533 876 (±203)
613 728 946 (±154)
19 22 Moyenne Québec
914 949
967 1 050
2.2.2. Données forestières Un autre fichier de données ponctuelles que nous avons utilisé est celui de la banque de données des placettes-échantillons permanentes (PEP) du ministère des Forêts du Québec (MFO). Ces PEP contiennent une série de paramètres forestiers (âge, hauteur, espèces...) correspondant à une superficie de 1/25 ha répartie de façon aléatoire (Fortin, 1983) (figure 17.5). L’utilisation de ces données ponctuelles nécessite des méthodes de régionalisation définies spécifiquement pour chaque application (biomasse, productivité,
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rendement, inventaire écologique...) (Wiens, 1989). Dans la présente étude, nous avons régionalisé les données des PEP par régions écologiques telles que définies par Thibault (1985) (figure 17.6). Pour la forêt boréale, 33 régions sont caractérisées par cinq principaux domaines écologiques : la pessière noire à mousse (12 régions couvrant environ 45 % de la superficie considérée), la pessière noire à sapin et mousse (11 régions, 23 %), la sapinière à bouleau blanc (8 régions, 21 %), la sapinière à épinettes noires (9 régions, 8 %), la pessière blanche à sapin (10 régions, 2 %).
FIGURE 17.5
Localisation des placettes-échantillons permanentes du ministère des Forêts du Québec (MFO) correspondant à la forêt boréale
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Alain Royer et al. FIGURE 17.6
limites des 33 régions écologiques du ministère des Forêts du Québec (MFO) pour la forêt boréale (Thibault, 1985). En médaillon, nous avons agrandi les régions du lac Saint-Jean (I) et de la Gaspésie (II)
2.2.3. Réduction de données, généralisation, classification Dans la combinaison des différentes bases de données, il y a une redondance d’information de même qu’un niveau de détail pas toujours approprié à l’échelle d’analyse et au modèle utilisé. Par exemple, la base de données (1:1 000 000) des pédopaysages (Agriculture Canada) représente un ensemble de descripteurs sous forme de polygones qui décrivent un sol typique (dépôt, drainage, etc.) et les caractéristiques qui y sont associées, notamment le relief, la pente, la profondeur de la nappe phréatique, le pergélisol et les lacs. Un polygone peut renfermer un ou deux pédopaysages distincts (dominant et sousdominant, soit 2 x 41 variables disponibles) (Shield et al., 1990).
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Les polygones des pédopaysages peuvent être petits et avoir parfois des contours très complexes par rapport aux autres données utilisées. Ils peuvent aussi contenir des informations déjà connues par ailleurs, ce qui nous a amenés à effectuer des corrections. Par exemple, comme illustré dans la figure 17.7, il a été nécessaire d’éliminer manuellement tous les polygones représentant les lacs (déjà définis dans l’Atlas national) et de simplifier les contours dont les méandres n’étaient pas discernables à l’échelle du pixel de 1 km (image NOAA). En outre, le modèle utilisé (Bonan, 1990) ne considère, pour définir l’humidité du sol, que les combinaisons possibles entre trois classes de texture des dépôts de surface (fin, moyen et grossier) et trois classes de drainage (rapide, moyen et lent). II a donc fallu regrouper les classes définies dans les pédopaysages puis synthétiser les différentes combinaisons pour chacun des polygones (planche XXI). Les critères de regroupement utilisés sont très importants, car ils peuvent complètement modifier les résultats. La validité des hypothèses de classification appliquée aux données devra être analysée en tenant compte des méthodes d’échantillonnage utilisées qui peuvent être différentes pour chaque paramètre et de la représentativité spatiale de ces paramètres à l’intérieur des polygones. 2.2.4. Données de télédétection Les données de télédétection correspondent à des mesures intégrées sur une échelle spatiale (pixel) de certains caractères de la surface (luminance, température apparente, coefficient de rétrodiffusion). Il s’agit donc d’un tout autre type de données qu’il convient de calibrer et de transformer en variables utiles pour les modèles : albédo, température de surface, biomasse, APAR, LAI, production primaire (Goward et Dye, 1987 ; Box et al., 1989 ; Ruimy et al., 1991). On doit dans ce cas développer des méthodes d’inversion ou d’assimilation permettant d’intégrer les aspects spatiaux et temporels des mesures de télédétection et la modélisation de l’écosystème forestier. Les problèmes qui se posent avec ce type de données sont la résolution spatiale différente pour chaque satellite, la disponibilité des images sans nuages au cours du temps (Clavet, 1991) et le calibrage des données (effet de l’atmosphère sur les luminances et capteurs différents d’un satellite à l’autre) (Hall et al., 1991 ; Tanré et al., 1992 ; Teillet et al., 1992). On compare, par exemple, les données à 30 m de résolution dérivées de LANDSAT-TM (planche XXII) avec celles dérivées du capteur AVHRR-NOAA à 1 km de résolution (Beaubien et Simard, 1993) (planche XXIII). La planche XXII montre sur une image LANDSAT-TM de la région de Matagami, au sud de la baie James (Québec) (image du 20
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320 FIGURE 17.7
Alain Royer et al. Carte des pédopaysages de la région du Québec (Centre de recherche sur les terres, Agriculture Canada) : (A) fichier brut intégré dans le GIS
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FIGURE 17.7
Carte des pédopaysages de la région du Québec (Centre de recherche sur les terres, Agriculture Canada) : (B) fichier corrigé (sans le réseau hydrographique) (suite)
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Alain Royer et al.
août 1991),la répartition des PEP du MFO, ainsi que la position des sites de contrôle au sol que nous avons échantillonnés lors d’une campagne de terrain en juillet 1991. Une classification de la couverture du sol en 20 classes a été réalisée sur cette image TM (tableau 17.3). Ces classes, établies notamment à l’aide de photographies aériennes (1:50 000) et sans point de contrôle au sol, sont comparées dans le tableau 17.4 à l’inventaire que nous avons réalisé. L’analyse satellitaire donne de très bons résultats et permet de différencier les trois types de peuplements rencontrés. En effet, sur les 16 points inventoriés, on distingue : –
les trois sites correspondant à des peuplements mélangés (sites 1,3 et 7) ;
–
les cinq sites correspondant à des peuplements résineux (épinette noire et pin gris pour 80 % de la surface terrière) de densités moyennes (40 – 60 %) et plutôt irréguliers (hauteur moyenne : 18 ± 4 m, diamètre moyen (DHP) : 15 ± 3 cm, et densité moyenne : 2 000 ± 600 tiges/ha) ;
–
et les sept sites correspondant à des peuplements résineux (épinette noire et pin gris pour 95 % de la surface terrière) de densités moyennes à fortes et plutôt réguliers (hauteur moyenne : 15 ± 2 m, diamètre moyen (DHP) : 10 ± 1 cm, et densité moyenne : 4 600 ± 500 tiges/ha) ;
Seul le site de la tourbière boisée (site 16) n’a pas été précisément identifié dans la classification (tableau 17.4). La comparaison met en évidence la complémentarité des informations de terrains et satellitaires pour la détermination des paramètres forestiers qui sont nécessaires au modèle écologique (Bonan, 1990) et que l’on doit associer à chacune des classes de l’image TM pour étendre l’analyse à l’ensemble de la région (voir plus loin la section : « Intégration spatiale et modélisation »). La classification de l’image LANDSAT a aussi été comparée à celle d’une image AVHRR-NOAA du 24 août 1991 couvrant toute la région occidentale du Québec, de la baie James A Montréal (planche XXIII) (Beaubien et Simard, 1993). La classification a été réalisée de façon indépendante et les classes obtenues sont définies dans le tableau 17.3. La région étant plus vaste sur l’image NOAA, des classes ont du être ajoutées comme celles correspondant au nord, au milieu subarctique (LB et LO), et au sud, aux milieux agricole (AT et AG) et urbain (UR). Ainsi, mis à part les classes correspondant à ces régions hors de l’image TM et les classes relatives aux unités de petites tailles par rapport à la résolution AVHRR (coupes : CR et CRV, ainsi que les tourbières : TB, TH, TO(R) et TO), il apparaît que les résultats sont tout à fait concordants entre les deux images TM et AVHRR.
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TABLEAU 17.3 Définition et correspondances des classes considérées dans l’analyse de l’image LANDSAT-TM (planche XXII) et de l’image AVHRR-NOAA (planche XXIII)
TM
NOM
RD RMI
RD RA
RMR RO —
RM RB RO
MR MF FE FE(R)
MR MF FE —
FJ SOI, SD2, SD3, SD4
FO SD
TB T0(R) TH TO CR CRV
— — — — — —
— — —
LB LO AT
— — — EAUX
AG UR NU EA
Classes résineux dense (60 % de recouvrement et plus) résineux moyen (40-60 %) avec un peu de feuillus (—25 %), souvent après perturbations dans RD résineux moyen (40 à 60 %) résineux ouvert (25 à 40 %) résineux ouvert (25-40 %) nordique, présence de lichens au sol mélangé dominé par le résineux (+55 %) mélangé dominé par les feuillus (+55 %) feuillus feuillus dominants avec résineux en sousétage feuillus en régénération semi-dénudés après perturbations — TM : 4 densités de végétation arborescente — NOAA : aussi associés aux tourbières milieu tourbeux avec 10 à 25 % de résineux tourbières avec résineux (—10 %) tourbières dominées par des herbacées tourbières : transition entre TH et TO(R) coupes récentes coupes récentes plus ou moins couvertes de végétation landes boisées (10-25 %) nordiques landes boisées (—10 %) nordiques milieu agricole, à l’occasion dénudés associés aux tourbières milieu agricole en territoire plus habité milieu urbain nuages (opaques) nappes d’eau
Dans une optique de généralisation de l’image TM, on pourrait faire les regroupements suivants : FE et FE(R) : feuillus ; TO et TO(R) : tourbières avec résineux (-10 %).
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TABLEAU 17.4 Comparaison des classes de l’image LANDSAT-TM avec les inventaires forestiers effectués sur 16 placettes de contrôle au sol (4 points d’échantillonnage de 1/25 ha par placette) de la région de Matagami (voir la localisation des points dans la planche XXII) Composition
Caractéristiques des peuplements inventoriés au sol Surface terrière
N°
Classification Sup. Inventaire au sol Espèces dominantes LANDSAT- (ha)
TM
1 2
PIG-PET EPN-PIG-PET
MF RMI
11,2 11,8
Densité (tiges/ha) 1 006 1112
Age (ans) 48 53
Hauteur (m) 22 122
Diam. (cm)
Résineux Feuillus
21 19
50 70
50 30
3
PIG-PET
MF-MR
8,4
1150
57
23
20
35
65
4
PIG-EPN-PET
RMI-MF
15,7
1 450
60
20
16
75
25
5 6
EPN-PIG-PET EPN-PIG
RMI RMI
11,2 12,9
2 206 2 263
53 51
17 12
14 12
80 95
20 5
7
PET-PIG-EPN-BOP
FE(R)
8 9 10
EPN-BOP EPN-PIG-PET PIG-EPN-PET-BOP
RMR-RD-RMI RMR RMI
11
EPN-PIG-PET
RMR
12
EPN-PIG
RMR-RD
13 14
EPN-PIG-PET EPN-PIG-PET
RMR RMR
11,2 8,4
15
EPN
RMR
16
EPN (tourbière boisée)
RO
9
2 356
59
18
13
40
60
19,6 14,6 7,8
2 544 3 869 4 350
60 58 62
17 16 19
15 11 9
95 80 100
5 20 0
8,4
4 394
55
14
10
95
5
10,1
4 612
58
15
10
95
5
4863 5 081
60 55
13 14
10 10
95 95
5 5
11,2
5 291
62
14
9
95
5
>10
13 850
41
5
4
100
0
Légendes EPN : Épinette noire. PIG : Pin gris. BOP : Bouleau à papier. PET Peuplier faux-tremble. RD : Résineux (EPN et PIG) dense (60 % et +) et plutôt régulier. RMR : Résineux (EPN et PIG) de densité moyenne (40 à 60 %) et plutôt régulier. RMI : Résineux dominé par EPN de densité moyenne (40 à 60 %), plutôt irrégulier. RO : Résineux ouvert (25 à 40 %) dominé par EPN et plutôt irrégulier. MR : Mélangé résineux ; tremble ou bouleau blanc avec plus de 55 % de résineux. MF : Mélangé feuillus ; plus de 55 % de tremble ou bouleau blanc. FE(R) : Feuillus (tremble) dominant avec résineux en sousétage.
En conclusion, ce type de classification permet, sur une région très étendue, de caractériser l’écosystème de la forêt boréale en 10 classes, soit trois densités de résineux, deux types de mélangés, deux types de feuillus et trois types de couvertures perturbées ou mixtes (avec lichens ou tourbières).
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3. RÉSULTATS 3.1. INTÉGRATION SPATIALE ET MODÉLISATION La planche XXIV a) présente un exemple d’intégration des données de télédétection (classification AVHRR-NOAA rééchantillonnée à 2 x 2 km) aux pédopaysages (contours) sur la région de Matagami, englobant en partie la région écologique 12a (Thibault, 1985) représentative de la pessière noire à mousse. II est ici possible d’associer les types de couverts végétaux aux conditions pédologiques dominantes de chaque polygone. Pour le modèle écologique, on associe un type de peuplement à chaque type de couvert forestier (résineux : épinette noire ; feuillus : peuplier faux-tremble ; mixte : épinette noire, pin gris et peuplier faux-temble) suivant les données fournies par les PEP de la zone considérée (voir planche XXII et tableau 17.3). La planche XXIV b) illustre la régionalisation du modèle appliquée à chacune des classes combinées et simulant la production de biomasse ligneuse de chaque type de peuplement considéré et correspondant à un âge de 90 ans (tous les autres paramètres du modèle ont été gardés constants dans l’image). Pour la région étudiée, les résultats -1 obtenus avec le modèle (105 ± 12 t.ha , moyenne des 9 126 pixels) sont tout à fait comparables à la biomasse moyenne déduite des placettes-échantillons permanentes du MFO (120 ± 20 t.ha-1, moyenne de 92 PEP) (Royer et al., 1993). Ce genre de simulation peut être fait pour n’importe quelle condition climatique, et en particulier pour celle qui résulterait d’un doublement de CO2 atmosphérique, générée par le MCG. Des simulations ont ainsi été effectuées, d’une part, pour les conditions de chaque placette-échantillon permanente (PEP) de la région et, d’autre part, pour ces mêmes PEP 50 ans plus tard sous le climat actuel et 2 x CO2. Le climat passe progressivement du climat actuel à un climat 2 x CO2 pendant 50 ans à partir de l’âge des PER Un exemple de résultats obtenus selon un gradient sud-nord de la région de la baie James est donné dans le tableau 17.5 pour la biomasse anhydre totale de toutes les espèces présentes dans chaque PEP, parmi les suivantes : bouleau blanc, épinette blanche et noire, mélèze, pin gris, sapin baumier et peuplier faux-tremble. Dans les conditions du climat actuel, le modèle estime correctement les valeurs observées sauf pour la région Sud (8c1) où la biomasse est surestimée à cause d’un problème de surcroissance du bouleau blanc dans le modèle. Sous un climat 2 x CO2, le modèle simule une baisse apparente de biomasse pour le Sud (8c1 : -34 %), une hausse pour le Nord (10b : ± 30 %) et des valeurs sensiblement
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stationnaires pour les régions12a et 12b (tableau 17.5).Ces résultats s’expliquent, en partie, par le fait que l’on simule la croissance des espèces en présence au départ, sans permettre à d’autres espèces de se développer. En ce qui concerne l’épinette noire, les résultats qui surestiment légèrement (+35 %) les biomasses simulées par rapport à celles observées des PEP, ne montrent pas de variation significative de biomasse sous un climat 2 x CO2 par rapport au climat actuel (Ansseau et al., 1993). TABLEAU 17.5 Moyennes de la biomasse anhydre totale (t/ha) des placetteséchantillons permanentes (PEP) pour quatre régions écologiques de l’Ouest du Québec (voir figure 17.6), observées et simulées pour différentes conditions climatiques (climat actuel = 1 x CO2 et climat 2 x CO2) Modèle + 50 ans** Modèle + 50 ans** Régions écologiques 8c1
PEP*
Modèle*
1 x CO2
2 x CO2
56 ± 22
84 ± 16
88 ± 12
58 ± 17
12a
77 ± 24
78 ± 9
87 ± 6
80 ± 5
12c
49 ± 22
65 ± 17
78 ± 12
82 ± 8
10b
55 ± 4
48 ± 6
71 ± 6
92 ± 5
* Âge des PEP sous climat actuel
** Âge des PEP + 50 ans
3.2. INTÉGRATION TEMPORELLE DES DONNÉES La modélisation de la dynamique des écosystèmes implique l’intégration de séries temporelles de données dans le système. II apparaît ici nécessaire de considérer des variables et des paramètres de description des couverts adaptés à chacun des pas de temps particuliers des processus considérés et mis en relation avec les échelles spatiales correspondantes (Wiens, 1989). On peut distinguer, par exemple, les phénomènes journaliers (processus hydrologique et énergétique), saisonniers (processus physiologique), interannuels (modèle d’écosystème, Bonan, 1990) ou à long terme (modèle écoclimatique à l’échelle du globe). Pour le modèle d’évolution de la forêt boréale, nous avons considéré les normales climatiques, c’est-à-dire les valeurs moyennes calculées sur les 15 à 30 dernières années suivant les stations météorologiques, intégrées sur un pas de temps mensuel. Les scénarios du MCG sont intégrés sur le même pas de temps. Les données de télédétection appropriées à ce type d’étude sont les images-synthèses hebdomadaires ou mensuelles de l’indice de végétation normalisé obtenu à partir des canaux visible et proche
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infrarouge des capteurs AVHRR-NOAA (Cihlar et al., 1991) (tableau 17.1). Ces séries temporelles permettent de suivre l’évolution du couvert végétal que l’on cherche à relier au modèle de fonctionnement de l’écosystème.
DISCUSSION Nous avons présenté ici un exemple de réalisation d’un jeu de données, intégré et homogène, pour la spatialisation d’un modèle de dynamique forestière. Les problèmes rencontrés et analysés dans ce travail peuvent être généralisés à l’étude des écosystèmes terrestres à l’échelle globale. En effet, la problématique d’étude de la biosphère continentale dans une perspective spatiale nous amène à constater que, étant donné son caractère extrêmement hétérogène, les problèmes se posent à deux niveaux : sur le plan scientifique (compréhension des processus) et sur le plan pratique (besoin en données et en produits). Sur le plan scientifique, il s’agit d’analyser et de modéliser des processus d’interactions très complexes entre les sols, la végétation et les facteurs climatiques. Plus précisément, les éléments dont on veut avoir une meilleure compréhension et que l’on cherche à caractériser sont : −
l’état de la biosphère et de son évolution : les processus d’échange avec l’atmosphère, d’énergie, de matière (gaz et eau) et de quantité de mouvement ;
−
les processus d’échange avec le sol, d’eau et d’éléments nutritifs ;
−
et les impacts des perturbations climatiques ou d’origine anthropique, sur le maintien, la régénération et, de façon générale, la dynamique des écosystèmes.
Actuellement, les instruments à bord des satellites ne permettent que peu de mesures. Il faut donc développer des modèles pouvant relier les données spatiales aux quantités pertinentes à ces analyses. Sur les plans pratique et méthodologique, le besoin en données de nature interdisciplinaire (climatiques, biogéophysiques, hydrologiques, pédologiques...) pose d’abord un problème d’accessibilité. Si les filières d’acquisition des données sont généralement bien définies, ce n’est pas le cas pour les autres données. C’est dans cette optique que plusieurs structures d’archivage et de catalogage de données sur l’environnement global sont progressivement mises en place. Citons, à titre d’exemple, le projet IGBP-DIS (Data and Information System for IGBP) pour la gestion, la distribution et la réalisation de jeux
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de données globales. Ce système est en particulier au service des projets pilotes IGBP (core projects), et les bases de données mises de l’avant concernent la surface des terres émergées et ses changements (archive d’images-synthèses hebdomadaires AVHRR-NOAA-1 km à l’échelle du globe, par exemple), les sols (pour les aspects bilan hydrologique, par exemple), les feux ainsi que la production primaire (problème du cycle du carbone). Sur le plan méthodologique, nous avons en outre souligné le fait qu’il fallait mettre en œuvre des systèmes complets pour pouvoir exploiter pleinement ces différents types de données. Comme nous l’avons montré dans cet article, les SIG permettent ici, dans une certaine mesure, d’utiliser de façon cohérente un jeu de données multisources. Cependant, cela nécessite toujours le développement de procédures de prétraitements et de traitements de ces données. Ce dernier point peut limiter notablement l’utilisation de certaines banques d’information, car leur acquisition signifie généralement un investissement de temps considérable uniquement pour leur mise en forme et leur intégration aux modèles.
CONCLUSION Une simulation de la dynamique forestière à partir d’un modèle écologique a été générée sur une base régionale dans la zone de Matagami, représentative de la pessière noire à mousse. Un système d’information géographique a permis d’intégrer les paramètres considérés dans la modélisation, soit les données climatiques, les données à caractères géobiophysiques et les données de surface extraites des images de télédétection. II apparaît clairement que les SIG sont des outils indispensables pour la modélisation du fonctionnement des écosystèmes. Ils permettent la mise en conformité spatiale et la régionalisation des données ainsi que leur standardisation. Cependant, la compatibilité entre ces données représentatives d’unités spatiales variables et les modèles utilisés reste un domaine de recherche important. Notre capacité à prévoir la réponse des écosystèmes aux changements environnementaux ou climatiques est liée aux degrés de compréhension et de modélisation du fonctionnement des processus biologiques à grande échelle. La télédétection apparaît comme un moyen efficace pour décrire et suivre l’état de la biosphère sur une échelle régionale, et les modèles écologiques utilisant la télédétection comme paramètre d’entrée constituent une approche à développer pour améliorer les simulations de la dynamique des écosystèmes.
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Sommaire Introduction 1. Le secteur d’étude 2. Description des données 3. Méthodologie 4. Résultats et discussion Conclusion Références bibliographiques
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Nous tenons à remercier le Conseil de recherches en sciences naturelles et génie du Canada, projet n° A6043, pour le soutien financier apporté à cette recherche. Cet article a été présenté au 6e congrès de l’Association québécoise de télédétection à Sherbrooke (Québec) du 4 au 6 mai 1988 et initialement publié dans les Actes du Congrès. Il a été reproduit et adapté avec l’autorisation de l’AQT.
Résumé L’usage de la télédétection dans l’infrarouge thermique représente un outil intéressant pour la compréhension des facteurs climatiques à l’échelle régionale. Il est toutefois important de bien comprendre les relations qui existent entre l’information contenue sur une image infrarouge thermique et les différents paramètres climatiques. Parmi ces derniers, le relief et le type de couverture au sol conditionnent la valeur de la température de surface. L’étude est réalisée à partir d’une image infrarouge thermique de nuit (10,4 µm-12,5µm) fournie par le satellite LANDSAT-5. Un modèle numérique de terrain est intégré aux données de température dans le but de quantifier l’effet du relief. Enfin, une image SPOT multibande a été retenue pour produire une carte d’utilisation du sol. Les effets dus à l’altitude, à l’inclinaison des pentes ainsi qu’à l’exposition des versants sont mis en évidence par une analyse statistique. L’étude d’un profil thermique couplé à une coupe topographique fait ressortir les variations de températures de surface en fonction des éléments du relief ainsi que l’effet des îlots de chaleur urbains.
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INTRODUCTION Le domaine de la télédétection infrarouge thermique possède un potentiel considérable d’applications au niveau de la climatologie, de l’agronomie et de l’influence humaine sur l’environnement. Toutefois, l’interprétation et l’analyse des données thermiques au Canada ne sont réalisées que dans des cas particuliers (Bonn et Chilar, 1983 ; Lavoie et al., 1985 ; Condal et al., 1985). L’information apportée par la télédétection dans l’infrarouge thermique, la température de surface, résulte de l’équilibre des échanges d’énergies (bilan radiatif, flux de chaleur dans l’air et le sol, évaporation) au niveau du sol ou du couvert végétal. Elle dépend à la fois des caractéristiques thermiques et de l’état hydrique du sol ou du couvert végétal et de facteurs météorologiques tels que la vitesse du vent, la température et l’humidité de l’air (Lagouarde, 1979). Cet éventail de variables influençant les images est probablement l’une des raisons qui a fait que les études opérationnelles dans ce domaine, du moins au Canada, se sont principalement concentrées sur les applications au milieu marin (Lavoie et al., 1985 ; Condal et al., 1985 ; Dey, 1980 ; Gower, 1985). D’autres aspects méthodologiques restent à développer et dans le cadre de cette étude, nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l’aspect topoclimatique : l’influence de la topographie sur la distribution des températures de surface en fonction de certains éléments d’utilisation du sol. Un modèle numérique de terrain (MNT) a été intégré à des données du satellite LANDSAT-5 dans la bande TM-6 de l’infrarouge thermique (10,4 11m-12,5 µm) dans le but d’évaluer l’effet de l’altitude, de l’inclinaison et de l’orientation des pentes. Dans un second temps, nous avons cherché à établir le type de relation statistique qui pouvait exister entre les températures de surface et les variables du MNT.
1. LE SECTEUR D’ÉTUDE Le territoire couvert par l’image satellite est situé au sud du Québec entre 45° 00' et 46° 30' de latitude nord et entre 72° 00' et 74° 00' de longitude ouest (figure 18.1). Toutefois, lors de l’intégration des données, nous avons dû restreindre la zone d’étude à la partie nord de la région de l’Estrie, afin de couvrir la portion commune aux différentes sources de données. Ce sous-secteur couvre une superficie de 1 912 km2 et se caractérise par un relief dont l’amplitude est modérée avec des collines et des plateaux. Quelques monts émergent ici et là : le mont Ham (704 m), le petit mont Ham (427 m) et la chaîne des monts Stoke (350 à 660 m). L’orientation générale des principaux versants (SO-NE) suit celle du relief appalachien (Dubois, 1974). La pente moyenne est de l’ordre de 10 degrés, les plus fortes pentes étant concentrées dans l’axe des
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FIGURE 18.1 Le secteur d’étude, représenté par l’image LANDSAT-TM 6 de nuit
monts Stoke et Ham et des principales rivières (figure 18.2). L’utilisation du sol est typique du Sud du Québec avec un domaine agricole comportant des cultures et des pâturages. Le domaine forestier comporte principalement des feuillus (érablière à bouleau jaune) et un peuplement mixte de conifères (sapin et épinette). Au niveau urbain, l’agglomération de Sherbrooke et de Lennoxville représente la part la plus importante. En ce qui a trait au climat, les températures sont fraîches l’été et froides l’hiver, avec une moyenne quotidienne annuelle se situant entre 10 °C et -2,5 °C. En juillet et août, le maximum varie
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entre 22,5 et 25 °C et le minimum entre 10 et 12,5 °C. La saison sans gel est très courte, 80 jours et on observe fréquemment des phénomènes d’inversion de température (Boisvert, 1972). FIGURE 18.2 Diagramme topographique de la sous-région d’étude
2. DESCRIPTION DES DONNÉES L’image infrarouge thermique utilisée provient du satellite LANDSAT5 et correspond à la bande 6 du capteur TM (Thematic Mapper) de 10,4 µm à 12,5 µm. C’est une image de nuit du 1 er septembre 1984. L’heure de passage du satellite se situe vers 21 h 3O (heure locale) selon son orbitre ascendante (scène 108-216). L’acquisition de l’image a été réalisée à la station de réception de Prince Albert, Saskatchewan. Le modèle numérique de terrain dont nous disposions fut produit par le Defense Mapping Agency Topographic Center (DMATC, USGS) à partir de la carte américaine Sherbrooke NL 19-7 au 1:250 000. L’intervalle entre les courbes de niveau est de 50 pieds (15,12 m). Du document topographique original, le DMATC a
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produit une matrice de valeurs d’altitude en échantillonnant sur la carte à tous les 0,01 pouce, soit 200 pieds (63 m) au sol (Cliche et al., 1985). Des transformations ont été apportées afin de rendre ces données utilisables (Chassé, 1988) et ainsi produire une image des altitudes, une image des pentes et une image de leurs orientations. Une image multibande du satellite SPOT datant du 2 octobre 1986 a servi à réaliser une carte thématique de l’utilisation du sol. La limite de résolution spatiale de 20 m du satellite SPOT permet une bonne discrimination entre les éléments du terrain.
3. MÉTHODOLOGIE Les images provenant de différentes sources, il s’agit dans un premier temps d’intégrer les données avec une limite de résolution spatiale compatible à celle de l’image infrarouge thermique (120 x 120 m). Une fois les corrections géométriques appliquées, des programmes de rééchantillonnage appropriés aux types de données nous permettent d’avoir une résolution spatiale comparable. L’organigramme de la figure 18.3 montre la séquence de traitements effectués. Il est important de noter que les effets d’atténuation atmosphérique ainsi que l’émissivité n’ont pas été considérés. Un étalonnage des températures de surface a été effectué à partir d’un relevé des températures de l’eau du fleuve Saint-Laurent (selon des relevés du Laboratoire du capitaine Bernier, service Environnement Canada, à la hauteur de Lanoraie et de Trois-Rivières). Même si les tempé- ratures observées ne sont pas exactes en valeur absolue, les différences restent valables et l’information sur la variabilité spatiale est conservée (Lagouarde, 1983). Pour une meilleure représentation graphique des données, nous avons converti les valeurs relatives de niveau de gris en valeurs relatives de températures en degrés Celsius. Cette transformation a été effectuée en utilisant l’équation de Malaret et al. (1985) : T (°C) = [209,83] + 0,834 DN - 0,00133DN2] — 273
(1)
(DN = Valeur relative de niveau de gris) Toutes les données ont par la suite été transférées dans une même base de données statistiques (Statiscal Analysis System, SAS) afin de procéder à leur analyse. Chacune des sous-images représentait une matrice de 156 800 valeurs. Les valeurs numériques du MNT ont été converties en mètres pour l’image des altitudes et en degrés pour les pentes et leur orientation.
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La relation entre les valeurs numériques et les valeurs d’altitude correspond à une relation linéaire simple de type y= mx+ b. Pour la pente, la relation prend la forme : Pente en degrés = (DN / 255) *90°
(2)
Et pour ce qui est de l’orientation des pentes, la relation est : Orientation en degrés = (DN / 255) *360°
(3)
Les valeurs 0° et 360° correspondent à une orientation nulle, 90° à une orientation est, 180° au sud et 270° à une orientation ouest.
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Afin de réduire la quantité des données à traiter et le temps des traitements, nous avons établi un classement des valeurs du MNT. Les données d’altitude ont été classées par pas de 20 m et les données relatives aux pentes par pas de 2 m. Pour ce qui est de l’orientation des pentes, nous avons retenu huit classes plus une autre classe correspondant à l’orientation zéro regroupées de la façon suivante :
De plus, nous n’avons retenu dans notre analyse que les classes d’utilisation du sol qui correspondaient à une grande amplitude de variation de l’altitude, de l’inclinaison et de l’orientation des pentes. Ces dernières correspondent aux feuillus, aux conifères et au parcellaire agricole. Nous avons inclus dans ce dernier groupe les zones de friches et les coupes forestières à blanc.
4. RÉSULTATS ET DISCUSSION Afin d’illustrer les variations de températures apparentes sur notre image thermique originale, nous avons dressé un profil des températures sur un transect entre les villes de Montréal et de Sherbrooke. Ce profil a été superposé après coup à une coupe topographique du même secteur afin de visualiser les effets de la topographie sur les variations de températures
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(figure 18.5). On remarque une diminution des températures (de l’ordre de 3 °C) entre la limite de l’agglomération montréalaise et la zone rurale limitrophe. Un écart semblable se retrouve aux limites de la ville de Sherbrooke. Cela est attribuable au phénomène des îlots de chaleur urbains. Le remplacement de surfaces naturelles par des stuctures urbaines engendre la formation de cellules atmosphériques qui modifient le régime thermique et les échanges radiatifs de la zone urbaine comparativement à la zone rurale. Les effets des îlots de chaleur urbains sur l’environnement font l’objet de nombreuses recherches et sont le résultat d’une interaction complexe de plusieurs phénomènes atmosphériques (Oke, 1981). Des anomalies de températures de surfaces, de dimensions variables, sont également remarquées aux intersections des principaux accidents de terrain (par exemple, les monts Royal, Rougemont, Yamaska, la rivière Richelieu, les lacs Bowker et Brompton). FIGURE 18.5 Profil thermique et topographique
De façon générale, les variations de températures apparentes entre la plaine du Saint-Laurent et le plateau appalachien ne sont pas très marquées. Ceci nous laisse croire que les variations engendrées par le relief sont des phénomènes plus localisés et dépendent de l’environnement naturel immédiat et des conditions atmosphériques journalières (vitesse et direction des vents, température de l’air).
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Les tableaux 18.1 et 18.2 présentent les résultats d’une régression multiple réalisée sur l’ensemble des valeurs sans classement préalable de celles-ci. L’estimation des coefficients de détermination (R2) révèle en général de faibles relations entre les variations des données de températures apparentes et les données du MNT. De plus, on remarque que la relation varie selon le thème considéré (tableau 18.2). Cependant, toute proportion gardée, on note que la variable altitude exerce un plus grand poids sur la variation des données que les autres variables du MNT. TABLEAU 18.1 Résultat de la régression multiple sur l’ensemble des données Image IR thermique
R2 (%)
Altitude * Pente Altitude * Orientation Pente * Orientation Altitude * Pente * Orientation
6,56 2,40 2,37 6,89
Pr F 0,0001 0,0001 0,0001 0,0001
* Valeurs de R2 en % et Pr F = 0,0001 pour toutes les valeurs.
TABLEAU 18.2 Résultat de la régression multiple par thème Image IR thermique
Feuillus
Altitude * Pente Altitude * Orientation Pente * Orientation Altitude * Pente * Orientation
3,68* 0,06 2,82 3,93
Conifères 7,79 3,34 2,78 7,98
Agricole 10,54 9,00 1,38 10,76
* Valeurs de R2 en % et Pr F = 0,0001 pour toutes les valeurs.
Le manque de linéarité entre les données considérées, mis en évidence par les diagrammes de dispersion, nous a conduits à l’essai de modèles non linéaires. Plusieurs tests ont été réalisés et nous avons retenu les modèles qui fournissaient le meilleur ajustement (figures 18.6, 18.7 et 18.8). L’emploi des données regroupées en classes nous a servi pour l’analyse des modèles non linéaires. La figure 18.6 illustre les résultats obtenus en considérant la variable altitude. Une équation polynomiale du troisième degré décrit la relation entre les données de températures et les données d’altitude. D’après les graphiques de la figure 18.6, on peut remarquer une diminution des températures apparentes, formant un plateau aux environs de 250 jusqu’à 330 m, suivie par une augmentation graduelle jusqu’à une altitude de 475 m et de nouveau suivie par une
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FIGURE 1 8 . 6 Modèle statistique décrivant la relation entre les données de température de surface et l’altitude selon le thème (A) conifères, (B) feuillus et (C) agricole
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FIGURE 1 8 . 7 Modèle statistique décrivant la relation entre les données de température de surface et la pente selon le thème (A) conifères, (B) feuillus et (C) agricole
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FIGURE 1 8 . 8 Relation entre les températures de surface et l’orientation des pentes selon le thème (A) conifères, (B) feuillus et (C) agricole
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décroissance. On peut tenter d’expliquer cette distribution en mentionnant le phénomène de drainage catabatique (écoulement de l’air froid dû à la gravité). Durant la nuit, l’air froid s’écoule le long des pentes et cela d’autant plus facilement que la pente est forte. La concentration de cet air froid dans les dépressions ou autres obstacles topographiques intensifie le refroidissement de la surface. De plus, au cours des nuits claires et sans vent, le profil vertical de température près du sol en est un d’inversion, c’est-à-dire que la température croît avec l’altitude : le sol se refroidit par rayonnement et refroidit l’air à son contact. En comparant le seuil de 250-330 m, noté sur les graphiques de la figure 18.6, avec la carte topographique du secteur d’étude, on remarque que ce niveau d’altitude correspond au niveau moyen des principales vallées rencontrées sur le terrain. Ces vallées constitueraient en quelque sorte des cuvettes de rétention d’air froid s’écoulant le long des pentes avoisinantes et en particulier sur les versants des monts Stoke. En poursuivant notre comparaison avec la carte topographique, on note également que la ligne de rupture de pentes des principaux versants (monts Stoke) se situe à environ 350 m avec une altitude supérieure moyenne de 550 m. Ceci correspond à la zone de croissance des températures, visible sur les graphiques de la figure 18.6. On retrouve donc une zone d’air plus chaud en altitude, qui expliquerait l’existence d’un profil d’inversion pour cette nuit. Il est sans doute prématuré à ce stade-ci de l’étude de tirer des conclusions fermes sur ces constatations. Il s’avérerait indispensable dans la poursuite d’une telle étude de corroborer les résultats avec des données de terrain. Néanmoins, l’approche envisagée ici peut certainement aider à la délimitation spatiale des phénomènes microclimatiques. La figure 18.7 illustre les résultats obtenus en considérant la variable pente. On note que le modèle suit une équation du second degré. En regard des résultats, on remarque un effet dû à la pente, en rapport avec l’incidence du rayonnement sur les surfaces durant la journée précédente. Les graphiques révèlent que les surfaces inclinées ont une température radiative plus élevée. Même si les variations enregistrées sont minimes, on dénote une tendance générale non négligeable. En situation de relief plus accentué et avec des images de jour, on pourrait s’attendre à des écarts plus importants. La relation entre la température de surface et l’orientation des pentes, illustrée par la figure 18.8, nous montre une répartition des températures qui varie selon l’exposition des versants à la radiation solaire. On trouve que les expositions nord-est, est et sud-est sont celles qui comptent les températures les plus élévées. Après une vérification er auprès des services météorologiques pour la nuit du 1 septembre 1984, on a observé pour cette nuit un faible vent du secteur sud-ouest.
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L’image satellitaire infrarouge thermique : un apport à la climatologie régionale
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Cette caractéristique peut expliquer le fait que nous retrouvons des températures élevées au nord-est. Quant aux températures élevées à l’est et au sud-est, nous pensons que pour cette journée il y a eu un ensoleillement le matin et une couverture nuageuse l’après-midi, ce qui aurait engendré une baisse des températures pour les surfaces orientées vers le sud-ouest et l’ouest. D’autres facteurs peuvent influencer le fait qu’un versant orienté dans telle ou telle direction reçoit plus d’insolation qu’un autre. L’épaisseur d’atmosphère traversée en fonction de la diffusion et de l’absorption, les phénomènes d’ombrage et la circulation atmosphérique sont autant d’éléments qui viennent modifier l’intensité de la radiation reçue au sol. Malheureusement, aucun de ces paramètres n’est quantifiable à cette étape du travail.
CONCLUSION Ces résultats ne sont qu’une première étape en vue de l’utilisation des données satellite pour la représentation spatiale de phénomènes méso- et microclimatiques. Les résultats nous ont démontré l’existence des effets dus à la topographie régionale. Il importe maintenant, d’une part, de considérer ces effets dans la poursuite de nos travaux et, d’autre part, d’analyser de façon plus complète la signification des températures de surface par rapport à celle de l’air afin de permettre une meilleure extrapolation entre les données des stations météorologiques. Cependant, cette étude a révélé que les images satellitaires dans le domaine de l’infrarouge thermique permettent non seulement de visualiser, mais aussi de quantifier certains aspects climatiques à l’échelle régionale. Les températures de surface ne sont évidemment qu’une des manifestations des échanges énergétiques et thermiques qui ont lieu à la surface terrestre, mais leur combinaison avec les données topographiques numériques et les classes d’utilisation du sol permet de comprendre un peu mieux la dynamique de certains phénomènes microclimatiques comme les gelées nocturnes, et de spatialiser les données ponctuelles obtenues dans les stations météorologiques.
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Suivi des conditions hydriques à l’échelle régionale à partir des données satellitaires dans l’infrarouge thermique Mustapha SAVANE, Bernard SEGUIN et Bernard GUILLOT
Sommaire Introduction 1. Les données utilisées 2. Résultats et discussions 2.1. Évolution de Σ TS — Ta au cours de l’année 2.2. Cartographies de I’ETR Conclusion Références bibliographiques
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Mustapha Savane, Bernard Seguin et Bernard Guillot
Ce texte a été présenté au Colloque de l’Association internationale de climatologie, tenu du 20 au 22 juin 1990 à Lannion (France) et une version préliminaire en a été publiée dans les Actes du colloque.
Résumé Les satellites météorologiques peuvent apporter une contribution significative à la caractérisation de l’état hydrique de la végétation à l’échelle régionale, en complément des suivis agrométéorologiques classiques. C’est l’infrarouge thermique, dont on peut déduire la température de surface, qui permet d’accéder à l’évapotranspiration réelle (ETR) par le biais du bilan énergétique de surface. L’utilisation d’une relation linéaire simplifiée conduit à l’estimation et à la cartographie de I’ETR, à partir des données MÉTÉOSAT, étalonnées par NOAA. Les résultats obtenus mettent bien en évidence les contrastes climatiques entre les différentes régions françaises et les caractéristiques particulières des années étudiées (19851989), en particulier celles au cours desquelles il y a eu des sécheresses.
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Suivi des conditions hydriques à l’échelle régionale à partir des données satellitaires dans l’infrarouge thermique 349
INTRODUCTION Les caractéristiques hydriques, du point de vue climatique, peuvent être suivies tout au cours de l’année et comparées à des normales climatologiques à partir de mesures classiques du réseau météorologique. II est possible de considérer, de manière simple, le bilan théorique correspondant à la différence P – ETP entre pluviométrie P et évapotranspiration potentielle ETP. II est cependant généralement préférable de prendre en compte le rôle de réservoir tampon du sol et donc de passer à un bilan hydrique plus élaboré, permettant de calculer l’évapotranspiration réelle ETR à l’échelle régionale, en se rapprochant de la réalité de l’alimentation en eau des couverts végétaux (Choisnel, 1977). Les satellites météorologiques, par leur répétitivité temporelle et leur résolution spatiale (5 km pour MÉTÉOSAT, 1 km pour NOAA) peuvent apporter une contribution intéressante dans ce domaine, en particulier grâce à l’apport du domaine infrarouge thermique. Celui-ci permet en effet d’accéder à une température de surface, représentative de l’état hydrique des surfaces naturelles (Seguin, 1989). Ce thème fait l’objet de travaux de recherche depuis une dizaine d’années à la Station de bioclimatologie INRA d’Avignon, dans le but de proposer une méthode d’estimation de l’ETR à l’échelle régionale en associant des données satellitaires et celles du réseau météorologique classique (Seguin et al., 1991). La combinaison de résultats expérimentaux soit en France, plus particulièrement sur le site de la Crau (Seguin et al., 1982), soit en Afrique sahélienne (Seguin et al., 1989) et de travaux théoriques (Seguin et Itier, 1983 ; Riou et al., 1988 ; Lagouarde, 1991) a conduit à proposer une méthode d’estimation simplifiée, basée sur la relation : ETRj = Rnj + a–b (TS Ta)i où
ETRj
représente I’ETR journalière,
Rnj
le rayonnement net journalier,
(Ts-Ta)i l’écart entre température de surface par satellite et Ta, température de l’air en milieu de journée. Les coefficients a et b sont des coefficients d’ajustement, essentiellement fonction de la rugosité de la surface concernée. À partir de cette relation, qu’il est possible d’intégrer sur des périodes de temps (pentades ou décades) compatibles avec les
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échelles de temps climatologiques, le cumul Σ (Ts - Ta) apparaît comme un indicateur possible de stress hydrique à l’échelle régionale. Cette grandeur, proposée par Jackson et al. (1977) sous le nom de stress-degree-day pour caractériser le stress hydrique à l’échelle de la parcelle, peut maintenant être obtenue de manière continue en utilisant : –
d’une part, les synthèses des observations de Ts à partir de METEOSAT et NOAA, par périodes de 5 jours ;
–
d’autre part, les données de température maximale de l’air sous abri en réseau météorologique.
La présente communication a pour but de présenter les résultats d’une première analyse, dans une perspective opérationnelle, de suivi des conditions hydriques à l’échelle régionale dans le cas de la France. Elle s’appuie, pour l’essentiel, sur le travail de thèse de Savane (1990) pour les années 1985 à 1987, complété par une analyse préliminaire des années 1988 et 1989.
1. LES DONNÉES UTILISÉES Les données satellitaires de base sont les synthèses thermiques de MÉTEOSAT, élaborées au Centre de météorologie spatiale (CMS) de Lannion (valeurs maximales, à partir des cycles journaliers, par périodes de cinq jours, pour chaque pixel d’environ 5 x 7 km sur la France). Ces synthèses s’appuient sur l’avantage essentiel de MÉTÉOSAT, à savoir l’observation quasi permanente (fréquence nominale de toutes les demiheures). Pour remédier à l’imprécision assez forte des températures de surface obtenues par MÉTÉOSAT (qui résultent, d’une part, d’un étalonnage assez peu précis et, d’autre part, des problèmes d’absorption atmosphérique), il a été décidé de corriger ces valeurs à partir de données plus précises obtenues par les satellites NOAA-AVHRR. La meilleure résolution radiométrique et la possibilité d’effectuer une correction des effets atmosphériques par la combinaison linéaire des deux canaux thermiques (méthode dite du split-window) permet, en effet, d’obtenir une précision de l’ordre de 2 à 3° (Kerr et Lagouarde, 1989). La combinaison des données NOAA à certaines dates et des synthèses MÉTÉOSAT issues de Lannion (les détails sont présentés dans le mémoire de Savane, 1990) permet de corriger les valeurs absolues obtenues à partir de ces synthèses et d’obtenir ainsi une précision voisine de celle permise par NOAA. L’étude utilise parallèlement les données météorologiques du réseau INRA géré par le STEFCE (Service technique d’étude des facteurs climatiques de l’environnement) à Avignon. Dix-sept sites ont été identifiés sur le territoire français (figure 19.1), pour lesquels sont disponibles :
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–
d’une part, la température de l’air maximale par période de cinq jours ;
–
d’autre part, les éléments du bilan radiatif (rayonnement net R, et du bilan hydrique calculé par le modèle MAGRET, adapté pal J.P. Lagouarde à partir du modèle EARTH (Choisnel, 1977).
FIGURE 19.1 Carte des stations climatiques du réseau INRASTEFCE utilisées pour cette étude
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2. RÉSULTATS ET DISCUSSIONS Le travail présenté a permis : –
d’une part, d’évaluer les informations apportées par le suivi de Σ (Ts - Ta) au cours du temps sur les différents sites étudiés ;
–
d’autre part, de cartographier I’ETR à l’échelle régionale à partir de la relation simplifiée présentée dans l’introduction.
2.1. ÉVOLUTION DE Σ Ts - Ta AU COURS DE L’ANNÉE L’évolution de Σ Ts - Ta traduit bien les différences climatiques entre régions pour une année donnée. Ainsi, l’exemple de la figure 19.2 pour 1985 montre bien le contraste entre les régions plus humides (Lorraine, Bassin Parisien, Bretagne) et les régions plus sèches du Sud de la France (Midi-Pyrénées, Provence, Languedoc). Cette figure montre, par ailleurs, qu’il est possible d’identifier clairement un épisode de sécheresse (la courbe de Toulouse évolue rapidement, à partir de mi-août, pour dépasser les valeurs de Montpellier et d’Avignon, exprimant ainsi la sécheresse de fin d’été et d’automne dans le Sud-Ouest en 1985). Par ailleurs, pour une région donnée, elle traduit bien les différences climatiques entre les années (figure 19.3). La comparaison entre 1986 et 1987 montre une valeur de Σ Ts - Ta nettement plus élevée pour la première année, effectivement plus sèche que la seconde, qui a été régulièrement arrosée. Les compléments apportés par l’analyse ultérieure des années 1988 et 1989 confirment l’intérêt des informations apportées par le suivi de Σ Ts - Ta, en particulier pour l’identification de la sécheresse de 1989. La figure 19.4 montre le contraste habituel entre les climats plus humides du Nord et ceux plus secs du Sud, mais elle met en évidence le cas particulier de Toulouse. Habituellement, les valeurs de ce site se situent en dessous de celles d’Avignon et de Montpellier, alors qu’elles font apparaître des valeurs plus élevées en 1989 à partir de juillet, traduisant ainsi l’ampleur de la sécheresse de cet été dans le SudOuest. La figure 19.5, qui concerne le site de Toulouse, confirme le caractère très particulier de 1989, qui apparaît notablement plus sec que 1986 et 1987, alors que 1988 est très nettement en dessous des valeurs des autres années.
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FIGURE 1 9 . 4 Évolution de ~(TS — Ta) pour différents sites au cours de ’ l année 1989
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F I G U R E 1 9 . 5 Évolution comparée E(T s — Ta ) pour les années 1 9 8 6 à 1 9 8 9 pour la région d e T o u l o u s e
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2.2. CARTOGRAPHIES DE L’ETR Les résultats exposés plus haut montrent l’intérêt de Σ Ts - Ta, en tant qu’indicateur de l’état hydrique, pouvant répondre à des objectifs de diagnostic rapide de zones touchées par les sécheresses. Pour permettre une interprétation plus quantitative, il peut être souhaitable de recourir à une analyse plus complète, en intégrant les valeurs observées de Σ Ts - Ta dans le calcul de I’ETR à partir de la relation simplifiée présentée plus haut. Les données METEOSAT sont alors utilisées comme outils d’interpolation spatiale des valeurs d’ETR calculées pour chaque site. Ceci permet d’obtenir des cartographies, visibles sur la planche XXV. Ces cartographies permettent de quantifier les contrastes entre les régions septentrionales (valeurs sur 6 mois, de mai à octobre, de l’ordre de 400 mm en 1986, 500 mm en 1987) et méridionales (de l’ordre de 250 mm en 1986, 350 mm en 1987). Elles mettent bien en évidence, par ailleurs, le contraste entre ces deux années, indiquées par ces valeurs. La cartographie de 1986 indique clairement également l’extension de l’épisode de sécheresse dans la région du Sud-Ouest (gradient est-ouest) allant de 400 mm pour Bordeaux à 200 mm vers Carcassonne) et le contraste classique le long de la vallée du Rhône (gradient nord-sud, de 350 mm pour Montélimar à 200 mm pour Montpellier et même moins de 150 mm à Perpignan).
CONCLUSION La combinaison de données satellitaires dans l’infrarouge thermique et de données climatiques du réseau apparaît comme un bon outil de suivi des conditions hydriques, pour compléter ou remplacer des modèles de bilan hydrique. Les résultats présentés montrent l’intérêt du paramètre Σ Ts - Ta pour un diagnostic de sécheresse, à l’échelle nationale ou européenne, alors que la cartographie d’ETR permet de quantifier la sévérité et l’extension spatiale des épisodes. Le travail effectué avec MÉTÉOSAT a été repris ultérieurement en utilisant directement les synthèses des satellites NOAA sur les années 1988 à 1990. Les résultats en termes de suivi de Σ Ts - Ta sont très voisins de ceux présentés ici, ainsi que la cartographie, qui bénéficie cependant d’une résolution plus fine puisque basée sur des données à 1 km de résolution. Elle a permis ainsi de bien caractériser les sécheresses des années 1989 et 1990, en bon accord avec les observations de terrain (Courault et al., 1993).
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PLANCHE XX Ensemble de cartes des surfaces cultivées, des rendements agricoles et de la saison végétative
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PLANCHE XXI Combinaison des classes de texture et drainage dérivées de la carte des pédopaysages de la région de Matagami (Québec)
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PLANCHE XXII Classification de la couverture du sol établie à partir d’une image LANDSAT-TM (20 août 1991) et localisation des placettes-échantillons permanentes (PEP : O) du MFO et des sites de références échantillonnés au sol (POF : ∆) de la région de Matagami, au sud de la baie James, Québec (Lat. N 49°46', Long. W 77°48')
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PLANCHE XXIII Classification de la couverture du sol établie à partir d’une image AVHRR-NOAA (21 août 1991), couvrant la zone s’étendant de la baie James à Montréal (Beaubien et Simard, 1993)
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PLANCHE XXIV a) Intégration et combinaison des données de surface (image de télédétection AVHRR-NOAA) avec celles du sous-sol (pédopaysage) constituant un fichier d’entrée au modèle de simulation pour la région de Matagami
b) Régionalisation du modèle écologique de simulation de la dynamique forestière illustrant la production de biomasse ligneuse (en t.ha-1) pour chaque type de peuplement correspondant à un âge de 90 ans associé à la couverture végétale de chaque pixel
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PLANCHE XXV Cartographie de I’évapotranspiration réelle (ETR) sur six mois (maioctobre) pour les années 1986 et 1987
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PLANCHE XXVI
a) Photographie infrarouge fausses couleurs du camp forestier Dupont, secteur du lac à Basile, 8 juin 1985, altitude 4500 m. La photographie couvre une superficie de 3,4 par 2,7 km.
b) Thermographie nocturne par capteur Daedalus du même secteur et cartographie numérique des unités de terrain, 7 juin 1985, altitude 4 500 m, pixel de 10 m
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PLANCHE XXVII
a) Mise en relation de la thermographie nocturne des coupes par bandes de la planche XXVIb avec la topographie et le sens d’écoulement de l’air froid
b) Fenêtre agrandie d’une téléinterprétation topothermographique des coupes par bandes de l’image ci-dessus
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PLANCHE XXVIII
a) Thermographie nocturne par capteur Daedalus d’une coupe forestière à blanc en vue de l’exploitation d’une bleuetière (7 septembre 1982, altitude 7 600 m, pixel de 16 m). Rétention et reflux d’air froid avant intervention
b) Thermographie nocturne du même secteur le 7 juin 1985 (altitude 7 600 m, pixel de 16 m). Amincissement de la strate d’air froid initiale de 10 m en une strate résiduelle d’environ 1 m après intervention
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PLANCHE XXIX
Thermographie nocturne du camp forestier Dupont ayant servi à créer la carte 20.6 sur le risque de gel nocturne. La carte correspond à l’agrandissement de la portion nord de la thermographie.
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PLANCHE XXX
Écran de dialogue de l’encyclopédie GEOSCOPE
PLANCHE XXXI
Exemple de carte contenue dans GÉOSCOPE
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PLANCHE XXXII
Exemple de données connexes dans GEOSCOPE
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Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale par télédétection thermographique et anémographique Gilles-H. LEMIEUX, Suzie PERRON, Majella-J. GAUTHIER et René VERREAULT
Sommaire Introduction 1. Problématique 2. Méthode d’investigation du microclimat 2.1. La télédétection thermographique 2.2. L’anémographie aérienne 2.3. La cartographie assistée par ordinateur 3. Exemples d’application 3.1. La télédétection thermographique 3.2. L’application de Ianémographie aérienne 3.3. L’intégration cartographique 4. L’analyse cartographique 5. L’intégration Conclusion Références bibliographiques
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Gilles-H. Lemieux, Suzie Perron, Majella-J. Gauthier et René Verreault
Résumé La forêt boréale est depuis longtemps l’objet d’une exploitation intensive qui met en péril la pérennité de la ressource et oblige les intervenants à améliorer les méthodes de reboisement et de gestion de l’exploitation. Cette étude vise à intégrer plusieurs projets touchant la connaissance, la délimitation et la cartographie des microclimats artificiels affectant les espaces forestiers du Québec boréal. Trois méthodes complémentaires sont mises à contribution. En premier lieu, la télédétection thermographique permet la spatialisation des températures de surface des sols forestiers perturbés par rapport à la topographie et l’identification des zones de régénération à contraintes élevées. Une seconde méthode faisant appel à l’anémographie par capteur aéroporté contribue à la cartographie de la direction, de la vitesse et de la dynamique d’écoulement des différentes couches d’air froid en contact avec le sol. En troisième lieu, la cartographie assistée par ordinateur procure une vision intégrée des principaux paramètres de température, de couvert forestier, de pente, de dépôt meuble, etc., qui affectent le microclimat et la régénération forestière. Cette cartographie intégrée aide à inférer des programmes d’aménagement de nature à optimiser la production des secteurs forestiers déjà coupés ou incendiés et à prévenir les situations peu propices au reboisement dans les secteurs non encore exploités.
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Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale par télédétection thermographique et anémographique 361
INTRODUCTION Par cette étude, nous voulons intégrer plusieurs projets antérieurement déposés à différents ministères québécois et canadiens dont les problématiques gravitaient autour de la connaissance, de la délimitation et de la cartographie des problèmes gélifs affectant les espaces agroforestiers du Québec boréal. Faisant suite à une expertise développée au cours d’un projet de recherche sur les bleuetières de la Sagamie (région du Saguenay-Lac-Saint-Jean), la télédétection thermographique et anémographique nous permettait d’appliquer directement au domaine forestier une méthodologie utilisant une technologie d’avant-garde de cartographie des microclimats. Ces études ponctuelles visaient, ultérieurement, à inférer des programmes d’aménagement de nature à optimiser la productivité des secteurs forestiers déjà coupés ou incendiés et à prévenir les situations peu propices au reboisement dans les secteurs non encore exploités. Carrefour des écorégions de la forêt boréale, de la forêt laurentienne et de la plaine du Lac-Saint-Jean, la forêt domaniale de SaintFélicien est située au nord-ouest du lac Saint-Jean, Québec, Canada (figure 20.1). Elle offre une gradation nord-sud de type de végétation allant de la forêt coniférienne dominée par l’épinette noire et le sapin baumier (85 %) à la forêt mélangée à dominance de feuillus (15 %). Les dépôts de surface sont d’origine glaciaire, fluvio-glaciaire, fluviatile et lacustre et varient selon l’altitude, la topographie et la disposition du drainage. La forêt domaniale de Saint-Félicien, localisée dans le bassin hydrographique du Saguenay est principalement drainée par les rivières Chamouchouane et Mistassini. Les essences, l’âge, la structure et la densité des peuplements actuels résultent en grande partie des perturbations anciennes et actuelles occasionnées par les feux, les épidémies et les coupes. Le secteur du camp forestier Dupont (figure 20.1) a plus particulièrement retenu notre attention ; il est localisé au nord du lac à Basile (latitude 49° 30', longitude 72° 60') et comprend des aires de coupe à blanc, de coupe par bandes, de jeune forêt, de marécage et ce, en terrain montueux, sinon montagneux. Plusieurs cours d’eau et lacs ponctuent le paysage, les plus importants étant la rivière Mistassini et le lac à Basile.
1. PROBLÉMATIQUE La forêt boréale est depuis longtemps l’objet d’une exploitation intensive qui met en péril la pérennité de la ressource et oblige les intervenants à améliorer les méthodes de reboisement et de gestion de l’exploitation. Le déboisement complet, soit par l’exploitation forestière, soit par un incendie naturel ou provoqué, d’une superficie supérieure à l’hectare crée d’emblée un microclimat complètement différent de celui qui régnait
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Gilles-H. Lemieux, Suzie Perron, Majella-J. Gauthier et René Verreault FIGURE 20.1
Localisation de la forêt domaniale de Saint-Félicien et de l’aire d’étude microclimatique au camp forestier Dupont
dans le sous-bois original (Duffy et Fraser, 1963). L’absence de couvert forestier modifie d’abord le bilan radiatif au niveau du sol, ce qui se traduit par des amplitudes diurnes de température de 2 à 3 fois plus grandes que celles du sous-bois. Outre le réchauffement diurne plus intense pouvant favoriser certaines espèces compétitrices de l’épinette noire, le risque accru de gel nocturne lors des nuits claires et la dynamique de l’écoulement catabatique de l’air froid le long des pentes font en sorte que la saison sans gel radiatif se trouve écourtée et que les jeunes pousses d’épinette noire subissent un microclimat plus rigoureux que celui de la serre originale ou du sous-bois protégé.
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Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale par télédétection thermographique et anémographique 363
Compte tenu de l’immensité du territoire où les effets microclimatiques sont en cause, il s’avère physiquement et économiquement impensable de recueillir l’information détaillée à l’aide d’un réseau de stations météorologiques conventionnelles. Seule la télédétection aéroportée permet une spatialisation suffisamment fine susceptible d’être intégrée à la cartographie à grande échelle utilisée sur le terrain par le truchement des systèmes d’information géographique (Lawrence, 1979 ; Lawrence et Banner, 1980).
2. MÉTHODE D’INVESTIGATION DU MICROCLIMAT Trois méthodes complémentaires sont mises à contribution pour la compréhension et la cartographie du microclimat de la forêt boréale. Si la télédétection thermographique permet la spatialisation des températures de surface des objets au sol par rapport à la topographie, elle ne suffit pas à elle seule à expliquer la dynamique des masses d’air froid. Une seconde méthode faisant appel à l’anémographie par capteur aéroporté contribue à la cartographie de la direction et de la vitesse d’écoulement des différentes couches d’air froid en contact avec le sol (Mattson, 1969). En troisième lieu, l’apport de la cartographie assistée par ordinateur est inestimable puisqu’elle procure une vision intégrée des principaux paramètres qui affectent le microclimat. On peut ainsi réunir des informations sur la température, l’anémographie, la topographie, le couvert forestier, la pente, etc., les manipuler sous l’angle voulu pour en démontrer certaines corrélations (Gauthier et Desbiens, 1988). 2.1. LA TÉLÉDÉTECTION THERMOGRAPHIQUE Le créneau choisi pour la télédétection de l’espace forestier a été celui de la thermographie nocturne sur plate-forme aéroportée au moyen du canal thermique (9 à 14 µm) du capteur Daedalus DS1260 du biréacté Falcon-Jet d’Innotech Aviation d’Ottawa, appartenant alors au Centre canadien de télédétection. Des survols du territoire à l’étude furent réalisés pendant la nuit du 7 juin (thermographie nocturne) et au cours de la journée du 8 juin 1985 (photographie infrarouge fausses couleurs). Les données numériques obtenues furent analysées sur micro-ordinateur (compatible IBM PC-XT) à l’aide du logiciel de traitement numérique Octimage Plus. En plus du rehaussement de contraste, ce logiciel permet de réaliser des opérations graphiques (traçage sur écran) sur l’image affichée dans le but d’en faire une photo-interprétation après accentuation (étalement de contraste, équidensité colorée) ou de visualiser l’image à travers la manipulation de l’histogramme (seuillage). Les résultats s’obtiennent sous forme de cartes thématiques où figurent
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différents éléments comme les unités de terrain délimitées par thermographie dont l’interprétation est complétée à partir de photographies infrarouges fausses couleurs et de cartes topographiques au 1:20 000 et au 1:50 000 (Lemieux et al., 1986). L’approche adoptée consiste à traiter, dans un premier temps, chacune des images thermographiques pour en « thématiser » les unités de terrain et, dans un second temps, établir des corrélations avec la topographie. Les images sont créées en trois étapes successives. La première consiste à prendre l’image brute pour en effectuer un étalement de contraste sur 256 niveaux de gris et en faire ressortir sur l’écran les unités distinctes. En second lieu, une analyse analogique entre cette image, la carte topographique et les photographies infrarouges fausses couleurs du même secteur permet de délimiter les grandes unités de terrain telles les aires de forêt, les coupes forestières (à blanc et par bandes), les zones de régénération, les secteurs marécageux et les plans d’eau. Le même étalement de contraste sur 256 tons de gris sert à découper l’histogramme (équidensité colorée) selon les pics et les variations afin de cerner des phénomènes thermiques qui correspondent soit à des unités biophysiques de terrain, soit à un microclimat particulier. L’histogramme est ainsi découpé en sept classes de température. La dernière étape consiste à superposer ces deux images pour en tirer des corrélations. 2.2. L’ANÉMOGRAPHIE AÉRIENNE L’anémographie est une application spécialisée de la photographie ou de la vidéographie aérienne permettant d’établir, sur une superficie de l’ordre du kilomètre carré ou plus, le patron de circulation de l’air près du sol dans le cas d’influences topographiques capricieuses. Il peut s’agir d’un massif montagneux à relief complexe ou bien d’un secteur de coupe forestière à relief peu prononcé, mais où des écoulements catabatiques d’air froid se manifestent lors des nuits de gel radiatif, comme en font foi les thermographies de la planche XXVIIIa et b). Pour ce faire, on installe au sol un réseau suffisamment dense, typiquement avec un maillage de 200 m (figure 20.5), de transducteurs anémographiques peu coûteux prenant la forme soit de girouettes articulées indiquant la direction et la vitesse du vent (figure 20.2a), soit de pendules à traînée dont l’azimut et la déflexion traduisent respectivement la direction et la vitesse du vent (figure 20.2b), soit de girouettes à curseur conçues de telle façon que la position de ce dernier le long de l’axe de la girouette s’équilibre sous l’effet combiné de la traînée aérodynamique et du rappel d’un ressort (figure 20.2c).
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Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale par télédétection thermographique et anémographique
FIGURE 20.2a Capteur anémographique à catadioptres de type girouette articulée à déflecteurs latéraux (rue en plan)
FIGURE 20.2b Capteur anémographique à catadioptres de type pendule à traînée
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FIGURE 20.2c Capteur anémographique à catadioptres de type girouette à curseur
Lorsque les conditions météorologiques propres à l’expérience en cours sont rassemblées, la géométrie des transducteurs est enregistrée du haut des airs sur pellicules ou sur bandes vidéo. Pour les situations de nuit, grâce à un éclairage par lampe-éclair, la configuration de chaque transducteur est rendue visible à l’aide d’un jeu de panneaux rétroréfléchissants disposés judicieusement sur la structure. Des survols anémographiques nocturnes ont pu ainsi être menés à bien à partir d’une hauteur de 2 500 m au-dessus du sol (Verreault et al., 1985, 1989). L’état présent de la recherche en anémographie inclut l’intégration de l’imagerie vidéo multispectrale et de l’ordinateur comme substitut à la photographie. Les capteurs CCD et CD avec intensification de lumière ouvrent d’une part une nouvelle voie dans l’observation aérienne nocturne de structures rétroréfléchissantes. D’autre part, le traitement informatique des images vidéo à l’aide de logiciels spéciaux présentement en développement offre un potentiel de calcul topométrique automatique que ne possède pas la photographie chimique, de même qu’un potentiel d’augmentation de résolution des images par un ordre de grandeur, contrairement à la photographie et aux systèmes imageurs à balayage linéaire, en exploitant l’information redondante des images successives d’un même objet qui défilent dans le champ du camescope.
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Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale par télédétection thermographique et anémographique 367
Quant à la plate-forme utilisée, tant pour des raisons de coût d’opération que de souplesse de fonctionnement, elle consiste pour l’instant en un avion léger monomoteur de type Piper Warrior II basé à l’aéroport local. Le plancher comporte deux hublots dont le premier reçoit typiquement un camescope viseur miniature supergrand-angulaire à visée basse oblique avant dont le moniteur au tableau de bord indique la ligne de vol en même temps que le champ de visée des capteurs verticaux. Ce hublot avant sert simultanément à un camescope à visée verticale de type standard ou de type multispectral (XYBION MSC-02). Le hublot arrière, dont la fenêtre est amovible, reçoit, selon les applications, une caméra Hasselblad ou Nikon, un camescope thermique ou encore un spectromètre imageur. Pour l’opération nocturne, un système d’éclairage puissant avec carénage aérodynamique est fixé sous la carlingue. 2.3. LA CARTOGRAPHIE ASSISTÉE PAR ORDINATEUR La variation de la production forestière en fonction de certains paramètres écologiques oblige les aménagistes forestiers à connaître les combinaisons et les distributions spatiales en se référant à une cartographie écologique. La cartographie écologique permet d’évaluer le potentiel forestier, c’est-à-dire la meilleure capacité naturelle d’une station à produire un volume de bois. Pour ces derniers, les stations forestières sont normalement définies par les trois grands paramètres écologiques suivants : 1.
Le mésoclimat, qui définit le cadre de référence bioclimatique (région de croissance).
2.
Le couple topographie-drainage, qui définit le cadre physiographique.
3.
La nature physico-chimique du matériau géologique de surface, qui définit le cadre édaphique.
Nous prétendons ajouter à cela un paramètre concernant le microclimat associé à la topographie fine des espaces en voie de régénération, ce qui définit le cadre de la dynamique topoclimatique (géographie thermique) enrichie par la connaissance des patrons de circulation de l’air. Au même titre que le drainage du sol est un indice de son bilan hydrique, le comportement topoclimatique d’une station est un indice du bilan thermique du même sol (Crawford, 1964).
3. EXEMPLES D’APPLICATION Ces résultats proviennent de trois axes de recherche qui se rattachent tous à la problématique forestière boréale traitée au Laboratoire de télédétection de l’Université du Québec à Chicoutimi mais impliquent des ressources humaines, des outils et des sites d’étude différents.
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3.1. LA TÉLÉDÉTECTION THERMOGRAPHIQUE À l’aide de la vérité-terrain offerte par la photographie aérienne fausse couleur (planche XXVIa), cinq unités de terrain ont été circonscrites sur la première image thermographique nocturne du lac à Basile (planche XXVIb) : les zones 1 a) de coupe forestière à blanc, 1 b) de coupe forestière par bandes, 2) de régénération, 3) de jeune forêt, 4) de tourbière et 5) de plan d’eau. Les zones de coupe forestière comportent des variations thermiques prononcées selon le mode d’exploitation et ceci en corrélation avec la topographie. Les coupes à blanc donnent un signal thermique généralement plus froid (partie ouest du lac à Basile) que les coupes par bandes, ceci s’expliquant par l’absence totale d’arbre et une topographie basse. Pour leur part, les coupes par bandes subissent des variations thermiques correspondant à leur pente propre et à leur localisation en haut ou en bas des collines. Par contre, les zones de jeune forêt apparaissent relativement chaudes surtout en secteur montagneux. Leur signal thermique s’explique par la densité de la végétation qui crée un effet de serre. Par contre, une absence ou une forte diminution de végétation donne l’effet inverse sur la thermographie dans le cas des zones en régénération qui apparaissent plus froides. Cependant, les secteurs de régénération comportent de fortes variations de température liées aux différences d’âge dans la repousse et aux facteurs altitudinaux. Quant aux zones de tourbières, elles se délimitent assez bien par la couleur bleue uniforme, indice de température froide. De même, les plans d’eau sont facilement repérables par leur couleur rouge (points les plus chauds) puisque les pertes thermiques de l’eau pendant la nuit sont beaucoup plus lentes que celles du sol (Geiger, 1965). Ces plans d’eau sont également bordés de pixels orange et jaune (couleurs symbolisant les points chauds) qui signalent les bordures forestières laissées au périmètre des lacs et des rivières comme le prescrit la loi. L’histogramme représenté à la figure 20.3 fait foi des divers seuils de niveaux d’émission et de leur pourcentage de recouvrement correspondant aux unités de terrain identifiées dans ce secteur d’exploitation de la forêt domaniale de Saint-Félicien. La seconde image du lac à Basile (planche XXVlla) présente à nouveau les variations de température nocturne en relation avec la topographie (Labonté et al., 1987). En général, les mêmes comportements thermiques se répètent. L’exemple le plus saisissant de cette image réside dans le reflux d’air froid en amont d’une pente dans une zone de coupe à blanc. Ce phénomène microclimatique se localise au nord du lac René à gauche de la fenêtre agrandie (planche XXVllb). Sur cette planche, on note que les coupes par bandes en pente sont relativement chaudes comparées à celles en contrebas. De plus, une coupe à blanc
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provoque une poche d’air froid coincée entre le pied des collines et la ceinture forestière du lac René. Ceci corrobore l’hypothèse selon laquelle l’air froid bloqué devant ces arbres de bordure reflue dans les bandes en faisant fi de la pente ascendante. De plus, l’effet régulateur du lac n’est aucunement mis à profit. FIGURE 20.3 Histogramme en sept classes des divers seuils de niveaux d’émission thermique correspondant à des unités de terrain dans le secteur du camp forestier Dupont
Les résultats permettent de cerner des zones problématiques pour des études plus spécifiques. En outre, la cartographie des zones de températures relatives superposée au tracé de la topographie
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permet de mieux comprendre et de visualiser les comportements microclimatiques à l’intérieur d’un couvert forestier perturbé, ce qui nous amène à pouvoir : 1. Déterminer des façons économiques de moins perturber les microclimats forestiers lors de la coupe soit par : –
une orientation plus systématique des coupes par bandes ;
–
l’aménagement ponctuel de brèches d’écoulement d’air froid dans les bordures résiduelles d’arbres le long des lacs et des cours d’eau (Lemieux et al., 1985, 1987 a et b, 1988) ;
−
l’élimination de certains obstacles artificiels qui favorisent la stagnation d’air froid tels les abattis et les déchets de coupe.
2. Inclure des paramètres microclimatiques dans l’aménagement forestier : –
pour mieux localiser les zones spéciales de reboisement (choix des espèces) en fonction de la topographie (pentes versus fonds plats), du drainage (zones marécageuses versus humides) et du microclimat (espaces ouverts versus fermés) ;
–
pour mieux circonscrire les zones propices à certaines infestations de chancre ou de champignon dues aux conditions gélives des milieux en régénération (Dorworth, 1973 ; Pommerleau, 1971).
3.2. L’APPLICATION DE L’ANÉMOGRAPHIE AÉRIENNE À titre d’illustration, considérons un cas d’anémographie nocturne assez représentatif, le secteur de coupe forestière enclavée représenté sur les planches XXVIIa et b. Des mesures micrométéorologiques traditionnelles effectuées lors d’une nuit d’inversion thermique et de gel radiatif à l’aide de deux tours instrumentées dans l’angle sud-ouest de l’enclave (figure 20.4) font état d’un biseau d’air froid stagnant acculé contre la lisière de forêt par le flux régional supérieur, mais non délogeable par ce dernier en raison de la plus forte densité de l’air froid généré localement par le contact avec un sol en déficit énergétique. Cette couche d’air très stable qui résiste au brassage vertical devient stratifiée au point que des sous-couches superposées sont le siège de circulations laminaires indépendantes les unes des autres, sans friction et tout à fait décrochées du vent régional supérieur. On constate sur la thermographie de 1982, (planche XXVIIIa), outre le secteur bas très gélif, au sud, un gradient thermique sud-nord plutôt faible sur la partie nord malgré une dénivelée graduelle de 3 m. À la suite de l’ouverture, à la suggestion de l’équipe de recherche, de couloirs d’évacuation d’air froid vers un marécage à 700 m plus au sud, une double vérification thermographique (planche XXVlllb) et anémographique (figure 20.5) eut lieu. Pour ce dernier cas, un réseau de
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girouettes du type de la figure 20.2a fut étalé à 1 m de hauteur avec mailles de 200 m sur une étendue de 800 par 1 200 m. Le résultat moyen de plusieurs survols lors de différentes nuits d’inversion thermique montre le patron systématique de la figure 20.5 auquel se rapportent les remarques suivantes : 1.
2.
3.
4.
5.
FIGURE 20.4
On note d’abord que le vent régional est – nord-est atteint la surface du sol du côté est du réseau grâce à la turbulence mécanique engendrée par la haie d’arbres intermittente. Des vents moyens à composante est dépassant 1,5 m/s s’engouffrent par les brèches de la haie. La moitié nord du réseau accuse une faible brise systématique à composante nord (0,5 m/s) qui provient du reflux de la circulation régionale d’abord vers le sol le long de la lisière forestière à l’ouest, puis vers le sud le long de la faible pente du sol froid. Le flanc ouest de cette brise du nord longe la lisière ouest vers le couloir de l’ouest pour gagner directement le marécage. La partie centrale du réseau est le siège d’une zone de turbulence horizontale où se mélangent le reste de la brise du nord et les percées de vent d’est émanant des brèches de la haie. La circulation turbulente se résout tout de même par une évacuation résultante dans le couloir de l’est et par une convergence donnant un flux accéléré à l’entrée du couloir de l’ouest.
Biseau d’air froid stagnant dans une aire de coupe forestière à blanc (nuit d’inversion thermique du 9 octobre 1983)
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Gilles-H. Lemieux, Suzie Perron, Majella-J. Gauthier et René Verreault FIGURE 20.5
Anémographie aérienne du patron moyen de l’écoulement d’air froid
L’effet des couloirs d’évacuation peut donc s’interpréter comme un amincissement de la strate froide initiale, si l’on se fie à la seconde thermographie (planche XXVlllb). On note en effet que, malgré la couche froide toujours en contact avec le sol dans la partie sud et dans les couloirs, le gradient thermique de surface est beaucoup plus prononcé dans la partie légèrement ascendante au nord (pente de 3 m dans 1 000 m). Cela corrobore ainsi l’interprétation de l’amincissement du biseau d’air froid atteignant originellement 10 m en une strate résiduelle d’environ 1 m (Verreault et al., 1990 ; Lemieux et al., 1983). 3.3. L’INTÉGRATION CARTOGRAPHIQUE Pour expliquer la répartition spatiale de la thermographie nocturne dans la forêt, il est nécessaire de faire appel aux liens qu’elle peut avoir avec les caractéristiques physiques du terrain. C’est le type de
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recherche qui a été menée le long de la rivière Mistassini, au camp forestier Dupont dans la forêt domaniale de Saint-Félicien. La zone à l’étude présentait une grande variété dans la distribution de la température nocturne. II s’agissait de confronter spatialement cette information avec les paramètres biophysiques disponibles et pouvant être utiles à son explication. De la carte topographique au 1:20 000, nous avons tiré les traits topographiques (courbes de niveau), puis les pentes ainsi que la radiation solaire. Nous pouvions compter aussi sur des données cartographiques des types forestiers de même que de la densité de la végétation. II s’agissait alors de saisir ces différentes informations, de les enregistrer dans un système de cartographie automatisée (GIMMS, Geographical Information Mapping and Manipulating System), de produire des cartes numériques de même que de procéder à l’analyse cartographique de superposition et d’en voir les résultats.
4. L’ANALYSE CARTOGRAPHIQUE Dans un premier temps, nous avons produit six cartes thématiques de base en utilisant une symbolisation par choroplèthes qui favorise le procédé de superposition : 1. Le risque de gel nocturne (figure 20.6) fait voir, surtout dans la partie est de la zone étudiée, la présence d’espaces froids entre-coupés de lanières plus chaudes orientées sud-ouest – nord-est. Ailleurs, on trouve également quelques plaques de température froide. Il faudrait noter évidemment que les valeurs thermiques correspondent à ce qui a été enregistré à la surface des objets par le capteur numérique aéroporté. (La figure 20.6 : Risque de gel nocturne correspondant à l’agrandissement de la portion nord de la thermographie présentée sur la planche XXIX.) 2. La topographie (figure 20.7) s’élève à mesure que l’on s’éloigne de la rivière Mistassini dont le niveau d’eau se maintient à un peu moins de 45 m. C’est dans la moitié ouest de la carte que l’on atteint les plus hauts sommets, soit un peu plus de 500 m. 3. La pente (figure 20.8), qui a été mesurée à partir de la carte topographique, offre des zones homogènes qui généralement ne dépassent pas 15°. Cependant, certaines surfaces allongées, orientées grosso modo nord-sud et correspondant en général à des talus, peuvent atteindre 40° de pente. 4. La radiation solaire directe (figure 20.9 provient de l’analyse combinée des pentes et de leur direction en fonction de la latitude du lieu (50° de latitude nord). Elle est exprimée en calories par centimètre carré par jour pour le 22 juin. Dans cette région,
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la radiation va de 800 à 840 cal.cm-2-jour 1. Des bandes de valeurs faibles se dégagent malgré tout ; elles correspondent à des pentes fortes exposées au sud-ouest, au sud et au sudest. 5. Le couvert forestier (figure 20.10), dont les données proviennent de l’inventaire effectué par le ministère de l’Énergie et des Ressources (MER), se traduit par une mosaïque de types allant de résineux, de feuillus, de mixtes jusqu’à la coupe totale. Par ailleurs, c’est la pessière à épinette noire et rouge que l’on rencontre le plus fréquemment. 6. Les données sur la densité de la végétation (figure 20.11) proviennent de relevés cartographiques effectués par le MER. Les fortes densités coïncident avec des bandes résiduelles de coupe à blanc et cela, particulièrement dans la partie est de la région. Ailleurs, la densité s’avère faible sauf près des rivières. Dans un deuxième temps, ces cartes ont été combinées de manière à expliquer la variation spatiale des risques de gel nocturne par le jeu de la superposition cartographique. II a alors été possible de dégager les niveaux de corrélation entre les différentes variables : 1. La correspondance entre la topographie et le gel nocturne ne montre pas des évidences. Néanmoins, on peut affirmer que : a) les zones de basse altitude ne sont pas froides, b) dans les deux tiers de la carte les risques de gel sont élevés aux altitudes moyennes et c) dans le quart sud-ouest, souvent les parties froides coïncident avec les tranches d’altitude élevée. 2. Dans la plupart des cas, les aires de gel élevé correspondent à des pentes faibles allant de 0° à 10°. Notons la présence de deux blocs froids situés à l’ouest de la rivière et qui s’écartent de cette relation. 3. On aurait cru a priori que dans cette région il y aurait eu correspondance étroite entre le peu de radiation solaire directe et les risques de gel en raison de la chaleur accumulée. Eh bien non, la carte combinant les deux variables indique exactement le contraire ! 4. Les aires couvertes par la pessière à épinette noire ou rouge sont sujettes à des risques élevés de gel. Il en est de même pour les zones de coupe totale. 5. À une faible densité de végétation correspondent de grands risques de gel. Ceci ressort encore mieux lorsqu’on superpose les zones de gel élevé et celles de forte densité de végétation, car les deux informations s’excluent spatialement (figure 20.12 : Densité de la végétation vs risque de gel nocturne).
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5. L’INTÉGRATION La confrontation cartographique de variables biophysiques avec la variation spatiale de la thermographie nocturne apporte des explications tout à fait intéressantes qu’il faudrait cependant nuancer. En effet, les zones gélives se situent à des altitudes intermédiaires, sur des pentes faibles (< 10°), là où la radiation solaire est la plus élevée, là où est présente la pessière à épinette noire ou rouge et là où il y a des parterres de coupe récente. Toutefois, il y aurait lieu de nuancer ces relations cartographiques afin de les intégrer dans le processus de refroidissement du sol et de l’air pendant les nuits d’inversion et de les mettre en rapport avec la dynamique de l’air en terrain de topographie variée. En ce qui concerne la topographie, il serait normal de constater que les plus basses terres soient plus gélives que les plus hautes ; si cela n’est pas apparent dans cette dernière étude, c’est que les berges de la rivière Mistassini sont boisées et comportent un ruban de forêt qui non seulement présente une température plus chaude mais aussi sert de barrière aux vents catabatiques provenant de l’amont et provoque un reflux d’air froid dans les altitudes intermédiaires. Prenons le cas du versant est de la rivière Mistassini. 1. En général, on a affaire à un terrain en pente douce.
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2.
II est parsemé de lanières résiduelles de forêt, isolées, provenant de la coupe par bande, ou encore, il est complètement ouvert à la suite de coupe à blanc.
3.
L’espace dégagé n’atteint pas les berges de la rivière justement à cause du ruban forestier qui la longe et qui est composé en bonne partie de feuillus.
4.
La forêt qui s’y trouve est d’inégale densité ; seules les bandes résiduelles présentent une haute densité d’arbres, le reste étant dans une jeune phase de régénération.
Ainsi, les espaces ayant été déboisés ces dernières années et, par conséquent ouverts, facilitent la perte de chaleur par radiation pendant la nuit ; leur position inclinée favorise le glissement vers le bas de la pente de l’air froid situé près du sol ; il y a freinage de l’écoulement de cet air par la bande de forêt qui longe la rivière, occasionnant une accumulation d’air froid. Somme toute, l’analyse cartographique et automatisée de variables biophysiques fournit de bonnes indications pour expliquer la variation spatiale des microclimats forestiers. Certaines d’entre elles jouent des rôles essentiels comme la topographie, la pente et la densité du couvert forestier. Par ailleurs, il faudrait trouver le moyen de faire intervenir des éléments explicatifs extérieurs à la simple superposition cartographique comme, par exemple, le jeu des barrières à l’écoulement de l’air.
CONCLUSION La dégradation du paysage forestier québécois alerte même les exploitants de la ressource (Lemieux et al., 1988). La télédétection thermographique permet d’identifier et de cartographier les unités de terrain et les zones de régénération à contraintes élevées (pente excessive, obstruction à l’écoulement de l’air, cuvettes de rétention d’air froid, etc.). Cette identification s’avère essentielle pour la prise de décision des exploitants afin d’optimiser les zones de reboisement par des aménagements appropriés et pour assurer ainsi la pérennité de la ressource dans une perspective de rentabilité économique et sociale à long terme (Gauthier et al., 1984, 1986). Ces nouvelles connaissances permettront de déterminer de façon économique les actions à entreprendre pour lutter efficacement contre les effets retardants du gel sur la croissance forestière. Quelques-unes de ces actions consisteront à dégager les cuvettes de rétention d’air froid en créant des brèches d’écoulement de l’air en aval du gradient topographique ou en « nivelant » certains obstacles responsables de la stagnation de l’air froid au sol lors des nuits claires et sans vent d’inversion thermique. D’autres actions consisteront à créer de la
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turbulence en utilisant la dynamique des masses d’air déjà en déplacement dans certains corridors naturels ou artificiels d’écoulement catabatique. Finalement, un compromis visant à éliminer les effets hermétiques des lisières de forêts au périmètre des plans d’eau par la création judicieuse de brèches tout en empêchant l’érosion des berges et le transport d’éléments indésirables dans l’eau mettrait à contribution l’immense potentiel « régularisateur » des plans d’eau. En effet, une dynamique de retour d’énergie des lacs par l’air chaud ascendant qui en émane la nuit serait favorisée par des brèches de circulation périmétrique d’air à travers les lisières forestières résiduelles et engendrerait des turbulences dans les zones de stagnation d’air froid (Icier, 1983). Enfin, l’établissement de cartes d’isolignes de températures (degrésjours de croissance) permettrait aux compagnies forestières de mieux planifier leur reboisement afin d’optimiser le rendement des espèces végétales dans une optique de meilleure gestion à long terme.
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Étude microclimatique de la régénération en forêt boréale par télédétection thermographique et anémographique 381
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GÉOSCOPE : une encyclopédie numérique des changements planétaires Réjean SIMARD
Sommaire Introduction 1. Vue d’ensemble de l’encyclopédie 2. Les données de l’encyclopédie 3. Le fonctionnement de l’encyclopédie Conclusion Références bibliographiques
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Résumé La réalisation d’une encyclopédie numérique portant sur le thème de l’apport de la télédétection spatiale au suivi des changements environnementaux à l’échelle du globe a eu lieu en 1992, l’Année internationale de l’espace. Le but de cette encyclopédie est de rejoindre le plus grand nombre possible de personnes intéressées aux changements mondiaux et de les sensibiliser aux technologies et données disponibles pour le suivi et l’analyse des multiples paramètres géoscientifiques concernés. L’encyclopédie est fonctionnelle à partir d’une plate-forme micro-informatique de type PC compatible largement diffusé à travers le monde. Les données sont disponibles sous forme de microdisques et de disques optiques de type CD-ROM. Un logiciel d’accompagnement est également distribué avec les données, ce qui permet d’y accéder et de les manipuler de façon illustrative à l’aide de fonctions de base de traitement d’images et d’analyse spatiale. L’encyclopédie sera donc disponible comme un tout avec les données et le logiciel d’accompagnement. Il est prévu que son coût d’acquisition sera le plus bas possible afin d’en maximiser la distribution et d’en faire un outil de formation accessible. Les données qui s’y retrouvent ont une couverture mondiale pour plus d’une trentaine de paramètres provenant de divers satellites de télédétection ainsi que de documents cartographiques auxiliaires. D’autres données similaires mais à plus haute résolution spatiale couvriront également des étendues continentales et régionales afin d’illustrer des phénomèmes plus localisés, mais toujours reliés aux changements mondiaux (El-Nino, déforestation et désertification, etc.).
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GÉOSCOPE : une encyclopédie numérique des changements planétaires
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INTRODUCTION L’année 1992 a été proclamée Année internationale de l’espace. Plus de vingt agences spatiales nationales ont pris part au Forum des agences spatiales pour l’Année internationale de l’espace (SAFISY) et ont choisi de lui donner pour thème « Mission Planète Terre » (Meyerson, 1988). Le Forum et son comité de spécialistes ont amorcé la planification d’un programme d’activités à l’échelle mondiale qui soulignera l’importance de l’observation spatiale ainsi que sa contribution pour l’humanité. Le projet de l’Encyclopédie des changements planétaires a été accepté par SAFISY comme projet clé du programme « Global Change Outreach ». Le projet est parrainé par l’Agence spatiale canadienne et sa réalisation est dirigée par le Centre canadien de télédétection (CCT). Le but de ce programme est de démontrer à un grand nombre de gens dans le monde entier, au moyen d’expériences pratiques, que les données obtenues par satellite ont une importance cruciale pour la surveillance de l’environnement de la planète. Le projet vise également à mettre en lumière les changements considérables qui surviennent dans plusieurs régions du monde. La clientèle visée par le projet comporte différents utilisateurs dont les étudiants du secondaire et de l’université, les jeunes scientifiques et la population en général intéressée par l’Encyclopédie. Issue des quatre coins du monde, cette clientèle parle différentes langues, de sorte que le produit final sera adaptable en plusieurs langues. Au début, cependant, le logiciel ne sera offert qu’en français et en anglais. Le principe de base consiste à recueillir des ensembles majeurs de données numériques de télédétection et de données numériques complémentaires pertinentes (cartes, données démographiques, etc.), à les structurer au moyen d’un logiciel approprié et à les offrir sous forme numérique facile d’accès, soit sur disque compact-ROM ou sur disquette (Cihlar et al., 1991). Un logiciel accompagnant les données permettra aux utilisateurs de visualiser et de manipuler les données de l’Encyclopédie. Ainsi, on pourra l’utiliser comme un tout, incluant logiciel et données, sur un micro-ordinateur standard.
1. VUE D’ENSEMBLE DE L’ENCYCLOPÉDIE Les données contenues dans l’Encyclopédie (approximativement 2 gigaoctets) comporteront de l’information provenant de sources très variées et enregistrée sous divers formats. Plus spécifiquement, ces formats servent à stocker les types de données suivants : −
Des images. Images en ton continu de paramètres géoscientifiques à l’échelle mondiale et régionale (par
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exemple, un indice de végétation) et de cartes géoscientifiques provenant d’images en format matriciel (raster) à référence spatiale. −
Des cartes. Cartes du monde et de régions illustrant les littoraux, les terres, la végétation, le climat, etc., en format matriciel et/ou vectoriel.
−
Des cartes socio-économiques. Statistiques socio-économiques sous formes de tableaux ou de graphiques, classées par pays, par état ou par province.
−
Des photographies explicatives. Photographies illustrant la flore, la faune et les paysages locaux.
−
Des textes d’accompagnement. Textes qui fournissent des explications et des références concernant les ensembles de données individuels.
On peut utiliser l’Encyclopédie à l’aide d’un micro-ordinateur de type IBM PC/AT ou sur du matériel compatible comportant un adapteur graphique VGA, un disque dur, une souris (facultative) et un lecteur de disque compact-ROM (DC). Ce type de matériel a été choisi, car il est disponible dans le monde entier et parce qu’il offre de bonnes possibilités d’affichage graphique. L’Encyclopédie consiste en un bloc complet de données comprenant des ensembles de données (cartes, images, vecteurs, etc.) en format compatible pour le traitement numérique et stocké sur DC. L’utilisateur peut consulter les diapositives sur le disque compact, effectuer des interrogations ponctuelles sur la base de données et télécharger sur le disque dur les sections choisies en utilisant le logiciel d’accès au disque compact. En plus de ces fonctions, l’Encyclopédie inclut un logiciel de traitement de données. On enregistre les données de l’Encyclopédie sous un format matriciel, vectoriel ou sous forme alphanumérique à référence géographique (latitude/longitude). Il est possible d’effectuer à l’écran la superposition de lignes vectorielles sur des images et des cartes matricielles. Le système peut aussi saisir, enregistrer et afficher des annotations. Le logiciel de traitement des données offre un ensemble limité de fonctions matricielles de type système d’information à référence spatiale (SIRS) que l’on peut utiliser pour la manipulation et l’analyse de données téléchargées sur disque dur. Le logiciel fonctionne à différents degrés de complexité et de flexibilité, selon les connaissances et l’expérience de l’utilisateur. Le but du logiciel n’est pas de fournir une gamme complète d’utilitaires pour l’analyse des ensembles de données que contient le disque compact mais bien d’offrir un échantillon de base des fonctions
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matricielles de SIRS et d’analyse d’images permettant une analyse limitée des données. Les utilisateurs qui voudront effectuer des analyses plus complexes pourront le faire en exportant les données dans des systèmes SIRS ou d’analyse d’images plus performants.
2. LES DONNÉES DE L’ENCYCLOPÉDIE Plusieurs types de données sont intégrés dans les produits de l’Encyclopédie. Les tableaux 21.1 (pour la couverture mondiale) et 21.2 (pour la couverture régionale) présentent le contenu des données qui sont incluses (ou qui le seront vraisemblablement) dans l’Encyclopédie sur disque compact-ROM. On peut y reconnaître plus d’une soixantaine de paramètres géo/bio/éco/physiques et chimiques reliés à l’environnement de la Terre ainsi que des données socio-économiques. La majorité de ces paramètres proviennent d’observations spatiales mensuelles effectuées durant la décennie 1980. D’autres paramètres proviennent de modèles tels que le modèle général de circulation atmosphérique ou le mouvement vertical de la croûte terrestre dérivé de mesures gravimétriques (phénomène de l’isostasie). Les données de l’Encyclopédie ont été fournies par les agences spatiales participant au SAFISY (mais principalement par la NASA et la NOAA) ainsi que par plus d’une quarantaine d’autres organismes scientifiques à travers le monde. L’Encyclopédie est également conçue afin de traiter les données vectorielles importées du produit Digital Chart of the World (DCW, 1989), également disponibles depuis 1992. Ces données étant également de couverture mondiale complètent avantageusement celles de l’Encyclopédie. Elles sont obtenues à partir de la numérisation des cartes (Operational Navigational Charts) à l’échelle de 1:1 000 000.
3. LE FONCTIONNEMENT DE L’ENCYCLOPÉDIE Le logiciel de l’Encyclopédie facilite l’exploitation de la nature globale des données au moyen d’approches innovatrices. De façon plus particulière, l’interface utilisateur est très évoluée et offrira un environnement stimulant et conçu de façon à faciliter la tâche de l’utilisateur. Ses possibilités d’utilisation seront optimales afin d’encourager et de faciliter la manipulation de la grande quantité de données. De plus, l’interface est adaptée au contexte des changements à l’échelle du globe, ce qui met l’accent sur la nature temporelle des phénomènes.
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Réjean Simard TABLEAU 21.1 Données de couverture mondiale
Thème NASA Aérosol (extinction) Eau liquide dans l’atmosphère Température de brillance Stations climatologiques Distribution des nuages Couleur de l’océan Vitesse des vents de surface de l’océan Ozone Température de surface de l’océan Couverture nivale Température de la surface des terres NOAA Aérosols Climat Intensité des cultures Élévation et bathymétrie Zones de vie de Holdrige Albédo intégré NDVI Sols Types de sols Caractéristiques topographiques Végétation Végétation (écosystèmes) AUTRES Modèle général de circulation Mouv. vert. croûte terrestre (isostasie) GVI Image nocturne de la Terre Hauteur des vagues sur l’océan Données socio-économiques Anomalies du climat (AC) Zones de marais
Période
Résolution
Source
1984-1988 1987-1988+ 1978-1980,1987 20-100 années 1983-1988 1978-1986 1987- +1990
1 deg 0,25 deg 25 km 30 min 1 deg 10 min 10 min
NIMBUS/ERGS DMSP/SSMI SMRR, SSMI WMSCC MÉTÉOSAT, GOES CZCS DMSP/SSMI
1979+ 1986-1989 1978-1986 1979-1988
1 x 1,25 deg 10 min 0,5 ou 1deg 1 deg
TOMS/SBUV NOAA/AVHRR SMMR NIMBUS/HIRS
19891920-1980 — — — — 1985-1988 — — — — —
1 deg 30 min 1 deg 5 min, 10 min 30 min 1 deg 10 min 1 deg 2 et 10 min 10 min 1 x 1 deg 2 deg (10 min)
NOAANAVHRR Leggets/Wilmat Matthews ETOPO-5 cartes IIASA Matthews NOAA-AVHRR Zobler cartes FAO cartes US Navy Matthews Olson, cartes
— 1 deg
Centre can. climat Mes. de gravité/Univ. Toronto
10 min 1 km 1 deg — 1 deg 1 deg
NOAA/AVHRR/EROS D.C. DMSP/Univ. Washington GEOSAT/Levés géod. can. ONU/Banq. Mond./World Game MM Matthews
— — 1985-1989 — 1986-1989 — 1985—
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TABLEAU 21.2 Données de couverture régionale Thème
Période
Durée nuages froids, Afrique de l’Est Nombres de jours de pluie, Afrique de l’Est Climat-agron., Afrique NDVI, Afrique Pluviométrie estimée, Afrique de l’Ouest Données météorologiques, Amérique du Sud Évapotranspiration, France du Sud-Ouest Température de surface, France du Sud-Ouest Floraison (bloom) d’algues, mer du Nord, Scandinavie Utilisation du sol, France du Sud-Ouest Couleur des océans/Ouest des USA Ozone, Antarctique Écologie et utilisation du sol, Comm. européenne NDVI, Bassin de l’Amazone Concentration de glaces de mer dans rég. polaires
1988-1990 1988-1990 — 1988-1990 198-1990 — juin 1986 juin 1986 1988
Cartes forestières (Bavière, Allemagne) Zone de glace marginale (Mouv. glaciers/Antarctique) Changement couvert forest., rés. Menglun, Chine Temp. surf. océan (El-Nino) EPOCS, Pacif. équat. Urbanisation, déforestation, Afrique centrale Développement agricole, Alberta du Sud (Canada) Changements albédo zone urbaine de Montréal Indice de végétation (USA) Végétation, Allemagne du Sud-Ouest Tempête de sable dans le Sahara Dépression atm. hivernale dans l’Atlantique nord NDVI/couverture du sol (Canada) Ensemble de données, Chine NDVI, Australie Couleur de l’océan, Pacifique nord Élévation de la surface de l’océan, Pacifique nord
Résolution
Source
16/6/86 1979-1981 août, sept. 1987 — 1981-1987 1987 et 1989 1978-1980 1988, 1990 1986, 1987
MÉTÉOSAT MÉTEOSAT FAO MÉTÉOSAT MÉTÉOSAT CIAT NOAA/AVHRR NOAA/AVHRR AVHRR, TM, SPOT NOAA/AVHRR 1 km 1 km, 7 km CZCS HIRS/2-TOVS 1 deg 1 :3 M, 1 :1 M CORINE NOAA/AVHRR 8 km DMSP/SSMI 12-50 km NIMBUS/SMMR 25 km SPOT/TM 10-30 m 10 m, 30 m SPOT, TM
1973-1988 1982-1989 1973-1988 1973-1988 1972, 1979, 1982 mars, nov. 1990 1985-1988 — — 1989-1990 — 1989 1979 1987
30-80 m 10 min 20-80 m 50 m 50 m 1 km — 5 km 5 km 1 km — 1 km 1 km 10 min
7,6 km 7,6 km 7,6 km 7,6 km 7,6 km 10' 1 km 1 km 1 km
TM/MSS AVHRR SPOT, MSS MSS MSS AVHRR — MÉTÉOSAT MÉTÉOSAT AVHRR LANDSAT NOAA/AVHRR CZCS GEOSAT
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Réjean Simard TABLEAU 21.3 Fonctions de base de l’Encyclopédie
GESTION DE DONNÉES – installation et gestion des fichiers ; – téléchargement d’une sélection d’ensembles de données du disque compact-ROM vers le disque dur. AFFICHAGE DES DONNÉES – affichage à l’écran de tous les types de données ; – zoom et déplacement d’une fenêtre d’affichage ; – saisie d’images à partir des données affichées ; – relecture automatique et animation. MANIPULATION DE DONNÉES – utilitaires de dessin ; – génération de masque. INTERROGATION PONCTUELLE – interrogation ponctuelle à partir de couches de données multiples. INTERROGATION DE DONNÉES – profils de couches de données multiples (y compris la représentation d’une série chronologique de données) ; – histogrammes de couches de données multiples ; – diagrammes de dispersion à partir de deux couches de données. ANALYSE DE FICHIERS – calculs de superficie ; – extraction de statistiques d’images et de cartes à partir des polygones ; – regroupement d’images et de cartes ; – opérations arithmétiques sur des images et des cartes ; – superposition de cartes ; – remise à l’échelle d’images et de cartes. ENTRÉE/SORTIE DE DONNÉES – importation/conversion de données vectorielles DCW ; – exportation/conversion d’ensembles de données en fichiers ASCII et binaires pour une utilisation à l’extérieur de l’Encyclopédie ; – traçage d’images et de cartes affichées sur une (ou des) imprimantes facultatives. OUTIL DE COMMUNICATION – macrolangage pour la création de « séquences types hypermédias » ; – fonction d’aide ; – glossaire.
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Le fonctionnement de l’Encyclopédie offre différents niveaux d’interaction afin de rejoindre le plus grand nombre de personnes possible. Nous pouvons regrouper ces niveaux d’interaction en deux principales classes : 1. La consultation par hypermédia. Des scénarios hypermédias permettent à l’utilisateur d’interagir en acceptant un nombre limité d’entrées. Ces entrées seront utilisées comme des points de branchement préétablis, permettant à l’utilisateur de choisir un chemin ou un autre à certains moments du scénario. L’utilisateur peut naviguer à son choix dans un groupe d’images donné, choisi par le sujet (p. ex. : ozone) ou la région (p. ex. : Bangladesh). 2. Les commandes individuelles. À ce niveau l’utilisateur a accès à l’ensemble des fonctions de base de l’Encyclopédie. Cela lui permet de réaliser les manipulations et traitements de son choix. Les fonctions de base qui sont accessibles dans l’Encyclopédie sont présentées dans le tableau 21.3. Parmi ces fonctions, signalons l’hypermédia, une fonction clé qui permettra la réalisation de différents scénarios au niveau des menus et l’interaction avec l’utilisateur. Cette fonction est composée d’un langage d’interprétation exécutable à partir de séquences types prédéfinies ou établies par l’utilisateur. Il permet le branchement conditionnel et la réception des entrées de l’utilisateur et des fichiers de séquences types. Ce langage sert de plus à incorporer une série d’actions sur des menus, pour une séquence type donnée, qui pourra être rappelée ultérieurement. C’est avec l’hypermédia qu’est structuré le premier niveau d’interaction de l’Encyclopédie. Par contre, l’utilisateur y aura également accès, ce qui lui permettra de développer, à son gré, des variantes aux niveaux d’interaction prédéfinis. L’Encyclopédie peut donc être utilisée pour divers besoins spécifiques comme, par exemple, la réalisation d’activités pédagogiques propres à un programme d’enseignement donné. Cette caractéristique contribuera vraisemblablement à accroître l’utilisation de l’Encyclopédie dans le milieu scolaire en général. Les planches XXX, XXXI et XXXII donnent des exemples des écrans de dialogue, des cartes et des données connexes contenues dans GÉOSCOPE.
CONCLUSION La réalisation d’une Encyclopédie numérique des changements à l’échelle du globe a été un événement important dans le cadre des activités marquant l’Année internationale de l’espace. L’Encyclopédie a été conçue pour en faciliter l’accès au plus grand nombre possible d’utilisateurs à travers le rnonde, ayant déjà un ordina-
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Réjean Simard
teur personnel conventionnel. Les coûts d’acquisition de l’Encyclopédie sont abordables afin d’en maximiser la diffusion. Son objectif est de faire connaître l’apport de la technologie spatiale, de la télédétection et de la géomatique au suivi et à la compréhension des changements environnementaux se produisant à l’échelle de la planète. L’Encyclopédie se présente comme un tout intégrant à la fois les données et les logiciels d’accès et d’analyse. La décennie 1990 sera certes une période très importante dans la mise en place des stratégies d’analyse et d’intervention pour résoudre les problèmes environnementaux croissants. II est à souhaiter que cette Encyclopédie contribuera à mieux faire comprendre et à encourager la recherche et la collaboration internationale nécessaires au développement durable de nos ressources et de nos sociétés.
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LES INTERVENTIONS HUMAINES SUR LE MILIEU : L’AMÉNAGEMENT ET LA GESTION DES RESSOURCES
L’œkoumène, espace géographique habité à la surface de notre planète, ressemble de moins en moins aux écosystèmes originels dont rêvent les nostalgiques d’une Nature qui n’aurait pas été modifiée par l’action humaine. Le développement économique, l’augmentation des activités industrielles et l’explosion démogra- phique mondiale de la deuxième moitié du xxe siècle ont profondément modifié les paysages du monde et ont développé la conscience planétaire de la fragilité de notre environnement. Cette fragilité se manifeste en premier lieu par des modifications de l’utilisation du sol, de la couverture végétale, de l’extension urbaine et de la biodiversité. Les actions correctrices exercées par les interventions humaines cherchent parfois à concilier conservation des ressources et essor économique dans le cadre de ce qu’il est maintenant convenu d’appeler le développement durable. Le Sommet de la Terre à Rio en 1992 a apporté une diffusion importante à ce concept et a permis de replacer une bonne partie des programmes internationaux d’aide au développement dans cette perspective du respect des ressources naturelles. La télédétection et ses outils connexes comme les systèmes d’information géographique permettent de répondre partiellement aux questions soulevées par l’intervention humaine sur le milieu.
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Les interventions humaines sur le milieu : l’aménagement et la gestion des ressources
Dans cette partie, nous verrons comment les changements de l’utilisation du sol peuvent être analysés à l’aide des données LANDSAT, au Canada et au Cameroun, comment la télédétection peut servir à la mise en place de projets d’aménagement des terroirs au Niger, comment les données SPOT peuvent servir pour l’aménagement agricole et les études d’impact environnemental au Viêt-Nam, comment on peut intégrer les données de télédétection et les données socio-économiques pour la gestion des ressources en eau au Sahel et enfin, comment l’habitat aquatique d’une espèce fragile telle que le saumon atlantique peut être restauré si les données de télédétection sont mises à profit dans le processus d’analyse du milieu.
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Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne Lambert RIVARD, Anthony M. TURNER, Robert A. RYERSON et Pierre VINCENT
Sommaire Introduction 1. Le besoin d’information 2. La télédétection de l’utilisation du sol au Canada, avant Thematic Mapper 3. Télédétection de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper 3.1. Introduction 3.2. Cartographie de la couverture du sol au Cameroun 3.2.1. Antécédents 3.2.2. Approche 3.2.3. Résultats 3.2.4. Évaluation de la précision 3.2.5. Discussion 3.3. Changement d’utilisation du sol en bordure urbaine et rurale 3.3.1. Antécédents 3.3.2. Approche 3.3.3. Résultats 3.3.4. Évaluation de la précision 3.3.5. Discussion
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Lambert Rivard, Anthony M. Turner, Robert A. Ryerson et Pierre Vincent
3.4. Les changements de l’utilisation du sol à l’interface agricultureforêt de l’Alberta 3.4.1. Antécédents 3.4.2. Approche 3.4.3. Résultats 3.4.4. Précision 3.4.5. Discussion Conclusion Références bibliographiques
Cet article a été publié originellement en anglais dans la revue Géocarto International, n°1, 1990, sous le titre : « Land Use Mapping with Thematic Mapper Imagery : A Canadian Perspective ». Traduit et adapté avec l’autorisation de l’éditeur. Les scènes utilisées pour les planches XXXIII à XXXVI sont une gracieuseté de l’Agence gouvernementale du Cameroun CENADEFOR (Centre national du développement des forêts). La présentation de ce travail a été possible grâce à l’Agence canadienne de développement international (ACDI), Environnement Canada et Energie, Mines et Ressources Canada.
Résumé Cet article présente quelques exemples d’applications pratiques et opérationnelles de la télédétection au suivi environnemental, réalisées par des entreprises canadiennes et des ministères chargés de la gestion du territoire. Ces travaux s’appuient surtout sur des intreprétations visuelles d’images LANDSATTM, réalisées à l’aide d’un appareil de transfert optique de type PROCOM-2. Les exemples présentés montrent la cartographie de l’utilisation du sol au Cameroun, la détection des changements de l’environnement à la limite des zones urbaines au Canada et l’évolution de la limite entre l’agriculture et la forêt dans l’Ouest canadien. Ces travaux démontrent que souvent des approches simples basées sur l’interprétation visuelle par des analystes qui connaissent le terrain donnent des résultats utiles, fiables et efficaces.
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Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne 397
INTRODUCTION Depuis Sauer (1919) qui fut le premier à reconnaître l’importance de la collecte d’information sur l’utilisation du sol, les efforts se sont multipliés afin de recueillir et d’analyser de telles informations pour des territoires de dimensions variées. En raison de sa population peu nombreuse, de sa grande dimension et de ses diversités physiques, la cartographie de l’utilisation du sol canadien a représenté un certain défi. Nous résumons ici le travail canadien de cartographie opérationnelle de l’utilisation du sol pour de grandes surfaces avec l’imagerie satellitaire Thematic Mapper.
1. LE BESOIN D’INFORMATION Un facteur très important dans toute cartographie de l’utilisation du sol est le type de système de classification utilisé. Tant pour la cartographie de l’utilisation du sol que pour celle de la surface, on doit considérer certains critères comme le contenu et la précision de l’information. Clawson (1965) a exigé une précision de 95 % par superficie et par nombre de polygones pour chaque classe. Manifestement, les classes doivent également être pertinentes à la classification de l’utilisateur. Anderson et al. (1976) ont suggéré une approche d’utilisation avec les données télédétectées qui tente d’établir l’intégrité d’une classification précise et significative avec les caractéristiques spectrales, spatiales et radiométriques de la télédétection. D’autres ont développé des approches similaires en s’inspirant grandement des travaux d’Anderson (Ryerson et Gierman, 1975 ; Ryerson, 1980). Un élément clé pour bien comprendre l’usage de la télédétection dans la cartographie de l’utilisation du sol est le fait que le système imageur enregistre en fait des informations sur la couverture du sol. C’est à partir de cette couverture du sol que celui-ci doit « puiser » l’utilisation du sol. En fin de compte, le seul système de classification qui doit être considéré est celui qui satisfait les besoins de l’utilisateur tout en respectant la précision et le contenu. Le travail effectué depuis une quinzaine d’années a montré que ceci était un obstacle majeur à surmonter dans l’application de la télédétection satellitaire à la cartographie de l’utilisation du sol et ce, particulièrement dans les régions où il existe une infrastructure d’information sur l’utilisation du sol.
2. LA TÉLÉDÉTECTION DE L’UTILISATION DU SOL AU CANADA, AVANT THEMATIC MAPPER Plusieurs articles sur la télédétection appliquée à la cartographie de l’utilisation du sol au Canada ont été publiés ailleurs (Ryerson, 1980 ; Ryerson et al., 1982 ; Seguin et Ryerson, 1987). Pour des raisons
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techniques et organisationnelles, certains d’entre eux sont décrits dans Ryerson (1989), où nous retrouvons quelques applications opérationnelles fructueuses de la télédétection satellitaire à la cartographie de l’utilisation du sol, au Canada ou ailleurs, avant que les données Thematic Mapper ne soient disponibles. Donc, les premières images telles que MSS étaient spatialement grossières et les précisions associées à l’interprétation, trop faibles. Même aujourd’hui, avec une plus haute résolution d’image et des méthodes plus raffinées, les précisions sont rarement complètement en deçà du 95 % exigé par Clawson (1965). Les quelques applications fructueuses de LANDSAT-MSS incluent la cartographie de l’utilisation du sol dans le bassin des Grands Lacs canadiens au début des années 70. Entre la date de prise d’image et le temps de l’inventaire des terres canadiennes effectué plusieurs années auparavant, les images LANDSAT/MSS étaient interprétées visuellement pour cartographier les changements d’utilisation du sol dans les régions éloignées du bassin. Pour l’étude du bassin des Grands Lacs, les utilisations agricoles et urbaines plus détaillées proviennent d’une photographie aérienne ou d’un système d’information géographique (Gierman et al., 1975). Une autre application fructueuse de MSS au Canada est liée à la mise à jour des informations de l’utilisation du sol sur les cartes topographiques (Gauthier, 1987 ; Gregory et Moore, 1986) bien que certaines autres applications aient également été relevées. L’utilisation de l’interprétation visuelle des images de haute qualité et le rehaussement général des images sur épreuve papier ne sont pas étrangers à ces applications réussies.
3. LA TÉLÉDÉTECTION DE L’UTILISATION DU SOL AVEC LES IMAGES THEMATIC MAPPER 3.1. INTRODUCTION Voyant poindre le succès avec MSS, de grands espoirs se sont développés au sein des groupes de cartographie de l’utilisation du sol concernant l’amélioration spectrale et spatiale des images. Plusieurs projets fructueux de cartographie des grands espaces ont été conduits par des groupes canadiens. La majeure partie du travail est basée sur l’expérience, déjà citée, dans l’interprétation visuelle d’image aérienne et LANDSAT/MSS. Le travail avec les données satellite a été possible grâce à la disponibilité d’images sur diapositives de haute qualité. À cet égard, le Canada a eu l’avantage d’avoir depuis longtemps accès à l’imagerie TM de haute qualité par l’entremise de MOSAICS, le système utilisé au Canada pour produire des images (Friedel et Fisher, 1987) et ses systèmes précédents. Quand l’imagerie de plus haute qualité a été disponible pour des pays
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étrangers, les groupes canadiens ont aussitôt eu l’expérience nécessaire pour utiliser pleinement de tels produits en employant les méthodes conjuguées. Un autre avantage pour le Canada est la production d’épreuves papier Thematic Mapper subissant divers rehaussements qui optimisent l’information spectrale pour différentes applications (Ahern et Sirois, 1989). Cette revue débute avec le dernier projet afin de montrer le point culminant des méthodes développées et leurs applications dans un pays en voie de développement. Les sections suivantes montreront quelquesuns des travaux plus élémentaires effectués au Canada durant les dernières années. 3.2. CARTOGRAPHIE DE LA COUVERTURE DU SOL AU CAMEROUN 3.2.1. Antécédents Le Cameroun est un excellent pays pour démontrer l’efficacité des méthodes de cartographie de surface. Il couvre une superficie de 475 422 km2, soit environ 85 % de la surface de la France. On y retrouve les principaux regroupements de végétation existant en Afrique de l’Ouest, allant des forêts tropicales denses humides jusqu’aux steppes xérophytiques à buissons d’épines (figure 22.1). Le principal objectif du projet mené par l’Agence canadienne de développement international (ACDI) était le contrôle de la déforestation dans tout le pays. De plus, le projet était conçu pour produire les éléments de base pour d’autres études relatives aux changements au Sahel et également comme ressource générale de gestion de l’information (DIGIM, 1988). Des cartes de base à l’échelle 1:200 000 existent déjà pour tout le pays. Un total de 26 images Thematic Mapper (21 scènes complètes et 5 quarts de scène) étaient disponibles et couvraient sans nuages 85 % du pays, le reste représentant des forêts tropicales humides couvertes de nuages presque en permanence dans la partie sud-ouest du pays (figure 22.2). S’ajoutant aux cartes de base et à l’imagerie satellitaire déjà disponible, plusieurs inventaires à petite échelle (1:1 000 000) de couvertures terrestres et végétales basés sur l’imagerie MSS existent et couvrent différentes parties du pays. Ces couvertures cartographiques ont été utilisées comme référence pour l’analyse de la détection des changements et comme support analytique des données-images TM. La nature même des données TM leur a valu d’être utilisées pour l’estimation de l’exactitude des résultats d’une région à une autre par l’évaluation des interprétations pour les territoires qui se chevauchent entre les orbites adjacentes (voir la sous-section 3.2.4.).
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FIGURE 2 2 . 1
Carte du Cameroun montrant l’emplacement des planches XXXIII à XXXVI, l’étendue générale des zones de végétation saisonnière brûlées apparaissant sur la scène TM utilisée ainsi que les régions bioclimatiques majeures
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Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne 401 FIGURE 22.2 Carte-index de la couverture du Cameroun par LANDSAT-5 TM
3.2.2. Méthodologie L’instrument PROCOM-2 a été utilisé pour interpréter visuellement les diapositives Thematic Mapper avec une approche bien documentée (Gregory et Moore, 1986). Les images sont projetées à travers un
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objectif de haute qualité jusqu’à un miroir optique, et de là sur une table de travail où la carte de base est déjà disposée. Le système permet à l’interprète de superposer l’image à la carte de base de la table. Il peut ainsi balayer une image entière et ajuster de grandes parties à la carte de base avec un champ de vue instantané de 1 600 km2 utilisant des diapositives à l’échelle 1:1 000 000. L’interprétation est donc faite visuellement. L’approche était particulièrement intéressante comme projet de transfert de technologie étant donné que l’essentiel du travail pourrait être effectué au Cameroun. Toute l’interprétation et le contrôle de la qualité suivant la production ont été effectués au Cameroun par un spécialiste canadien travaillant étroitement avec un partenaire local. Les seuls éléments effectués au Canada sont la classification des images, l’évaluation de la qualité des images, le développement de la méthodologie, la préparation du matériel de formation, la planification logistique et la cartographie finale. L’équipe du projet a classifié des images Thematic Mapper du type 3-5-4 avec les combinaisons de couleurs suivantes : – – –
Bande TM-3 (0,63-0,69 mm) en bleu, Bande TM-5 (1,55-1,75 mm) en vert, Bande TM-4 (0,76-0,90 mm) en rouge.
Cette combinaison a produit une image avec la végétation dans les tons de rouge. Puisque que les deux interprètes étaient familiers avec l’utilisation de l’infrarouge couleur, celle-ci était une combinaison appropriée. Une autre combinaison acceptable serait 3-4-5 en bleu, vert et rouge produisant la majeure partie de la végétation dans les tons de vert. 3.2.3. Résultats Un total de 43 cartes couvrant la totalité du territoire national au 1:200 000 ont été produites en utilisant l’imagerie TM en combinaison avec les inventaires mentionnés plus haut. Trois mois-personnes ont été nécessaires pour compléter l’interprétation et la formation au Cameroun. En moyenne, il y avait 12 classes par carte, mais moins dans les zones plus homogènes de végétation dense du Sud. Sur l’ensemble du pays, il y avait un total de 8 classes majeures avec 55 sous-classes selon les divisions écofloristiques. Bien que des contraintes budgétaires aient empêché le contrôle de précision définitif d’un travail effectué sur le terrain, trois résultats positifs ont néanmoins déjà été retenus par les utilisateurs potentiels : 1. Une augmentation significative de la finesse de délimitation des classes de la couverture du sol comparativement aux précédents produits cartographiques tirés de LANDSAT/MSS.
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3. Le détail de l’imagerie TM a permis la présentation des résultats à une échelle cinq fois plus grande que les inventaires précédents. 4. Une mise à jour après 10 ans (1986 par rapport à la base de données de 1976) de la situation d’inventaire. La figure 22.3 et le tableau 22.1, ainsi que les planches XXXIII à XXXVI fournissent des exemples des avantages de l’imagerie TM dans l’étude des grandes étendues au Cameroun. 3.2.4. Évaluation de la précision Un premier compte rendu par les experts en botanique et foresterie régionale à l’intérieur du Cameroun a reconnu la validité du tracé et des premières attributions des classes de couverture basées sur les travaux antérieurs plus généralisés. II reste à raffiner les caractéristiques détaillées des classes identifiées dans l’imagerie TM en utilisant d’autres échantillonnages de terrain, mais cette tâche nécessite un financement et une organisation plus complexe. 3.2.5. Discussion Comme prévu, l’accroissement des résolutions spatiales et spectrales ainsi que l’amélioration des enregistrements et techniques de traitement ont conduit à une meilleure interprétation des produits imagés TM pour la cartographie du couvert végétal régional aux basses latitudes, par exemple, la distinction savane–prairie. Il ressort également que lorsqu’on recherche une résolution temporelle plus haute et/ou plus longue, des images MSS multidates et des images TM peuvent effectivement être combinées pour améliorer la base de données pour certaines classes de couvertures ou conditions saisonnières. Par exemple, les plus hauts niveaux phréatiques observables sur les images MSS sont cartographiables au 1:200 000 avec l’équipement et les techniques utilisées ici. Depuis l’amélioration de la qualité des produits-images, les principaux obstacles à surmonter dans la performance d’analyse des données TM sont reliés aux facteurs environnementaux de nature climatique et temporelle. Du côté climatique, on rencontre le problème usuel de la couverture nuageuse presque perpétuelle dans la partie tropicale humide du pays. Du côté temporel, nous faisons face à trois problèmes, un relié à la phytomasse, un autre à l’influence anthropique et un autre encore, relié à la combinaison des deux précédents. Le problème de phytomasse était noté comme une confusion de classe apparue sur la même partie imagée à plusieurs semaines d’intervalle dans la zone de chevauchement des orbites des satellites adjacents. Sur une image du 7 novembre, un territoire était aisément
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Lambert Rivard, Anthony M. Turner, Robert A. Ryerson et TABLEAU 22.1 Légende des classes du couvert végétal employées pour l’analyse des images TM Zone de basse et moyenne altitude
Zones de moyenne et haute altitude
V. Zone subhumide de moyenne altitude (800-1 800 m, Zone très humide de basse et moyenne altitude 1 400-1 700 mm, mois secs 2-4) (pluviométrie supérieure à 2 000 mm, mois secs 0-1) 51. Forêt dense humide semi-décidue 11. Forêt dense humide sempervirente 52. Galerie forestière 12. Forêt dense humide sempervirente périodiquement 53. Forêt semi-décidue dégradée (dérivée de 51) inondée 54. Savane boisée 13. Forêt marécageuse dominée par raphia 55. Savane arborée et savane arbustive généralement 14. Forêt sempervirente dégradée (dérivée de 11) sillonnées d’un réseau dense de galeries 15. Savane arborée et savane arbustive forestières II. Zone humide de basse et moyenne altitude (1 50056. Prairies 2 000 mm, mois secs 0-1) 57. Prairies marécageuses ou rizière 21. Forêt dense humide sempervirente et semi-décidue 58. Mosaïque de cultures et de savanes (forêt de transition) 21X variante, 21Y variante 59. Mosaïque de cultures et de savanes 22. Forêt dense humide sempervirente périodiquement VI. Zone montagnarde (altitude supérieure à 1 800 m, inondée pluviométrie supérieure à 1 500 mm) 23. Forêt dense humide sempervirente marécageuse 61. Forêt montagnarde sempervirente 24. Forêt marécageuse dominée par raphia 62. Prairie montagnarde 25. Forêt sempervirente et forêt semi-décidue 63. Fourrés montagnards dégradée (dérivée de 21) 64. Forêt montagnarde sempervirente dégradée 26. Savane arborée et savane arbustive (dérivée 61) 27. Prairie marécageuse 65. Prairie montagnarde (savane basse montagnarde) III. Zone subhumide de basse et moyenne altitude (1 500VII. Zones écofloristiques des régions très sèches 2 000 mm, mois secs 1-2) septentrionales 31. Forêt dense humide semi-décidue 71. Forêt claire décidue 311. Complexe de forêt dense humide semi-décidue 72. Galerie forestière (pentes et vallées) et prairies (crêtes) 73. Fourrés d’épineux bas, discontinus et pseudo32. Forêt dense humide sempervirente marécageuse steppes à épineux 33. Galerie forestière 73. Fourrés d’épineux bas, discontinus et pseudo34. Forêt semi-décidue dégradée (dérivée de 31) steppes à épineux 35. Savane boisée généralement sillonnée d’un réseau 74. Savane boisée dense de galeries forestières 74d. Savane boisée dégradée 36. Savane arborée et savane arbustive généralement 741. Steppe boisée sillonnées d’un réseau dense de galeries 75. Mosaïque de savane arborée, de savane arbustive forestières et de cultures 37. Savane herbeuse 751. Mosaïque de steppe arborée, de steppe arbustive 38. Mosaïque de cultures et de savane arborée et et de cultures arbustive 76. Prairie, zone de paturâge, de cultures industrielles 39. Mosaïque de cultures et de savane herbeuse et villageoises IV. Zone très humide littorale des milieux salés (0-100 m, 77. Fourrés denses d’épineux pluviométrie supérieure à 2 500 mm, pas de mois secs) 78. Forêt claire dégradée 41. Forêt dense humide sempervirente périodiquement 79. Prairie marécageuse inondée 79/N Périodiquement inondée 42. Mangrove I.
Sous-classes Surfaces sans végétation H - zones urbaines N - sol nu 9 - eau 8 - zone périodiquement inondée autour du lac Tchad
Surfaces cultivées C - cultures, non différenciées Ci - cultures industrielles Autres caractéristiques R - relief à fortes pentes et/ou terrain rocheux P - coupe partielle d’exploration forestière
Source : Le présent travail est basé sur l’analyse des images LANDSAT-TM acquises entre novembre 1986 et janvier 1987. L’interprétation s’appuie sur les inventaires régionaux antérieurs à petite échelle.
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cartographié comme classe 54 (savane arborée). Cependant, son aspect sur une image du 7 décembre place la même section dans la classe 56 (prairie) (tableau 22.1). Cette situation remet en question toutes les parties cartographiées comme classe 56 dans les deux scènes. Une telle variation est évidemment liée au cycle phénologique de la classe de végétation. Cela n’a pas été observé ailleurs et il n’y a pas de telles contradictions entre la cartographie TM et les inventaires précédents. Cependant, ce genre de problème montre que certains doutes ne peuvent être dissipés que par une vérification de terrain. Le second problème temporel concerne la cartographie des classes multiples. L’usage saisonnier du feu par les bergers en quête de pâturages, comme on peut le voir sur la figure 22.1, est une pratique des plus courantes en Afrique. L’étendue des zones brûlées identifiées sur la scène TM est significative, couvrant environ 50 000 km2 ou un peu plus de 10 % du territoire étudié. Dans cet inventaire, cette condition est considérée comme une contrainte cartographique. Plutôt que de simplement décrire le phénomène comme étant éphémère, l’analyste a tenté de montrer les classes locales de végétation en se référant aux inventaires précédents. Un contrôle séquentiel planifié des inventaires peut réduire sinon éliminer complètement ces problèmes phénologiques et d’incendie par une planification judicieuse des dates d’acquisition des données. Conséquemment, l’étendue du phénomène pourrait faire l’objet d’un suivi continuel avec l’imagerie TM. Le dernier problème temporel est celui rencontré dans tout inventaire couvrant de vastes étendues. Le maintien de l’uniformité des classes cartographiques entre une scène et une scène multidate est difficile (planches XXXV et XXXVI). Cela est particulièrement vrai dans des conditions environnementales très variées comme celles du Cameroun. La seule façon d’assurer une bonne probabilité de succès est d’employer un analyste compétent et expérimenté et que des normes rigoureuses de contrôle de qualité fassent partie intégrante du projet. 3.3. CHANGEMENT D’UTILISATION DU SOL EN BORDURE URBAINE / RURALE 3.3.1. Problématique Au Canada, l’utilisation du sol au contact des zones urbaines et rurales change rapidement (Warren et Rump, 1981). En 1976 et en 1981, le ministère fédéral de l’Environnement a étudié les changements de 70 régions à centre urbain (Urban Centred Regions, UCR) en utilisant la photographie aérienne pour démontrer les territoires perdus pour l’usage agricole, forestier, etc. au profit des utilisations urbaines. Pour des raisons budgétaires, en 1986, il a été décidé de faire le point sur 23 UCR.
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Lambert Rivard, Anthony M. Turner, Robert A. Ryerson et Pierre Vincent FIGURE
22.3a Carte manuscrite d’une portion de 55 x 30 km au 1:200 000 montrant le tracé des classes de couverture végétale fait à partir d’une projection de scène TM de 1:1 140 000
Ce secteur est entouré sur la figure 3b ainsi que sur les planches XXXllla et b. Neuf classes de couvertures ont été décelées à l’intérieur de ce secteur.
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Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne 407 FIGURE 22.3b Même région que la figure 22.3a. Portion de la carte du couvert végétal du Cameroun parue au 1:1 000 000 montrant le tracé des classes de couvertures fait à partir d’une vision stéréoscopique de la bande 5 et de diapositives fausses couleurs d’une scène MSS, dont une partie est montrée sur la planche XXXIlla
Seulement quatre classes de couverture ont été décelées dans cette région ; les numéros de classe sont les mêmes que sur la figure 23.3a. Bien que l’imagerie satellitaire ait longtemps été considérée comme un remplacement possible de la photographie aérienne (Ryerson, 1980 ; Ryerson et al., 1985), ce ne fut pas avant 1986 qu’elle fut utilisée de manière concluante pour certains UCR. En partie, l’imagerie satellitaire était considérée comme une façon de réduire les coûts et d’améliorer la pertinence de l’analyse. 3.3.2. Méthodologie Un total de 61 scènes complètes et quadrants Thematic Mapper aux échelles respectives de 1:1 000 000 et 1:500 000 ont été commandées. L’image type utilisée était une reproduction standard infrarouge couleur utilisant les bandes TM 2, 3 et 4 imprimées respectivement en bleu, vert et rouge. Bien que les images satellites aient été utilisées, les méthodes traditionnelles ont également été employées avec la photographie
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Lambert Rivard, Anthony M. Turner, Robert A. Ryerson et Pierre Vincent
aérienne et les données corollaires afin d’en assurer le contrôle. Un des problèmes environnementaux était relié au fait que les diverses informations n’étaient pas toujours acquises durant la même période de temps et que l’information corollaire n’était pas nécessairement disponible au moment des vérifications. Comme dans la plupart des comparaisons de méthodes entre elles, sans vérifier chacune des divergences, on est porté à se demander laquelle est la plus précise. L’approche générale utilisée est présentée au tableau 22.3. L’instrument PROCOM-2 a été utilisé pour agrandir des portions d’image pour les rendre à l’échelle de 1:50 000 des cartes utilisation du sol / couverture du sol pour chaque UCR. Les cartes ont servi trois buts : fournir des indications sur la localisation des changements (p. ex. : terrain en transition) ; indiquer l’utilisation urbaine existante (en 1981) et servir de base pour tracer les nouveaux changements. Afin d’obvier aux partis pris des interprètes, plusieurs mesures ont été appliquées. Pour commencer, la première interprétation de cinq UCR a été faite par deux interprètes afin de développer une certaine uniformité. Ensuite, un total de 20 cartes représentatives avec des quantités et des types de changements caractéristiques ont été interprétées par un second analyste. En outre, 88 gouvernements locaux ont demandé des informations cartographiques locales supplémentaires afin de vérifier les changements, de déterminer les zones de confusion et d’identifier les changements qui auraient pu être négligés. 3.3.3. Résultats Plus de 50 000 ha ruraux et urbains en changement ont été détectés et cartographiés (Warren et al., 1989). En tout, 215 cartes de 70 UCR en totalité ou en partie, à l’échelle de 1:50 000 ont été vérifiées pour les changements en utilisant LANDSAT/TM. 3.3.4. Évaluation de la précision L’évaluation de la précision peut être faite seulement pour les huit UCR pour lesquels les données de 1986 ont été entrées dans le Système d’Information des terres du Canada. Comme les dates des images TM ne correspondent pas avec les dates des photos aériennes utilisées pour la vérification, les zones de changements ont été ajustées selon la formule ci-dessous. La formule prévoit que l’accroissement annuel dans l’étendue spatiale du développement urbain se produit essentiellement durant les mois les plus chauds dans les proportions indiquées au tableau 22.2.
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Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne 409
TABLEAU 22.2 Proportions mensuelles de l’extension spatiale du développement urbain
Avril
Mai
10 %
10 %
Juin 20 %
Juillet 20 %
Août Septembre Octobre 20 %
10 %
10 %
Les différences entre l’estimation des changements tirés de TM et des méthodes conventionnelles (photographie aérienne et/ou vérifications terrain) s’étendent de -4 % à -75 %, où les différences en moins correspondent à une sous-interprétation des UCR et les différences en plus, à une surinterprétation des UCR (voir tableau 22.4). Bien que l’ensemble des résultats n’ait pas été aussi précis qu’on l’aurait souhaité pour le projet en cours, les causes des erreurs semblent être décelées et corrigeables. 3.3.5. Discussion Les résultats de l’interprétation des images TM pour 70 UCR révèlent des tendances intéressantes au regard de la capacité de TM pour la cartographie des changements du rural à l’urbain pour des paysages extrêmement variés du Canada. Pour Victoria et Vancouver, de faibles précisions ont été atteintes (25 % et 50 % respectivement). Une bonne partie de l’étendue spatiale du développement à l’intérieur et autour de Victoria est représentée par de petites parcelles de terre bien boisées. Ces facteurs tendent à masquer l’arrivée du développement basse densité. À Vancouver, une bonne partie du nouveau développement urbain haute densité a été détecté et cartographié mais ici encore le développement à basse densité s’avère plus difficile à observer pour les mêmes raisons qu’à Victoria. Pour les villes implantées dans des régions sèches, les sols nus peuvent paraître similaires au sol en développement sur TM. C’était le cas à Régina où les surfaces de sol nu, éloignées de la principale section urbanisée, ont souvent été confondues avec le développement urbain. Les villes intérieures sèches de la Colombie-Britannique sont des exemples extrêmes de ce type possible de confusion. La plupart des autres grandes villes canadiennes des Prairies et de l’Est ont tendance à avoir une haute précision puisque la majorité des développements sont à haute densité et habituellement adjacents aux développements existants. Cet arrangement spatial, ajouté au motif spectral associé au mélange des surfaces construites et végétatives communes aux cadres urbains, semble être facile à détecter quand on utilise l’interprétation visuelle des images Thematic Mapper. Ainsi, la zone de changement autour de Montréal différait seulement de 4 % de celle identifiée sur une photographie aérienne.
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Lambert Rivard, Anthony M. Turner, Robert A. Ryerson et Pierre Vincent TABLEAU 2 2 . 3 Composantes majeures du projet de cartographie de l’urbanisation des zones rurales 1981-1986 utilisant l’imagerie Thematic Mapper de LANDSAT
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Cartographie de l’utilisation du sol avec l’imagerie Thematic Mapper : une perspective canadienne 411
TABLEAU 22.4 Zones de changement urbain net (hectares) déterminées de façon conventionnelle (photographie aérienne et/ou observation de terrain) et mesurées dans le Système de données sur les terres du Canada (CLDS) et l’imagerie Thematic Mapper telle que cartographiée par deux Centre
CLDS
Victoria (80-85) Vancouver (82-86) Régina (81-86) Windsor (80-85) London (80-85) Montréal (80-85) Québec (81-85) Chicoutimi (81-85)
1 719 2 751 483 426 765 3 054 628 418
Ajustement après 5 ans 1 977* (+15 %) 2 888* (+5 %) 483 469 (+10 %) 842 (+10 %) 3 512 (+15 %) 690 (+10 %) 502 (+20 %)
Interprète A Interprète B 485 (-75 %) 1 477 (-49 %) 646 (+35 %) 340 (-28 %) 674 (-20 %) 3 366* (-4 %) 966 (+40 %) 405 (-19 %)
512* (+6 %) 536* (-14 %) 899* (+7 %) — 882* (+28 %) 372* (=26 %)
Les zones du CLDS ont été ajustées pour correspondre à la date de l’image Thematic Mapper. Les zones marquées d’un astérisque (*) indiquent les chiffres utilisés dans le compte rendu publié.
Dans certains cas, la date de prise de vue peut être un facteur dans l’utilité potentielle de Thematic Mapper pour la cartographie des changements de l’utilisation du sol. Par exemple, pour la ville de Québec, il y avait une différence d’un an entre la date de l’imagerie et la date de la photographie de comparaison. Même en appliquant un facteur d’ajustement, il est difficile de se rendre compte des perturbations annuelles qui apparaissent dans l’étendue spatiale du développement urbain. Dans cette étude, il a été établi que l’imagerie de printemps et d’automne était réellement meilleure que celle du milieu de l’été pour détecter et cartographier les changements ruraux et urbains. Les images prises à la fin du printemps et au début de l’automne obvient
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aux problèmes de brume atmosphérique du milieu de l’été, et les détails plus subtils, tels que l’apparence des routes associées au développement urbain peuvent être utilisés comme indice pour définir les nouvelles zones urbaines. En résumé, l’interprétation de TM produit de meilleurs résultats dans les zones de développement urbain haute densité. Le terrain perturbé ou dénudé est souvent interprété comme une zone construite alors que des parcelles de terres plus petites et de formes irrégulières sont difficiles à décrire. Les problèmes d’interprétation ont tendance à se présenter dans les zones urbaines situées dans des paysages accidentés avec de nombreux affleurements rocheux, des exploitations minières à ciel ouvert, des carrières ou encore des parcelles de terrain petites ou irrégulièrement formées. Les régions sèches présentent également des problèmes puisqu’il y a peu de végétation qui contraste avec les zones construites que l’on associe aux développements urbains. Un des produits de ce travail a été le classement relatif de la fiabilité de l’interprétation TM pour cartographier les changements des utilisations du sol urbain. Le classement dépend des structures géographiques et d’utilisation du sol associées à une région particulière ainsi que de l’expérience d’interprétation acquise avec l’ensemble des données-images de 1986. Le groupe classé en premier consistait en 19 UCR qui comptaient ensemble pour 62 % de la conversion des terrains ruraux au profit des terrains urbains, entre 1981 et 1986. Ils sont caractérisés par un changement à haute densité occupant de grandes parcelles aux formes géométriques. Les utilisations rurales du sol environnant ne se confondent pas avec les surfaces urbaines et produisent souvent un vif contraste qui facilite l’interprétation. On peut s’attendre à des précisions d’environ 85 %. Le second groupe comprend 38 UCR représentant un total de 27 % du changement. Un degré passable ou variable de précision peut en être attendu. Un ou plusieurs des facteurs suivants peuvent contribuer au degré de difficulté d’interprétation : un haut pourcentage de sol nu ou de surfaces dénudées dans les zones rurales, des parcelles petites, allongées, ou de formes irrégulières et des utilisations complexes du sol. Le dernier groupe comprend 13 UCR représentant 11 % du changement. On peut s’attendre à un faible degré de précision si l’imagerie TM est utilisée sans informations supplémentaires. Les limitations sont semblables à celles énumérées au second classement, mais plus sérieuses. De plus, les changements, du rural à l’urbain, à la lisière des UCR sont souvent difficiles à détecter et à cartographier à cause d’un ou plusieurs des facteurs suivants : couvert forestier, sécheresse ou sol et roche à nu.
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3.4. LES CHANGEMENTS DE L’UTILISATION DU SOL À L’INTERFACE AGRICULTURE-FORÊT DE L’ALBERTA 3.4.1. Antécédents Au Canada, la zone limite où les utilisations agricoles et les régions boisées s’entremêlent a été nommée interface agriculture-forêt (Fox et Macenko, 1985). Depuis la Seconde Guerre mondiale, cette région a subi plusieurs changements s’étendant du développement grande échelle de l’agriculture dans le district de Peace River en Alberta et en Colombie-Britannique jusqu’à l’abandon de régions autrefois cultivées au nord de l’Ontario et du Québec. Une méthode pour évaluer l’étendue des pertes et des gains d’agriculture et de terrains boisés est l’utilisation de l’imagerie satellitaire. La Division des terres (maintenant la Division du développement durable) d’Environnement Canada a entrepris d’exercer une surveillance des changements d’utilisation des sols à l’interface agriculture-forêt. Un premier examen d’une région sélectionnée dans le district à développement rapide de Peace River en Alberta a fourni une clé d’interprétation des unités d’utilisation du sol basée sur l’analyse visuelle de Thematic Mapper (Farmer et al., 1986). Une telle clé montre que plusieurs changements d’utilisation du sol pouvaient être détectés et cartographiés. De plus, une comparaison entre différentes approches a démontré que l’analyse visuelle pourrait fournir des résultats précis de manière rentable (Seguin et Ryerson, 1986). Ces constatations ont conduit à un programme de cartographie 2 opérationnelle d’environ 115 000 km de l’Alberta pour le changement d’utilisation du sol. Le projet, présentement au stade d’analyse, était un effort commun entre Environnement Canada et le ministère albertain de la Faune et de la Forêt. 3.4.2. Approche Utilisant le PROCOM-2, les diapositives Thematic Mapper LANDSAT d’hiver (bande 3) et d’été (bandes 3-5-4) enregistrées en 1986 ont été superposées à des cartes au 1:50 000 de l’utilisation actuelle du sol de l’Inventaire des terres du Canada (ITC) datant de 1966. Les images utilisées étaient des rehaussements selon la réflectance des forêts boréales conçus pour mettre en évidence les types de forêts tout en assurant une cohérence d’apparence spectrale d’une scène à l’autre (Ahern et Sirois, 1989). L’interprétation visuelle a nécessité l’utilisation de différents éléments d’interprétation comme la texture, la forme, la grandeur, le motif ainsi que leurs associations caractéristiques. L’utilisation de ces éléments avec l’information spectrale contenue dans une bande visible et deux bandes infrarouges a permis une interprétation logique et précise des changements de l’utilisation du sol.
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Sept classes postchangements ont été identifiées (tableau 22.5). Les changements étaient tracés directement sur les cartes de l’ITC, et les couches graphiques correspondantes étaient préparées et automatiquement numérisées. La numérisation de ces changements accompagnée des classes de changements a permi l’analyse des données en utilisant le système d’information géographique SPANS. 3.4.3. Résultats En tout, presque 50 000 polygones de changements ont été décelés sur 213 cartes d’utilisation du sol. Bien que 29 classes de changements aient été décelées, les classes T→A et K→A (tableau 22.5) représentent au-delà de 90 % des changements. Pour la sous-région de Peace River (93 cartes) plus de 14 000 polygones de changements ont été cartographiés et correspondaient à presque 1 000 000 ha de changements d’utilisation du sol sur une période de vingt ans. Une comparaison avec les autres couvertures de l’ITC fera ressortir les tendances des terres transformées relativement à leur potentiel pour la forêt, l’agriculture, le gibier aquatique et les ongulés. Ces comparaisons aideront à déterminer si le développement durable du sol à des fins non agricoles est menacé.
TABLEAU 22.5
Classes de cartographie d’utilisation du sol à l’interface agriculture-forêt de l’Alberta Classes cartographiées Agriculture-forêt
Équivalent en classes ITC
A — Terre agricole et pâturage amélioré B — Construction et extraction K — Pâturage accidenté, terre cultivable et agricole abandonnée M — Terrain gorgé d’eau T — Boisé U — Zone coupée à blanc, inconnu X — Eau
A, P, G, H B, E, 0 K M T, U X, Z
3.4.4. Précision La précision de l’interprétation des données TM sur la base d’une comparaison polygone par polygone a été déterminée pour six emplacements de la zone étudiée (Thomas, 1989). Des photographies
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aériennes noir et blanc au 1:20 000 prises la même année que les images LANDSAT ont servi de contrôle pour l’information sur l’utilisation du sol. Un résumé des résultats est présenté au tableau 22.6. 3.4.5. Discussion Sur le tableau 22.6, nous pouvons constater que généralement un haut degré de précision a été atteint dans la détermination des changements survenus (évaluation de la précision). L’exception est la zone des Foothills, sous-région localisée dans la partie sèche du Sud de l’Alberta. Ici, la précision de l’identification était d’environ 72 %. La confusion dans cette partie provient de la difficulté d’évaluer si les prairies naturelles ont été transformées en pâturages. Ces deux classes peuvent paraître spectralement semblables, surtout si ces pâturages n’ont pas été ensemencés depuis plusieurs années. Pour cette raison, l’interprète doit pouvoir compter solidement sur la forme des champs et d’autres informations secondaires pour déterminer si un changement s’est produit.
TABLEAU 22.6
Évaluation de la précision, par nombre de polygones, pour chaque sousrégion de l’interface agriculture-forêt dans la zone du projet Sous-région (Format d’échantillon)
Correctement identifiée %
Peace River (294) Foothills (141) Zone centrale (556) Courbe moyenne pour chaque zone
Correctement classifiée %
94,9
83,2
72,3
88,3
91,5
93,0
90,6
88,7
La seconde colonne montre la précision de la classification des sols transformés. La plupart des erreurs étaient attribuées à la difficulté de savoir si les anciennes parties boisées étaient devenues des pâturages améliorés (A) ou des terres de parcours (K). Une fois de plus, il y a souvent une division progressive entre ces deux catégories. Puisque l’interprète doit avancer un jugement subjectif, des erreurs sont prévisibles. On doit signaler que les données sur la précision sont basées sur des nombres de polygones détectés et classifiés. Cependant,
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l’expérience acquise avec l’interprétation et l’évaluation de la précision laisse entrevoir qu’un plus haut taux d’erreurs se trouve parmi les plus petits polygones de changements. II est par conséquent accepté que, sur une superficie raisonnablement grande (sur une carte, par exemple) l’identification effective et la précision de la classification de la «zone » de changement serait significativement supérieure à la précision basée sur les nombres de polygones. En outre, on devrait également considérer qu’une large part de la confusion se trouve entre les classes K et A. Puisque les deux sont d’utilisation agricole, elles pourraient être combinées en une seule classe d’agriculture. Cette compression de deux classes va probablement accroître la précision et nous rapprocher du 95 % exigé par Clawson, (1965). Bien qu’il y ait des restrictions mineures, la méthode d’utilisation de l’imagerie Thematic Mapper pour cartographier les changements à l’interface agriculture-forêt a démontré qu’une base de données consistante et précise des changements d’utilisation du sol peut être établie pour de grandes régions quand les classes appropriées d’utilisation du sol et de couverture terrestre sont choisies. Le fait que l’on puisse obtenir la donnée et l’interprétation pour environ 0,30 $ CAN par km2 est une preuve évidente du rapport coût-efficacité de cette méthode. L’extension de la méthodologie aux autres provinces de l’Ouest ainsi qu’aux régions de l’Atlantique est présentement envisagée. Une telle extension servirait à réaliser un tableau national des changements d’utilisation du sol à l’interface agriculture-forêt.
CONCLUSION On peut élaborer plusieurs conclusions générales sur un tel travail. Premièrement, les trois études présentées ici et plusieurs de celles citées fournissent des exemples éloquents de l’utilité de l’imagerie LANDSAT/ TM pour la cartographie de l’utilisation et de la couverture du sol dans une variété d’environnements. Deuxièmement, le travail effectué au Canada a eu tendance à soutenir l’hypothèse que l’on obtient de meilleurs résultats en utilisant l’interprétation visuelle des produits photographiques qu’en recourant à des méthodes de classification des images numériques. Cependant, dans l’avenir, différentes approches de manipulation d’imagerie numérique intégrant l’interprétation visuelle pourraient donner plus de précision. Finalement, il est important que les utilisateurs de données satellite aient une bonne compréhension des environnements qu’ils tentent d’interpréter et qu’ils sachent comment ceux-ci vont apparaître sur l’image, sans quoi, les interprétations deviennent de plus en plus sujettes à erreurs et distorsions.
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Apport de la télédétection dans un projet d’aménagement des terroirs Dallol Bosso (Niger) Michel YERGEAU, Robert ST-ARNAUD et Idé BANA
Sommaire
Introduction 1. L’aménagement des terroirs 1.1. Le contexte général 1.2. La zone d’intervention 1.3. La problématique de la zone 2. Le projet de l’Agence d’aménagement des terroirs 2.1. L’aménagement du territoire 2.2. L’aménagement de terroirs 2.3. Les sources d’information 2.4. La méthodologie 3. Les résultats 3.1. Cartographie des contraintes environnementales et des ressources en eau au 1:50 000 3.2. Cartographie de l’occupation des sols au 1:20 000 3.3. Cartographie des potentialités et des contraintes 3.4. Les esquisses d’aménagement 4. Discussions Conclusion Références bibliographiques
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Michel Yergeau, Robert St-Arnaud et !dé Bana
Résumé L’inadaptation du système traditionnel d’exploitation des ressources au Niger n’assure plus aux agriculteurs et aux éleveurs une sécurité suffisante pour encourager l’investissement nécessaire à long terme. Les autorités nigériennes, en collaboration avec la coopération canadienne, ont entrepris un projet d’aménagement des terroirs qui favorise une gestion responsable de l’environnement et la préservation du capital des ressources naturelles dans quinze villages du canton de Birni N’Gaouré. Ce projet vise à fournir des outils pertinents pour que les communautés villageoises puissent effectivement prendre en charge la gestion de leurs terroirs. La délimitation du terroir et l’inventaire des ressources sont des phases clés de la démarche retenue. En s’appuyant sur un travail de photo-interprétation, les terroirs villageois ont été délimités sans opérations de mesurage et de bornage, en s’appuyant uniquement sur l’identification des détails topographiques naturels servant de repères aux communautés villageoises. Dans le cadre de ce projet, cinq images en mode multibande du satellite SPOT ont été acquises ; des cartes de l’occupation des sols au 1:20 000 ont été produites. Les contraintes environnementales et les ressources en eau du canton de Birni N’Gaouré ont aussi été cartographiées au 1:50 000. Cette contribution aborde la problématique environnementale de l’arrondissement du Boboye, la méthode d’interprétation des images SPOT et l’utilisation de ces documents sur le terrain avec des cadres nigériens.
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INTRODUCTION Le Niger fait face à un important problème de dégradation des ressources naturelles. Indépendamment de l’incidence climatique, ce phénomène résulte pour une grande part de facteurs humains. Le constat est celui de l’inadaptation du système traditionnel d’exploitation des ressources, ce système n’assurant plus aux agriculteurs et aux éleveurs une sécurité suffisante pour encourager l’investissement nécessaire à long terme afin de restaurer un équilibre écologique. Conscientes de l’importance de ces phénomènes, les autorités nigériennes cherchent des réponses à l’exploitation incontrôlée des ressources. Le canton de Birni N’Gaouré fut retenu comme zone cible. L’Agence d’aménagement des terroirs (AAT) a été choisie par la coopération canadienne comme agence d’exécution dans le cadre d’un projet d’aménagement des terroirs qui doit promouvoir une gestion responsable de l’environnement et la préservation du capital des ressources naturelles de la zone cible. Ce projet s’adresse aux communautés villageoises prises dans leur ensemble avec l’espace qu’elles occupent. Il vise à fournir des outils pertinents pour que les communautés villageoises puissent effectivement prendre en charge la gestion de leurs terroirs. La délimitation du terroir et l’inventaire des ressources sont des phases clés de la démarche retenue, qui est basée sur le principe d’une consultation permanente de la communauté villageoise. Pour effectuer cette phase, les équipes sur le terrain se sont appuyées sur des documents cartographiques et photographiques. Les documents ont permis de délimiter les terroirs villageois sans opérations de mesurage et de bornage, en s’appuyant uniquement sur l’identification des détails topographiques naturels qui servent de repères aux communautés villageoises, et de décrire la situation (occupation du sol, mise en évidence des contraintes et des potentialités du milieu, etc.) en s’appuyant sur un travail de photo-interprétation. Ces outils ont donc permis d’avoir une première vision analytique du milieu et de resituer dans l’espace les différents éléments d’information. Un certain nombre de ces documents existent déjà au Niger, notamment les cartes topographiques au 1:200 000 et au 1:50 000 partiellement mises à jour. Dans le cadre du projet d’aménagement, cinq images en mode multibande du satellite SPOT ont été acquises ; des cartes de l’occupation des sols de huit terroirs au 1:20 000 ont été produites. Les contraintes environnementales et les ressources en eau du canton de Birni N’Gaouré ont aussi été cartographiées au 1:50 000. Cette contribution abordera la problématique environnementale de l’arrondissement du Boboye, la méthode d’interprétation des images
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SPOT et l’utilisation des ces documents sur le terrain avec des cadres nigériens.
1. L’AMÉNAGEMENT DES TERROIRS 1.1. LE CONTEXTE GÉNÉRAL L’aménagement des terroirs se veut une nouvelle approche en termes de processus de développement rural entrepris par la base (St-Arnaud, 1989). Cette approche s’articule autour de trois éléments essentiels : 1. La participation de la population à toutes les étapes du processus de planification et de réalisation d’activités de développement les concernant. Cela implique que les activités puissent être intégrées par la population et/ou les services techniques en tenant compte des coûts récurrents et de la capacité d’absorption. 2. La nécessité d’un aménagement du milieu qui réponde aux besoins et priorités des populations tout en tenant compte des ressources disponibles et de la protection de l’environnement. Le milieu doit être considéré en tant que système intégrant les divers éléments d’ordre social, biophysique et économique qui le composent. L’espace physique où interagit ce système est le terroir. Le concept d’aménagement de terroir s’appuie donc sur la nécessaire interrelation entre les ressources physiques, leur mode d’exploitation et les ressources humaines, en vue du maintien et/ou de la régénération des capacités de production de ce milieu. 3. La mise en œuvre d’une gestion décentralisée du projet selon une démarche itérative et participative. Des mécanismes souples de planification, de suivi et d’évaluation des activités, associant les différents intervenants, doivent être prévus. 1.2. LA ZONE D’INTERVENTION La zone d’intervention est le Dallol Bosso au sud-ouest du Niger. Géographiquement, cette région correspond au système hydrographique aval de la vallée de l’Azawagh, affluent fossile du fleuve Niger. D’après Poncet (1986), le terme de « vallée morte » conviendrait mieux, car il n’y a pas conservation des formes. Cette vallée est large de plusieurs kilomètres et bien marquée par des falaises ou des talus nets. Sur la frontière nigéro-malienne, l’Azawagh prend le nom de Dallol Bosso jusqu’à sa jonction avec le fleuve Niger. Ce toponyme est attribué à la vallée par les Peuls (dallol = vallée), tandis que les Zarmas
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la nomme Boboye ; les plateaux de rive droite et de rive gauche sont respectivement nommés Fakara et Zigui. Par rapport aux grandes zones écologiques du Niger, la région du Dallol est plus ou moins circonscrite dans la zone agropastorale caractérisée par une agriculture sur sol léger et un élevage transhumant ou sédentarisé. Plus précisément, la zone d’intervention correspond à un des trois cantons du Boboye, celui de Birni N’Gaouré dont la superficie est évaluée à 3 679 km2. Le climat est sahélo-soudanien avec une saison des pluies s’étalant de juin à octobre. Les précipitations, malgré la baisse généralisée des dernières années, restent quantitativement suffisantes pour assurer les récoltes selon les besoins en eau pour le mil, principale céréale de la zone. L’irrégularité de leur distribution dans l’espace et le temps est cependant problématique (Yergeau, 1988). Le coefficient de variation inter-annuelle est établi à 17,8 % selon une série chronologique de 1954 à 1990. Même si cette vallée n’est pas fonctionnelle en saison des pluies, les eaux s’y perdent en une multitude de mares et d’effluents divergents, à écoulement variable d’une mare à l’autre. Le Dallol constitue donc un milieu attractif, car l’eau y est facilement accessible. La zone bénéficie en effet d’importantes réserves d’eau constituées par les nombreuses mares plus ou moins permanentes qui se situent dans le lit du Dallol et par la présence d’une nappe souterraine dont la profondeur varie entre 0 et 10 mètres (Sabatier et Paquier, 1988). En dehors de ces zones de basfonds, les sols sont le plus souvent de texture fortement sableuse, de faible fertilité (particulièrement pauvres en phosphore et matières organiques) et soumis à l’érosion éolienne et/ou hydrique. Enfin, des conditions climatiques difficiles et des modes d’exploitation non régénérateurs du milieu associés à une augmentation de la population provoquent une dégradation de plus en plus accélérée du couvert végétal de la zone (Sawadogo, 1987). Le canton compte plus de 112 000 habitants pour une densité 2 moyenne de 30 habitants par km avec une concentration dans le Dallol où la densité peut atteindre 50 habitants par km2. Les Zarmas (74 %) sont d’abord agriculteurs mais pratiquent aussi l’élevage tandis que les Peuls (26 %) sont traditionnellement pasteurs mais se sédentarisent de plus en plus. De nombreux conflits les opposent pour l’utilisation des terres. L’espace agricole, localisé surtout dans le Dallol, est occupé à près de 70 %. L’agriculture y est essentiellement extensive sans véritable restitution d’éléments fertilisants au sol en dehors de la jachère qui devient de plus en plus courte. Quant à l’élevage, il en existe trois types : l’élevage sédentaire (le fait des agriculteurs), l’élevage transhumant (pratiqué par les Peuls) et l’aviculture (surtout le fait des femmes). Les
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pâturages se retrouvent sur les plateaux et le long des mares, deux zones où la dégradation du couvert végétal se fait sentir. 1.3. LA PROBLÉMATIQUE DE LA ZONE Le canton de Birni N’Gaouré est affecté par des contraintes nombreuses (Sawadogo, 1987 ; Yergeau, 1988), dont : –
–
– – –
l’existence d’un processus de dégradation de l’environnement qui, sans avoir atteint un degré d’évolution irréversible, nécessite une action pour la conservation et la régénération des ressources du milieu ; les rendements des cultures extensives tendent à diminuer sous l’effet de la surexploitation des sols et d’une association plutôt précaire entre agriculteurs et pasteurs ; les agriculteurs et les éleveurs se butent à différents problèmes comme l’approvisionnement en intrants, l’accès au crédit, etc. ; les structures villageoises sont fragiles et nécessitent un soutien extérieur constant ; d’importantes migrations saisonnières.
Par contre, le milieu dispose d’atouts primordiaux : –
–
une pluviométrie relativement bonne pour le pays et ses importantes ressources en eau qui ne sont pas complètement exploitées ; le chevauchement de l’élevage et de l’agriculture pouvant déboucher sur un type d’association avantageux pour chacun.
2. LE PROJET DE L’AGENCE D’AMÉNAGEMENT DES TERROIRS Afin d’arriver au maintien d’une agriculture durable, l’Agence d’aménagement des terroirs entend suivre les lignes directrices suivantes (StArnaud, 1989), qui constituent autant de volets d’intervention dans la zone : –
–
L’agriculture et l’élevage sont les activités économiques à privilégier. II importe d’identifier avec les villageois les changements à apporter sur le plan technique de production pour faire en sorte que ces activités s’intègrent dans une stratégie de conservation du milieu. II faudra sans doute en venir à une rationalisation de l’espace agropastoral qui ne sera pas sans bousculer certaines habitudes traditionnelles. La conservation des ressources du milieu est une condition nécessaire au maintien d’une activité productive viable. Ces actions sont directement liées à la réalisation des activités productives.
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La réalisation de ces activités se fera avec la participation des populations à toutes les étapes du processus ; il importe donc de développer les capacités de prise en charge des villageois et villageoises de leur développement par l’entremise des structures existantes.
Rappelons que le concept d’aménagement s’appuie sur l’interrelation entre les ressources physiques, leur mode d’exploitation et les ressources humaines. Une meilleure compréhension des interrelations est nécessaire pour motiver les décisions de l’équipe du projet et des villageois. II ne s’agit pas de conditionner toute action à la réalisation d’études mais de compléter les informations techniques ou socioéconomiques nécessaires à la réussite du projet. 2.1. L’AMÉNAGEMENT DU TERRITOIRE Même dans le cadre d’un projet d’aménagement de terroirs tourné vers la problématique de la réorganisation des différents espaces physiques d’un village, il est nécessaire de prendre en considération des éléments qui ont rapport à l’ensemble de la zone d’intervention. Ces documents thématiques complémentaires incluent aussi bien l’approche villageoise que les approches intervillageoises et régionales. Ces documents de nature cartographique ont trois finalités principales (Parnot, 1990) : –
fournir des données de base aux techniciens chargés d’intervenir dans les villages pour leur permettre de compléter l’information recueillie auprès des villageois ;
–
fournir des informations géographiques sur un groupe de villages pour que la dimension régionale de la gestion et du suivi des terroirs soit prise en compte ;
–
synthétiser l’information recueillie dans les villages pour que les différents intervenants puissent disposer d’outils d’évaluation, de gestion et de programmation.
L’Agence d’aménagement des terroirs a cartographié en priorité les ressources en eau et les contraintes environnementales caractéristiques du canton de Birni N’Gaouré. Afin d’obtenir des informations contemporaines, la direction du projet a appuyé cette cartographie sur des documents satellitaires. 2.2. L’AMÉNAGEMENT DE TERROIRS Bien que le principe d’aménagement des terroirs repose sur la connaissance qu’ont les paysans de leur terroir et le fait qu’ils en sont les principaux maîtres d’œuvre, il est impérieux pour l’équipe du projet de disposer d’informations techniques fiables pour valider les décisions
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d’aménagements. La délimitation du terroir et l’inventaire des ressources sont des phases clés de la démarche retenue, le principe restant celui d’une consultation permanente de la communauté villageoise. Pour mener à bien cette phase, les équipes sur le terrain se sont appuyées sur des documents cartographiques et photographiques. 2.3. LES SOURCES D’INFORMATION Les documents ne manquent pas sur le Dallol Bosso. Seuls les documents cartographiques d’intérêts topographique (1:200 000), géologique (1:2 000 000), hydrogéologique (1:1 000 000) et pédologique (1:500 000) couvrent la totalité de la zone d’intervention. Ces documents sont indispensables à l’approche régionale ; ils présentent toutefois des limites qui en réduisent l’usage à une échelle locale. Il existe aussi quelques feuillets topographiques à l’échelle de 1:50 000 couvrant le nord du canton ; ces cartes ont été dressées d’après des photographies aériennes datant de 1975. Il n’existe aucune autre information cartographique plus récente. Les difficultés d’exploitation de ces documents ont donc incité les responsables du projet à se tourner vers les données satellitaires. En tenant compte de la qualité des enregistrements, cinq images en mode multibande du satellite SPOT (résolution au sol de 20 mètres) ont été acquises sous forme de film (produit standard, niveau 1B) c’est le niveau de base pour la photo-interprétation et les analyses thématiques. Pour diverses raisons, les mois d’octobre et février ont été choisis : Orbite/Rang – 062/324 – 062/325 – 063/325
Dates – 13/10/88 et 10/02/89 – 13/10/88 et 10/02/89 – 20/01/89
Le document de base utilisé est donc la scène SPOT en mode multibande agrandie sur support papier par un procédé photographique aux échelles de 1:50 000 et de 1:20 000. Le mois d’octobre a été choisi parce qu’il présente le milieu à la fin de la saison des pluies : niveau maximum des eaux, activité chlorophyllienne intense, production agricole récoltée, etc. Le mois de février offre quant à lui un milieu fortement affecté par la saison sèche. Cette période permet de mettre en évidence le niveau minimum des eaux, les zones non inondées mais humides, la morphologie des paysages incluant les zones d’érosion, etc. 2.4. LA MÉTHODOLOGIE Deux phases fondamentales sont à distinguer dans la démarche méthodologique adoptée : une phase d’analyse et d’interprétation des documents satellitaires et une phase d’inventaire (contrôle) sur le terrain. © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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Le traitement consiste en une photo-interprétation visuelle de l’image, basée sur les critères classiques de couleur, de structure et de texture : −
les milieux les plus végétalisés présentent une forte réflectance dans le canal infrarouge, ils apparaissent en teinte rouge, d’intensité variable. Les zones de bas-fonds sont ainsi nettement individualisées, non seulement par leur couleur mais aussi par leur structure généralement linéaire, et l’intensité de réponse des zones de savanes dépend de leur taux de recouvrement arbustif et/ou arboré ;
−
les milieux fortement absorbants apparaissent en teinte sombre ; ils correspondent aux zones de sols argileux et humides, aux affleurements de la cuirasse latéritique, aux reliefs birrimiens, toute surface généralement à faible degré de recouvrement végétal ;
−
enfin, les zones de culture, de jachères et les secteurs habités correspondent aux milieux les plus réfléchissants et apparaissent en taches claires sur le document satellitaire.
Une cartographie préliminaire est réalisée selon les thèmes retenus. Ces documents servent à élaborer un plan d’échantillonnage représentatif des thèmes. Les difficultés dans cette phase du travail ne manquent pas : les feux, par exemple, viennent perturber considérablement la réponse radiométrique normale de la végétation. Les observations sur le terrain permettent cependant de réaliser les réajustements nécessaires et de lever les dernières indéterminations.
3. LES RÉSULTATS 3.1. CARTOGRAPHIE DES CONTRAINTES ENVIRONNEMENTALES ET DES RESSOURCES EN EAU AU 1:50 000 Les contraintes environnementales et les ressources en eau du canton de Birni N’Gaouré ont été cartographiées au 1:50 000. Parmis les contraintes environnementales cartographiées, signalons les éléments suivants : −
le massif rocheux,
−
les cuirasses latéritiques,
−
les glacis sur sols ferrugineux tropicaux,
−
les glacis sur sols gravillonnaires,
−
les koris (entailles d’érosion),
−
les talus d’érosion,
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−
les sols lessivés,
−
les zones de brûlis, etc.
Les éléments de la légende des ressources en eau comprennent : −
le lit majeur du Dallol Bosso,
−
le lit mineur du Dallol Bosso,
−
les mares et les bas-fonds,
−
les zones inondables du fleuve Niger.
3.2. CARTOGRAPHIE DE L’OCCUPATION DES SOLS AU 1:20 000 Des cartes de l’occupation des sols de huit terroirs ont été produites au 1:20 000 pour les terroirs de Bassi Zarma, Bossey, Dobo Dobo, Gombéwa, Kankandi, Silenké, Tchiankargui et Tondo. Chaque carte du terroir présente l’occupation des sols ainsi que les éléments morphologiques qui les caractérisent. Par exemple, les éléments de la légende de la carte du terroir de Bassi Zarma comprennent : −
les cuirasses latéritiques,
−
les glacis,
−
les bas-fonds,
−
les mares permanentes,
−
les zones inondables,
− les koris, — les zones agricoles, − les zones agricoles dégradées, — les jardins, −
les zones de pâturage ou jachère,
−
les couloirs de passage pour le bétail,
−
etc.
Cette carte illustre aussi le zonage adopté par la population du village. Le terroir de Bassi Zarma a ainsi été divisé en quatre zones à vocations différentes : −
zone 1 : dallol / mise en valeur des bas-fonds,
−
zone 2 : plateau / vocation agricole,
−
zone 3 : plateau / vocation agropastorale,
−
zone 4 : plateau / vocation sylvopastorale.
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3.3. CARTOGRAPHIE DES POTENTIALITÉS ET DES CONTRAINTES Les potentialités et les contraintes de chaque terroir ont été cartographiées afin de bien visualiser les éléments importants. Pour le terroir de Bassi Zarma, la légende comprend : Potentialités :
Contraintes :
— eau souterraine, — mare permanente.
— accès difficile à l’eau souterraine, — affleurement de la cuirasse latéritique, — dégradation des sols, — ensablement des mares, — érosion hydrique, — surpâturage, — zone inondable.
3.4. LES ESQUISSES D’AMÉNAGEMENT Chaque zone fait l’objet de trois esquisses d’aménagement illustrant l’évolution des actions/aménagements sur des périodes de 1 à 5 ans, de 6 à 10 ans et enfin de 11 à 15 ans. Par exemple, selon l’Agence d’aménagement de terroirs (1991), les esquisses d’aménagement du terroir de Bassi Zarma comprennent les actions/aménagements suivants : TABLEAU 23.1
Esquisses d’aménagement
RÉPUBLIQUE DU NIGER / DÉPARTEMENT DE DOSSO / ARRONDISSEMENT DU BOBOYE / CANTON DE BIRNI N’GAOURÉ TERROIR DE BASSI ZARMA / ACTION/AMÉNAGEMENT / ESQUISSES D’AMÉNAGEMENT ZONE 1 — agriculture de contre saison — agriculture pluviale — aménagement de l’espace pastoral — CES / DRS — intensification de l’élevage — pêche artisanale — production arachidière — production fourragère — production rizicole — production du natron — production fruitière — régénération et exploitation du doumier
ZONE 2 — agriculture pluviable — agroforesterie — amélioration de la qualité de vie — aménagement de l’espace pastoral — aviculture — CES / DRS — diffusion des foyers améliorés — formation / information — intensification de l’élevage — production fourragère — unité de transformation agricole
ZONE 3
ZONE 4
— agriculture contre— exploitation aléatoire forestière — agriculture pluviale — régénération forestière — agroforesterie — aménagement de l’espace pastoral — CES / DRS — équipement / puits / forages — exploitation forestière — intensification de l’élevage — production de miel — production fourragère
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4. DISCUSSIONS L’équipe du projet et les cadres des services techniques sur le terrain ont vérifié la démarche d’élaboration du schéma d’aménagement de terroir avec la population ainsi que le développement des outils pour faciliter cette démarche. Les cartes ont effectivement permis de tenir des discussions claires avec la population qui, manifestement, se sentait à l’aise avec l’utilisation de ces outils pédagogiques, dérivés de l’interprétation des images satellitaires. Bien que d’une précision géométrique faible, cette cartographie représente correctement des arrangements relatifs et donne une précision suffisante en vue des mesures de surfaces (Gilg, 1972). Ces cartes sont en effet des outils de base, des moyens d’analyse et de contrôle (Marchai, 1972). Bied Charreton (1972) affirme quant à lui qu’il ne s’agit pas tant de représenter la réalité au millimètre près que de représenter un schéma valable de l’articulation des faits entre eux.
CONCLUSION La télédétection a constitué une source d’information sans laquelle la cartographie des terroirs du Dallol Bosso n’aurait pu être menée sur les bases de l’occupation actuelle des sols à une échelle de 1:20 000. Les documents ont permis de délimiter les terroirs villageois sans opérations de mesurage et de bornage, en s’appuyant uniquement sur l’identification des détails topographiques naturels qui servent de repères aux communautés villageoises et de décrire la situation (occupation du sol, mise en évidence des contraintes et des potentialités du milieu, etc.) en s’appuyant sur un travail de photo-interprétation. Ces outils ont donc permis d’avoir une première vision analytique du milieu et de resituer dans l’espace les différents éléments d’information.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AGENCE D’AMÉNAGEMENT DE TERROIRS (1991). Bassi Zarma, schéma d’aménagement de terroir, Birni N’Gaouré (Niger), non paginé. BIED-CHARRETON, M. (1972). Géographie, terroirs et développement. Dans « Les petits espaces ruraux. Problèmes de méthode ». Actes des Journées consacrées à l’étude des terroirs - Paris 1969, Initiations Documentations techniques n° 19, ORSTOM, Paris, p. 125-134
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Apport de la télédétection dans un projet d’aménagement des terroirs Dallol Bosso (Niger)
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GILG, J.P. (1972). Levé des plans de terroirs et photographies aériennes. Dans « Les petits espaces ruraux. Problèmes de méthode ». Actes des Journées consacrées à l’étude des terroirs – Paris 1969, Initiations Documentations techniques n° 19, ORSTOM, Paris, p. 7-20 MARCHAL, J.Y. (1972). La place des études de terroirs dans les recherches centrées sur le développement rural. Dans « Les petits espaces ruraux. Problèmes de méthode ». Actes des Journées consacrées à l’étude des terroirs – Paris 1969, Initiations Documentations techniques n° 19, ORSTOM, Paris, p. 105-123. PARNOT, J. (1990). Utilisation des outils photo-cartographiques pour la gestion des terroirs villageois, Rapport final, Caisse centrale de coopération économique, Paris, 106 pages. PONCET, Y. (1986). Images spatiales et paysages sahéliens. Une étude régionale des milieux naturels par télédétection, Azawagh, République du Niger, Collection Travaux et documents n° 200, Éditions de I’ORSTOM, Paris, 255 pages. SABATIER, J.L. et A. PAQUIER (1988). Irrigation et développement. Le cas du Dallol Bosso, Niger, IRAT, Paris, p. 23-37 ST-ARNAUD, R. (1989). Aménagement de terroirs au Niger. Dans Aide au développement international : agriculture et conservation des ressources, colloque, Institut de technologie agro-alimentaire, Saint-Hyacinthe, p. 4761 SAWADOGO, S. (1987). Diagnostic agro-sylvo-pastoral et socio-économique du canton de Birni N’Gaouré, Société de développement international Desjardins, Lévis, 166 pages. YERGEAU, M. (1988). Diagnostic agro-sylvo-pastoral du département de Dosso, Rapport final, Agence canadienne de développement international, Niamey, 128 pages.
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La télédétection satellitaire : un outil pour l’aménagement agricole et les études d’impact environnemental dans le delta du fleuve Rouge (Viêt-Nam) Xuan Dao NGUYEN, Van Cu PHAM, Michel BRUNEAU, Thuy LETOAN, Gérard MAIRE, Nicole PLATEL et Pierre USSELMANN
Sommaire Introduction 1. Le delta du fleuve Rouge (Song Hong) : un programme de coopération 2. Le secteur amont et la dynamique du fleuve Rouge (Hanoi) 2.1. Les grands ensembles géomorphologiques 2.2. Éléments de dynamique fluviale 2.3. Déplacements et accroissement de l’habitat 2.4. Cartographie des zones humides par classification supervisée 3. Le secteur aval : le delta de la Song Thai Binh (Haiphong) 3.1. Le delta 3.2. Le littoral 3.3. Les montagnes et les collines 4. Analyse texturale et cartographie des réseaux Conclusion : un outil pour l’aménagement agricole du delta Références bibliographiques
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Résumé Dans le but de mettre en lumière les principales unités géomorphologiques, les relations entre les paysages et la mise en culture, les problèmes environnementaux et l’impact des activités d’aménagement sur l’environnement du delta du fleuve Rouge, une évaluation méthodologique de la télédétection appliquée à un delta a été menée dans ce travail. Elle s’est appuyée sur des analyses analogique et numérique effectuées pour une série d’images SPOT du delta. Ces analyses ont été confrontées à un examen du terrain et du calendrier agricole pour en extraire des informations sur l’aptitude de SPOT à rendre compte des unités géomorphologiques et d’utilisation du sol du delta dans leurs aspects statiques et dynamiques.
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INTRODUCTION Avec plus de 64,4 millions d’habitants et une densité moyenne de 200 habitants par km2, le Viêt-Nam est le pays le plus densément peuplé de toute l’Asie du Sud-Est. Avec un revenu annuel par tête de 239dollars (1988), il fait partie des pays les plus pauvres du monde (185e rang mondial). Le secteur agricole y reste le principal employeur (73 % de la population active) et la principale source de revenus (45 % du PIB contre 28 % à l’industrie). Ses deux principales régions agricoles sont les deux grands deltas du Mékong au sud et du fleuve Rouge (Song Hong) au nord. Ce dernier avec ses 14 200 km2 et sa densité très élevée de 780 habitants par km2 (contre 360 habitants par km2 dans le delta du Mékong) est le plus peuplé et le plus anciennement occupé, véritable berceau de la nation vietnamienne. C’est dire toute l’importance que revêt actuellement son aménagement agricole dont l’objectif est d’atteindre l’autosuffisance alimentaire, en riz en particulier. Cet aménagement très ancien, amélioré à l’époque coloniale, a souffert de plus de trente années de guerre. Il est soumis à de fortes contraintes géoécologiques dont la principale est constituée par les fortes crues du Song Hong, les problèmes d’inondation et de drainage qu’elles entraînent. La télédétection satellitaire, en particulier les images SPOT, est un outil de premier ordre pour appréhender ces contraintes du milieu. À cette fin, deux images SPOT ont été choisies l’une en amont de Hanoi dans l’apex du delta, l’autre dans la zone littorale de l’embouchure de la Song Thai Binh autour de Haiphong (Nguyen Xuan Dao et al., 1989). Ces images sont représentatives des différents milieux du delta et de ses bordures et permettent de tester l’outil télédétection.
1. LE DELTA DU FLEUVE ROUGE (SONG HONG) : UN PROGRAMME DE COOPÉRATION Le tracé du Song Hong et de ses principaux affluents correspond aux accidents qui composent le rift de Hanoi. C’est très certainement vrai également pour la plupart des défluents du Song Hong en aval de Hanoi. Le delta du Song Hong est une construction récente, probablement commencée au Pliocène ; elle se poursuit actuellement selon une avancée de l’ordre de 100 m/an dans sa partie sud où arrivent, jusqu’à la côte, les plus grandes quantités d’eau et de matériaux. La large vallée du Song Hong en amont de Hanoi (environ 40 km de large) est établie en contrebas de reliefs dépassant 1 000 m d’altitude alors que le fleuve ne coule qu’à quelques mètres d’altitude à environ 200 km du littoral. Si le fleuve a laissé quelques « hautes » accumulations anciennes, actuellement surtout visibles en rive droite à l’ouest de
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Hanoi,l’impression générale est celle d’une plaine subhorizontale dans laquelle vraisemblablement la subsidence a entraîné un recouvrement progressif des dépôts anciens, marins ou fluviaux, par les alluvions plus récentes. En aval de Hanoi, l’impression est comparable avec toutefois l’évidence que la construction du delta (un triangle équilatéral de 120 km de côté) est complexe : si le Song Hong a construit toute la partie centresud, l’ensemble du réseau de la Song Thuong, de la Song Cau et de la Song Luc Nam (réseau de la Song Thai Binh) est responsable de la construction de toute la partie centre-nord (Pham et al., 1989). Aussi a-ton affaire à une double construction selon des dynamiques et en fonction de quantités d’apports très différentes. Les sédiments superficiels sont en général fins, limono-sableux, propices à leur mise en culture. Les reliefs dominants sont créés par des séries de collines audessus de la grande plaine. Ils prennent, de plus, des aspects variés : les calcaires donnent d’impressionnants paysages karstiques à versants subverticaux au-dessus de fonds plats ; toutes les autres roches ont été profondément altérées et, lorsque les altérites n’ont pas été déblayées par le ruissellement, l’allure est celle de demi-oranges à versants convexes au contact de bas-fonds plats et mal drainés. L’emprise humaine sur l’ensemble de ce paysage est considérable : elle en vient à masquer les caractéristiques de l’évolution géomorphologique, en particulier dans la plaine où les levées alluviales sont difficilement visibles tandis que les digues (dont certaines datent d’avant notre ère) constituent l’élément dominant des formes de ces terres basses ; l’emprise est beaucoup plus récente dans les collines, mais montre également un aménagement généralisé des fonds de vallée et d’une bonne partie des versants. C’est la raison pour laquelle se présentent immédiatement et sur un plan général des problèmes en relation directe avec la mise en valeur des terres, la conservation des ressources naturelles, la circulation des eaux et l’habitat (Nguyen, 1989 ; Nguyen et al., 1990). L’importance de la couverture nuageuse tout au long de l’année rend difficile l’acquisition d’images SPOT sur les zones choisies et aux dates voulues. Il a cependant été possible d’acquérir deux images : l’une (269-308) du 28 janvier 1987 prise en amont de Hanoi jusqu’au confluent de la Song Da (rivière Noire) et du Song Hong donne en saison sèche, en mode multispectral, une vision de la partie amont du delta à l’endroit où le fleuve Rouge a son débit maximum et une dynamique fluviale très active avant de se diviser en plusieurs bras ; l’autre (271-308) du 21 mai 1988 prise dans la partie septentrionale construite par le réseau de la Song Thai Binh autour de la ville de Haiphong, en début de saison, des pluies (figure 24.1). Malgré la disparité des dates et des saisons, les deux images sont représentatives de la plus grande partie des milieux du delta et de ses bordures.
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FIGURE 24.1 Situation des deux images SPOT dans le delta du fleuve Rouge (Song Hong)
L’Institut de géologie du CNRS du Viêt-nam (Hanoi) en coopération avec le Centre d’études de géographie tropicale (CEGET, CNRS, Bordeaux), le Centre d’études et de recherche écogéographiques (CNRS, Strasbourg) et le Centre d’étude spatiale des rayonnements (Toulouse) a cherché à mettre en relation les grandes unités géomorphologiques avec la mise en valeur agricole des sols ainsi que l’impact de la dynamique fluviale sur cette mise en valeur et sur l’habitat (Bruneau et al., 1989). L’Institut des sciences agronomiques (Hanoi) a aidé à définir la problématique en orientant la recherche vers une cartographie des zones basses et des contraintes agronomiques en rapport avec l’inondation et le drainage. Les traitements et interprétations doivent être examinés d’abord séparément sur chacune des deux images.
2. LE SECTEUR AMONT ET LA DYNAMIQUE DU FLEUVE ROUGE (HANOI) Une première interprétation visuelle de cette image a permis de cartographier et de caractériser les grands ensembles géomorphologiques (figure 24.2) :
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438 Xuan Dao Nguyen , Van Cu Pham , M. Bruneau, T. LeToan, G. Maire, N. Plate) et P. Usselmann FIGURE 2 4 . 2 Image de Hanoi, les grandes unités géomorphologiques
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2.1. LES GRANDS ENSEMBLES GÉOMORPHOLOGIQUES Un premier niveau, au pied de la montagne, correspondrait à des accumulations anciennes à galets et graviers, rapportées par la carte géologique de 1983 à un Plio-Quaternaire indifférencié (N2Q1) ; il apparaît avec une dominante de teintes brun-rose et localement grises ou blanches sur l’image. La carte géomorphologique de l’Atlas de Hanoi (1984) est plus précise et signale les restes de plusieurs formations qui dominent les accumulations plus récentes en constituant un beau glacis qui atteint jusqu’à 8 km de largeur. Ce niveau plio-quaternaire indifférencié correspondrait aux plus anciennes accumulations, du type cône alluvial, du réseau du Song Hong : la carte géologique montre qu’on les trouve uniquement en bordure des reliefs et en rive droite du fleuve. On situe habituellement au Pliocène l’apparition du delta du Song Hong. L’utilisation du sol est variée (zone multiculture) et les sols nus érodés sont relativement fréquents. En contrebas (altitudes 4 à 10 m) se place un niveau plus récent, Quaternaire, correspondant aux formations QIII et, pour partie Q k-3 de la carte géologique, qui ressort en gris bleuté sur l’image : il s’agit d’accumulations fines, de sables, limons et argiles, contenant parfois des tourbes et qui peuvent être rapportées à des faciès deltaïques des dépôts du Song Hong. Ces formations sont marquées par des morphologies d’anciens cours et envoient un relief contrasté comme le prouvent les collines calcaires qui émergent du remblaiement à l’ouest de Ha Dong. Les teintes foncées indiquent une plus forte humidité superficielle. Les rizières et villages-vergers caractérisent le paysage. Un troisième ensemble apparaît sur l’image, dans des teintes rouges et brunes, avec quelques plages blanches de sols nus le long de la Song Day, ancien défluent du Song Hong et le long du Song Hong luimême : non distinguées sur la carte géologique, ces formations, également fines, sont les plus récentes de toutes les alluvions du secteur et correspondent à des dépôts de lit majeur. II est à noter que ce niveau, occupant tout l’espace interdigues, est plus élevé, de 3 à 5 m que le précédent : c’est l’effet d’un processus naturel d’édification de levées alluviales le long des diverses ramifications deltaïques, processus modifié et amplifié du fait de l’endiguement. Pour une large part, il s’agit donc d’un niveau historique. Comme indiqué précédemment, ces formations ressortent en rouge sur l’image SPOT, ce qui dénote la poursuite d’une forte activité végétative même durant la période sèche : ce point est à mettre en relation avec de bonnes capacités de rétention hydrique des sols aux abords des cours d’eau. En définitive, l’image SPOT permet donc de différencier au moins ces trois niveaux de formations alluviales, dont deux se retrouvent sur la rive gauche du Song Hong.
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2.2. ÉLÉMENTS DE DYNAMIQUE FLUVIALE Les caractéristiques essentielles de la dynamique fluviale, ancienne et actuelle, ressortent très clairement sur l’image. L’observation du lit du Song Hong présente, au regard de la dynamique fluviale, beaucoup d’intérêt, du fait de l’importance en crue de la masse d’eau en mouvement, c’est-à-dire de l’énergie déployée (en dépit d’une pente très faible), du fait aussi des risques encourus par les zones riveraines, très densément peuplées et intensivement cultivées. Deux éléments structurels doivent être d’abord mis en évidence, avant toute analyse de l’état actuel du lit fluvial et de son fonctionnement : • La disposition du réseau hydrographique est caractérisée par la convergence de trois rivières majeures sur une distance d’environ 10 km : haut Song Hong, Song Da, Song Lo (rivière Claire, affluent de rive gauche, non visible sur la scène SPOT). Cette zone de convergence marque pour le Song Hong la sortie de la zone montagneuse et coïncide avec un changement de la direction générale de l’écoulement, dû à des causes tectoniques (voir plus haut) : le cours du Song Hong, orienté NO-SE jusqu’à Viet Tri, s’infléchit et devient globalement ouest-est en aval de Son Tay. Ce changement de parcours n’est pas brutal, mais s’effectue par l’intermédiaire de plusieurs grands méandres (amplitudes 10 km, longueurs d’onde 15 à 20 km) dont seul le dernier est présent sur l’image SPOT ; ce tracé sinueux résulte du développement, vis-à-vis de structures géologiques rigides, de processus spécifiques d’hydraulique et de géomorphologie fluviales, tendant à plus de souplesse. À l’aval de Viet Tri et jusqu’à Hanoi, on a affaire à une seule branche fluviale : cette configuration est d’ordre anthropique. Autrefois, dès l’aval de Son Tay, le flot divergeait dans plusieurs défluents naturels dont les principaux étaient la Song Day en rive droite et la Song Ca Lo en rive gauche : ceci allégeait considérablement (d’environ 20 % peutêtre) le débit du Song Hong en amont de Hanoi. L’aménagement hydraulique a déconnecté ces défluents et oblige désormais la quasitotalité de l’écoulement produit par le bassin versant amont (sauf ponctions par déversoirs aménagés), à transiter par un lit unique entre Son Tay et Hanoi. • L’existence de digues bordières continues, depuis la zone du confluent de la Song Da jusqu’à la zone littorale, délimite un espace allongé, un lit majeur, dans lequel les crues sont en principe contenues. Ces digues, bien visibles sur l’image SPOT, ont été édifiées progressivement depuis sept à huit siècles au moins ; elles ont été complétées, surélevées et consolidées aux e e xix et xx siècles. Leur tracé est en ligne brisée, comportant des
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angles saillants et des angles rentrants qui définissent pour le lit majeur une succession de rétrécissements (1,3 km dans la zone de Viet Tri, 3 km près de Son Tay) et d’élargissements (4 km près de Viet Tri, 6,6 km au maximum à l’aval de Son Tay) ; à l’aval, dans le secteur de la prise d’eau du canal de Ha Dong, deux étranglements successifs restreignent même les largeurs à 2,0 et 1,3 km seulement. Il est évident qu’il résulte de tout ceci une grande disparité des situations hydrauliques locales portant sur les éléments suivants : hauteurs d’eau, pentes d’énergie, trajectoires des courants, disposition du champ des vitesses et valeurs de celles-ci. L’examen de l’image SPOT en elle-même et rapportée aux documents antérieurs disponibles conduit à distinguer quatre secteurs morpho-dynamiques différents le long du cours, entre le confluent de la Song Da et les abords de Hanoi : • La partie amont de la grande boucle de la zone de confluence entre Song Da et Song Lo constitue un secteur d’accumulation alluviale massive au débouché des vallées montagneuses. De ce fait, la situation est très mal fixée et le lit mineur connaît de fréquentes modifications de tracé, soit qu’il décrive toute la courbure du lit majeur (comme en 1949), soit qu’il tende à la recouper partiellement en réentaillant ses propres bancs (ainsi en 1953 et sur l’image de 1987). L’abondance des dépôts vifs, leur répartition désordonnée, leur remaniement continuel, l’existence de chenaux multiples et mal hiérarchisés expriment bien ici l’incessante mobilité des formes fluviales : celle-ci ne permet, dans l’espace interdigues, aucun établissement humain permanent. • Dans la partie aval de la grande boucle face à Viet Tri, le lit mineur a une implantation plus constante : sur tous les documents, on distingue un chenal principal au pied de la digue, en conformité avec le schéma d’ensemble du lit majeur : concavité de rive gauche d’abord, en aval de Viet Tri, puis concavité de rive droite en amont de Son Tay. Des chenaux et bras secondaires existent toutefois en permanence, notamment dans la zone d’inflexion du tracé (« travers » du lit mineur) : dans cette zone de divergence des courants, très logiquement, se localisent des dépôts assez abondants. Toutefois, le principal banc vif se situe un peu plus en aval, en face de Ton Lap, au point où le lit mineur vient au contact de la digue de rive droite : il apparaît nettement qu’il s’agit d’une accumulation semi-forcée, induite par un relatif blocage du flot (angle voisin de 90°) contre une berge rigide, peu susceptible de reculer (sauf encoches
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locales d’érosion latérale). Sur 8 km environ, cette berge est quasiment rectiligne, dans le prolongement exact de la grande faille de la Song Tich Giang : il est évident que cet accident majeur commande ici le dessin du lit et lui assure sa pérennité. D’une façon générale d’ailleurs, toutes les structures hydrogéomorphologiques de ce secteur évoluent assez lentement : c’est là l’indication d’un lit dans un état de relatif équilibre hydraulique. •
Dans la région de Son Tay et de Van Coc, on observe sur l’image SPOT un lit mineur unique, bien fixé, dessinant une parfaite sinusoïde aplatie. Dans ce secteur, le lit mineur quitte sa position d’appui contre la digue de rive droite (amont de Phuc Loc) et se recentre dans son lit majeur (aux environs de Van Coc, dans la zone des anciennes défluences ; plus en aval, il vient effleurer en rive gauche le saillant de la digue de Thanh Diem. Cette trajectoire oblique, en écharpe, témoigne d’une simplification prononcée du schéma fluvial : au sein du lit majeur, particulièrement en rive gauche, les traces nombreuses d’anciennes divagations, fonctionnelles au début du siècle selon de nombreux documents, se discernent encore mais paraissent en voie d’oblitération. De même, dans tout ce secteur, les dépôts alluviaux en lit mineur sont rares et peu étendus. Tout ceci pourrait s’interpréter comme autant d’indices d’un récent creusement du lit mineur, ce qui serait à vérifier sur un profil en long. Serait-ce là un effet retardé de la déconnection de la Song Day (plus forte capacité de transport sur le Song Hong) ou un phénomène plus limité dans le temps, induit par l’évolution du secteur en aval ? Nous manquons d’éléments pour nous prononcer.
•
Dans le secteur compris entre l’ancienne défluence de la Song Day et le nouveau pont de Hanoi, au nord-ouest de la capitale, la situation est très complexe et très évolutive. Sur l’image SPOT, on observe l’existence d’un train de méandres, à petits rayons de courbure, qui occupe tout l’espace interdigues, ce dernier étant nettement moins large que précédemment. À ce dessin sinueux (coefficient de sinuosité de 1,25) sont associés de très vastes dépôts vifs, essentiellement sous forme de gros bancs de rive convexe.
La comparaison avec des situations antérieures du cours (anciennes cartes topographiques, éditions de 1910-1920, 1949, 1953) révèle une très grande instabilité du lit dans ce secteur. Pour la période plus récente, les indications manquent : celles de l’Atlas de la province de Hanoi (1971, 1975, 1985) ne concernent qu’une petite zone en amont du saillant de Ba Duong, ce qui gêne la compréhension globale
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du phénomène. Or, il semble bien que les modifications les plus importantes se soient réalisées au cours de la dernière décennie. Un véritable changement de cours s’est ainsi produit en amont, au droit du saillant de Thanh Diem ; cette zone ayant toujours été jusqu’à présent une zone d’accumulation massive (lit anastomosé, nombreux îlots), il est vraisemblable que l’exhaussement du lit mineur ait fini par provoquer un déversement brutal du flot vers le sud causant la destruction de plusieurs villages. Poursuivant sa course, le flot est venu buter contre le saillant de Ba Duong (rive droite) qui l’a renvoyé contre l’autre berge, au pied de laquelle il a repris un ancien bras secondaire ; de ce fait, l’ancien cours longeant la digue de rive droite a été partiellement délaissé et tend depuis lors à se colmater. Bien évidemment, ce brusque changement de cours a été suivi d’une phase de réaménagement des fonds (ce qui pourrait expliquer le creusement relatif du secteur III) et des trajectoires avec un décalage progressif des concavités en fonction du tracé des digues bordières (irrégularités des courbures dues aux saillants de Ba Duong et de Van Quan). En définitive, ce nouveau tracé a allongé de 3,5 km le parcours du Song Hong entre les saillants de Thanh Diem et de Mach Lung, ce qui est d’ailleurs de nature à permettre une meilleure dissipation d’énergie. 2.3. DÉPLACEMENTS ET ACCROISSEMENT DE L’HABITAT La comparaison entre les cartes de 1949, 1953, 1966 et la confrontation avec l’image SPOT traitée (composition colorée, indice de brillance, indice de végétation, indice de brillance étalé pour les valeurs faibles et fortes, indice de végétation étalé pour les valeurs faibles et fortes, analyses en composantes principales, etc.), montrent une dynamique évolutive (ou bien un changement) pour les habitats, les digues, les cours d’eau et permettent de constater que partout l’inondation est forte (planche XXXVII). Les villages sont des complexes de maisons, d’arbres, de bambous, de jardins et de mares d’eau. Ils sont en expansion mais sans aménage-ment, sans gestion. Plusieurs ont été créés en particulier sur la rive droite du fleuve Rouge. À la confluence du fleuve Rouge et de la rivière Day (rive droite) et du fleuve Rouge et de la rivière Calo (rive gauche), l’accroissement des villages est plus important, ceci étant lié à l’activité du lit majeur du fleuve. Dans la zone entre Son Tay et Sen Chieu (rive droite) pendant quatre ans (entre 1949 et 1953), une dizaine de villages ont été détruits. À la confluence du fleuve Rouge et de la rivière Day, le village Naituchau s’est créé et développé de 1953 à 1966, mais il a disparu sur l’image SPOT d’aujourd’hui ; à la place de ce village serpentent de nouveaux chenaux alluviaux.
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En 1966, un morceau de digue est construit entre les villages Tholao et Vinhtho (district Danfuong) ; son existence empêche le drainage de l’eau vers la rivière Day et menace quotidiennement la ville de Hanoi d’une éventuelle rupture de digue pendant la saison des pluies. Cette évolution des villages-vergers, bien marquée sur les deux rives, apparaît étroitement liée aux fluctuations du lit majeur du fleuve Rouge. 2.4. CARTOGRAPHIE DES ZONES HUMIDES PAR CLASSIFICATION SUPERVISÉE Les inondations ont lieu en été et l’humidité visible du sol correspond aux niveaux d’inondation. Il existe deux niveaux : une inondation permanente liée à l’intensité des précipitations de 100 à 200 mm par jour en saison des pluies, correspondant aux parcelles de très grande humidité, et une inondation de deuxième rang avec une intensité de précipitation de plus de 200 mm par jour correspondant aux zones de grande humidité ou à une humidité modérée. Pendant cette période couvrant une quarantaine d’années, la superficie inondée a diminué mais s’est dispersée et ce, grâce aux systèmes d’irrigation très développés sur toute la plaine du delta. Ces systèmes peuvent arroser 70 à 80 % des rizières et consommer 73 % de l’eau pendant cinq jours pour les parcelles inondées permanentes. Une classification supervisée a été réalisée à partir des repérages précis de secteurs-tests choisis sur le terrain et des renseignements fournis par l’observation visuelle de divers traitements, les plus proches de la vérité-terrain. Elle aboutit à neuf classes qui permettent de distinguer : •
Eau et humidité : zones basses inondées ou à assèchement lent (en utilisant pour base de classification la carte A, planche XXXVII) −
eau turbide (représentée par le fleuve Rouge),
–
eau libre, avec accumulation d’eau au pied des digues (bleu très sombre),
−
zone à très grande humidité, essentiellement marécageuse (vert très sombre),
−
zone à grande humidité (jaune orangé),
−
zone à humidité modérée (bleu).
Ces cinq classes correspondent en termes de fonctionnement hydrologique à des secteurs « bas » (même si sur le plan de l’altitude, ils se trouvent plus élevés que des secteurs voisins) où l’eau est très présente, y compris en saison sèche. Ils doivent faire l’objet de travaux de drainage complémentaires et prioritaires, car souvent ils ne peuvent être cultivés qu’une seule fois par an dans les conditions actuelles en © 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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raison des excès de submersion. Les agronomes attachent une importance particulière à ces secteurs dont le régime hydrologique diffère de celui qui domine dans toute la région (régime de mousson d’été). Caractéristiques naturelles et interventions anthropiques se sont liguées pour que domine ici un régime hydrologique de rizières basses à nuances diverses qui devront être précisées. •
Occupation du sol et cultures : zones hautes à assèchement rapide (la base de cette classification est donnée par la carte B, planche XXXVII) ; −
accumulations limoneuses récentes ou sableuses avec mise en culture immédiate dès la décrue, souvent avec du maïs,
−
cultures sur sols plus sableux (cyan),
−
rizières et cultures maraîchères, le plus souvent sans couverture végétale, peu dense à cette saison (aspect hétérogène avec taches rouges et jaunes),
−
zones cultivées diverses (apparaissant en magenta),
−
villages-vergers (en grosses taches vertes).
3. LE SECTEUR AVAL : LE DELTA DE LA SONG THAI BINH (HAIPHONG) Illustrant la partie aval du delta et celle rapportée essentiellement au système fluvial de la Song Thai Binh, cette image est nettement différente de celle de Hanoi, d’autant plus qu’elle a été enregistrée en période de mousson (21/5/88), à un moment où la végétation est en pleine croissance. Quarante observations ponctuelles ont été réalisées sur le secteur couvert, considéré par Gourou (1931) comme entièrement compris dans les « basses terres du Nord-Est et de l’Est ». Céruse (1980) y distingue deux ensembles seulement, les « basses terrasses fluviatiles subactuelles » en amont et la « plaine littorale actuelle D. Les altitudes s’étagent partout entre 0 et 3 m, sauf dans la partie nord de l’image où s’élèvent les hauteurs de Yen Tu et du Nui Da Rang ou lorsque des collines isolées percent, çà et là, le remblaiement de la plaine. Cela permet de comprendre la première impression d’uniformité qui saisit en parcourant ce secteur affecté, presque en totalité, en ce qui concerne la plaine, par le balancement des marées le long des axes de drainage (de 1 à 2 m de battement). Tout comme pour l’image de Hanoi, nous nous intéressons ici principalement à la plaine, constituée donc par des sédiments récents et actuels. Une première approche permet de nuancer cette apparente uniformité, avec la distinction de plusieurs ensembles et sous-ensembles aux caractéristiques de drainage et de texture particulières (figure 24.3).
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Xuan Dao Nguyen , Van Cu Pham , M. Bruneau, T. LeToan, G. Maire, N. Platel et P. Usselmann FIGURE 24.3 Image de Haiphong : les grandes unités géomorphologiques
3.1. LE DELTA •
Le sous-ensemble « ancien » très grossièrement situé au nord d’une ligne Hai Duong–Hai Phong est relativement bien drainé et d’origine plus continentale que la partie plus récente du delta au Sud. La densité de drainage des différents cours d’eau et bras de marée y est moins forte qu’en aval, tout comme la présence
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d’eaux stagnantes, de secteurs très engorgés, voire de marécages. Les alignements de collines qui morcellent ce sous-ensemble ont servi de barrière au transit des sédiments vers l’aval, rôle qu’ils ont toujours : d’où l’existence d’engorgements sédimentaires et de drainage importants en saison des pluies et qui s’aggravent vers l’aval. De nombreux travaux d’aménagement des cours des fleuves ont été réalisés : la construction de digues importantes le long de la Song Thai Binh est généralisée, tout comme le long de ses défluents, Song Kinh Thay, Song Rang, Song Kinh Mon, ce qui n’était pas le cas il y a une quarantaine d’années ; de nombreuses rectifications de cours (par exemple, Song Kinh Mon) ont également eu lieu afin de récupérer des terres et de favoriser le drainage. Au pied des versants des collines (environs d’Uong Bi), on note parfois quelques restes de niveaux de terrasses plus élevées, marins ou continentaux, au matériel moins fin que celui du delta ; toutefois, la largeur de ces niveaux est si réduite qu’ils n’ont guère d’importance pour l’évolution et la mise en valeur de cette partie nord du delta (Bruneau et al., 1989). Ce sous-ensemble est relativement peu inondé lors des crues normales, mais peut souffrir de submersion lors de crues exceptionnelles des grands axes. Par contre, il concentre les eaux de pluie dans les dépressions peu creusées des anciens cours où leur accumulation aboutit parfois à la suppression d’une culture annuelle de riz (point d’observation 12) ; c’est le long des grands axes que le drainage est le meilleur. En saison sèche, les formations superficielles argilo-limoneuses et surtout limonoargileuses s’assèchent rapidement, mais la présence d’une nappe phréatique proche et de nombreux cours d’eau devrait facilement permettre, avec un minimum de mécanisation, une irrigation complémentaire de base. •
Le sous-ensemble « récent » qui occupe tout le tiers sud de l’image est marqué par un chevelu hydrographique extrêmement dense et l’omniprésence de l’eau : eau turbide de certains axes chargés en sédiments, eau claire de certains autres déconnectés, secteurs engorgés à humidité très grande. Le drainage y est donc moins bon que précédemment, les inondations plus fréquentes et plus étendues, alors que les taux de salinité ne sont pas négligeables. Les réseaux de digues y sont aussi bien développés et, après comparaison avec des documents anciens, ont fait l’objet de prolongations importantes au cours des quarante dernières années. Également, ont été réalisées de nombreuses modifications dans l’écoulement des axes de drainage, dont une des plus significatives est celle qui déconnecte en grande partie le cours de la basse Song Thai Binh au sud-est de Hai Duong pour envoyer l’essentiel de son débit vers la Lach Van Uc. Tous ces changements ont des influences sur l’écoulement, les caractéristiques
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de submersion et le degré d’humidité des sols ; des études précises et un suivi rigoureux permettront seuls de les préciser. Dans ces conditions, l’exploitation de ces terres est tout de même loin de donner de mauvais résultats et, dans un site peut-être particulièrement favorable (terres basses d’anciens cours, vers 1 m d’altitude, point d’observation 3 au sud-est de Hai Duong), nous avons pu noter que quatre cultures annuelles étaient effectuées alors que la moyenne semble plutôt se limiter à deux. La texture des formations superficielles est en général limono-argileuse, mais l’importance des sables croît sensiblement par endroit : c’est le cas au sud de Kien An, sur la rive droite de la Song Da Do (point d’observation 22), où apparaissent les restes (très peu visibles dans la topographie) de cordons littoraux. 3.2. LE LITTORAL Le littoral proprement dit suit les limites externes du delta, au contact des eaux salées qui y pénètrent profondément, en particulier au nord de Haiphong, le long de la Song Da Bach. Il correspond aux « plaines littorales actuelles » de Céruse, soumises régulièrement à l’influence des eaux salées, domaine de la mangrove ou des broussailles halophiles. Les sols y présentent une forte humidité permanente et aucun alluvionnement continental actuel important ne peut y être décelé. Par contre, on y observe de vastes accumulations de vases marines qui obstruent les estuaires et restreignent en particulier de plus en plus l’accès au port de Haiphong en formant d’importants bouchons dont les panaches sont bien apparents sur l’image. Du niveau le plus bas vers le plus haut, on observe nettement : •
Les vasières submergées à chaque marée haute, non colonisées par la végétation, correspondant à la slikke. Elles représentent sur l’image les étendues de couleur grise situées en avant du littoral. Ces vasières, très importantes aux environs de Haiphong, le sont égale-ment à l’intérieur de l’estuaire de la Song Da Bach, à proximité de Uong Bi. Dans le premier cas, il s’agit vraisemblablement surtout de vases marines alors que dans le second, il n’est pas exclu qu’il y ait un blocage et une sédimentation locale de la charge de la Song Da Bach.
•
Légèrement plus haut, ces vasières sont colonisées ou en cours de colonisation par une mangrove basse ou par de petits roseaux halophiles. La mangrove (rouge vif sur l’image) est exploitée pour son bois à proximité de Haiphong et l’on y récolte également nombre de crustacés et de poissons. Les parcs à roseaux se développent à ses dépens après destruction et travaux de poldérisation (point d’observation 16, SE de Haiphong) ; les dégâts dus aux vagues engendrées par les typhons sont favorisés par la disparition de la mangrove.
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•
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Enfin, encore un peu plus haut et hors d’atteinte des marées normales (points d’observation 26 et 27 à l’est de Quang Yen), la mise en valeur en rizières, plantations de canne à sucre et cultures maraîchères est généralisée sur des terres d’anciennes mangroves recoupées par des cordons littoraux à sables moyens de couleur rouge.
Tout ce sous-ensemble est parcouru par de multiples chenaux de marée et soumis directement aux effets des tempêtes fréquemment dues aux typhons : les conséquences sont très apparentes avec la submersion des terres, la destruction de la végétation (en particulier des arbres élevés, type cocotiers) et le profond remaniement des vases remobilisées le long du littoral, donnant une nouvelle configuration au trait de la côte. Les activités humaines sont très importantes tout au long de ce littoral où elles tendent à poldériser l’essentiel des étendues de mangroves, quand elles ne vont pas au-delà. C’est le cas au sud-est de Haiphong (route de Do Son) où un vaste secteur de slikke a été poldérisé et mis en culture ; même chose dans l’île de Cat Hai et l’estuaire de la Song Da Bach près de Uong Bi. 3.3. LES MONTAGNES ET LES COLLINES Si la couverture forestière est en général dense (rouge soutenu sur l’image), les versants sont raides et facilement soumis aux actions de ruissellement lorsqu’ils sont mis à nu : lutites et argilites favorisent ces actions alors que les activités anthropiques sont importantes tout au long de la retombée méridionale du massif ainsi que dans les dépressions qui l’éventrent. Les activités minières s’ajoutent aux défrichements agricoles pour faire apparaître de nombreuses plages de sol nu à l’intérieur d’une couverture végétale rouge, correctement préservée. Des teintes grises correspondent à des déboisements le long des talwegs (agriculture sur brûlis ?) et à des cultures de colline (manioc, théiers). Dans la fenêtre choisie pour les traitements numériques, l’indice de brillance fait bien ressortir les plages de sols nus-érodés. Deux types de sols nus de versant ont été radiométriquement distingués dans la classification, correspondant l’un à la partie supérieure, l’autre à la partie inférieure du versant. L’indice de végétation permet une bonne discrimination des zones montagneuses les plus densément boisées, la classification distinguant forêts de sommet, forêts de versant, jeune bois, zones de reboisement et cultures de collines (théiers). Les secteurs d’érosion fournissent en saison des pluies (la date de l’image correspond au tout début de la saison des pluies) une grande quantité de troubles et de matériel au réseau hydrographique. Ce matériel constitue une grande partie de la charge de la Song Da Bach
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telle qu’elle apparaît sur l’image, directement au nord-est de Haiphong. Sur le traitement numérique d’une partie de l’image centrée au nord de Hai Duong, Pham Van Cu (1989) a montré que 7 % de la surface avait fait l’objet de reboisements, il a également permis de calculer que 9 % était abandonné à la suite d’une érosion accélérée et du processus de latéritisation qui fait apparaître en surface les horizons profonds endurcis par des concrétionnements ou parfois même cuirassés. On ne peut laisser croître un tel déséquilibre et des mesures de protection doivent être prises, en particulier un suivi rigoureux des incendies de saison sèche. Sur les collines d’altitude limitée (une cinquantaine de mètres), les sols nus se généralisent sur les sommets mais marquent aussi les versants cultivés sur les profondes altérites. Une première classification de la zone de l’ancien delta au centreouest de l’image a été effectuée à partir de zones-tests tracées sur une visualisation en couleurs composites de l’indice de végétation (en rouge) et de l’indice de brillance (en vert). Quatorze classes ont ainsi pu être définies. Quatre types de couverts arborés ont été distingués : forêts denses de sommets et de versant, formes dégradées et reboisement. Deux types de rizières sont différenciés en fonction des différences de calendrier agricole et de variétés : riz hâtif (paddy jaunissant avant récolte) et riz tardif (encore très vert). Les autres cultures ont été différenciées en fonction de leur relation avec le milieu : cultures de colline, de bas-fond alluvial, de décrue. La canne à sucre, le maïs et les patates douces sont des cultures de décrue sur les sols sablo-limoneux des lits majeurs de rivières après inondation avec de très fortes réflectances dans l’infrarouge dues à l’effet chlorophyllien. L’habitat des villages se traduit par une combinaison de classes très hétérogènes : maisons, vergers d’arbres fruitiers, cultures de jardin, bosquets de bamboux, sols nus. Les eaux turbides des rivières ont des réflectances plus grandes que les eaux libres des réservoirs et des étangs de la zone collinaire ou des chenaux abandonnés. Ces premiers essais de classification seront développés sur l’ensemble des deux images de façon à produire des cartes d’états de surfaces à partir desquelles il sera possible de cartographier précisément les zones humides ou inondables. Pour ces dernières, un simple seuillage du canal proche infrarouge SPOT suffit. On pourra également, par la combinaison d’états de surfaces caractéristiques de types de paysages, délimiter des unités spatiales dont le contenu morpho-
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pédologique pourra être précisé. Cependant, il a déjà été possible de commencer à cartographier les réseaux.
4. ANALYSE TEXTURALE ET CARTOGRAPHIE DES RÉSEAUX Les réseaux hydrographiques (rivières et canaux) des digues et routes sont les éléments structurants majeurs du paysage et des activités humaines à l’amont comme à l’aval du delta. Il est donc particulièrement intéressant de les cartographier. Diverses manipulations d’image (amélioration de la dynamique, indices, ACP) permettent de mieux mettre en valeur ces réseaux. Cependant, divers traitements texturaux utilisant les techniques de la morphologie mathématique ont été appliqués en vue d’extraire ces réseaux sur des fenêtres dans les deux images. Pour extraire le réseau hydrographique, on a choisi de seuiller le canal proche infrarouge et l’indice de végétation sur lesquels se voit ce réseau. En appliquant ensuite des transformations morphologiques du type érosion-dilatation, ouverture-fermeture, on a pu améliorer le tracé (figure 24.4). Une soustraction des deux néocanaux indice de végétation par indice de brillance donne un résultat analogue. Les contours de l’indice de végétation mettent bien en évidence des digues et les bords des canaux d’irrigation alors que ceux de l’indice de brillance font mieux ressortir les limites des lacs, des rivières et des parcelles. Cela doit être complété par des lissages pour éliminer les éléments isolés ou trop petits, par des renforcements de contraste (figure 24.4). II faut, pour obtenir une carte des réseaux, combiner plusieurs de ces techniques en utilisant une procédure du type de celle de la figure 24.5. H. Le Men de l’Institut géographique national poursuivra cette recherche en élaborant un logiciel d’extraction semi-automatique de ces réseaux.
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CONCLUSION UN OUTIL POUR L’AMÉNAGEMENT AGRICOLE DU DELTA
Bien que nous n’ayons présenté ici que les premiers résultats d’une recherche actuellement en cours, il est déjà possible de montrer que les deux images SPOT sont un excellent outil pour des études d’aménagement agricole. Elles permettent en effet de faire l’inventaire des ouvrages et réservoirs hydrauliques, des canaux d’irrigation et de drainage. Les grandes unités morpho-pédologiques associées à des types d’occupation du sol peuvent être cartographiées à partir d’images classées (cartes des états de surface). Un seuillage des canaux infrarouge et proche infrarouge permet de mieux délimiter les zones humides et inondables en vue d’une amélioration de la riziculture.
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La carte des états de surface à plusieurs dates établie à partir d’un échantillonnage (zones-tests ou d’entraînement) rigoureux sur le terrain peut également être une source d’informations statistiques sur l’occupation du sol et sur les cultures. Une méthodologie combinant les techniques de morphologie mathématique et l’analyse texturale est en cours d’élaboration pour obtenir une cartographie des réseaux qui sont les éléments structurant des paysages, et dont l’amélioration est le problème majeur de tout aménagement de ces terres basses.
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Intégration de données multisources pour la gestion des ressources en eau au Sahel Michel YERGEAU, Christian PRÉVOST, Bertin Goze BÉNIÉ et Ferdinand BONN
Sommaire Introduction 1. Objectifs 2. Zone d’étude 3. Les données utilisées 3.1. Les données obtenues par télédétection 3.2. Informations géographiques utilisées 4. L’approvisionnement en eau 4.1. L’inventaire des points d’eau 4.2. L’approvisionnement actuel en eau 4.3. Nouveaux emplacements d’approvisionnement en eau 4.3.1. Eau souterraine 4.3.2. Nouveaux sites de barrages 5. Résultats 5.1. Résultats d’un système d’information géographique manuel 5.2. Optimisation de l’utilisation de l’eau 5.2.1. Les données utilisées 5.2.2. Définition d’un modèle de gestion de périmètre irrigué
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Michel Yergeau, Christian Prévost, Bertin Goze Bénié et Ferdinand Bonn
Conclusion Références bibliographiques
Article paru initialement dans le Journal canadien de télédétection, avril 1987, sous le titre « Applied Data Integration for Water Resources Management in the Sahel ». Traduit et adapté avec l’autorisation de la Société Canadienne de Télédétection.
Résumé Pour les pays du Sahel, l’autosuffisance alimentaire commence par une gestion rationnelle des ressources en eau. Bien que ces pays possèdent des plans d’eau permanents, ils sont continuellement aux prises avec de sérieux problèmes d’approvisionnement et de gestion de l’eau. La gestion de cette ressource commence par l’établissement d’un système d’inventaire et de suivi hydrologique. Les images LANDSAT, par leurs capacités à fournir des données multidates (depuis 1972) et à couvrir de vastes territoires, constituent un outil approprié pour alimenter une base de données géographiques liées à la gestion des ressources naturelles et, plus particulièrement, à la gestion de l’eau. Des données multisources ont été intégrées manuellement dans le but d’élaborer des scénarios de gestion des ressources en eau dans le Nord-Est du Burkina Faso. Un modèle de gestion a été élaboré en trois phases : 1) évaluation de la capacité existante d’approvisionnement en eau pour les humains et pour le bétail et, parle fait même, 2) identification des aires déficientes ; 3) identification de sous-ensembles de ces nouvelles sources d’approvisionnement en fonction des sites dont les caractéristiques répondent aux priorités de développement tels les besoins pour la population humaine et animale, l’autosuffisance alimentaire, etc. Dans une sous-zone, des scénarios ont aussi été élaborés à l’aide d’un système d’information géographique dans le but de définir une répartition des cultures irriguées en aval de deux barrages.
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INTRODUCTION Dans les pays du Sahel, on constate une volonté politique de sélectionner et de mettre en œuvre des méthodes permettant d’aboutir à l’autosuffisance alimentaire. Un des moyens d’y arriver consiste à rationaliser l’utilisation des ressources en eau. Cependant, en dépit de l’existence de plans d’eau permanents, les pays du Sahel sont souvent aux prises avec de sérieux problèmes d’approvisionnement et de gestion de l’eau. Cette situation s’explique par la méconnaissance, d’une part, de l’importance de la plupart de ces plans d’eau, et, d’autre part, de leur dynamique. Dans ces conditions, la gestion de l’eau doit impérativement commencer par un inventaire et une surveillance des ressources disponibles. Les images satellitaires fournissent des informations spatiales sur l’emplacement et l’importance des réseaux hydrographiques y compris les plans d’eau. Ces images nous renseignent également sur l’emplacement, l’étendue, l’orientation, la forme et l’importance des linéaments géologiques. Des bases de données fournissent quant à elles des informations relatives à la population, au bétail, à la consommation d’eau, aux types de sol, à l’abondance des précipitations et aux diverses formes de ruissellement ainsi qu’au transport et à l’approvisionnement en eau. Bien que ces deux méthodes d’investigation présentent chacune leur intérêt, leur utilisation combinée renforce considérablement leur efficacité. L’intégration permet en effet de manipuler simultanément toutes les variables de gestion et de prendre des décisions en fonction de priorités de développement.
1. OBJECTIFS La démarche d’intégration a pour principal objectif d’offrir des choix entre les meilleurs sites d’approvisionnement en eau en fonction des priorités de développement. Cette démarche se subdivise en quatre étapes (figure 25.1). La première étape consiste à faire un inventaire des ressources en eau disponibles pour les humains et le bétail, et par le fait même, à identifier des secteurs où l’approvisionnement en eau est déficient ; la troisième étape permet d’identifier des sites potentiels d’approvisionnement en eau ; enfin, la dernière étape vise à manipuler les informations pour classer les sites potentiels d’approvisionnement en eau en sous-ensembles caractérisés par les conditions pédologiques, agricoles, humaines et logistiques qui répondent aux priorités de développement.
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FIGURE 25.1 Méthode d’intégration des données multisources pour la
2. ZONE D’ÉTUDE La région de Pissila (figure 25.2 et planche XXXVIII) est soumise à un régime de pluies torrentielles subites et localisées pouvant atteindre, entre juin et septembre, 550 mm de précipitations. L’étude physiographique décrit le relief de cette région comme étant celui d’une pénéplaine recouverte partiellement de plaques latéritiques. Ce relief
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plat dans l’ensemble contribue en saison des pluies à la formation d’une myriade de mares. Comme il serait irrationnel (Baldy, 1986) d’envisager des techniques artificielles de réduction de l’évaporation (en épandant, par exemple, sur l’eau des alcools à longues chaînes ou des billes de polystyrène), quelques plans d’eau seulement résistent aux effets d’une évaporation de 2 000 mm qui se produit au cours de la saison sèche. FIGURE 25.2 Carte du Burkina Faso et de la zone de Pissila
Quant au substrat cristallin, les réserves en eau y sont limitées aux zones de fractures du socle. Ces failles coïncident fréquemment en surface avec les bas-fonds. La superficie de la région étudiée est de 10 000 km2 ; la population y est évaluée à 1 50 000 personnes. Le bétail est surtout constitué de moutons, de chèvres et de bovins.
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3. LES DONNÉES UTILISÉES 3.1. LES DONNÉES OBTENUES PAR TÉLÉDÉTECTION Les données numériques utilisées ont été enregistrées par le balayeur multibande (MSS) du satellite LANDSAT. Un traitement destiné à souligner les contours et à accroître les contrastes a été appliqué à ces données. Les bandes MSS 4-5-7 ont été imprimées avec une imprimante laser couleur à haute définition et les clichés obtenus ont été agrandis au 1:200 000. Une série diachronique interannuelle d’images (6 novembre 1975, 26 novembre 1978 et 5 novembre 1984) a permis d’identifier la surface des plans d’eau sur une période comprise entre 1975 et 1984. Une série diachronique intra-annuelle (28 mai 1975, 1 e octobre 1975, 6 novembre 1975, 12 décembre 1975, 17 janvier 1976 et 29 mars 1976) a permis d’examiner la dynamique des plans d’eau au cours d’une saison sèche. 3.2. INFORMATIONS GÉOGRAPHIQUES UTILISÉES Les données sont composées de : −
carte topographique IGN/IGBF au 1:200 000,
−
coordonnées UTM des puits permanents et leur rendement approximatif, — coordonnées UTM des villages et un recensement de la population, −
coefficients de ruissellement annuel des bassins versants,
−
données sur les besoins minimaux en eau (pour l’homme, le bétail et les plantes),
−
données climatiques,
−
carte des potentiels du sol.
4. L’APPROVISIONNEMENT EN EAU 4.1. L’INVENTAIRE DES POINTS D’EAU Une carte des plans d’eau a été établie (Prévost, 1982). Tous les plans d’eau visibles sur les images LANDSAT-MSS y figurent. Les plans d’eau ainsi identifiés ont été contrôlés depuis la fin de la saison des pluies (en octobre) jusqu’à la fin de la saison sèche suivante (en mai). Sur les 91 plans d’eau recensés en octobre, 13 mares seulement ont résisté à la saison sèche et étaient encore visibles sur les images prises en mai. Les pertes en eau de ces mares se répartissaient ainsi : évaporation 86,1 %, irrigation 8,3 % et besoins du bétail 0,5 % seulement. Nous ne retiendrons ici que les 13 mares permanentes.
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Les données relatives à l’emplacement des puits permanents et à leur rendement ont aussi été inventoriées. Cent trente-cinq puits à rendement variable ont été recensés. 4.2. L’APPROVISIONNEMENT ACTUEL EN EAU Le seul obstacle au libre accès des mares permanentes réside dans la distance qu’il faut parcourir à pied pour s’y rendre. Le rayon d’influence d’une mare est, pour la consommation de l’homme, de deux kilomètres et de dix kilomètres s’il s’agit du bétail. L’approvisionnement en eau auprès d’une mare permanente égale donc un approvisionnement illimité dans un rayon de deux kilomètres, si la consommation concerne l’homme, ainsi qu’un approvisionnement illimité sur un rayon de dix kilomètres, si la consommation concerne le bétail. Bien que la même logique puisse s’appliquer aux puits permanents, le rendement du puits constitue un nouveau facteur limitant. Ce facteur s’explique par la priorité accordée aux besoins en eau de l’homme sur ceux du bétail. S’il reste un surplus d’eau après que l’homme a assuré ses besoins (dans un rayon de deux kilomètres) celui-ci peut être attribué au bétail (dans un rayon de dix kilomètres). On le traduira en équation sous la forme suivante : Y = β B +(1 - β) C,avec 0 < β < 1 où
β
est un facteur de priorité,
B
est le besoin quotidien en eau pour la population vivant dans un rayon de 2 km autour du puits,
C
est l’approvisionnement disponible pour le bétail dans un rayon de 10 km autour du puits.
L’analyse de l’équation précédente montre que si β = 1, le puits permet d’assurer le ravitaillement en eau de la population seulement. Si β < 1, le rendement du puits excède les besoins de l’homme. L’excédent sert alors à combler les besoins du bétail (tableau 25.1). Bien que cette approche soit difficile à réaliser manuellement, elle entre parfaitement dans le cadre d’une analyse basée sur un système numérique d’information géographique. Sur la planche XXXIX, on voit l’intégration de toutes les variables précédemment définies et les capacités actuelles d’approvisionnement en eau. Le bétail bénéficie dans les zones jaunes représentant un rayon d’action de dix kilomètres autour des mares permanentes d’un approvisionnement en eau suffisant. Il en est de même pour l’homme dont les besoins en eau sont couverts dans le rayon de deux kilomètres (zone grise).
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TABLEAU 25.1 Besoins en eau au Sahel 1) Population Centres urbains : Centres secondaires : Centres ruraux : Minimum en zones rurales : 2) Bétail Moutons-chèvres : Bovins : Unité tropicale du bétail (UTB) : 3) Irrigation de saison sèche2 Riz : 18 000 m3/ha Maïs : 8 500 m3/ha Canne à sucre : 15 000 m3/ha 1.
140 litres/jour/pers. 70 litres/jour/pers. 40 litres/jour/pers. 15 litres/jour/pers. 20 litre/jour/tête 40 litres/jour/tête 30 litres/jour/UTB Coton : Oignons : Maraîchage :
8 500 m3/ha 6 100 m3/ha 15 000 m3/ha
D’après l’ONBI (1980), Blady (1986).
2. Les besoins en eau des cultures sont relativement limités durant la saison sèche qui englobe la saison fraîche.
Les résultats concernant l’estimation du rendement du puits y figurent en rouge et en bleu. La zone délimitée par le cercle rouge correspond à un village où l’approvisionnement en eau couvre les besoins de l’homme. Son rayon ne doit pas dépasser la limite de deux kilomètres conformément au rayon d’approvisionnement qui lui est nécessaire. Le cercle bleu représente l’approvisionnement en eau disponible pour le bétail une fois que l’homme a puisé la quantité nécessaire à ses besoins. Dans ce cas, le rayon ne doit pas excéder dix kilomètres. D’après l’évaluation quantitative de l’approvisionnement en eau, il apparaît que les mares permanentes assurent les besoins d’environ 15 % de la population et de 32 % du bétail. Les puits permanents fournissent, quant à eux, environ 20 % d’eau supplémentaire pour la population et 5 % pour le bétail. Les mares et puits permanents assurent donc régulièrement les besoins en eau de 35 % de la population et de 37 % du bétail. Une situation d’insuffisance en eau durant la saiscn sèche se fait donc sentir. En réalité, une partie de la population cherche de l’eau au-delà du rayon de deux kilomètres ou bien ne peut pas utiliser les 15 litres par jour souhaités ; de plus, les mouvements du bétail sont souvent supérieurs à un rayon de dix kilomètres et augmentent ainsi la pression du bétail aux abords des plans d’eau. Malgré le nombre de points d’eau disponibles, il reste que la question de l’approvisionnement en
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eau nécessaire à la consommation par l’homme, l’agriculture et le bétail, demeure un problème non résolu. Les zones de la planche XXXIX caractérisée par l’absence de couleur sont celles où les hommes et le bétail se trouvent dans une situation extrêmement précaire du fait de leur éloignement d’une mare permanente ou d’un puits. Cette planche illustre la pénurie d’eau dramatique qui touche environ deux tiers de la région étudiée. 4.3. NOUVEAUX EMPLACEMENTS D’APPROVISIONNEMENT EN EAU La section suivante a pour but de définir une méthodologie susceptible de mettre en évidence de nouvelles sources d’approvisionnement en eau. 4.3.1. Eau souterraine Dans une zone de substrat cristallin, les structures linéaires visibles (linéaments) sur les images LANDSAT peuvent être associées à des fractures dans le socle. La quantité d’eau souterraine disponible dans ces fractures est en relation avec la concentration des linéaments. Sur la base d’une analyse statistique des linéaments et des informations géologiques disponibles, les fractures s’étendent de N 40 E à N 15 O dans la zone d’étude (Travaglia, 1979) et sont considérées comme des zones de tension ouvertes, ce qui par conséquent, augmentent les chances d’obtenir un meilleur rendement des nappes aquifères. Les linéaments ont été identifiés par une analyse visuelle de plusieurs images LANDSAT-MSS. L’analyse de l’ensemble des données ainsi obtenues a rendu possible l’identification des nœuds de fractures. À l’issue de cette opération, nous avons identifié 25 sites potentiels où le nombre de nœuds et l’orientation des fractures semblaient les plus prometteurs à des fins d’exploitation. Cette analyse est la première d’une série d’étapes conduisant à un procédé opérationnel. L’utilisation des données LANDSAT-MSS permet de découvrir de grandes zones de fractures au sein desquelles des études plus approfondies doivent être menées afin de localiser précisément les points de forage (Bérard, 1982). En effet, une campagne de forage menée au hasard (Amesz et Lausink, 1984) se solde par un taux de réussite de 40 %, une campagne combinant données par satellite, photographie aérienne et informations sur le terrain par un taux de réussite de 60 %, et si l’on y intègre l’analyse géophysique, les résultats positifs atteignent alors 80 %. Les zones de fracture sont parfois d’étroits couloirs d’à peine 10-20 m de large, et en conséquence, le repérage précis au moyen de méthodes de prospection géophysique s’avère capital dans l’optique d’une amélioration des taux de réussite des programmes de forage (Amesz et Lausink, 1984).
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4.3.2. Nouveaux sites de barrages Les critères hydrographiques et topographiques ont une importance primordiale dans la recherche de nouveaux sites de barrages au moyen de la télédétection. 4.3.2.1. Critères hydrographiques Le bassin hydrographique devra être suffisamment grand pour assurer l’alimentation de la retenue d’eau. La première étape a consisté à dresser une carte du réseau hydrographique basée sur une carte topographique mise à jour avec des données LANDSAT-MSS. Sur les images satellitaires prises au début de la saison sèche, il est possible d’identifier le réseau hydrographique grâce à la végétation qui croît en bordure des cours d’eau. Le relevé du réseau hydrographique peut aisément se faire à l’échelle de travail de 1:200 000. 4.3.2.2. Critères topographiques Les critères topographiques et géologiques jouent un rôle essentiel dans la détermination de l’emplacement des barrages. Il faut que les barrages soient situés de préférence dans des vallées profondes (Engalenc, 1975) afin de réduire le coût de construction et de minimiser la perte d’eau par évaporation, qui contribue à environ 85 % des pertes. En effet, la topographie en général oblige la construction de barrages qui ne dépassent pas trois mètres de profondeur pour la plupart ; et leur tiers supérieur représente plus de la moitié du stockage (Baldy, 1986). Les sites caractérisés par les parois étroites des vallées convergentes contribuent ainsi à optimiser le rapport surface/volume. Les traits escarpés de ce type sont souvent associés à de petits talus dominant de part et d’autre l’emplacement potentiel du site. Ces étranglements entraînent généralement une réduction de la végétation en bordure des cours d’eau laquelle constitue l’une des clés permettant à un habile photo-interprète de repérer ces rétrécissements sur les images prises par le satellite LAN DSAT.
5. RÉSULTATS Les sites de barrages potentiels ont été définis sur la base des données LANDSAT au 1:200 000. Quarante et un sites ont été identifiés (planche XL) selon les critères hydrographiques et topographiques définis ci-dessus. Pour classer les sites en fonction du volume potentiel de rétention d’eau, le volume d’eau écoulé à l’endroit même du site du barrage potentiel a été calculé suivant un scénario portant sur l’année
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la plus sèche de la série climatique 1970-1979, par l’intégration des données relatives aux précipitations annuelles et des coefficients annuels de ruissellement de la zone du bassin hydrographique. Le tableau 25.2 nous donne une estimation du volume d’eau fourni par chacun des sites. Pour vérifier la validité de cette évaluation du ruissellement ou de l’écoulement, quatre sites de barrages existants (Yalogo, Mani, Tougouri et Dakiri) ont été testés (figure 25.3). Le volume d’eau ruisselé au niveau de chacun de ces barrages a été calculé en 1975, 1978 et 1984. Les données LANDSAT-MSS ont servi à évaluer la surface de chacun des quatre plans d’eau à la fin de la saison des pluies de 1975, 1978 et 1984. En associant les données obtenues à partir d’un graphique surface/hauteur/volume, il a été possible de déduire le volume d’eau retenu dans chaque barrage. Ce volume a ensuite été comparé aux données de ruissellement (tableau 25.3). Fait notable, la surface de chacun de ces plans d’eau demeure constante d’une année à l’autre peu importe le bilan pluviométrique à la fin de chaque saison des pluies. Cela implique qu’il y a eu trop-plein la plupart du temps. D’après les calculs, il apparaît que Yalogo retient seulement 14 % du ruissellement en année sèche, Mani 29 %, Tougouri 22 % et Dakiri 52 %. Ces quatre barrages (tableau 25.3) ont une profondeur inférieure à 3,5 mètres et ne retiennent qu’une fraction du ruissellement et néanmoins demeurent un bien inestimable pour les populations riveraines. Le barrage est en effet une ressource permanente que la population du village est à même de construire, réparer, gérer et sur laquelle elle peut compter. Il apparaît d’après les chiffres relatifs à l’évaporation qu’environ 2 mètres d’eau seront perdus par évaporation au cours de la saison sèche, ce qui signifie que le barrage doit avoir une profondeur au moins égale à 2,5 ou 3 mètres pour fournir de l’eau en permanence, ce qui est le cas de ces quatre barrages. 5.1. RÉSULTATS D’UN SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE MANUEL L’analyse de la carte d’approvisionnement en eau (planche XXXIX) montre l’ampleur du travail qui reste à accomplir pour parvenir à l’autosuffisance en eau. La carte de l’emplacement des nouveaux sites d’approvisionnement en eau (puits et barrages) permet la mise en œuvre d’un programme visant à accroître le nombre de mares (planche XL). Malheureusement, le montant de l’investissement requis pour l’approvisionnement en eau pour l’ensemble d’une région excède les capacités de financement à court terme de nombreux pays. Il apparaît donc essentiel de mettre en œuvre un projet qui identifie les priorités de développement (Prévost et al., 1987). Parmi celles-ci figurent l’impact sur l’environnement, l’autosuffisance alimentaire, l’irrigation, et des
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Michel Yergeau, Christian Prévost, Bertin Goze Bénié et Ferdinand Bonn TABLEAU 25.2 Volume de déperdition des nouveaux sites de barrages
Barrage 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41
Superficie Coefficient du bassin de ruissellement2 Précipitations Ruissellement (km2)1 70-793 minimales (mm) minimal m3 x 106 47,30 1161,70 378,20 619,60 1 541,00 112,50 132,40 139,90 124,60 80,00 216,00 86,00 88,00 75,00 53,30 64,30 21,10 25,40 93,00 47,70 27,20 50,70 89,00 299,00 56,80 65,40 141,20 1 224,00 52,30 326,00 75,80 460,00 43,30 28,70 18,00 38,00 131,40 1 822,40 54,70 82,50 100,70
0,05 0,04 0,05 0,04 0,02 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,01 0,05 0,01 0,01 0,05 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01
484,00 305,10 421,30 434,60 437,70 484,00 445,80 403,70 508,80 508,80 510,20 525,30 525,30 456,00 248,00 456,00 456,00 456,00 456,00 456,00 456,00 477,80 508,80 543,30 550,00 539,00 294,30 490,50 306,20 461,70 484,00 294,30 248,00 294,30 337,70 248,00 336,70 454,70 337,70 541,70 547,40
1,14 14,18 7,96 10,77 13,48 0,54 0,59 0,56 0,63 0,41 1,10 0,45 0,46 0,34 0,66 0,29 0,09 0,12 0,42 0,22 0,12 0,24 0,45 1,62 0,31 0,35 0,42 6,00 0,16 1,51 1,83 1,35 0,54 0,08 0,61 0,47 0,44 8,28 0,18 0,45 0,55
1. La superficie du bassin versant n’inclut pas le bassin versant d’un barrage potentiel situé en amont. 2. Ou indice d’écoulement. 3. Selon les données de neuf stations pluviométriques réparties dans la région.
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considérations d’ordre humain et animal. Cette approche devrait contribuer à orienter les investissements selon des priorités de développement bien définies. C’est à ce niveau que l’utilisation du système d’information géographique (SIG) s’avère hautement souhaitable, car il permet le traite-ment rapide et simultané de plusieurs variables. Cependant, en l’absence d’un SIG numérique, le recours à la manipulation manuelle et à l’analyse offre une alternative efficace. Les projets de développement intégré selon les différentes priorités sont représentés sur les planches XLI, XLII et XLIII. La planche XLI illustre le cas où la priorité est donnée à la satisfaction des besoins en eau de l’homme. Cette carte résulte de l’intégration des données relatives à la répartition de la population, à la carte d’approvisionnement en eau (planche XXXIX) et à la carte des nouveaux sites d’approvisionnement en eau (planche XL). Les villages où l’approvisionnement en eau est déficient sont identifiés ainsi que le choix des emplacements des puits et barrages potentiels, conformément à cette priorité. Parmi les 25 puits et les 41 barrages potentiels, un sous-ensemble de 12 puits et de 30 barrages a été choisi pour assurer les besoins en eau indispensables de l’homme. L’utilisation du système d’information géographique devrait permettre la définition de la combinaison optimale de puits et de barrages en termes du meilleur rendement pour l’investissement le plus bas. La planche XLII illustre le cas où l’autosuffisance alimentaire est prioritaire. Le critère de la qualité des sols, qui constitue l’un des éléments susceptibles d’influer sur le choix des emplacements de puits ou de barrage, a donc été retenu. Les emplacements ont été déterminés en fonction des capacités du sol à produire des cultures vivrières. La carte a intégré des informations concernant les ressources du sol, la densité de population, la carte d’approvisionnement en eau et la carte des nouveaux sites d’approvisionnement en eau. Sur la carte sont identifiés les emplacements où puits et barrages devraient se trouver pour parvenir à l’autosuffisance alimentaire. Un sous-ensemble de 19 puits et de 9 barrages a été sélectionné. Par ailleurs, la planche XLII illustre aussi le cas où l’irrigation des cultures constitue la priorité. Dans ce contexte, il convient de tenir compte, pour déterminer l’emplacement du site du barrage ou du puits, des possibilités de transport de la production excédentaire de denrées périssables vers les marchés. De là, il serait souhaitable de prévoir leur emplacement à proximité des voies de communication. La carte a intégré les données du réseau routier et des pistes, la carte de l’approvisionnement en eau et celle des nouveaux sites d’approvisionnement. Un sousensemble de six puits et de cinq barrages a été sélectionné. Il faudrait que les barrages soient prioritaires, car l’irrigation nécessite une importante quantité d’eau, sur une longue période de temps (tableau 25.1).
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Enfin sur la planche XLIII, la priorité est donnée aux besoins du bétail. Dans ce cas, seules les possibilités offertes par les mares ont été retenues. Cette approche a intégré les capacités de charge du bétail et l’existence des autres activités agricoles. Un sous-ensemble de 12 barrages a été choisi. Les sites de barrage ont été sélectionnés principalement dans les zones dépourvues d’approvisionnement en eau dans un rayon de dix kilomètres. TABLEAU 25.3 Estimation du ruissellement et du volume potentiel de retenue d’eau Yalogo
Mani
8 263
2 638
1 703(1)
583(2)
586 513 373
571 565 430
650 542 529
522 520 382
0,042
0,01
0,022
0,022
203 178 129
15,1 14,9 11,3
24,2 20,3 19,8
6,7 6,7 4,9
14,0
2,3
3,1
7,9
Superficie du bassin versant (km2) Précipitations annuelles moyennes (mm)(3) 1975 1978 1984 Coefficients de ruissellement Volume du ruissellement(4) au site du barrage (en millions de m3) 1975 1978 1984 Surperficie du plan d’eau à la fin de la saison des pluies (km2)(5) Capacité de retenue des eaux du réservoir 3 (en millions de m ) Trop-plein pour l’année la plus sèche (en millions de m3)
Tougouri Dakiri
+/- ,7
+/-,2
+/- ,17
+/- ,15
18,5(6)
3,3(6)
4,4(6)
10,46
110,5
8,0
15,4(7)
9,84(8)
14
29
22
52
Capacité de réserve du barrage ( % de retenue en fonction de l’année la plus sèche)
1. Le bassin versant de Tougouri est un sous-bassin de celui de Dakiri. 2. Puisque ce barrage est situé en aval de Tougouri, les calculs prennent seulement en considération le bassin versant qui se déverse dans le barrage de Dakiri plus le tropplein de celui de Tougouri situé en amont. 3. D’après les stations suivantes : Bani, Barsalogho, Bogandé, Bouroum, Dadiri, Kaya, Tougouri, Dori, Gordadji. 4. Volume de ruissellement = précipitations annuelles x coefficient de ruissellement x surface du bassin versant. 5. Proviennent des images LANDSAT prises à la fin de la saison des pluies de 1975, 1978 et 1984. Les variations sont dues à des incertitudes dans les contours du lac (végétation aquatique). 6. Valeur estimée. 7. Ce trop-plein se déversera dans le bassin du barrage de Dakiri.
8.
(Estimation du ruissellement + trop-plein de Tougouri) – capacité de retenue de l’eau = trop-plein de Dakiri.
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FIGURE 25.3 Carte du bassin versant
5.2. OPTIMISATION DE L’UTILISATION DE L’EAU SCÉNARIOS ÉLABORÉS À L’AIDE D’UN SYSTÈME D’INFORMATION GÉOGRAPHIQUE (SIG) À L’AVAL DES BARRAGES DE DAKIRI ET DE MANI Les barrages de Dakiri et de Mani sont deux sites favorables à l’irrigation. Des scénarios ont été élaborés à l’aide d’un système d’information géographique (SIG) à l’aval de ces barrages (Yergeau et al., 1990). Rappelons que le SIG est une méthode d’enregistrement, de gestion et d’extraction d’information relative à l’environnement terrestre et ayant une forme structurée. Cette information est définie,
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entre autres, par ses paramètres de localisation spatiale qui peuvent permettre de la manipuler et de la cartographier de plusieurs manières. Ces scénarios ont pour but de définir une répartition des cultures en aval des barrages de Mani et de Dakiri, en pondérant les rendements des cultures selon les sols par les besoins en eau de chaque type de culture. 5.2.1. Les données utilisées Les données utilisées sont documentation statistique : − − −
composées
de
cartes
et
d’une
de la carte pédologique de Mani-Dakiri à l’échelle de 1:50 000 (établie par le BUNASOL) ; d’une planche photographique au 1:50 000 résultant du traitement de l’image SPOT du 21 décembre 1987 ; d’une documentation sur les rendements culturaux en fonction du sol et sur les besoins en eau de chaque type de culture.
5.2.2. Définition d’un modèle de gestion de périmètre irrigué Pour définir le modèle de gestion de périmètre irrigué, quelques hypothèses ont été établies : 1. Une bonne partie du territoire situé à l’ouest de la longitude 0° 16' 34" constitue un vaste plan d’eau. (La zone d’étude est comprise entre les latitudes 13° 13' 162" et 13° 19' 28" nord et les longitudes 0° 8' 24" et 0° 16' 34" ouest.) 2. La zone d’étude constitue, dans son ensemble, un périmètre irrigué. 3. Toutes les cultures en présence (riz, maïs, coton, maraîchage) sont d’égale nécessité pour la population. 4. Quatre classes de rendement cultural sont retenues : excellent, bon, moyen et médiocre. 5. Pour la même saison, le choix peut être porté sur n’importe quelle culture. 6. Chaque type de sol ne doit supporter qu’une seule culture à la fois, même s’il peut en recevoir d’autres. Quinze classes de sol ont été numérisées à l’aide du système SPANS md de la firme TYDAC Technologies (Canada) (tableau 25.4 et planche XLIVa).
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TABLEAU 25.4 Classes de sol numérisées BURKINA FASO CARTE PÉDOLOGIQUE DE MANI-DAKIRI Superficie Classe 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 total
Légende
(%)
lithosol 2,29 alluvial modal 5,84 alluvial hydromorphe 3,76 isohumide brun subaride 0,73 brun eutrophe peu évolué 2,21 brun eutrophe ferrugineux 12,19 brun eutrophe modal alluvial 5,59 brun eutrophe modal argileux 7,53 ferrugineux modal 9,16 ferrugineux à concrétion 23,03 ferrugineux indurés 14,59 ferrugineux peu profonds 7,33 ferrugineux moyennement profonds 4,45 hydromorphe à pseudogley général 0,81 hydromorphe à pseudogley lessivé 0,49 15 classes 100,00
cumulée
(km2)
2,29 1,4875 8,13 3,7934 11,89 2,4423 1,62 0,4742 14,83 1,4355 27,02 7,9180 32,61 3,6310 40,14 4,8911 49,30 5,9499 72,33 14,9592 86,92 9,4770 94,25 4,7612 98,70 2,8905 99,51 0,5261 100,00 0,3183 64,9552
On a formulé une matrice des types de rendement des cultures par type de sol (tableau 25.5). Un indice de rendement des cultures (ic) a ensuite été constitué en analysant les types de rendement cultural et la demande en eau de chaque culture (tableau 25.6). Le modèle utilisé est le suivant :
Avec
ic : indice de rendement des cultures, c : indice de rendement des cultures en fonction du sol, e : besoins en eau.
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Michel Yergeau, Christian Prévost, Bertin Goze Bénié et Ferdinand Bonn TABLEAU 25.5 Indice de rendement des cultures en fonction du sol
Sol
Classe Riz
Lithosol Alluvial modal Alluvial hydromorphe Isohumide brun subaride Brun eutrophe peu évolué Brun eutrophe ferrugineux Brun eutrophe modal alluvial Brun eutrophe modal argileux Ferrugineux modal Ferrugineux à concrétion Ferrugineux indurés Ferrugineux peu profonds Ferrugineux moyennement profonds Hydromorphe à pseudogley général Hydromorphe à pseudogley lessivé Village Barrage Lit du marigot Indice : 1 = excellent 2 = bon
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
4 2 1 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 2 3 — — —
3 = moyen
Indice de rendements Maïs Coton Maraîchage 4 1 3 2 1 1 1 2 1 3 4 4 3 4 4 — — —
4 2 4 1 2 1 1 3 1 4 4 4 3 4 4 — — —
4 2 2 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 3 3 — — —
4 = médiocre
TABLEAU 25.6 Indice de rendement des cultures (ic) Indice de rendement Culture Riz Maïs Coton Maraîchage
Besoins en eau m3/ha
1
2
3
4
18 000 8 500 8 500 15 000
18 9 9 15
36 17 17 30
54 26 26 45
100 100 100 100
Comme on peut le constater, plus l’indice de rendement des cultures en fonction du sol est élevé, plus l’indice associé à chaque culture est grand entraînant par le fait même une plus grande demande en eau. Compte tenu du fait que le Sahel est caractérisé par une insuffisance notoire en eau, le modèle de gestion des terres est basé sur l’utilisation minimale de cette ressource. Autrement dit, pour un sol
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donné, l’indice ic minimal indique le type de culture. Le tableau 25.7 fournit la répartition des cultures selon les indices de rendement. TABLEAU 25.7 Cultures optimales en fonction des classes de sol (l’indice de rendement 100 (indice 4) indique un sol inapte à la culture proposée) Indice de rendement (ic) Type de sol
Classe de sol Riz
Lithosol Alluvial modal Alluvial hydromorphe Isohumide brun subaride Brun eutrophe peu évolué Brun eutrophe ferrugineux Brun eutrophe modal alluvial Brun eutrophe modal argileux Ferrugineux modal Ferrugineux à concrétion Ferrugineux indurés Ferrugineux peu profonds Ferrugineux moyennement profonds Hydromorphe à pseudogley général Hydromorphe à pseudogley général
9 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
100 6 18 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 36 54
Culture optimale
Indice Maïs Coton Maraîchage minimal Priorité 1 Priorité 2 100 8 24 16 8 8 8 16 8 24 100 100 24 100 100
100 26 100 13 26 13 13 39 13 100 100 100 39 100 100
100 30 30 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 45 45
100 — — 8 maïs coton 18 riz maïs 13 coton mais 8 maïs coton 8 mais coton 8 maïs coton 16 maïs coton 8 maïs coton 24 maïs coton 100 — — 100 — — 24 mais coton 36 riz maraîchage 45 maraîchage riz
Les planches XLIVb, XLVa, XLVb et XLVIa illustrent quelques résultats de rendement en fonction du sol (mil, mais, riz, maraîchage). Les cultures optimales (priorité 1) sont illustrées à la planche XLVIb.
CONCLUSION La gestion de l’ensemble des ressources en eau de la région de Pissila suppose que les besoins quotidiens de 150 000 personnes et de plusieurs milliers de têtes de bétail soient assurés. Actuellement, 30 % seulement de ces besoins sont satisfaits. La recherche de nouvelles sources d’approvisionnement en eau nécessite l’implication de diverses techniques, sciences et technologies et notamment de la télédétection. Les données satellitaires et la télédétection en général contribuent, mais en partie seulement, à l’équation. Le champ d’application potentiel de la télédétection s’accroît considérablement dès lors qu’elle s’intègre à d’autres sources de données faisant partie d’un
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système d’information géographique. De plus, cette forme d’intégration peut déboucher sur d’autres applications dont il n’a pas été question ici : migration du bétail, contrôle de la sécheresse, épuisement de la nappe d’eau, modifications de la croûte terrestre, etc. Les résultats quantitatifs décrits dans cette étude, bien que fondés sur les données disponibles de la plus haute qualité, nécessitent une validation sur le terrain. Toutefois, notre objectif était de mettre au point une méthode basée sur l’utilisation du plus grand nombre de sources de données possible et de procéder à la démonstration des concepts d’intégration des données par satellite et des informations géographiques auprès des photo-interprètes du Sahel, des experts travaillant sur le terrain et des décideurs. L’utilisation de ces technologies permet d’améliorer considérablement la qualité des méthodes de gestion et de rendre ainsi moins vulnérable la population confrontée aux fluctuations climatiques. Certes, la technologie n’a pas le pouvoir d’empêcher la sécheresse mais elle apporte à ceux qui la gèrent les outils nécessaires pour en diminuer les effets néfastes.
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES AMESZ, B. et A. LAUSINK (1984). Satellite surveys boost drilling programme success. World Water, 7(4), p. 24-25. BALDY, CH. (1986). Agrométéorologie et irrigation en zone soudanosahélienne. La Météorologie, Vlle série, 14, p. 36-40. BÉRARD, P. (1982). Interprétation des images satellites en complément à la photointerprétation traditionnelle pour la définition des structures hydrogéologiques au Niger et en Haute-Volta. Dans Les milieux discontinus en hydrogéologie, Orléans, Document 45 du BRGM, p. 67-82. ENGALENC, M. (1975). Étude hydrogéologique préalable à l’implantation d’un ranch d’embouche en Haute-Volta, région de Léo, Direction des services de l’élevage et des industries animales, hydraulique et équipement rural, Ouagadougou. PRÉVOST, C., M. YERGEAU, H. VICKERS, D. BERTHELOT, A. GOSSELIN et J.L. MARTEL (1987). Applied data integration for water resources management in the Sahel. Journal canadien de télédétection, 13(2), p. 7584. PRÉVOST, C. (1982). Application de la télédétection par satellite à l’inventaire des ressources en eau au Sahel, Mémoire de maîtrise, Faculté de foresterie et de géodésie, Université Laval, Québec. TRAVAGLIA, C. (1979). Fracture Systems Interpretation from LANDSAT Imagery for the Crystalline Rock Area of Upper Volta, FAO, Rome.
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PLANCHE XXXlll
Images TM et MSS de la région du bassin du lac Tchad, au nord du Cameroun. Cadre physique : bassin sédimentaire du lac Tchad, avec des dépôts lacustres tertiaires horizontaux (moins de deux mètres de dénivelé local), des dépôts fluviatiles et des dunes quaternaires fossiles (ces dernières sont visibles à l’ouest de la figure sous forme de courtes raies blanches parallèles).
a) Portion de scène TM 100 x 100 km, 184/52 du 7 décembre 1986, illustrant les conditions de couverture du sol dans une région bioclimatique sahélienne au début de la saison sèche. Le rectangle pointillé au centre localise l’échantillon au 1:200 000 des descriptions de classes de la figure 22.3a. Classe 76 — 74 79 71 741/751
Paysages végétaux dominants Nom Couleur vert herbage (couverture continue) noir zones brûlées brun savane arborée rouge brillant prairie marécageuse rouge foncé coupe à blanc beige steppe boisée et arbustive
b) Sous-scène MSS de la même région que sur la planche XXXllla, le 6 janvier 1976. Provient de la diapositive utilisée pour l’inventaire de 1985 (tableau 22.1).
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PLANCHE XXXIV
Images TM et MSS de l’Ouest montagneux de la zone soudanienne du Cameroun. Cadre physique : les roches cristallines du socle ont été soulevées régionalement en dôme selon un axe nord-est / sudouest et fracturées ultérieurement, avec formation de volcans et de coulées associées le lone des lienes de failles.
a) Portion de 100 x 100 km de l’image TM 185/55 du 7 novembre 1987 (début de la saison sèche) montrant les conditions géomorphologiques et de couverture du sol de la région bioclimatique soudanienne. Les résolutions spatiales et spectrales de cette image permettent une reconnaissance et une cartographie presque immédiate des unités biophysiques du terrain. Celles-ci ont été numérotées de 1 à 4 et leurs caractéristiques peuvent être résumées de la manière suivante :
1 2 3 4
Numéro Terrain volcanique versants plaine plateau
Altitude 2400-2500 m variable 600 m 900 m
Végétation surtout sol nu boisés savane arborée sèche
Couleurs blanc rouge brillant bleu sombre et rouge sombre savane arborée humide turquoise et rouge sombre
b) Sous-image MSS du 18 février 1973 (fin de la saison sèche), même secteur que sur la planche XXXIVa. De manière évidente, la résolution spatiale et spectrale de cette image n’exprime pas les assemblages d’unités biophysiques aussi bien que la scène TM.
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PLANCHE XXXV
Deux scènes TM de la région des savanes de transition au Cameroun
a) Portion de scène TM 183/55, du 14 novembre 1986, de 60 x 15 km. Les teintes de rouge représentent la savane et les zones boisées, tandis que les prairies sont en turquoise.
b) Même secteur que la planche XXXVa, mais enregistrée trois semaines plus tard, le 7 décembre 1986, dans la zone de recouvrement entre deux orbites adjacentes, scène 184/55. Les feux de brousse importants apparaissent en noir. Ces deux images illustrent la difficulté pour l’analyste de maintenir une continuité pour la cartographie d’une scène à l’autre quand la dynamique environnementale oblitère les données spectrales, quelle que soit leur résolution.
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PLANCHE XXXVI
Sous-images TM et MSS de la zone de contact forêt-savane au sud du Cameroun. Cadre physique : plateau sud-camerounais composé de roches cristallines du bouclier. Épais manteau d’altérites dans la zone forestière équatoriale au sud, sols latéritiques et cuirasses fréquentes dans la région de savanes soudaniennes au nord.
a) Portion de scène TM de 100 x 100 km, 183/57, le 14 novembre 1986, montrant les conditions de couverture du sol dans les deux régions bioclimatiques.
b) Sous-image MSS du même secteur dans les mêmes conditions phénologiques que sur la planche XXXVIa, datant du 13 novembre 1973. Ces deux images montrent bien les qualités spectrales et spatiales supérieures de TM dans les zones de basses latitudes pour la séparation des classes de couverture du sol. Types de couvert forët savane boisée savane herbeuse, broussailles coupes et cultures réseaux de drainage
Couleurs TM brun beige turquoise jaune distincts
Couleurs MSS rouge sombre rouge vif rouge grisonnant rouge rose indistincts
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PLANCHE XXXVII
Deux traitements visualisant (A) une différenciation dans les zones humides et (B) une meilleure définition des cultures et des villages-vergers
Couleurs sur les images traitées Vergers Zones cultivées diverses Rizières et cult. maraîchères Cultures sur sols sableux Eaux turbides (rivières) Eaux libres (retenue-digue) Grande humidité Humidité modérée Zones sableuses Digues et routes
Image A blanc blanc/noir rouge rouge noir bleu sombre bleu bleu magenta rouge
Image G vert magenta rouge/jaune cyan noir noir noir noir rouge rouge/jaune/cyan
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PLANCHE XXXVIII Image LANDSAT-MSS du 21 novembre 1984 de la zone de Pissila (barrages de Dakiri, Mani, Tougouri et Yalogo)
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PLANCHE XXXIX Approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII
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PLANCHE XL
Sites potentiels d'approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII
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PLANCHE XLI
Sites potentiels d'approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII. Priorité : population
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PLANCHE XLII Sites potentiels d'approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII. Priorité : autosuffisance alimentaire et irrigation
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PLANCHE XLIII
Sites potentiels d'approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII. Priorité : élevage
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PLANCHE XLIV
Cartes de la région de Mani-Dakiri
a) Carte pédologique
b) Rendement du mil en fonction des sols
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PLANCHE XLV Cartes de la région de Mani-Dakiri
a) Rendement du maïs en fonction des sols
b) Rendement du riz en fonction des sols
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PLANCHE XLVI
Cartes de la région de Mani-Dakiri
a) Rendement des cultures maraîchères en fonction des sols
b) Cultures optimales
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation Jean-Marie M. Dueois et André GOSSELIN
Sommaire Introduction 1. Développement d’une méthode 2. Inventaire de l’habitat salmonicole 2.1.Inventaire général du milieu par photo-interprétation 2.1.1. Facteurs spécifiques à l’habitat du saumon 2.1.2. Obstacles à la migration des saumons 2.1.3. Utilisation générale du sol 2.1.4. Points d’accès aux cours d’eau 2.2. Inventaire sur le terrain 2.3. Représentation cartographique des données 2.4. Évaluation du potentiel salmonicole 3. Application de la méthode à un sous-bassin de la rivière SaintFrançois : la rivière au Saumon 3.1. Description du milieu 3.2. Inventaire de l’habitat salmonicole 3.3. Potentiel salmonicole du bassin 3.4. Critique des résultats Conclusion Références bibliographiques
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Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin
Résumé La gestion des stocks de saumon atlantique est devenue un problème important et, devant le besoin d’agir, la protection et la restauration des habitats en rivières est primordiale. La méthode proposée par photo-interprétation vise l’inventaire physique des habitats et la quantification du potentiel salmonicole des rivières dans le but de réintroduire le saumon dans ses anciens habitats. Dans cette méthode, on utilise des photographies aériennes peu coûteuses au 1:15 000 avec un minimum de relevés au sol. On divise la rivière en biefs dans lesquels on évalue les critères de pente, de géomorphologie, de morphométrie et de granulométrie. On s’attarde de façon plus particulière aux fosses, frayères et obstacles à la montée du saumon. Par la suite, les différents habitats sont pondérés et on leur attribue un facteur de productivité. Cette méthode est fiable entre 80 à 95 % selon le type de vérification au sol. Une application à une rivière du Sud du Québec où le saumon a disparu depuis 75 ans à cause de la pollution et de la présence de barrages, a permis d’estimer la productivité d’un seul sous-bassin de 1 030 2 km à 34 900 saumonaux, en plus de localiser avec précision les sites de bons potentiels et d’identifier les secteurs où les activités de restauration seront prioritairement dirigées.
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation
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INTRODUCTION Depuis quelques années, on a pu observer un intérêt grandissant pour la protection et la restauration des rivières à saumons. Cet intérêt répond au besoin actuel de protéger le saumon atlantique contre les pressions environnementales. En effet, ces dernières mettent sans cesse en jeu la survie de cette espèce, comme d’ailleurs plusieurs autres espèces, par suite de l’usage abusif des ressources naturelles par l’Homme (Scott et Crossman, 1974). Cette ressource naturelle d’importance majeure qu’est le saumon atlantique est un signe indéniable d’une bonne qualité de l’environnement pour qui peut se vanter de la posséder et de la protéger. Le saumon possède une réputation mondiale tant comme ressource sportive que comme ressource commerciale. Le saumon atlantique est une espèce anadrome : il vit en mer et remonte nos cours d’eau pour venir s’y reproduire. Malgré sa force physique incroyable, le saumon exige, pour survivre, des conditions environnementales spécifiques. Toutefois, divers impacts anthropiques ou naturels sont enclins à affecter et à détériorer les conditions naturelles de ses habitats. C’est pour cette raison que ceux qui travaillent à réintroduire le saumon dans un bassin d’où il est disparu, ou encore à l’introduire dans un secteur nouvellement accessible, doivent connaître l’état actuel des habitats qu’ils ont à lui offrir. L’inventaire des caractéristiques d’un tel habitat peut être très coûteux s’il est effectué sur le terrain. Par contre, s’il peut être effectué par photo-interprétation, les coûts sont considérablement abaissés. C’est donc cette voie qui est privilégiée ici à partir d’une application dans un bassin du Sud du Québec, celui de la rivière Saint-François.
1. DÉVELOPPEMENT D’UNE MÉTHODE Les premiers travaux d’inventaire des populations de poissons étaient réalisés à partir de techniques de terrain appliquées de façon ponctuelle (Herrington et Dunham, 1967). Chamberlin (1980), de son côté, a proposé une méthode de description de l’habitat qui offre une représentation linéaire des principaux paramètres hydrogéomorphologiques des cours d’eau. Ces deux approches d’inventaire présentaient toutefois l’inconvénient d’être très coûteuses du fait que leur application s’effectuait sur le terrain. Au début des années 70, le MTCP (Ministère du Tourisme, de la Chasse et de la Pêche du Québec) utilisait des fiches aide-mémoire pour déterminer des diagnoses écologiques de lacs et de cours d’eau, sans toutefois réussir à évaluer les potentiels de productivité basés sur
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Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin
des caractéristiques d’habitat propres à chaque cours d’eau (Clavet, 1980). Depuis 1967, aux États-Unis, on recherchait une telle méthode d’évalua- tion (Herrington et Dunham, 1967), lorsque William S. Platts (1974) proposa de déterminer les relations entre les facteurs physiques des cours d’eau et leurs populations piscicoles. Il observa l’influence des régions géomorphologiques sur les écosystèmes aquatiques, il étudia la relation entre la topométrie et l’uniformité des environnements aquatiques et, enfin, il essaya de déterminer la possibilité de classifier des environnements aquatiques à partir d’un système de classification terrestre. Parallèlement, au Québec, une méthode d’inventaire similaire a pu être mise au point au cours de recherches géomorphologiques sur la côte nord du Saint-Laurent (Dubois et al., 1975). Depuis 1976, cette méthode a été appliquée à des petites et des grandes rivières en Gaspésie, à la baie James, dans le plateau appalachien et sur la CôteNord (Dubois et Clavet, 1977). Ce type de recherche avait principalement pour but d’établir une méthode de relevé efficace en alliant les levés aériens et les travaux de terrain. On voulait également avoir la possibilité de déduire les sites potentiels d’habitats aquatiques exploitables, en vue d’établir la capacité d’accueil des rivières pour les salmonidés (Clavet, 1980). Ce genre d’inventaire hydrogéomorphologique par photointerprétation s’est avéré un véritable outil de base dans l’évaluation du potentiel de productivité piscicole des cours d’eau (Clavet, 1980). Cette méthode, pour un coût minimal, rend aux inventaires d’habitat leur dimension spatiale. Elle permet d’appréhender de façon semi-quantitative plusieurs des paramètres de l’habitat et, en outre, elle peut servir de base à la planification des inventaires ichtyologiques par un échantillonnage stratifié conduisant à des estimations beaucoup plus fiables sur le peuplement de tacons (Caron et Ouellet, 1985). Le rendu cartographique initial proposé par Dubois et Clavet (1977) n’est qu’indirectement utilisable pour évaluer quantitativement la production potentielle en saumoneaux et pour établir les besoins en géniteurs nécessaires au maintien d’une production opti- male d’un cours d’eau (Côté et al., 1987a). Dans le but de répondre à ces besoins essentiels, une manière de quantifier le potentiel salmonicole, inspirée des travaux de Dubois et Clavet (1979), a été mise au point par le ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec (MLCP). Présentant une cartographie simplifiée et une compilation tabulaire des données, ce qui facilite le traitement, la méthode de Boudreault (1984) offre une description plus détaillée du cours d’eau, mais se limite toutefois au lit mineur, le décrivant essentielle- ment par son faciès fluvial et son substrat. Un inventaire plus complet s’avère toutefois nécessaire lorsqu’on se retrouve dans un milieu où l’impact de l’Homme sur l’environnement est plus marqué. Il devient important d’améliorer et d’adapter les
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation
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méthodes actuelles d’inventaire dans le but de répondre à la problématique particulière soulevée par le fort développement industriel et agricole de certains bassins. Le développement intense a des effets plus ou moins marqués sur l’environnement aquatique du saumon, qui réagit significativement aux modifications apportées à son habitat. Dans un tel milieu, il est primordial, en plus d’évaluer le potentiel salmonicole, de décrire et de localiser les secteurs pouvant présenter des contraintes et des risques pour une éventuelle réintroduction du saumon et, enfin, de relever les secteurs offrant les meilleurs potentiels. La mise au point d’une méthode d’inventaire appliquée à ce type d’environnement devient une priorité et constitue la première étape d’un travail visant la réintroduction du saumon atlantique dans un milieu grandement affecté par l’homme. La méthode de travail proposée ici vise donc l’évaluation de plusieurs facteurs dont le relevé est nécessaire pour décrire le milieu et l’habitat salmonicole : obstacles à la migration des poissons, granulométrie et faciès fluviaux, utilisation générale du sol environnant, etc.
2. INVENTAIRE DE L’HABITAT SALMONICOLE L’inventaire global et complet de l’habitat salmonicole proposé comporte quatre étapes de travail : 1. inventaire général du milieu par photo-interprétation ; 2. inventaire sur le terrain pour vérifier ponctuellement la photointerprétation et pour évaluer les sections difficiles ou impossibles à observer ; 3. cartographie des données recueillies ; 4. évaluation du potentiel salmonicole. 2.1. INVENTAIRE GÉNÉRAL DU MILIEU PAR PHOTOINTERPRÉTATION Le principal avantage d’un inventaire effectué par photo-interprétation est de permettre une économie considérable de réalisation en minimisant les interventions sur le terrain. Cette méthode permet une vision d’ensemble d’une région donnée en fonction d’une ressource naturelle spécifique. De plus, le travail d’inventaire peut être réalisé, en majeure partie, indépendamment de la saison, étant donné que les documents utilisés sont disponibles en tout temps. Pour cette méthode, on utilise des photographies aériennes panchromatiques à l’échelle de 1:15 000 ou approchant, c’est-à-dire celles qui sont les plus facilement disponibles et les plus couramment utilisées.
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Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin
D’une façon générale, l’approche de travail dans la réalisaton d’un tel inventaire comprend les étapes suivantes : −
lecture de divers ouvrages traitant des habitudes de vie et de l’habitat du saumon atlantique ;
−
revue de la documentation disponible sous forme écrite ou cartographique afin d’obtenir le plus de renseignements possibles sur la région à l’étude (dépôts meubles, topographie, etc.) ;
−
première interprétation des photographies aériennes de la région, avec prise de notes sur des acétates transparents disposés sur les épreuves photographiques ;
−
contrôle-terrain par place-échantillon pour vérifier ponctuellement la première photo-interprétation ;
−
mise au point des données lors d’une deuxième photointerprétation ;
−
représentation tabulaire et cartographique des différentes données afin d’évaluer quantitativement le potentiel salmonicole en fonction des différents types d’habitat ;
−
analyse et évaluation générale des résultats.
La réalisation d’un inventaire salmonicole comporte l’observation et l’évaluation de différents facteurs permettant la description la plus complète possible du milieu. Ces paramètres descriptifs peuvent se diviser en quatre groupes selon leur nature et leur influence sur le milieu : −
les facteurs spécifiques à l’habitat du saumon,
−
les obstacles à la migration des poissons,
−
l’utilisation générale du sol dans le secteur bordant les cours d’eau,
−
les divers points d’accès aux cours d’eau.
2.1.1. Facteurs spécifiques à l’habitat du saumon Divers facteurs relatifs à l’habitat du saumon atlantique peuvent être évalués par photo-interprétation. Ces données hydrogéomorphologiques permettent, après traitements et calculs correspondants, d’évaluer quantitativement le potentiel salmonicole d’un cours d’eau. Certains tributaires ou têtes de cours d’eau sont toutefois difficilement observables sur les photographies aériennes. Ce phénomène est relié à la végétation arborescente qui cache partiellement ou entièrement les petits cours d’eau, limitant ainsi leur interprétation. Certains de ces tributaires, qui peuvent offrir un habitat potentiel au saumon, doivent être inventoriés sur le terrain. Leur tracé et leur importance sont toutefois évaluables à partir des photographies aériennes et des documents cartographiques.
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation
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Les facteurs physiques qui nous intéressent particulièrement et qui permettront ultérieurement d’évaluer quantitativement le potentiel salmonicole sont essentiellement le faciès d’écoulement fluvial et la granulométrie du substrat. Le relevé des fosses et des frayères est également effectué, afin d’identifier les secteurs offrant les meilleurs potentiels comme habitat à saumons. L’observation de ces caractéristiques physiques permet de sectionner systématiquement le cours d’eau en biefs distincts, chacun représentant une zone où ces paramètres y sont relativement homogènes. La pente générale du cours d’eau doit également être déterminée, car le profil longitudinal représente un facteur déterminant pour l’évaluation de son potentiel salmonicole. La pente d’une rivière à saumon type se situe, selon Elson (1975), entre 0,2 et 1,15 %. Les faciès fluviaux importants à distinguer correspondent aux lacs, bassins, méandres, chenaux, seuils, rapides, cascades et chutes. La description du substrat, qui correspond à la granulométrie du lit, sera définie avec un maximum de trois paramètres placés en ordre d’importance et compris dans une échelle granulométrique spécifique à cette étude (tableau 26.1). TABLEAU 26.1 Types de substrats Classes Roc Bloc Galet Caillou Gravier Sable
Diamètres des particules (mm) — > 250 80-250 40-80 5-40 0,125-5
Une description des différents facteurs à observer et une clé d’interprétation correspondante sont alors nécessaires pour réaliser la photointerprétation d’une façon efficace. On retrouve cette description au tableau 26.2. La distinction des substrats par photo-interprétation constitue un exercice parfois très subtil, en ce sens que les matériaux ne sont pas toujours décelables de façon directe sur les photographies ; on doit alors faire appel à une opération logique qui nous permet d’inférer le résultat à partir d’informations indirectes, surtout de nature géomorphologique (Dubois et Clavet, 1977). Les matériaux de la gamme des galets et des blocs sont toutefois assez facilement détectables en raison de la texture rugueuse qu’ils reflètent et de leur association fréquente avec le faciès de rapide. Les sables se reconnaissent assez facilement par leur teinte pâle à
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Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin Tableau 26.2
Faciès
Description et critères d’interprétation des facteurs hydrogéomorphologiques Description
Critères d'observation
Bassin
Zone d'eau profonde localisée généralement au pied d'un obstacle et correspondant à un élargissement du cours. Le courant y est lent, favorisant la sédimentation.
Facilement reconnaissable par sa localisation généralement au pied d'un obstacle et par la forme élargie du cours, de même que par l'impression de profondeur que traduit la teinte foncée de l'eau. Ce faciès correspond la plupart du temps à la présence de fosses.
Cascade
Rupture de pente du lit d'un cours d'eau en forme de marche d'escalier où dominent roc et blocs comme composantes du lit. Obstacle habituellement franchissable par le saumon quoiqu'il puisse être, à certains endroits, insurmontable pour ce dernier.
Alternance de teintes blanches et grises qui traduisent la succession des ruptures de pente intercalant souvent les bassins rocheux.
Chenal
Portion où la profondeur d'eau, généralement de 1 m et plus, est constante. Le courant y est modéré à lent et la surface de l'eau demeure lisse. Les matériaux constituants varient du sable au galet.
Se reconnaît par la teinte foncée qu'il produit en raison de la profondeur d'eau généralement élevée et de la surface de l'eau qui est lisse à cause du faible courant.
Chute
Segment où le lit subit une dénivellation brusque. Constituée de roche en place et quelquefois de très gros blocs. Obstacle franchissable ou infranchissable pour le saumon.
Dénivellation subite du lit. Teinte blanche des eaux.
Lac
Portion où l'on ne retrouve aucun caractère lotique; l'écoulement y est lent ou nul et la profondeur d'eau élevée.
Les lacs, même les petits, sont observables lorsqu'ils interrompent le cours d'eau et qu'un changement de milieu, de lotique à lentique, est notable.
Méandre
Section où le tracé forme de multiples boucles. Le lit présente une alternance de seuils et de mouilles. La granulométrie s'échelonne des sables aux cailloux.
Facilement observable par sa forme en lacet et l'alternance des seuils et des mouilles qui le caractérisent.
Rapide
Légère rupture de pente du lit où le courant est rapide et la surface de l'eau brisée par la présence de matériaux grossiers qui affleurent.
Reconnaissable par la texture grossière produite par la turbulence de l'eau sur les substrats de bonne dimension. Les teintes blanchâtres et grisâtres qui se présentent sous formes de tâchetures sont aussi un indice pour les reconnaître.
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation Tableau 26.2
Faciès Seuil
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Description et critères d’interprétation des facteurs hydrogéomorphologiques (suite) Description
Secteur d'eau peu profonde constituant un haut-fond, une succession de hauts-fonds en alternance avec des fosses ou une légère rupture de pente du lit du cours d'eau. L'écoulement y est assez rapide. La granulométrie se situe habituellement dans la gamme des graviers et cailloux avec parfois une fraction sableuse. Segment de cours d'eau parmi lequel on retrouve les sites de prédilection pour la fraye. Ces frayères sont divisées en deux catégories : 1- frayère principale: la granulométrie dominante se situe dans le spectre des raviers et cailloux et où le lit présente des variations de profondeur sur toute la longueur du segment; 2- frayère secondaire: la configuration du lit est plus uniforme et l'épaisseur de la lame d'eau plus constante. La granulométrie est voisine de celle des frayères principales quoiqu'il puisse y avoir une fraction sableuse ou une fraction de matériaux grossiers (cailloux et/ou galets).
Critères d'observation Reconnaissable surtout par les teintes blanchâtres qui traduisent souvent la présence de hauts-fonds. Texture fine produite par les nombreuses ondulations affectant la surface de l'eau. Ces ondulations produisent quelquefois un effet de miroitement quasi identique à celui de la lumière reflétée par les vaguelettes créées par le vent (la confusion peut être évitée en examinant le même point sur les photographies de la ligne de vol supérieur ou inférieur et en considérant les types d'écoulement retrouvés à l'amont et à l'aval du segment).
Sources: Clavet (1980); Boudreault (1984).
totalement blanche, lorsqu’ils sont émergés, de même que par les formes de courant qu’ils produisent (rides et mégarides). Lorsque les sables sont en sousdominance avec les graviers et les cailloux, l’exercice devient beaucoup moins évident. À ce moment, il faut faire appel à la configuration du cours, au type d’écoulement et à la granulométrie du lit et des berges des secteurs amont et aval du segment que l’on désire identifier. La règle générale, qui veut que la granulométrie d’un cours d’eau tende à s’amenuiser d’amont en aval entre deux seuils de contrôle, peut aussi être utilisée. D’autre part, la ligne de rivage, lorsqu’elle est composée de graviers et cailloux, prend un aspect légèrement texturé, alors qu’elle est uniforme lorsque composée de sable. Si les berges sont facilement visibles et libres de végétation, elles deviennent un indice intéressant pour déterminer le type de substrat du lit, étant donné que ce dernier est souvent composé de matériaux arrachés aux berges correspondantes et sises plus en amont.
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2.1.2. Obstacles à la migration des saumons Afin de connaître les secteurs accessibles pour le saumon atlantique et de prévoir les interventions nécessaires permettant le passage de certains obstacles infranchissables, il importe de faire le relevé de toutes les barrières retrouvées sur les cours d’eau et d’en évaluer l’importance. Il semblerait que le saumon puisse franchir certains obstacles d’une hauteur équivalente à quatre fois sa longueur, ce qui correspond en général à environ 4 mètres (Clavet, 1980), si le bassin sous l’obstacle lui permet de se propulser. Ces obstacles se divisent en deux catégories : les barrières artificielles et naturelles. 2.1.2.1. Barrières artificielles Par barrière artificielle, on entend toute structure d’origine anthropique et aménagée sur un cours d’eau de façon à limiter ou à empêcher le libre passage des saumons. Parmi ces barrières, on compte les barrages ou digues érigées à différentes fins (hydro-électricité, réservoir d’eau potable, activités industrielles, forestières ou récréatives), de même que tout aménagement ayant des conséquences semblables sur l’accessibilité du cours d’eau. Ces obstacles sont facilement localisables sur les photographies aériennes et l’information relative à leurs caractéristiques physiques, telle leur hauteur, est généralement facile à obtenir des propriétaires ou des ministères gouvernementaux régissant leur mise en place ou leur exploitation. 2.1.2.2. Barrières naturelles Les obstacles naturels qui peuvent empêcher la migration des saumons sont assez nombreux. On y inclut toutes barrières dont la mise en place n’est pas due à l’intervention humaine. On retrouve parmi celles-ci les cascades, les chutes, les embâcles de bois, les digues de castor, etc. Ces barrières sont facilement observables sur les photographies aériennes, mais l’estimation de leur dimension est moins évidente. De plus, il est nécessaire d’évaluer la possibilité pour ces obstacles d’être franchissables ou non, avec ou sans réserve, ceci en fonction du débit du cours d’eau qui varie avec les précipitations et les saisons. Une chute franchissable avec réserve, par exemple, permettra le passage des saumons sous des conditions hydrologiques normales, mais pourrait être infranchissable à certaines occasions (crue ou étiage importants). Le relevé des barrières infranchissables permet de délimiter la portion du bassin accessible au saumon et de prévoir les interventions qui pourraient assurer une plus grande dispersion de l’espèce à travers le territoire. L’évaluation de la hauteur des chutes et des cascades est possible par photo-interprétation lorsque celle-ci est assez importante. La hauteur
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation
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des obstacles ainsi calculée permet alors de prévoir si ces barrières empêchent la migration des saumons. Ce calcul s’effectue lors de la photo-interprétation par la méthode de la parallaxe stéréoscopique. Toutefois, certaines contraintes empêchent souvent d’utiliser cette méthode : l’angle de prise de vue, la position du segment sur le couple stéréoscopique, l’ombre, les reflets, etc. (Boudreault, 1984). Enfin, il faut aussi évaluer si un obstacle présente ou non des paliers. En effet, le saumon peut franchir certaines chutes en paliers, par exemple, même si elles sont très hautes. 2.1.3. Utilisation générale du sol L’inventaire de l’utilisation générale du sol comprend la description du milieu adjacent au cours d’eau s’étendant sur une distance d’environ 150 mètres de part et d’autre de ce dernier, et à cette fin, on divise l’utilisation du sol en 13 catégories : boisés zones agricoles secteurs inondables dépotoirs zones d’érosion active
secteurs de friche zones urbaines coupes forestières drainage agricole
plantations zones de villégiature marécages, tourbières gravières, sablières
Ces secteurs sont observables par photo-interprétation et se distinguent selon des critères spécifiques à chacun. Certains de ces types d’utilisation du sol (zones agricoles, coupes forestières, gravières, etc.) peuvent influencer la qualité du milieu aquatique et, par conséquent, l’habitat du saumon atlantique, lorsque situés trop près des cours d’eau. Ils peuvent même, entre autres, indirectement entraîner le colmatage des frayères par des sédiments fins et augmenter la température de l’eau. 2.1.4. Points d’accès aux cours d’eau Dans le but de permettre, ultérieurement, une gestion plus efficace de la ressource saumon et aussi dans le but de faciliter la préparation des levés sur le terrain, il devient important de localiser tous les points permettant un accès aux cours d’eau. Ces accès, de type privé ou public, correspondent à des routes, chemins ou sentiers permettant un accès direct ou indirect aux cours d’eau. On retrouve la majorité de ces renseignements sur certains documents cartographiques, mais l’observation sur photographies aériennes de ces points d’accès permet d’intégrer plus facilement ces informations avec les autres facteurs qui sont évalués en même temps. 2.2. INVENTAIRE SUR LE TERRAIN La deuxième étape de l’inventaire de l’habitat salmonicole correspond à une vérification sommaire sur le terrain afin de valider ponctuellement les données obtenues par la photo-interprétation initiale. La collecte de
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données aux endroits visités consiste alors principalement à déterminer la granulométrie et le faciès fluvial, ainsi qu’à vérifier d’autres facteurs comme les dimensions du bief, la présence ou l’absence de fosses et de sites de fraie. Les sites de vérification sont choisis principalement en fonction de leur accessibilité et de l’incertitude qu’ils présentent au niveau de la photo-interprétation. De plus, il est également nécessaire d’effectuer des travaux sur le terrain afin d’inventorier les tributaires trop étroits dont la photo-interprétation n’est pas possible, mais qui peuvent présenter un certain potentiel selon les caractéristiques biophysiques qu’ils possèdent. 2.3. REPRÉSENTATION CARTOGRAPHIQUE DES DONNÉES La troisième étape de l’inventaire de l’habitat salmonicole consiste en la représentation cartographique des données recueillies lors de la photointerprétation. Ces dernières sont représentées cartographiquement afin de visualiser l’ensemble des facteurs influençant et décrivant l’habitat salmonicole. Une légende appropriée doit être établie afin d’intégrer de façon simple et claire tous les renseignements qui sont recueillis lors de l’inventaire (figure 26.1). L’échelle cartographique recommandée est celle de 1:20 000, car elle permet la représentation des informations spatiales et ponctuelles avec une précision suffisante. Un exemple de cette représentation cartographique est donné à la figure 26.2. 2.4. ÉVALUATION DU POTENTIEL SALMONICOLE La quatrième et dernière étape de l’inventaire de l’habitat salmonicole est l’application de la méthode présentée par Boudreault (1984) et Côté et al., (1987a et b) aux données recueillies par photo-interprétation. Cette méthode propose la division du cours d’eau en sections homogènes, selon le faciès fluvial et la granulométrie du lit. C’est le calcul et la compilation de la superficie de chacun de ces biefs qui permettront d’évaluer quantitativement le potentiel salmonicole du cours d’eau. Les biefs sont individuellement mesurés, en longueur et en largeur, dans le but d’en évaluer la superficie. La longueur est déterminée à l’aide d’une règle millimétrée pour les segments rectilignes et à l’aide d’un curvimètre pour les segments curvilignes. La largeur est mesurée à l’aide d’une règle millimétrée pour des largeurs de plus de deux millimètres et à l’aide d’une barre à parallaxe pour les dimensions inférieures. Dans le cas de la largeur, plusieurs mesures par bief sont prises, à intervalles réguliers, et une moyenne est ensuite établie (Boudreault, 1984). Les mesures de largeur et de longueur (en millimètres) sont ensuite transformées en dimension réelle à l’aide de l’échelle moyenne des photographies aériennes.
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La compilation des données ainsi que leur traitement s’effectuent par informatique pour en arriver à une représentation sous forme tabulaire. La compilation initiale comprend les paramètres suivants : − − − − −
le nom du cours d’eau, le numéro de bief, son faciès fluvial, sa granulométrie, sa longueur et sa largeur.
Ces données sont ensuite traitées afin d’obtenir la superficie de chaque bief en mètres carrés. À la suite de ce traitement, chaque bief est classé dans une certaine catégorie d’habitat définie en fonction du faciès fluvial et de la composition granulométrique du lit. Côté et al. (1987a et b) présentent la méthodologie qui nous permet de définir les trois types d’habitat possible. Étant donné que les habitats sont, dans le cadre de cette étude, caractérisés par deux facteurs physiques, soit le faciès fluvial et la granulométrie du lit, on associera un type d’habitat à chaque bief en fonction des paramètres qu’on y retrouve. À chaque type de faciès et à chaque catégorie de granulométrie est associée une cote de production salmonicole de 0 à 2 (selon l’ordre croissant du facteur en fonction d’un bon habitat). La classification des faciès est donnée au tableau 26.3. On retrouve au tableau 26.4 la classification des différentes possibilités d’agencement des substrats (maximum de trois types devant être décrits dans un ordre décroissant d’importance) et la cote respective qui leur est assignée.
TABLEAU 26.3 Évaluation salmonicole des faciès d’écoulement rencontrés dans les cours d’eau
Faciès Bassin Méandre Lac Chenal Seuil Cascade Rapide Chute
Cote 0 1 0 1 2 0 2 0
Source : Boudreault (1984).
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FIGURE 26.1 Légende cartographique applicable à l’inventaire de l’habitat salmonicole
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation FIGURE 2 6 . 2 Exemple de cartographie de données recueillies par photointerprétation
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Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin TABLEAU 26.4 Évaluation salmonicole des assemblages granulométriques des cours d’eau
Type de substrat Cote Type de substrat Cote Type de substrat Cote Type de substrat Cote r b g c gr s r-b r-g r-c r-gr r-s b-r b-g b-c b-gr b-s g-r g-b g-c g-gr g-s c-r c-b c-g c-gr c-s gr-r gr-b gr-g gr-c gr-s s-r s-b s-g s-c s-gr r-b-g r-b-c r-b-gr r-b-s
0 1 2 1 0 0 0 1 0 0 0 1 2 2 1 1 1 2 2 2 1 1 2 2 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
r-g-b r-g-c r-g-gr r-g-s r-c-b r-c-g r-c-gr r-c-s r-gr-b r-gr-g r-gr-c r-gr-s r-s-b r-s-g r-s-c r-s-gr b-r-g b-r-c b-r-gr b-r-s b-g-r b-g-c b-g-gr b-g-s b-c-r b-c-g b-c-gr b-c-s b-gr-r b-gr-g b-gr-c b-gr-s b-s-r b-s-g b-s-c b-s-gr g-r-b g-r-c g-r-gr g-r-s
1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 2 2 2 1 2 2 2 1 1 2 2 1 0 1 1 0 2 2 1 0
g-b-r g-b-c g-b-gr g-b-s g-c-r g-c-b g-c-gr g-c-s g-gr-r g-gr-b g-gr-c g-gr-s g-s-r g-s-b g-s-c g-s-gr c-r-b c-r-g c-r-gr c-r-s c-b-r c-b-g c-b-gr c-b-s c-g-r c-g-b c-g-gr c-g-s c-gr-r c-gr-b c-gr-g c-gr-s c-s-r c-s-b c-s-g c-s-gr gr-r-b gr-r-g gr-r-c gr-r-s
2 2 2 1 2 2 2 1 1 2 2 1 0 1 1 1 2 2 1 0 2 2 2 1 2 2 2 1 1 2 2 0 0 1 1 0 0 1 0 0
gr-b-r gr-b-g gr-b-c gr-b-s gr-g-r gr-g-b gr-g-c gr-g-s gr-c-r gr-c-b gr-c-g gr-c-s gr-s-r gr-s-b gr-s-g gr-s-c s-r-b s-r-g s-r-c s-r-gr s-b-r s-b-g s-b-c s-b-gr s-g-r s-g-b s-g-c s-g-gr s-c-r s-c-b s-c-g s-c-gr s-gr-r s-gr-b s-gr-g s-gr-c
Type de substrat : r = roc b = bloc g = galet c = caillou gr = gravier s = sable Source : Côté et al., 1987a.
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1 2 2 0 1 2 2 0 0 2 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0
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On multiplie ensuite la cote du faciès avec celle de la granulométrie pour obtenir un résultat parmi quatre produits possibles (0, 1,2 ou 4) permettant de classer chaque bief dans un type d’habitat selon : Habitat
Produit
– habitat de catégorie Ill (le moins bon) – habitat de catégorie II – habitat de catégorie I (le meilleur)
0 1,2 4
À chaque catégorie d’habitat est ensuite associée une cote de production salmonicole par 100 m2, laquelle est définie selon les caractéristiques du cours d’eau. La cote de production associée à l’habitat de catégorie I est la cote de production relative générale estimée pour le cours d’eau. Cette cote prend une valeur maximale de cinq saumoneaux par 100 m2 pour les saumoneaux 2+ (Symons, 1979). On associe à la catégorie II environ 50 % de cette première cote et à la catégorie III environ 25 % de celle-ci. Chaque cote est respectivement multipliée par la superficie totale de chacun des trois types d’habitat. L’addition de ces trois valeurs de production nous donne l’estimé du potentiel salmonicole d’un cours d’eau en termes de saumoneaux. Le potentiel de production salmonicole nous permet également d’évaluer le nombre de géniteurs requis afin d’obtenir une production optimale. Ce nombre se calcule en comptabilisant les superficies d’habitat de catégorie I et II (Côté et al., 1987a). On utilise ensuite comme multiplicateur une moyenne d’environ 220 œufs/100 m2 pour des alevins 2+ (Symons, 1979). Ce résultat nous permet de connaître le nombre d’œufs nécessaires pour atteindre la production salmonicole déjà estimée. Le nombre de géniteurs est estimé selon le poids moyen des femelles et le rapport mâles/femelles des saumons adultes (Côté et al., 1987a), la fécondité du saumon atlantique variant de 1 650 à 1 760 œufs/kg de femelle (Symons, 1979).
3. APPLICATION DE LA MÉTHODE À UN SOUS-BASSIN DE LA RIVIÈRE SAINT-FRANÇOIS : LA RIVIÈRE AU SAUMON La mise au point de la méthode d’inventaire décrite plus haut a été réalisée lors d’une étude effectuée dans le sous-bassin de la rivière au Saumon, tributaire de la rivière Saint-François, où la Société Saumon Saint-François tente de réintroduire le saumon atlantique. Les résultats qui ressortent de cette étude sont d’autant prometteurs pour la Société Saumon Saint-François qu’ils ont permis d’améliorer l’efficacité et la qualité de la méthode d’inventaire.
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3.1. DESCRIPTION DU MILIEU Le bassin de la rivière Saint-François est situé dans la partie sud du Québec (figure 26.3). Ce bassin représente un territoire d’environ 10 230 km2 (Gélinas, 1977). L’exemple présenté ne porte toutefois que sur un sousbassin type : la rivière au Saumon (figure 26.4). La région de la rivière au Saumon se situe dans le plateau appalachien (Dubois, 1973), plus précisément sur les hautes terres à relief modéré des Cantons-de-l’Est. Les cours d’eau de cette région de relief mature ne semblent pas s’être ajustés à la structure du substratum rocheux. Les cours d’eau coulent parallèlement à la pente du relief local et recoupent la direction des formations géologiques avec un angle prononcé (Dubois, 1973). Le réseau dendritique de cette rivière correspond bien à un réseau fréquemment retrouvé dans les Appalaches. La plupart des cours d’eau de ce sous-bassin s’écoulent dans des dépôts glaciaires pour former des vallées droites et profondes et les principaux matériaux produits par l’érosion fluviale sont les graviers et les galets, provenant de roches métasédimentaires (Clavet, 1980). Ces substrats entrent dans la composition des bons sites pour la reproduction des saumons. FIGURE 26.3 Localisation de l’aire d’étude
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FIGURE 2 6 . 4 Bassin de la rivière au Saumon
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Le profil en long des cours d’eau du bassin de la rivière au Saumon est irrégulier, le plus souvent doux. D’une longueur d’environ 75 kilomètres et d’une pente moyenne de 0,58 % la rivière au Saumon demeure très représentative des bonnes rivières à saumon. 3.2. INVENTAIRE DE L’HABITAT SALMONICOLE L’inventaire complet du bassin de la rivière au Saumon a permis d’identifier certains secteurs cibles du territoire qui feront l’objet d’interventions prioritaires et certains sites offrant de bons habitats pour la reproduction et le développement du saumon. Ces étapes complé-tées, il est ensuite possible d’évaluer globalement le bassin et d’y localiser les sites potentiels de frayères et certains secteurs où des actions de reboisement des berges devront être prioritairement effectuées. L’inventaire ainsi complété permettra aux intervenants visant la réintroduction du saumon atlantique dans ce bassin de mieux diriger leurs actions d’ensemencement et d’aménagement. 3.3. POTENTIEL SALMONICOLE DU BASSIN Les données recueillies lors de la photo-interprétation ont été traitées et compilées afin d’évaluer le potentiel salmonicole de chaque cours d’eau dont la photo-interprétation était possible dans le bassin de la rivière au Saumon (tableau 26.5).
TABLEAU 26.5 Potentiel salmonicole (en saumoneaux) du bassin de la rivière au Saumon Cours d’eau Rivière au Saumon Rivière Ditton Rivière Chesham Ruisseau la Loutre Ruisseau Mining Ruisseau Bown Ruisseau Moffat Rivière Albion
Nombre de biefs
Potentiel salmonicole (saumoneaux)
97 38 29 7 7 14 11 7
18 389 2 123 1 042 1 143 171 1 030 9 911 1 091
Potentiel de production salmonicole total : 34 900 saumoneaux
3.4. CRITIQUE DES RÉSULTATS Les résultats obtenus sont très intéressants, soit une production estimée à 34 900 saumoneaux pour le bassin à l’étude. En effet, si l’on
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compare ces résultats avec la dernière rivière qui vient d’être restaurée au Québec, soit la rivière Jacques-Cartier près de Québec, afin d’y réintroduire le saumon, on s’aperçoit que le potentiel du bassin de la rivière au Saumon est très respectable. En effet, le bassin de la Jacques-Cartier, avec une superficie de 2 515 km2, possède un potentiel salmonicole évalué à 58 000 saumoneaux (GTRJC, 1979) ; en comparaison, on évalue, pour le bassin de la rivière au Saumon seulement, un potentiel d’environ 34 900 pour une superficie d’environ 1 030 km2. Il faut bien sûr considérer une certaine marge d’erreur dans ces chiffres, étant donné certains facteurs physiques difficilement identifiables par photo-interprétation. Toutefois, l’efficacité de la méthode fut estimée à plus de 80 %, lorsque des données recueillies sur le terrain ont été comparées à celles recueillies par photo-interprétation. De plus, les mesures des superficies calculées à partir des données de largeur et de longueur des biefs comportent une certaine marge d’erreur reliée à la surestimation des superficies calculées à d’autre moment qu’en période d’étiage. Toutefois, cette surestimation est en partie compensée par la sous-estimation qui découle de l’utilisation de l’échelle moyenne des photographies aériennes (1:15 000) lors du calcul des superficies de bief. Lorsqu’il y avait indécision lors de l’évaluation des paramètres hydrogéomorphologiques pendant la photo-interprétation, on choisissait les paramètres pouvant créer une éventuelle sous-estimation des données, afin d’obtenir des résultats dont les valeurs seraient plus fiables.
CONCLUSION La méthode mise au point au cours de cette étude permet, dans un premier temps, l’inventaire des facteurs physiques décrivant l’habitat salmonicole en rivière dans une région donnée et ce, principalement par photo-interprétation. En second lieu, elle permet la planification des interventions éventuelles et la gestion de la ressource saumon et du milieu qui l’abrite. Bien sûr, l’inventaire réalisé par cette méthode ne peut décrire les facteurs d’ordre biophysique comme les interactions entre espèces concurrentes ou les paramètres physico-chimiques, mais il permet toutefois de localiser les sites potentiels où ces études devraient être prioritairement menées. Elle constitue la première étape d’un inventaire biophysique complet d’un bassin. L’inventaire réalisé par photo-interprétation permet d’identifier efficacement les secteurs où, par exemple, des interventions de reboisement devront être réalisées afin d’assurer et de maintenir la protection des berges des cours d’eau. Elle permet aussi d’identifier les zones de contraintes majeures que peut représenter le drainage
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Jean-Marie M. Dubois et André Gosselin
agricole intensif ou encore l’opération d’une sablière en bordure du cours d’eau dont le lessivage, lors de précipitations, contribue au colmatage des frayères. Bref, l’inventaire fournit les premiers éléments d’information en vue de diriger les travaux de réaménagement (aires de pêche, fosses et frayères artificielles, etc.). Tous ces aspects font donc de cette méthode d’inventaire un outil de gestion efficace. Avec le développement de la télédétection satellitaire et surtout de la résolution spatiale, peut-être pourrons-nous envisager un jour l’utilisation de ce type d’imagerie en remplacement des photographies aériennes !
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ALLARD, Y. (1987). Étude d’avant projet pour la réintroduction du saumon atlantique dans le bassin de la rivière Saint-François : Volet historique, Société Saumon Saint-François, Drummondville, 133 pages. BOUDREAULT, A. (1984). Méthodologie utilisée pour la télé-interprétation des rivières à saumon de la Côte-Nord, Ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec, Québec, 26 pages. CARON, F. et G. OUELLET (1985). Méthodologie d’inventaire des saumons juvéniles au Québec, Ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec, document manuscrit, 13 pages. CHAMBERLIN, T.W. (1980). Aquatic System Inventory (Biophysical Stream Surveys, Ministry of Environment, Victoria, British Columbia, APD technical paper 1, 33 pages. CLAVET, D. (1980). Approche géomorphologique dans la détermination du potentiel d’accueil salmonicole des rivières des principales régions physiographiques du Québec. Bulletin de recherche n° 52-53, Département de géographie, Université de Sherbrooke, 83 pages. COTÉ, Y., P. DULUDE, D. JOMPHE, J.-P. LE BEL, G. OUELLET, A. ROULEAU et L. ROY (1987a). Essai de classification normalisée des substrats granulaires et des faciès d’écoulement pour l’évaluation de la production salmonicole, Ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec, Direction régionale des opérations régionales, Direction générale de la faune, 4 pages. COTÉ, Y., D. CLAVET, J.M. DUBOIS et A. BOUDREAULT (1987b). Inventaire des habitats à saumons et estimation de production par photographies aériennes. Restauration des rivières à saumons, M. Thibault et R. Billard (éd.), Institut national de recherches agronomiques, France, p. 85-94. DUBOIS, J.M. (1973). Caractéristiques naturelles des Cantons de l’Est, Centre de recherche en aménagement régional, Université de Sherbrooke, 129 pages. DUBOIS, J.M., D. CLAVET et G. DESMARAIS (1975). Rapport préliminaire sur la cartographie des facteurs hydromorphologiques influant sur l’activité du saumon de la rivière Matamek et de ses tributaires. Matamek Annual Report 1975, Woods Hole Oceanographic Institution, rapport WH01-75-62, p. 76-87.
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La restauration des rivières à saumons et la photo-interprétation
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DUBOIS, J.M. et D. CLAVET (1977). Hydromorphologie du bassin de la rivière Matamec et de la rivière Moisie et recommandations pour la cartographie des rivières à saumon du Québec : rapport final, Département de géographie, Université de Sherbrooke ; rapport à la Woods Hole Oceanographic Institution, 43 pages. DUBOIS, J.M. et D. CLAVET (1979). Télédétection de l’hydromorphologie et du potentiel de frayères à saumon de la rivière Saint-Jean en Gaspésie : rapport final, Département de géographie, Université de Sherbrooke ; rapport au Ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec, Service de la recherche biologique, 23 pages. ELSON, P.F. (1975). Atlantic salmon rivers, smolt production and optimal spawning ; an overview of natural production. Salmon Restoration Conference, International Atlantic Salmon Foundation Special Publication, n° 6, p. 96-119. GÉLINAS, J.-P. (1977). Programme de connaissances intégrées — caractéristiques physiques — bassin versant de la Saint-François, Service des relevés, Ministère des Richesses naturelles du Québec, E. A.-5, 103 pages. GTRJC (Groupe de travail de la rivière Jacques-Cartier) (1979). Avant-projet de restauration du saumon dans la rivière Jacques-Cartier, Ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec, 64 pages. HERRINGTON, R.B. et D.K. DUNHAM (1967). A technique for sampling general fish habitat characteristics of streams. U.S. Forest service, Research paper int-41, 12 pages. PLATTS, W. (1974). Geomorphic and Aquatic Conditions Influencing Salmonids and Stream Classification with Application to Ecosystem Classification. USDA, U.S. Forest service, Surface Environment and Mining Program, 108 pages. SCOTT, W.B. et E.J. CROSSMAN (1974). Poissons d’eau douce du Canada, Ministère de l’Environnement du Canada, Service des pêches et des sciences de la mer, Ottawa, p. 207-212. SYMONS, E.K. (1979). Estimated escapement of atlantic salmon (Salmo salar) for maximum smolt production in rivers of different productivity. Journal of the Fisheries Research Board of Canada, vol. 36, p. 132-140.
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SIGLES ET ABRÉVIATIONS
AAT : ACCT : ACDI : ACP : AGCD : AOF : APAR : ASE : AUPELF : AVHRR : BP : BOREAS : BRGM : CARTEL : CASI : CCD : CCE : CCR : CCREE : CCT : CENADEFOR : CFL :
Agence d’aménagement des terroirs (Niger) Agence de coopération culturelle et technique (Paris) Agence canadienne de développement international Analyse en composantes principales Administration générale de la coopération au développement Afrique-Occidentale française Absorbed Photosynthetically Active Radiation Agence spatiale européenne Association des universités partiellement ou entièrement de langue française Advanced Very High Resolution Radiometer (NOAA) Before Present (datations) Boreal Ecosystems Atmosphere Study Bureau de recherches géologiques et minières (France) Centre d’applications et de recherches en télédétection (Université de Sherbrooke, Québec, Canada) Compact Airborne Spectrographic Imager Charge Coupled Device Commission des Communautés européennes Centre commun de recherche de la CCE (Ispra, Italie) Conseil canadien de recherche sur l’évaluation environnementale Centre canadien de télédétection Centre national de développement des forêts (Cameroun) Centre de foresterie des Laurentides (Sainte-Foy, Québec, Canada)
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Sigles et abréviations
CILSS : CLDS : CMS : CNES : CNRS : COD : COT : CP : CRDI : CRSNG : CSE : CTFT : CTQ : CZCS : DCFTT : DCW : DEA : DMATC : DN : DR : ECP : EMR : EOSAT : ERS : ERTS : ETP : ETR : ESA : FAO : FCAR : FED : FEWS : FLI : GAC : GDTA : GIEWS : GPS :
Comité interétats de lutte contre la sécheresse au Sahel Canadian Land Data System Centre de météorologie spatiale (Lannion, France) Centre national d’études spatiales (France) Centre national de recherche scientifique (France, Viêt-Nam) Carbone organique dissous Carbone organique total Composante principale Centre de recherches en développement international (Canada) Conseil de recherches en sciences naturelles et génie (Canada) Centre de suivi écologique (Dakar, Sénégal) Centre technique forestier tropical (Abidjan, Côte-d’Ivoire) Centre de télédétection du Québec Coastal Zone Color Scanner (sur Nimbus 7) Direction de la conservation foncière et des travaux territoriaux (Maroc) Digital Chart of the World Diplôme d’études approfondies (France) Defense Mapping Agency Topographic Center Digital Number Delivery Ratio Encyclopédie des changements planétaires (Géoscope) Énergie, mines et ressources (Canada) Earth Observation Satellite Company Earth Resources Satellite (ESA) Earth Resources Technology Satellite (Rebaptisé LANDSAT en 1973) Évapotranspiration potentielle Évapotranspiration réelle European Space Agency Food and Agricultural Organization (Nations Unies) Fonds de formation des chercheurs et d’aide à la recherche (Québec) Fonds européen de développement Famine Early Warning System Fluorescence Line Imager (Monitek) Global Area Coverage (NOAA) Groupement pour le développement de la télédétection aérospatiale (France) Global Information and Early Warning System Global Positioning System
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Sigles et abréviations
HRPT : HRV : IAV : IFAN : IGAC : IGBF : IGCI : IGN : INRA : INRS : ITC : J-ERS : LAC : LAI : LANDSAT : LCC : MAPAQ : MEIS : MENVIQ : MER : MFO : MLCP : MNB : MNT : MSS : NAQUADAT : NASA : NDVI : NOAA : ONBI : ORSTOM :
PASL : PCCEG : PEP : PIB : PMI :
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High Resolution Picture Transmission Haute résolution visible (capteur SPOT) Institut agronomique et vétérinaire Hassan II (Maroc) Institut fondamental d’Afrique noire (Dakar, Sénégal) Institut géographique Augustin Codazzi (Bogota, Colombie) Institut géographique du Burkina Faso Institut géographique de Côte-d’Ivoire Institut géographique national (France) Institut national de la recherche agronomique (France) Institut national de la recherche scientifique (Québec, Canada) International Institute for Aerospace Survey and Earth Sciences (Pays-Bas) Japanese Earth Resources Satellite Local Area Coverage (NOAA) Leaf Area Index (indice foliaire) Land Satellite Lambert conique conforme (projection) Ministère de l’Agriculture, des Pêcheries et de l’Alimentation du Québec (Canada) Multispectral Electro-optical Imaging Scanner Ministère de l’Environnement du Québec (Canada) Ministère de l’Énergie et des Ressources (Québec, Canada) Ministère des Forêts (Québec, Canada) Ministère du Loisir, de la Chasse et de la Pêche du Québec (Canada) Modèle numérique de bathymétrie Modèle numérique de terrain Multi Spectral Scanner (sur LANDSAT) National Water Quality Data (Canada) National Aeronautics and Space Administration (États-Unis) Normalized Difference Vegetation Index (Indice de végétation) National Oceanographic and Atmospheric Administration Office national des barrages et de l’irrigation (Burkina Faso) Institut français de recherche pour le développement en coopération (autrefois, Office de recherche scientifique et technique d’outre-mer) Plan d’action Saint-Laurent (Québec, Canada) Programme canadien des changements à l’échelle du globe Placette-échantillon permanente (MFO) Produit intérieur brut Programmable Multispectral Instrument (anciennement FLI)
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Sigles et abréviations
PVI : RAS : RADAR : ROS : RPAA : RSI : SAFISY : SAR : SAS : SAVI : SEASAT : SIG : SIR-A : SIR-B : SIRS : SMMR : SPOT : STEFCE : SVIRR : TBE : TCP : TM : TSAVI : UCR : ULM : UREF : USAID : USLE : UTB : UTM : WEPP :
Perpendicular Vegetation Index Radar à antenne synthétique (parfois aussi RAAS) RAdio Detecting And Ranging Voir RAS Rayonnement photosynthétiquement actif absorbé Radarsat International (Canada) Space Agencies Forum for the International Space Year Synthetic Aperture Radar Statiscal Analysis System (logiciel) Soil Adjusted Vegetation Index Sea Satellite (NASA) Système d’information géographique Shuttle Imaging Radar A Shuttle Imaging Radar B Système d’information à références spatiales Scanning Multichannel Microwave Radiometer (sur Nimbus 7) Satellite pour l’observation de la Terre Service technique d’étude des facteurs climatiques de l’environnement (France) Scanning Visible and Infrared Radiometer Tordeuse des bourgeons de l’épinette Transformation en composantes principales Thematic Mapper (sur LANDSAT) Transformed Soil Adjusted Vegetation Index Urban Centred Region (Canada) (Avion) ultraléger motorisé Université des réseaux d’expression française United States Agency for International Development Universal Soil Loss Equation Unité tropicale de bétail Universal Transverse Mercator (projection) Water Erosion Prediction Project
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LISTE DES AUTEURS
ACHARD, Frédéric Centre commun de recherche de la Commission des Communautés européennes, TP 440 21020 Ispra (Varese) Italie ANSSEAU, Colette Département de biologie et Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1 K 2R1 Canada ANYS, Hassan Centre d’applications et de recherches en télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1 K 2R1 Canada BANA, Idé Agence d’aménagement des terroirs B.P. 37 Birni N’Gaouré Niger BARTHOLOMÉ, Étienne Institut des applications de la télédétection Centre commun de recherche Commission des Communautés européennes 1-21020, Ispra Italie
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Liste des auteurs
508 BEAUBIEN, Jean Centre de foresterie des Laurentides, région du Québec Forêts Canada 1055, rue du PEPS Sainte-Foy (Québec) G1V 4C7 Canada BÉNIE, Bertin Goze Centre d’applications et de recherches en télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada
BERTUZZI, Patrick Institut national de la recherche agronomique Station de Sciences du Sol, Centre de recherche d’Avignon B.P. 91, Domaine Saint-Paul 84 140 Montfavet CEDEX France BLASCO, François Groupement scientifique télédétection spatiale de Toulouse Centre national de recherche scientifique et université Paul Sabatier 39, allée Jules-Guesde 31062 Toulouse CEDEX France BONN, Ferdinand Directeur Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada Téléphone : (819) 821 71 80 Télécopieur : (819) 821 79 44 BRUCKLER, Laurent Institut national de la recherche agronomique Station de Sciences du Sol, Centre de recherche d’Avignon B.P. 91, Domaine Saint-Paul 84 140 Montfavet CEDEX France BRUNEAU, Michel CNRS-CEGET Domaine universitaire Esplanade des Antilles 33450 Talence CEDEX France
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Liste des auteurs
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BUTEAU, Pierre Ministère de l’Énergie et des Ressources Service géologique de Québec 5 700, 4e Avenue Ouest Charlesbourg (Québec) G1H 6R1 Canada CHAKROUN, Hédia Centre d’applications et de recherches en télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada CHANZY, André Institut national de la recherche agronomique Station de Sciences du Sol, Centre de recherche d’Avignon B.P. 91, Domaine Saint-Paul 84 140 Montfavet CEDEX France CIHLAR, Josef Centre canadien de télédétection EMR Canada 588, rue Booth, Ottawa (Ontario) K1A OY7 Canada CYR, Linda Centre canadien de télédétection 588, rue Booth Ottawa (Ontario) K1A OY7 Canada DAMS, Robert V. INTERA Technologies Ltd Suite 1000, 645 7th Avenue S.W. Calgary (Alberta) T2P 4G8 Canada DEFOURNY, Pierre Laboratoire de télédétection et d’analyse régionale Université Catholique de Louvain Place Louis-Pasteur, 3, Bâtiment Mercator B-1348, Louvain-la-Neuve Belgique DUBOIS, Jean-Marie CARTEL et Département de géographie et télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada
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Liste des auteurs
FOFANA, Mamadou Service autonome de télédétection (SAT) Direction et contrôle des grands travaux (DCGTx) Abidjan Côte-d’Ivoire GAUTHIER, Majella-J. Université du Québec à Chicoutimi Chicoutimi (Québec) G7H 2B1 Canada GOSSELIN, André CARTEL et Département de géographie et télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada GRANBERG, Hardy B. Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada GRENIER, Marcelle Environnement Canada Centre Saint-Laurent e 105, rue McGill, 4 étage Montréal (Québec) H2Y 2E7 Canada GUILLOT, Bernard Antenne ORSTOM Centre de météorologie spatiale B.P. 14 22302 Lannion France HINSE, Mario Ministère de l’Énergie et des Ressources Centre québécois de télédétection 1995, boul. Charest Ouest Québec (Québec) G1N 4H9 Canada
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JATON, Anick Centre de recherche en géomatique Faculté de foresterie et de géomatique Université Laval Sainte-Foy (Québec) G1K 7P4 Canada KANE, Racine Centre de suivi écologique/PNUD B.P. 154 Dakar Sénégal KARIMOUNE, Salifou Université de Niamey Niamey Niger LAMBERT, Elizabeth Département de géographie Memorial University of Newfoundland St. John’s (Newfoundland) AlB 3X9 Canada LANGAAS, Sindre UNEP GRID-Arendal, Stockholm Office c/o Dept. of Systems Ecology Stockholm University S-106 91 Stockholm Suède LAPORTE, Nadine NASA/Goddard Space Flight Center, Code 923 20771 Greenbelt, MD États-Unis LETOAN, Thuy CESR 9, av. Colonel-Roche 31400 Toulouse France LEMIEUX, Gilles-H. Université du Québec à Chicoutimi Chicoutimi (Québec) G7H 2B1 Canada
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Liste des auteurs
LÉTOURNEAU, Guy Centre d’applications et de recherches en télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada MAIRE, Gérard CNRS-CEREG Université Louis-Pasteur 3, rue de l’Argonne 67083 Strasbourg CEDEX France MELANÇON, Michel Centre Saint-Laurent, Environnement Canada e 1141, route de l’Église, 8 étage Sainte-Foy (Québec) G1V 4H5 Canada MERZOUK, Abdelaziz Département des sciences du sol Institut agronomique et vétérinaire Hassan II B.P. 6202, Rabat-Instituts Maroc MOUCHOT, Marie-Catherine Centre canadien de télédétection Énergie, Mines et Ressources Canada 588, rue Booth Ottawa (Ontario) K1A OY7 Canada N’GUESSAN, Kouakou Edouard Faculté des sciences et techniques Université d’Abidjan B.P. 582 Abidjan 22 Côte-d’Ivoire NGUYEN, Xuan Dao CNRS Viêt-Nam Institut de géologie (Hanoi) Nghia Do Tu Liem Hanoi Viêt-Nam
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Liste des auteurs
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O’NEILL, Norman T. Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada OZER, André Université de Liège 7, place du XX Août B-4000 Liège Belgique PALMIER, Catherine Département de biologie et Centre d’applications et de recherches en télédétection Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada PERRON, Suzie Université du Québec à Chicoutimi Chicoutimi (Québec) G7H 2B1 Canada PHAM, Van Cu CNRS Viêt-Nam Institut de géologie (Hanoi) Nghia Do Tu Liem Hanoi Viêt-Nam PLATEL, Nicole CNRS-CEGET Domaine universitaire Esplanade des Antilles 33450 Talence CEDEX France PRÉVOST, Christian Centre canadien de télédétection 588, rue Booth Ottawa (Ontario) K1A 0Y7 Canada PRÉVOST, Yves Centre de suivi écologique/PNUD B.P. 154 Dakar Sénégal
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Liste des auteurs
RIVARD, Lambert 300, rue St-Georges, app. 201 St-Lambert (Québec) J4P 3P9 Canada ROYER, Alain Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada RYERSON, Robert A. Centre canadien de télédétection 588, rue Booth Ottawa (Ontario) K1A 0Y7 Canada SAVANE, Mustapha Station de bioclimatologie-INRA B.P. 91 84143 Montfavet CEDEX France SCHUEPP, Peter MacDonald College/McGill University 805 Sherbrooke Street West Montréal (Québec) H3A 2K6 Canada SEGUIN, Bernard Station de bioclimatologie-INRA B.P. 91 84143 Montfavet CEDEX France SEUTHÉ, Chantal Ministère de l’Énergie et des Ressources Centre québécois de télédétection 1995, boul. Charest Ouest Québec (Québec) G1N 4H9 Canada SIMARD, Réjean Centre canadien de télédétection 588, rue Booth Ottawa (Ontario) K1A OY7 Canada
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Liste des auteurs
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SINGH, Bhawan Département de géographie Université de Montréal C.P. 6128, succ. A, Montréal (Québec) H3C 3J7 Canada ST-ARNAUD, Robert SIRA Inc. B.P. 67 Sainte-Geneviève-de-Batiscan (Québec) G0X 2R0 Canada THÉRIAULT, Andrée Centre d’applications et de recherches en télédétection (CARTEL) Université de Sherbrooke Sherbrooke (Québec) J1K 2R1 Canada THOMPSON, M. Diane INTERA Technologies Ltd Suite 1000, 645 7th Avenue S.W. Calgary (Alberta) T2P 4G8 Canada THOMSON, Keith Centre de recherche en géomatique Faculté de foresterie et de géomatique Université Laval Sainte-Foy (Québec) G1K 7P4 Canada TURNER, Anthony M. Direction générale des terres, Environnement Canada Place Vincent-Massey Ottawa (Ontario) K1A OH3 Canada USSELMANN, Pierre Maison de la Géographie 17, rue Abbé de l’Épée 34 000 Montpellier France
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Liste des
VERREAULT, René Université du Québec à Chicoutimi Chicoutimi (Québec) G7H 2B1 Canada VIAU, Main Département des sciences géodésiques et télédétection Pavillon Casault, Université Laval Sainte-Foy (Québec) G1K 7P4 Canada VINCENT, Pierre Viasat Géotechnologies inc. 419, boul. Rosemont Montréal (Québec) H2S 1Z2 Canada YERGEAU, Michel 916, rue de Courcelette Sherbrooke (Québec) J1H3X7 Canada YOupO, Orega Service autonome de télédétection (SAT) Direction et contrôle des grands travaux (DCGTx) Abidjan Côte-d’Ivoire
© 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
LISTE DES FIGURES ET TABLEAUX
INTRODUCTION Figure 1 : La fabrication d’une image numérique par un système à balayage transversal .................................................. Figure 2 : La fabrication d’une image radar et la sensibilité du signal radar aux propriétés du terrain ..................................... Figure 3 : Les possibilités de dépointage, de couverture stéréoscopique et de visée répétitive de SPOT .......................... Figure 4 : Les modes d’acquisition des images RADARSAT...... CHAPITRE 1 CHAPITRE 2
Figure 1.1 : Réponses spectrales des différents types de sols de la région de Settat (d’après Hinse et al., 1989) ............... Figure 2.1 : Localisation du secteur d’étude ............................... Figure 2.2 : Évolution des précipitations moyennes quinquennales dans les principales stations du secteur d’étude de 1950 à 1987 ............................................................... Figure 2.3 : Rose des vents à Zinder en 1975 et en 1987 ......... Figure 2.4 : Évolution du nombre de jours de brume sèche et de chasse-sable entre 1951 et 1988 ....................................... Figure 2.5 : Application d’un filtre gradient à 135° à la scène entière .......................................................................................... Figure 2.6 : Filtrage à 45° (scène entière) .................................. Figure 2.7 : Seuillage interactif (même secteur que la planche Ill) .................................................................................... Figure 2.8 : Carte morphologique schématique de la région de Zinder ...................................................................................... Figure 2.9 : Remise en mouvement des sables au sommet d’une dune près de Zinder ...........................................................
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5 7 9 16 26 34
36 37 38 40 41 42 44 51
518
Liste des figures et tableaux
Figure 2.10 : Érosion éolienne et formation de caoudeyres au sommet de dunes transversales au sud de Wacha .................... Figure 2.11 : Caoudeyrisation sous un Balanites ægyptiaca au nord de Birni-Kazoé .................................................................... Figure 2.12 : Épandages de grenailles latéritiques ......................... Tableau 2.1 : Précipitations annuelles à Zinder (1905-1987) ......... CHAPITRE 3
Figure 3.1 : Relation linéaire entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 – 5 cm. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°) .................................................... Figure 3.2 : Relation linéaire entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 – 5 cm. Cas de la configuration 2 (5,3 GHz, polarisation VV, 23°) ..................................................... Figure 3.3 : Profils hydriques expérimentaux .................................. Figure 3.4 : Profondeurs de pénétration calculées pour les profils hydriques expérimentaux ...................................................... Figure 3.5 : Relations entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°) ....................................................... Figure 3.6 : Influence de la rugosité sur la relation entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 – 5 cm. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°) ............................... Figure 3.7 : Influence de l’hétérogénéité spatiale de l’humidité sur la relation linéaire entre le coefficient de rétrodiffusion et l’humidité volumique du sol pour une profondeur de prélèvement de 0 – 5 cm. Cas de la configuration 1 (5,3 GHz, polarisation HH, 15°) ....................................................... Figure 3.8 : Dépendance du modèle d’optique physique à la variation de l’humidité de surface. Influence de la profondeur de prélèvement (5,3 GHz, polarisation HH) ..................................... Tableau 3.1 : Caractéristiques statistiques de régressions linéaires entre la teneur en eau volumique (0 – 5 cm) et le coefficient de rétrodiffusion radar ..................................................... Tableau 3.2 : Comparaison des paramètres des régressions non linéaire et parabolique entre le coefficient de rétrodiffusion radar et l’humidité volumique du sol (Configuration 1:5,3 GHz, 15°, HH) .........................................................................
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67
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Liste des figures et tableaux
CHAPITRE 4
CHAPITRE 5
CHAPITRE 6
519
Figure 4.1 : Plate-forme du CARTEL pour la mesure des réflectances spectrales au sol .......................................................... Figure 4.2 : Photographie verticale du maïs ayant servi à la mesure du taux de couverture ......................................................... Figure 4.3 : Intégration du modèle hydrologique Hydrotel et d’un modèle de pertes de sols à l’échelle de l’événement dans un système d’information géographique (d’après Chakroun et al., 1993) ........................................................ Figure 4.4 : Évolution du taux de couverture et des indices de végétation pour le maïs (a) et le pâturage (b) ............................. Figure 4.5 : Relation entre le TSAVI et le taux de couverture pour toutes les cultures (a) et pour le maïs (b) ................................ Figure 4.6 : Relation entre les indices mesurés au sol et ceux extraits des images SPOT pour les mêmes classes de culture ....... Figure 4.7 : Évolution annuelle comparée du taux de couverture et de l’érosivité cumulée des pluies pour le maïs (a) et le pâturage (b) .........................................................................
83 83
87 88 89 90
92
Figure 5.1 : Distribution des moyennes de réflectance des tourbières (a) sur les bandes brutes (b) sur les bandes décorrélées par transformation en composantes principales (TCP) ................................................................................................
107
Tableau 5.1 : Statistiques des bandes brutes pour les tourbières .. ...........................................................................................................
108
Figure 6.1 : Localisation des sites d’étude ......................................
116
Tableau 6.1 : Paramètres de prise de vue et conditions lors de l’acquisition des images .............................................................. Tableau 6.2 : Équations des régressions linéaires entre les variables de la qualité de l’eau et les images MEIS-II, n = 10 ......... Tableau 6.3 : Équations des régressions linéaires entre les variables de la qualité de l’eau et les images PMI, n = 10 ............... Tableau 6.4 : Comparaison des résultats des images avec les relevés au sol à Sorel ....................................................................... Tableau 6.5 : Comparaison des résultats des images aux relevés au sol pour le site de la baie Saint-François .......................
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117 121 121 122 124
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Liste des figures et tableaux
CHAPITRE 7
CHAPITRE 8
CHAPITRE 9
CHAPITRE 10
Figure 7.1 : Carte de localisation du site d’étude ..................... Figure 7.2 : Carte de localisation des polygones d’échantillonnage utilisés pour le calcul du coefficient de corrélation entre la profondeur de l’eau et les variables Xv et Xr des images HRV et TM ..................................................... Figure 7.3 : Distribution des valeurs pixels du polygone d’échantillonnage de Saint-Siméon dans l’espace d’analyse formé par les variables X, et Xr des images HRV et TM ...........
134
138
141
Tableau 7.1 : Identification et conditions d’enregistrement des images HRV et TM utilisées dans l’analyse ....................... Tableau 7.2 : Estimation de la différence de réflectance entre le substrat et les macrophytes (dr(ms)i) selon la profondeur, pour les bandes spectrales du vert et du rouge de HRV et TM ........................................................................... Tableau 7.3 : Coefficient de corrélation entre la profondeur de l’eau et les variables Xv et Xr pour dix secteurs du site d’étude........................................................................................ Tableau 7.4 : Comparaison des superficies (hectares) occupées par les macrophytes et par le substrat nu, à différentes profondeurs, sur les images HRV et TM (superficie relative (%) par classe de profondeur) ....................
142
Figure 8.1 : Localisation de la scène LANDSAT/TM 195-56 Q3 et de la zone d’étude ...........................................................
150
Tableau 8.1 : Règle d’interprétation des photographies aériennes et de l’image satellitaire ............................................
153
Figure 9.1 : Image RAAS (Radar à antenne synthétique) d’une forêt tropicale au 1:25 000 ..............................................
176
135
139
140
Tableau 9.1 : Principales caractéristiques de ERS-1 (ESA) (d’après Francis et al., 1991) .................................................... Tableau 9.2 : Principales caractéristiques de J-ERS-1 (d’après NASDA, 1989) ............................................................ Tableau 9.3 : Configuration du système d’acquisition et caractéristiques connexes de RADARSAT ...........................
170
Tableau 10.1 : Valeur numérique relative de quatre types de couvert forestier sur les six bandes réflectives de l’imagerie LANDSAT/TM ...........................................................
184
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168 169
Liste des figures et tableaux
CHAPITRE 11
CHAPITRE 12
CHAPITRE 13
521
Tableau 10.2 : Niveaux de séparation (distance de Bhattacharrya (Richard, 1986)) du résineux sain et sévèrement défolié pour les bandes spectrales réflectives TM, individuellement et suivant trois types de combinaison ................................................................................. Tableau 10.3 : Valeur numérique relative de quatre types de couvert forestier sur trois combinaisons de bandes fréquemment utilisées, étalées sur les axes de l’espace de couleurs de « Taylor » ............................................................
188
Tableau 10.4 : Classes de défoliation par TBE généralement interprétées sur imagerie TM, accentuée à cette fin .........................................................................................
189
Figure 11.1 : (a) Spectres de réflectance et (b) dérivées premières de feuilles d’érables à sucre (Acer Saccharum Marsh.) sains et dépéris. Moyennes de cinq mesures ................ Figure 11.2 : Variations saisonnières (a) des teneurs en -2 chlorophylle totale (mg·cm ) et (b) de la longueur d’onde (nm) du point d’inflexion du spectre de réflectance de feuilles d’érables à sucre (Acer saccharum Marsh.) sains et dépéris. Moyenne et écart type de cinq feuilles ............. Figure 11.3 : Variation de la longueur d’onde du point d’inflexion du spectre de réflectance de feuilles d’érables à sucre (Acer saccharum Marsh.) en fonction de la teneur en chlorophylle totale (mg·cm-2). Équation de régression polynominale de degré deux ........................................................ Figure 12.1 : Courbes d’évolution du NDVI et de la température de surface en zone guinéenne sur le parc national de la Marahoué et la réserve du Haut-Sassandra .......................
185
202
203
203
221
Tableau 12.1 : Caractéristiques des capteurs NOAA/AVHHR, SPOT/HRV et LANDSAT/TM ....................................................... Tableau 12.2 : Description physionomique simplifiée des unités de végétation dans la zone d’étude (d’après Guillaumet et Adjanohoun, 1971 et UNESCO, 1973) ....................................
218
Figure 13.1 : Les bandes radar dans le spectre électromagnétique ..................................................................................
232
Tableau 13.1 : Les principaux systèmes RAS aéroportés depuis 1970 ................................................................................. Tableau 13.2 : Les caractéristiques du RAS de SEASAT, de SIR-A et SIR-B ........................................................................
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216
233 234
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Liste des figures et tableaux
CHAPITRE 14
CHAPITRE 15 CHAPITRE 16
Tableau 13.3 : Les futurs RAS satellitaires .............................. Tableau 13.4 : Les possibilités du RAS en foresterie ..............
234 240
Figure 14.1 : Diagramme de dispersion entre le recouvrement et l’indice de végétation (NDVI) calculé pour trois dates différentes d’enregistrement (données LANDSAT/MSS pour le mois d’octobre et LANDSAT/TM pour le 19 novembre)................................................................. Figure 14.2 : Comparaison de neuf droites de régression correspondant aux neuf séries d’échantillons répartis sur l’ensemble de la scène du 4 novembre 1990 ...........................
254
255
Tableau 14.1 : Données traitées dans le cadre de l’analyse multitemporelle ..........................................................................
256
Figure 15.1 : Évolution des réflectances d’une surface avant et après le passage du feu .......................................................
270
Figure 16.1 : Diagramme des interrelations entre les variables déterminant le calcul du bilan céréalier .................................... Figure 16.2 : Synthèse de la méthode proposée pour l’amélioration de la collecte des statistiques agricoles ............. Figure 16.3 : Variation de la différence d’indice de végétation NDVI entre domaine agricole et domaine non agricole au cours de la saison dans une zone du Bélédougou (nord de Bamako, Mali) ............................................................ Figure 16.4 : Corrélation entre le démarrage de la courbe temporelle d’indice de végétation, indiquant le début du développement de la végétation et la date de la première décade suffisamment pluvieuse pour autoriser le développement des cultures ............................................................. Tableau 16.1 : Principales caractéristiques de l’économie agricole des quatre pays étudiés (moyennes 1980-1984 d’après DIAPER, 1987 et divers annuaires nationaux) ............ Tableau 16.2 : Bilan céréalier des quatre pays étudiés dans le contexte africain et mondial (les quatre pays : moyennes période 1979-1985 d’après DIAPER, 1987, l’Afrique ACP et le monde : moyennes 1979-1988 d’après le FAO-Van de Velde, 1989) ..............................................................................
CHAPITRE 17
Figure 17.1 : Schéma d’intégration des différents éléments (et modèles associés) à considérer dans l’analyse de l’impact d’un changement climatique sur la forêt boréale ......................
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278 290
297
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Liste des figures et tableaux
523
Figure 17.2 : Organigramme schématique du modèle de simulation dynamique de la forêt boréale utilisé pour l’analyse des interactions entre le climat et la productivité forestière (d’après Bonan, 1990) ........................................................................... Figure 17.3 : Classification de la couverture du sol à partir d’une mosaïque d’images AVHRR-NOAA (1988-1989) superposée au fichier de l’Atlas national (limite administrative, réseau hydrographique, lacs et routes) de la région de Matagami, au sud de la baie James (Québec). La région correspond à la pessière noire à mousse .............................. Figure 17.4 : Répartition des points de grille (carrés) du modèle climatique du CCC et localisation des stations météorologiques considérées dans l’analyse (étoiles) ...................................................... Figure 17.5 : Localisation des placettes-échantillons permanentes du ministère des Forêts du Québec (MFO) correspondant à la forêt boréale ........................................................................................... Figure 17.6 : Limites des 33 régions écologiques du ministère des Forêts du Québec (MFO) pour la forêt boréale (Thibault, 1985). En médaillon, les régions du lac Saint-Jean (I) et de la Gaspésie (II) ............................................................................. Figure 17.7 : Carte des pédopaysages de la région du Québec (Centre de recherche sur les terres, Agriculture Canada) : (A) fichier brut intégré dans le GIS ; (B) fichier corrigé (sans le réseau hydrographique) ........................................................... Tableau 17.1 : Description de la base de données utilisée dans la modélisation de la dynamique forestière ........................................... Tableau 17.2 : Variations des températures moyennes pour les saisons d’hiver (DJF) et d’été (JJA) et des précipitations totales pour chaque point de grille du modèle climatique du CCC ................... Tableau 17.3 : Définition et correspondance des classes considérées dans l’analyse de l’image LANDSAT-TM (planche XXII) et de l’image AVHRR-NOAA (planche XXIII) ........................................ Tableau 17.4 : Comparaison des classes de l’image LANDSAT-TM avec les inventaires forestiers effectués sur 16 placettes de contrôle au sol (4 points d’échantillonnage de 1/25 ha par placette) de la région de Matagami ......................................................................
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Liste des figures et tableaux
Tableau 17.5 : Moyennes de la biomasse anhydre totale (t/ha) des placettes-échantillons permanentes (PEP) pour quatre régions écologiques de l’Ouest du Québec (voir figure 17.6), observées et simulées pour différentes conditions climatiques (climat actuel = 1 x CO2 et climat 2 x CO2) .......................................................................... CHAPITRE 18
Figure 18.1 : Le secteur d’étude, représenté par l’image LANDSAT-TM 6 de nuit ............................................................ Figure 18.2 : Diagramme topographique de la sous-région d’étude ...................................................................................... Figure 18.3 : Séquence des traitements numériques ............. Figure 18.4 : Les classes d’orientation .................................... Figure 18.5 : Profil thermique et topographique ...................... Figure 18.6 : Modèle statistique décrivant la relation entre les données de températures de surface et l’altitude selon le thème (A) conifères (B) feuillus et (C) agricole ........................ Figure 18.7 : Modèle statistique décrivant la relation entre les données de températures de surface et la pente selon le thème (A) conifères (B) feuillus et (C) agricole ........................ Figure 18.8 : Relation entre les températures de surface et l’orientation des pentes selon le thème (A) conifères, (B) feuillus et (C) agricole ......................................................... Tableau 18.1 : Résultat de la régression multiple sur l’ensemble des données ........................................................... Tableau 18.2 : Résultat de la régression multiple par thème d’utilisation ................................................................................
CHAPITRE 19
CHAPITRE 20
Figure 19.1 : Carte des stations climatiques du réseau INRA-STEFCE utilisées pour cette étude ................................ Figure 19.2 : Évolution de Σ (Ts– Ta) pour différents sites au cours de l’année 1985 ......................................................... Figure 19.3 : Évolution comparée de Σ (Ts– Ta) en 1986 et 1987 pour Avignon .................................................................... Figure 19.4 : Évolution de Σ (Ts– Ta) pour différents sites au cours de l’année 1989 ......................................................... Figure 19.5 : Évolution comparée de Σ (Ts– Ta) pour les années 1986 à 1989 pour la région de Toulouse ..................... Figure 20.1 : Localisation de la forêt domaniale de Saint-Félicien et de l’aire d’étude microclimatique au camp forestier Dupont ........................................................................
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326 334 335 337 338 339
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343 340 340 351 353 353 354 355
362
Liste des figures et tableaux
525
Figure 20.2 : a) Capteur anémographique à catadioptres de type girouette articulée à déflecteurs latéraux (vue en plan) b) Capteur anémographique à catadioptres de type pendule à traînée c) Capteur anémographique à catadioptres de type girouette à curseur ........................................................................... 365-366 Figure 20.3 : Histogramme en sept classes des divers seuils de niveaux d’émission thermique correspondant à des unités de terrain dans le secteur du camp forestier Dupont .................................. 369 Figure 20.4 : Biseau d’air froid stagnant dans une aire de coupe forestière à blanc (nuit d’inversion thermique du 9 octobre 1983) ........ 371 Figure 20.5 : Anémographie aérienne du patron moyen de l’écoulement d’air froid à un mètre du sol, la nuit du 31 octobre 1985, du secteur géographique couvert par la thermographie de la planche XXVIIIb ..................................................................................... 372 Figure 20.6 : Risque de gel nocturne .................................................... 375 Figure 20.7 : Topographie ..................................................................... 375 Figure 20.8 : Pente ................................................................................ 376 Figure 20.9 : Radiation solaire directe .................................................. 376 Figure 20.10 : Couvert forestier ............................................................ 377 Figure 20.11 : Densité de la végétation ................................................ 377 Figure 20.12 : Densité de la végétation vs risque de gel nocturne ...... 378 CHAPITRE 21
Tableau 21.1 : Données de couverture mondiale ................................. Tableau 21.2 : Données de couverture régionale ................................. Tableau 21.3 : Fonctions de base de l’Encyclopédie ...........................
CHAPITRE 22
Figure 22.1 : Carte du Cameroun montrant l’emplacement des planches XXXIII à XXXVI, l’étendue générale des zones de végétation saisonnière brûlées apparaissant sur la scène TM utilisée ainsi que les régions bioclimatiques majeures .......................... Figure 22.2 : Carte-index de la couverture du Cameroun par LANDSAT-5 TM ............................................................................... Figure 22.3 : a) Carte manuscrite d’une portion de 55 x 30 km à 1:200 000 montrant le tracé de l’analyste pour les classes de couverture végétale tirées d’une projection de scène TM de 1:1 140 000. Ce secteur est entouré sur la figure 22.3b ainsi que sur les planches XXXIIIa et b neuf classes de couvertures ont été décelées à l’intérieur de ce secteur b) Même région que la figure 22.3a. Portion de la carte du couvert végétal du Cameroun parue au 1:1 000 000 montrant le tracé des classes
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388 389 390
400 401
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Liste des figures et tableaux
de couvertures tirées d’une vision stéréoscopique de la bande 5 et de diapositives fausses couleurs d’une scène MSS, dont une partie est montrée sur la planche XXXIIIa. Seulement quatre classes de couverture ont été décelées dans cette région ; les numéros de classe sont les mêmes que sur la figure 22.3a ......................................................
406-407
Tableau 22.1 : Légende des classes du couvert végétal employées pour l’analyse des images TM ............................... Tableau 22.2 : Proportions mensuelles de l’extension spatiale du développement urbain ............................................ Tableau 22.3 : Composantes majeures du projet de cartographie de l’urbanisation des zones rurales 1981-1986 utilisant l’imagerie Thematic Mapper de LANDSAT ................. Tableau 22.4 : Zones de changement urbain net (hectares) déterminées de façon conventionnelle (photographie aérienne et/ou observation de terrain) et mesurées dans le Système de données sur les terres du Canada (CLDS) et l’imagerie Thematic Mapper telle que cartographiée par deux interprètes et mesurée avec un planimètre numérique ................................................................................. Tableau 22.5 : Classes de cartographie d’utilisation du sol à l’interface agriculture-forêt de l’Alberta ..................................... Tableau 22.6 : Évaluation de la précision, par nombre de polygones, pour chaque sous-région de l’interface agricultureforêt dans la zone du projet ......................................................
404 409
410
411 414
415
CHAPITRE 23
Tableau 23.1 : Esquisses d’aménagement .............................
CHAPITRE 24
Figure 24.1 : Situation des deux images SPOT dans le delta du fleuve Rouge (Song Hong) ......................................... Figure 24.2 : Image de Hanoi, les grandes unités géomorphologiques .................................................................. Figure 24.3 : Image de Haiphong : les grandes unités géomorphologiques .................................................................. Figure 24.4 : Image de Haiphong : exemples d’extraction des contours du réseau hydrographique, des canaux et des digues ............................................................................. Figure 24.5 : Exemple d’une procédure utilisée pour l’extraction des contours ...........................................................
453
Figure 25.1 : Méthode d’intégration des données multisources pour la gestion des ressources en eau au Sahel .....................
460
CHAPITRE 25
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429
437 438 446
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Liste des figures et tableaux
CHAPITRE 26
527
Figure 25.2 : Carte du Burkina Faso et de la zone de Pissila Figure 25.3 : Carte du bassin versant ...................................
461 471
Tableau 25.1 : Besoins en eau au Sahel .............................. Tableau 25.2 : Volume de déperdition des nouveaux sites de barrages ............................................................................ Tableau 25.3 : Estimation du ruissellement et du volume potentiel de retenue d’eau ...................................................... Tableau 25.4 : Classes de sol numérisées ........................... Tableau 25.5 : Indice de rendement des cultures en fonction du sol ...................................................................................... Tableau 25.6 : Indice de rendement des cultures (iC) ........... Tableau 25.7 : Cultures optimales en fonction des classes de sol ......................................................................................
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Figure 26.1 : Légende cartographique applicable à l’inventaire de l’habitat salmonicole .................................................. Figure 26.2 : Exemple de cartographie de données recueillies par photo-interprétation ......................................... Figure 26.3 : Localisation de l’aire d’étude ............................ Figure 26.4 : Bassin de la rivière au Saumon ....................... Tableau 26.1 : Types de substrats ........................................ Tableau 26.2 : Description et critères d’interprétation des facteurs hydrogéomorphologiques ......................................... Tableau 26.3 : Évaluation salmonicole des faciès d’écoulement rencontrés dans les cours d’eau ................................ Tableau 26.4 : Évaluation salmonicole des assemblages granulométriques des cours d’eau ......................................... Tableau 26.5 : Potentiel salmonicole (en saumoneaux) du bassin de la rivière au Saumon ..............................................
© 1994 – Presses de l’Université du Québec Édifice Le Delta I, 2875, boul. Laurier, bureau 450, Sainte-Foy, Québec G1V 2M2 • Tél. : (418) 657-4399 – www.puq.ca Tiré : Télédétection de l’environnement dans l’espace francophone, Ferdinand Bonn (dir.), ISBN 2-7605-0704-1 • SA704N Tous droits de reproduction, de traduction ou d’adaptation réservés
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LISTE DES PLANCHES COULEURS
CAHIER 1 Planche I : Les puits de pétrole du Koweït en feu, vus par le Thematic Mapper de LANDSAT-5 Planche II : Carte des sols de la région de Settat (Maroc) obtenue à l’aide d’une classification dirigée d’une image Thematic Mapper de LANDSAT-5 basée sur les canaux TM 3, TM 4, TM 5 et TM 7 Planche Ill : Composition colorée et annotée d’une sous-scène SPOT-1 acquise le 27 novembre 1987 sur la région de Zinder au Niger Planche IV : Schéma général d’intégration des trois niveaux d’information pour la modélisation spatiale de l’érosion Planche V : Carte des pentes du bassin de l’oued Aricha au Maroc Planche VI : Carte des indices d’érodabilité des sols du bassin de l’oued Aricha, dérivée de la carte des sols de la région Planche VII : Carte des pertes de sol annuelles du bassin de l’oued Aricha au Maroc, résultant de l’intégration de plusieurs niveaux du SIG Planche VIII : Carte du potentiel érosif du même bassin au Maroc, correspondant à une hypothétique absence totale de végétation Planche IX : Sous-image LANDSAT-TM accentuée par la transformation en composantes principales. Région de la baie James entre les rivières Harricana au sud-ouest et Nottaway au nord-est Planche X : Image du carbone organique dissous obtenue avec le capteur MEIS-II (30 octobre 1989) à Sorel (bande 2) Planche XI : Image du carbone organique dissous obtenue avec le capteur MEIS-Il (30 octobre 1989) à la baie Saint-François (bande 2) Planche XII : Image du carbone organique dissous obtenue avec le capteur PMI (14 octobre 1989) à la baie Saint-François (bande 5/3)
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Liste des planches couleurs
Planche XIII : Image des matières en suspension obtenue avec le capteur MEIS-II (30 octobre 1989) à la baie Saint-François (bande 5/1) Planche XIV : Image-synthèse de comparaison des résultats de l’analyse des données HRV et TM pour la détection des macrophytes Planche XV : Photographies d’écran des traitements réalisés sur l’image LANDSAT/TM du secteur d’étude. 1) Composition colorée TM 4, TM 7, TM 3. 2) Classification dirigée. 3) Indice de végétation Planche XVI : Cartographie thématique du milieu périlagunaire de Bingerville-Bassam-Ono : a) en 1956, par photographies aériennes ; b) en 1987, par télédétection spatiale Planche XVII : Accentuation forestière par combinaisons linéaires de bandes spectrales de la région de Charlevoix (Québec) (image TM du 09-08-85), mettant en évidence les dommages causés par la tordeuse des bourgeons d’épinette Planche XVIII : Image NOAA HRPT du 13 janvier 1987. Agrandissement sur le parc national de la Marahoué et la réserve du Haut-Sassandra. Composition colorée : rouge = canal AVHRR-3, vert = canal AVHRR-2, bleu = canal AVHRR-1 Planche XIX : Carte des forêts denses humides de l’Ouest de la Côted’Ivoire, de l’Est du Libéria et des monts Nimba en Guinée obtenue par synthèse de classifications automatiques de deux images HRPT, 13 janvier 1987 et 4 janvier 1989 (d’après Laporte, 1990) CAHIER 2 Planche XX : Ensemble de cartes des surfaces cultivées, des rendements agricoles et de la saison végétative Planche XXI : Combinaison des classes de texture et drainage dérivées de la carte des pédopaysages de la région de Matagami (Québec) Planche XXII : Classification de la couverture du sol établie à partir d’une image TM-LANDSAT (20 août 1991) et localisation des placettes- échantillons permanentes (PEP : O) du MFO et des sites de références échantillonnés au sol (POF : D) de la région de Matagami, au sud de la baie James, Québec (Lat. N 49° 46', Long. W 77° 48') Planche XXIII : Classification de la couverture du sol établie à partir d’une image AVHRR-NOAA (24 août 1991), couvrant la zone s’étendant de la baie James à Montréal (Beaubien et Simard, 1993) Planche XXIV : a) Intégration et combinaison des données de surface (image de télédétection AVHRR-NOAA) avec celles du sous-sol (pédopaysage) constituant un fichier d’entrée au modèle de simulation pour la région de Matagami
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b) Régionalisation du modèle écologique de simulation de la dynamique forestière illustrant la production de biomasse ligneuse (en t.ha-1) pour chaque type de peuplement correspondant à un âge de 90 ans associé à la couverture végétale de chaque pixel Planche XXV : Cartographie de I’ETR sur six mois (mai-octobre) pour les années 1986 et 1987 Planche XXVI : a) Photographie infrarouge fausses couleurs du camp forestier Dupont, secteur du lac à Basile, 8 juin 1985, altitude 4 500 m b) Thermographie nocturne par capteur Daedalus du même secteur et cartographie numérique des unités de terrain, 7 juin 1985, altitude 4 500 m, pixel de 10 m Planche XXVII : a) Mise en relation de la thermographie nocturne des coupes par bandes de la planche XXVIb avec la topographie et le sens d’écoulement de l’air froid b) Fenêtre agrandie d’une téléinterprétation topothermographique des coupes par bandes de la planche XXVIIa Planche XXVIII : a) Thermographie nocturne par capteur Daedalus d’une coupe forestière à blanc en vue de l’exploitation d’une bleuetière (7 septembre 1982, altitude 7 600 m, pixel de 16 m). Rétention et reflux d’air froid avant intervention b) Thermographie nocturne du même secteur le 7 juin 1985, (altitude 7 600 m, pixel de 16 m). Amincissement de la strate d’air froid initiale de 10 m en une strate résiduelle d’environ 1 m après intervention Planche XXIX : Thermographie nocturne du camp forestier Dupont ayant servi à créer la carte 20.6 sur le risque de gel nocturne Planche XXX : Écran de dialogue de l’encyclopédie GÉOSCOPE Planche XXXI : Exemple de carte contenue dans GÉOSCOPE Planche XXXII : Exemple de données connexes dans GÉOSCOPE CAHIER 3 Planche XXXIII : Images TM et MSS de la région du bassin du lac Tchad, au nord du Cameroun Planche XXXIV : Images TM et MSS de l’Ouest montagneux de la zone soudanienne du Cameroun Planche XXXV : Deux scènes TM de la région des savanes de transition au Cameroun Planche XXXVI : Sous-images TM et MSS de la zone de contact forêtsavane au sud du Cameroun
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Liste des planches couleurs
Planche XXXVII : Deux traitements visualisant une différenciation dans les zones humides (A) et une meilleure définition des cultures et des villages-vergers (B) Planche XXXVIII : Image LANDSAT-MSS du 21 novembre 1984 de la zone de Pissila (barrages de Dakiri, Mani, Tougouri et Yalogo) Planche XXXIX : Approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII Planche XL : Sites potentiels d’approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII Planche XLI : Sites potentiels d’approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII. Priorité : population Planche XLII : Sites potentiels d’approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII. Priorité : autosuffisance alimentaire et irrigation Planche XLIII : Sites potentiels d’approvisionnement en eau, carte de Pissila, feuille ND-30-XII. Priorité : élevage Planche XLIV : a) Carte pédologique de la région de Mani-Dakiri b) Rendement du mil en fonction des sols Planche XLV : a) Rendement du maïs en fonction des sols b) Rendement du riz en fonction des sols Planche XLVI : a) Rendement des cultures maraîchères en fonction des sols b) Cultures optimales
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