Développement de méthodes, outils et chaines de traitement pour le suivi des forêts à partir de séries de données satellitaires.

Development of methods, tools and processing chains for forest monitoring from Earth Observation data.

• 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)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Systèmes d'information et de connaissances

Mots clés

Mots clés libres

Télédétection

Forêt

Afrique Centrale

Redd

Remote sensing

Forest

Central Africa

Redd

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 d’un service opérationnel de suivi du couvert forestier répondrait aux enjeux décrits précédemment. Il existe aujourd’hui des systèmes opérationnels, comme les trois systèmes complémentaires mis en place par l’INPE (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, l’INPE opère le système DETER (Deforestation detection in real time) de l’INPE. 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 d’estimation 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 d’alerte qu’un système de suivi. Enfin, DEGRAD a été mis en place en 2009. Il s’agit d’un système de suivi annuel des forêts dégradées ou en processus de déforestation, qui n’ont 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 n’existe pas à l’heure actuelle de système opérationnel de suivi du couvert forestier. Un des axes stratégiques de la Commission des Forêts d’Afrique Centrale (COMIFAC) est l’amélioration de la connaissance et le suivi des ressources forestières. Dans ce cadre, l’Union Européenne a mis en œuvre le programme FORAF visant à établir un Observatoire des Forêts d’Afrique Centrale (OFAC), coordonné par le CIRAD et impliquant l’UCL, 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 d’un échantillonnage. Les résultats obtenus ont été repris dans l’Etat des Forêts du Bassin du Congo (2008). En parallèle, on observe l‘émergence depuis quelques années d’un nombre croissant d’initiatives mises en œuvre 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 d’assurer une complémentarité des projets en cours et à venir. Ces recherches s’appuient sur deux publications majeures de l’IPCC (2003) et de GOFC- GOLD (2009) qui proposent une base de consensus méthodologiques de la communauté internationale de l’observation 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 d’utilisation de la télédétection spatiale pour réaliser le suivi des forêts en prenant en compte les préceptes fixés par l’IPCC. Contexte scientifique L’existence de ces services opérationnels à quasi opérationnels n’exclut pas que l’ensemble des questions scientifiques posées par la mise en place d’un service opérationnel de suivi de la forêt tropicale ne soient pas résolues. D’une 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 d’indicateurs spatiaux de celle-ci. La mise en place d’un 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 d’algorithmes performants existent, tant au niveau des caractérisations spectrales et texturales, qu’au niveau des processus de classification, et peuvent être confrontés aux éventuels indicateurs spatiaux définis. Cependant, l’intégration 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 L’objectif général de ce travail de thèse est le développement et la mise en œuvre d’un ensemble de méthodes, outils et chaines de traitement pour la mise en place d’un service opérationnel de suivi des changements de la couverture forestière d’Afrique Centrale. Les objectifs spécifiques sont : 1 - L’analyse du biome forestier d’Afrique Centrale, ainsi que ses transitions vers les autres biomes ayant une frontière commune avec le massif forestier. 2 - L’analyse des différents éléments qui devraient constituer la mise en place d’un service opérationnel de suivi dans le contexte particulier de l’Afrique 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 d’Afrique Centrale, paramètres pouvant déterminer l’échelle ou les échelles d’analyse nécessaire(s) ainsi que la fréquence optimale/minimale de l’observation. 3 - L’analyse 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 d’indicateurs spatiaux des phénomènes mis en évidence 5 - Dans le domaine de l’optique, l’analyse des algorithmes de désenuagement existant et celle de la chaîne de traitement à mettre en place pour la constitution d’un jeu de données propre à répondre à l’objectif spécifique 2 6 – Dans les domaines du radar et de l’optique, l’analyse 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 d’images, éventuellement à différentes résolutions et dans différentes longueurs d’onde, avec une fréquence d’acquisition et un temps de traitement adapté à la fréquence d’analyse retenue, pouvant constituer l’établissement d’un service opérationnel du massif forestier d’Afrique Centrale 8- L’examen de l’applicabilité des analyses et des méthodes développées à d’autres couverts/massifs forestiers tropicaux. Méthodologie 1- Les objectifs spécifiques 1 à 3 d’une part et 5 et 6 d’autre part seront l’objet d’une mise en place parallèle d’un formalisme d’ontologies spatio-temporelles. C'est-à-dire d’une part les ontologies découlant d’une expertise sur l’opération de suivi et sur l’occupation spatiale et les dynamiques temporelles à l’œuvre dans la différenciation et les évolutions du massif forestier d’Afrique Centrale. D’autre part les ontologies basées sur l’expertise dans le domaine du traitement d’image optique et radar dans cet environnement. La mise en coïncidence des deux systèmes d’ontologies devrait aboutir à la définition des indicateurs spatiaux à mettre en œuvre, du degré d’expertise entrant dans leur définition, ainsi que l’incertitude 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 l’unité 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 l’unité. Ensuite une série de classifications, basées sur les indicateurs mais employant des jeux de données et de méthodes différentes, seront évaluées au regard de l’expertise acquise au cours de la phase 1. L’analyse de ces séries de traitement et de leurs résultats sera faite également grâce aux outils d’apprentissage développés par l’unité.