Développement de méthodes, outils et chaines de traitement pour le suivi des forêts à partir de séries de données satellitaires.
Auteur / Autrice : | Louis-vincent Fichet |
Direction : | Frédérique Seyler |
Type : | Projet de thèse |
Discipline(s) : | STE - Sciences de la Terre et de l'Eau |
Date : | Inscription en doctorat le 01/12/2011 |
Etablissement(s) : | Université de Montpellier (2022-….) |
Ecole(s) doctorale(s) : | GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : ESPACE-DEV (Montpellier) |
Equipe de recherche : Systèmes d'information et de connaissances |
Mots clés
Mots clés libres
Résumé
Enjeux La déforestation représente actuellement l'une des contributions les plus significatives aux émissions de gaz à effets de serre et de carbone atmosphérique en particulier. Une réduction significative de la déforestation à l'échelle mondiale aurait un effet immédiat sur ces émissions contrairement à la plantation de forêts nouvelles qui prendraient plusieurs années à s'établir. La prévention de la déforestation représente donc un enjeu politique majeur dans le cadre de la prévention des changements climatiques globaux. Par ailleurs, les forêts rendent d'autres services à l'environnement pour lesquels leur rôle est primordial, notamment en tant que réservoir de biodiversité et de protection des bassins versants. D'autre part, une grande partie des forêts primaires est située en zone intertropicale dans des pays souvent en plein développement économique et où la forêt ou le territoire occupé par la forêt représente souvent une source potentielle importante de revenus. Ceci a amené à la conception du programme REDD dont l'objectif principal est d'éviter une destruction ou une utilisation trop intensive des ressources forestières en imaginant des mécanismes de financements de la préservation des forêts rendant leur surexploitation nettement moins attractive du point de vue économique. Même si les détails du programme REDD font toujours l'objet de négociations au niveau international, sa mise en place nécessite l'élaboration d'un programme de suivi du couvert forestier. Des lignes directrices ont été définies dans le cadre du GIEC qui ne pose pas de problèmes particuliers à un niveau théorique. Toutefois, la cartographie du couvert forestier à partir d'images satellite pour la totalité d'un pays pose un certain nombre d'enjeux techniques qui ne sont pas tous encore résolus. La résolution de ces enjeux est importante pour les pays potentiellement impliqués dans le cadre du REDD et qui souhaitent établir un système national du suivi de l'évolution des ressources forestières. Contexte International Le développement dun service opérationnel de suivi du couvert forestier répondrait aux enjeux décrits précédemment. Il existe aujourdhui des systèmes opérationnels, comme les trois systèmes complémentaires mis en place par lINPE (Institut National de Recherches Spatiales) au Brésil. Le premier système, PRODES, est en activité depuis les années 90, et fournit une estimation annuelle des zones déforestées en Amazonie brésilienne. Depuis 2004, lINPE opère le système DETER (Deforestation detection in real time) de lINPE. DETER utilise les images MODIS du satellite TERRA et les images WFI du satellite CBERS, avec une résolution de 250m. Cette résolution, combinée avec les effets de la forte couverture nuageuse en zone tropicale, font que DETER ne donne pas destimation fiable des surfaces déforestées mensuellement mais seulement une évaluation des tendances mensuelles par état et par municipalité. DETER est de ce fait plus un système dalerte quun système de suivi. Enfin, DEGRAD a été mis en place en 2009. Il sagit dun système de suivi annuel des forêts dégradées ou en processus de déforestation, qui nont donc pas atteint le stade de coupe franche détectable par PRODES. DEGRAD enregistre des coupes partielles dues à une exploitation sélective ou à des dégradations dues au feu. Dans les pays du bassin du Congo, il nexiste pas à lheure actuelle de système opérationnel de suivi du couvert forestier. Un des axes stratégiques de la Commission des Forêts dAfrique Centrale (COMIFAC) est lamélioration de la connaissance et le suivi des ressources forestières. Dans ce cadre, lUnion Européenne a mis en uvre le programme FORAF visant à établir un Observatoire des Forêts dAfrique Centrale (OFAC), coordonné par le CIRAD et impliquant lUCL, le CIFOR, FRM et OSFAC. Ce programme a développé, entre autre, des activités de cartographie du couvert forestier, essentiellement sur base de données basse résolution (SPOT-VGT, MODIS, MERIS), ainsi que des activités du suivi en collaboration avec le programme de suivi des forêts de la FAO (FRA 2010), sur base dun échantillonnage. Les résultats obtenus ont été repris dans lEtat des Forêts du Bassin du Congo (2008). En parallèle, on observe lémergence depuis quelques années dun nombre croissant dinitiatives mises en uvre dans le cadre des appuis internationaux à la préparation des pays du Bassin du Congo au processus REDD. Parmi ces initiatives, on compte un certain nombre de projets pilote ayant pour objectif majeur le renforcement des capacités des institutions locales en termes de suivi des forêts, et la mise en place se système pré opérationnel de suivi. Ces projets concernent principalement le Cameroun (projet ESA GSE-FM et REDD Alert), la République Démocratique du Congo (UN-REDD), le Congo (projet ESA GSE-FM, projet de quantification du stock carbone WRI-OSFAC) et le Gabon (projet ESA GSE-FM). Au niveau des pays et de la sous région, des mécanismes de coordination se mettent en place afin dassurer une complémentarité des projets en cours et à venir. Ces recherches sappuient sur deux publications majeures de lIPCC (2003) et de GOFC- GOLD (2009) qui proposent une base de consensus méthodologiques de la communauté internationale de lobservation de la Terre et des experts du carbone sur les questions relatives au REDD. Le rapport de GOFC-GOLD (2009) défini tout particulièrement le cadre des méthodes dutilisation de la télédétection spatiale pour réaliser le suivi des forêts en prenant en compte les préceptes fixés par lIPCC. Contexte scientifique Lexistence de ces services opérationnels à quasi opérationnels nexclut pas que lensemble des questions scientifiques posées par la mise en place dun service opérationnel de suivi de la forêt tropicale ne soient pas résolues. Dune part parce que les notions de suivi, comme celle de dégradation de la forêt demandent à être encadrées par des définitions précises, basées sur une étude des différents contextes à la fois de la mise en place et des objectifs de suivi, aussi bien que des paramètres botaniques/ecosystémiques/structuraux de la dégradation qui pourraient amener à la mise en place dindicateurs spatiaux de celle-ci. La mise en place dun tel système, une fois défini, reste conditionnée par des problèmes de qualité de données, spécifiques à la zone tropicale : couverture nuageuse, atmosphère humide rendant plusieurs canaux dans le domaine du visible, inopérants ou peu discriminants. Enfin, un ensemble dalgorithmes performants existent, tant au niveau des caractérisations spectrales et texturales, quau niveau des processus de classification, et peuvent être confrontés aux éventuels indicateurs spatiaux définis. Cependant, lintégration de ces traitements en des chaines génériques et reproductibles, prenant en compte une variété de situations et de variations locales à régionales, reste un enjeu de recherche. Objectifs Lobjectif général de ce travail de thèse est le développement et la mise en uvre dun ensemble de méthodes, outils et chaines de traitement pour la mise en place dun service opérationnel de suivi des changements de la couverture forestière dAfrique Centrale. Les objectifs spécifiques sont : 1 - Lanalyse du biome forestier dAfrique Centrale, ainsi que ses transitions vers les autres biomes ayant une frontière commune avec le massif forestier. 2 - Lanalyse des différents éléments qui devraient constituer la mise en place dun service opérationnel de suivi dans le contexte particulier de lAfrique centrale: Analyse des différents usages de la ressource forestière, analyse des connaissances existantes sur la caractérisation et les dynamiques, naturelles ou non, en cours dans le massif forestier dAfrique Centrale, paramètres pouvant déterminer léchelle ou les échelles danalyse nécessaire(s) ainsi que la fréquence optimale/minimale de lobservation. 3 - Lanalyse des causes et des dynamiques de dégradation ou de régénérescence forestière, ainsi que les formes et les dynamiques des transitions éventuelles du biome forestier vers ou depuis les biomes voisins. 4 - La définition dindicateurs spatiaux des phénomènes mis en évidence 5 - Dans le domaine de loptique, lanalyse des algorithmes de désenuagement existant et celle de la chaîne de traitement à mettre en place pour la constitution dun jeu de données propre à répondre à lobjectif spécifique 2 6 Dans les domaines du radar et de loptique, lanalyse des algorithmes de caractérisation pouvant correspondre à la mise en évidence des indicateurs définis comme objectif spécifique 4. 7- La définition de la chaîne de traitement amenant à une classification automatique, répétitive, et systématique, de séries dimages, éventuellement à différentes résolutions et dans différentes longueurs donde, avec une fréquence dacquisition et un temps de traitement adapté à la fréquence danalyse retenue, pouvant constituer létablissement dun service opérationnel du massif forestier dAfrique Centrale 8- Lexamen de lapplicabilité des analyses et des méthodes développées à dautres couverts/massifs forestiers tropicaux. Méthodologie 1- Les objectifs spécifiques 1 à 3 dune part et 5 et 6 dautre part seront lobjet dune mise en place parallèle dun formalisme dontologies spatio-temporelles. C'est-à-dire dune part les ontologies découlant dune expertise sur lopération de suivi et sur loccupation spatiale et les dynamiques temporelles à luvre dans la différenciation et les évolutions du massif forestier dAfrique Centrale. Dautre part les ontologies basées sur lexpertise dans le domaine du traitement dimage optique et radar dans cet environnement. La mise en coïncidence des deux systèmes dontologies devrait aboutir à la définition des indicateurs spatiaux à mettre en uvre, du degré dexpertise entrant dans leur définition, ainsi que lincertitude attendue ou acceptée dans leur adéquation aux phénomènes à décrire. 2- La définition de la chaîne de traitement sera faite en relation avec les travaux réalisés dans cadre de lunité ESPACE-DEV sur des chaînes de traitement génériques (programme CARTAMSAT). Les indicateurs spatiaux retenus seront représentés symboliquement et numériquement par une méthode issue de la théorie des graphes, développée au sein de lunité. Ensuite une série de classifications, basées sur les indicateurs mais employant des jeux de données et de méthodes différentes, seront évaluées au regard de lexpertise acquise au cours de la phase 1. Lanalyse de ces séries de traitement et de leurs résultats sera faite également grâce aux outils dapprentissage développés par lunité.