Ecological monitoring of semi-natural grasslands : statistical analysis of dense satellite image time series with high spatial resolution

par Maïlys Lopes

Thèse de doctorat en Agrosystèmes, Écosystèmes et Environnement

Sous la direction de Mathieu Fauvel et de Stéphane Girard.

Soutenue le 24-11-2017

à Toulouse, INPT , dans le cadre de École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse) , en partenariat avec Dynamiques et écologie des paysages agriforestiers (Castanet-Tolosan, Haute-Garonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Denis Allard.

Le jury était composé de Denis Allard, Laurence Hubert-Moy, Agnès Bégué, Michel Duru, Jean-Baptiste Féret.

Les rapporteurs étaient Laurence Hubert-Moy, Agnès Bégué.

  • Titre traduit

    Suivi écologique des prairies semi-naturelles : analyse statistique de séries temporelles denses d'images satellite à haute résolution spatiale


  • Résumé

    Les prairies représentent une source importante de biodiversité dans les paysages agricoles qu’il est important de surveiller. Les satellites de nouvelle génération tels que Sentinel-2 offrent de nouvelles opportunités pour le suivi des prairies grâce à leurs hautes résolutions spatiale et temporelle combinées. Cependant, le nouveau type de données fourni par ces satellites implique des problèmes liés au big data et à la grande dimension des données en raison du nombre croissant de pixels à traiter et du nombre élevé de variables spectro-temporelles. Cette thèse explore le potentiel des satellites de nouvelle génération pour le suivi de la biodiversité et des facteurs qui influencent la biodiversité dans les prairies semi-naturelles. Des outils adaptés à l’analyse statistique des prairies à partir de séries temporelles d’images satellites (STIS) denses à haute résolution spatiale sont proposés. Tout d’abord, nous montrons que la réponse spectrotemporelle des prairies est caractérisée par sa variabilité au sein des prairies et parmi les prairies. Puis, pour les analyses statistiques, les prairies sont modélisées à l’échelle de l’objet pour être cohérent avec les modèles écologiques qui représentent les prairies à l’échelle de la parcelle. Nous proposons de modéliser la distribution des pixels dans une prairie par une loi gaussienne. A partir de cette modélisation, des mesures de similarité entre deux lois gaussiennes robustes à la grande dimension sont développées pour la classification des prairies en utilisant des STIS denses: High-Dimensional Kullback-Leibler Divergence et -Gaussian Mean Kernel. Cette dernière est plus performante que les méthodes conventionnelles utilisées avec les machines à vecteur de support (SVM) pour la classification du mode de gestion et de l’âge des prairies. Enfin, des indicateurs de biodiversité des prairies issus de STIS denses sont proposés à travers des mesures d’hétérogénéité spectro-temporelle dérivées du clustering non supervisé des prairies. Leur corrélation avec l’indice de Shannon est significative mais faible. Les résultats suggèrent que les variations spectro-temporelles mesurées à partir de STIS à 10 mètres de résolution spatiale et qui couvrent la période où ont lieu les pratiques agricoles sont plus liées à l’intensité des pratiques qu’à la diversité en espèces. Ainsi, bien que les propriétés spatiales et temporelles de Sentinel-2 semblent limitées pour estimer directement la diversité en espèces des prairies, ce satellite devrait permettre le suivi continu des facteurs influençant la biodiversité dans les prairies. Dans cette thèse, nous avons proposé des méthodes qui prennent en compte l’hétérogénéité au sein des prairies et qui permettent l’utilisation de toute l’information spectrale et temporelle fournie par les satellites de nouvelle génération.


  • Résumé

    Grasslands are a significant source of biodiversity in farmed landscapes that is important to monitor. New generation satellites such as Sentinel-2 offer new opportunities for grassland’s monitoring thanks to their combined high spatial and temporal resolutions. Conversely, the new type of data provided by these sensors involves big data and high dimensional issues because of the increasing number of pixels to process and the large number of spectro-temporal variables. This thesis explores the potential of the new generation satellites to monitor biodiversity and factors that influence biodiversity in semi-natural grasslands. Tools suitable for the statistical analysis of grasslands using dense satellite image time series (SITS) with high spatial resolution are provided. First, we show that the spectro-temporal response of grasslands is characterized by its variability within and among the grasslands. Then, for the statistical analysis, grasslands are modeled at the object level to be consistent with ecological models that represent grasslands at the field scale. We propose to model the distribution of pixels in a grassland by a Gaussian distribution. Following this modeling, similarity measures between two Gaussian distributions robust to the high dimension are developed for the lassification of grasslands using dense SITS: the High-Dimensional Kullback-Leibler Divergence and the -Gaussian Mean Kernel. The latter outperforms conventional methods used with Support Vector Machines for the classification of grasslands according to their management practices and to their age. Finally, indicators of grassland biodiversity issued from dense SITS are proposed through spectro-temporal heterogeneity measures derived from the unsupervised clustering of grasslands. Their correlation with the Shannon index is significant but low. The results suggest that the spectro-temporal variations measured from SITS at a spatial resolution of 10 meters covering the period when the practices occur are more related to the intensity of management practices than to the species diversity. Therefore, although the spatial and spectral properties of Sentinel-2 seem limited to assess the species diversity in grasslands directly, this satellite should make possible the continuous monitoring of factors influencing biodiversity in grasslands. In this thesis, we provided methods that account for the heterogeneity within grasslands and enable the use of all the spectral and temporal information provided by new generation satellites.


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