Etude de la structure et de la dynamique des paysages de montagne.

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1 Etude de la structure et de la dynamique des paysages de montagne. Exemple du bassin versant de La Voireuze, affluent de l Alagnon entre 1948 et Google Earth, 2007 CASADO Ana Master 2 Géoenvironnement Juin 2007 Directeur : J-L Peiry Laboratoire de géographie physique UMR 6042 CNRS Département de Géographie Université Blaise Pascal

2 Couverture: Image de satellite CNES/Spot de la vallée de La Voireuze. Google Earth, 2007.

3 REMERCIEMENTS Je tiens à remercier M. Peiry de m avoir permis de venir en France pour faire ce Master Recherche, ainsi que de s être chargé de mon encadrement. Merci également à toutes les personnes du GEOLAB qui m ont accueillie, aidée et soutenue dans le travail. Je remercie particulièrement M. Vautier, chargé de la géomatique, pour sa disponibilité et ses aides précieuses lors de mes entretiens et sollicitations renouvelé es. Je remercie aussi Stéphane Petit, qui m a fait part de sa grande expérience en écologie du paysage. Je remercie également toutes les personnes qui m ont aidée dans la progression de ma réflexion et la réalisation de mon travail. Je pense notamment à mes amis francophones et à tous mes amis de la promo M2 06/07. Merci à tous par votre accueil toujours chaleureux, votre aide linguistique et vos encouragements dans mon travail. Enfin, j exprime toute ma considération à tous ceux qui, de près ou de loin ont participé au bon déroulement de ce stage. i

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5 SOMMAIRE Introduction 1 PREMIERE PARTIE : Contexte scientifique de l étude 3 A. Cadre Théorique 4 1. Conceptalisation du paysage : Strcture, dynamique et hétérogénéité. 4 a. Qu est-ce que le paysage? 4 b. Le système «paysage» : Composantes, limites et contexte. 4 c. Le système «paysage» : Structure et dynamique. 5 d. L importance de l échelle : l hétérogénéité L écologie du paysage : Une approche d analyse paysagère Problématique de recherche, hypothèse et objectifs de travail. 6 B. Cadre Géographique L évolution du paysage français. Identification des changements vers l établissement de la problématique Description de la zone d étude. 8 C. Cadre méthodologique : outils et méthodes d analyse du paysage Les données source. Obtention et transformation des données brutes en données dérivées Les données dérivées. Génération des données de base pour l analyse paysagère. 12 a. Le Modèle Numérique du Terrain. 12 b. Les cartes de relief, de pentes et d orientation. 13 c. Les cartes d occupation du sol Le traitement des données : spatialisation et quantification du paysage. 14 a. Traitement des données pour l analyse qualitative du paysage. 15 b. Traitement des données pour l analyse quantitative du paysage Méthodologie de présentation des résultats. 17 DEUXIEME PARTIE : Résultats Analyse qualitative du paysage. Structure et dynamique. 20 a. Description de la structure paysagère. 20 b. Identification des changements du paysage Analyse quantitative de la structure du paysage. Composition et configuration. 29 a. Mesure de la composition. 29 b. Mesure de la fragmentation. 30 c. Mesure de l agrégation. 31 TROISIEME PARTIE : Discussion Discussion des aspects méthodologiques Discussion des résultats. 36 CONCLUSION 40 Références bibliographiques 42 iii

6 LISTE DES FIGURES Figure 1. Localisation et situation de la zone de l étude. 9 Figure 2. Caractéristiques du relief. 10 Figure 3. Chaîne simplifiée du traitement des données. 12 Figure 4. Chaîne de traitement de données dérivées. 15 Figure 5. Distribution spatiale des types d occupation du sol aux années 1948, 1987 et Figure 6. Unités physiographiques du bassin versant de La Voireuze. 23 Figure 7. Distribution des types d occupation du sol par rapport aux unités physiographiques. 24 Figure 8. Diagrammes de transition des types d occupation du sol, tendances évolutives et Indices d Evolution pour les périodes 1948/1987 et 1987/ Figure 9. Evolution des types d occupation du sol entre les années 1948/1987 et 1987/ Figure 10. Processus de changement du paysage opérant à l échelle locale / régionale. 38 Figure 11. Processus de changement du paysage opérant à l échelle globale. 39 LISTE DES TABLEAUX Tableau 1. Données source du travail. Type, échelle, provenance et format. 11 Tableau 2. Catégorisation des types d occupation du sol. 14 Tableau 3. Métriques utilisées dans l analyse du paysage. 17 Tableau 4. Applications des indices à l analyse des processus écologiques. 18 Tableau 5. Indices de la composition du paysage aux années 1948, 1987 et Tableau 6. Indices de Fragmentation / Fermeture du paysage aux années 1948, 1987 et Tableau 7. Indices d Agrégation / Désagrégation du paysage aux années 1948, 1987 et Tableau 8. Processus internes du paysage en fonction de l espace et le temps. 36 iv

7 INTRODUCTION Les modifications de l utilisation du sol sur des terrains de montagne au cours du dernier siècle ont entraîné certaines transformations de la structure et de la fonction de l environnement français. Ces transformations sont liées à une diminution de la pression humaine traduite par des processus d abandon des surfaces agricoles, ainsi qu aux politiques parallèles de reboisement des versants. Ces processus ont conduit à une importante expansion «naturelle» des surfaces arborées sur des anciens terrains agricoles et donc à une revégétalisation du paysage. Il existe certaines questions environnementales liées aux transformations des paysages par rapport aux changements d utilisation du sol. Ces changements peuvent être considérés comme l un des éléments importants influant sur l équilibre écologique au niveau du paysage.la compréhension du fonctionnement des systèmes environnementaux, de leur évolution dans le temps et de la réponse de leur structure aux processus de perturbation, est nécessaire pour définir des lignes d action et de gestion futures. La littérature environnementale abonde de travaux sur les mécanismes d adaptation environnementale aux processus de transformation issus de l accroissement de la pression humaine. Cependant, les études sur les transformations spatiales qui ont suivi la diminution de l'activité humaine sont rares et limitées. Dans la perspective géomorphologique, certains travaux étudient les effets environnementaux des changements d occupation du sol à travers l analyse des processus d ajustement des systèmes fluviaux (Stott, 1997 ; Liébault et Piégay, 2001 ; Lach et Wyzga, 2002 ; Owens et Walling, 2002 ; Liébault, 2003 ; Surian et Rinaldi, 2003; Gomi et al., 2004 ; Liébault et al., 2005 ; Marden et al., 2005 ; Nagasaka et al., 2005 ; Dow, 2007 ). Par ailleurs, plusieurs travaux proposent l évaluation des mutations environnementales à partir des transformations enregistrées au niveau du paysage, dans la perspective de l écologie du paysage. (Aspinall et Pearson, 2000 ; Feranec et al., 2000 ; Mendonça Santos et Claramunt, 2001 ; Fujihara et Kikuchi, 2005 ; Lasanta et al., 2006 ; Haase et al., 2007). L'écologie du paysage est une approche idéale pour évaluer qualitativement et quantitativement les changements du paysage et les relations entre ses composantes physique, écologique et sociale (Forman 1995 ; Burel et Baudry, 2000 ; Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal, 2002 ; Décamps et Décamps, 2004 ; Fujihara et Kikuchi, 2005 ; Geneletti, 2005). Ces relations sont vues comme des éléments constructeurs d un paysage défini, dont la structure évolue dans l espace et dans le temps (Burel et Baudry, 2000). Structure, fonction et dynamique constituent les thèmes principaux en écologie de paysage (Burel et Baudry, 2000 ; Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal, 2002 ; Geneletti, 2005 ; Fujihara et Kikuchi, 2005)

8 La présente étude intègre la reconstruction de la structure du paysage et l analyse de sa dynamique pendant les dernières 50 années dans le bassin versant de La Voireuze, affluent de l Alagnon. Cet espace est considéré comme l'unité organisationnelle de base pour l identification, l évaluation et la représentation des aspects du paysage. L attention est portée sur les interrelations entre les éléments et composantes qui s y déroulent, compte tenu des transformations spatiales et de leur évolution dans le temps. Le travail se structure en trois parties : La première partie constitue la définition du contexte scientifique de l étude, intégrant le cadre théorique, géographique et méthodologique. Les résultats de l analyse qualitative et quantitative de la structure et de la dynamique du paysage sont présentés dans la deuxième partie. La troisième partie est consacrée à la discussion et aux conclussions préliminaires

9 PREMIÈRE PARTIE Contexte scientifique de l étude A. Cadre théorique. Conceptualisation du paysage, approche théorique d analyse et résumé de l évolution du paysage français. B. Cadre géographique. Description des caractéristiques de la zone d étude. C. Cadre méthodologique. Outils et méthodes d analyse du paysage

10 A. CADRE THÉORIQUE. 1. Conceptalisation du paysage : Structure, dynamique et hétérogénéité. a. Qu est-ce que le paysage? Il existe plusieurs interprétations du terme «paysage» conformément aux différentes disciplines et aux contextes de gestion (McGarigal, 2002). La notion de paysage est donc complexe à appréhender. Généralement, on lui reconnaît une composante objective donnée par les éléments qui le composent et leur arrangement spatial, et une composante subjective, fondée sur la sensibilité de l observateur (IFN, 2005). Dans la perspective écologique, le paysage est défini comme un espace hétérogène composé d une mosaïque d écosystèmes en interaction qui interagissent et se répètent de façon similaire dans l espace. Le paysage est donc un niveau d'organisation des systèmes écologiques situé au-dessus de l'écosystème (Burel & Baudry, 1999). Par contre, une définition culturelle du paysage intègre la composante humaine. Le paysage est un ensemble d'éléments dont l'organisation spatiale est fortement liée à l'utilisation ancienne et actuelle du milieu (Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002). Cette dernière définition se rapproche de celle de la Convention Européenne du Paysage pour qui le paysage «désigne une partie de territoire telle que perçue par les populations, dont le caractère résulte de l action de facteurs naturels et/ou humains et de leurs interrelations» (CEP, 2000). Quelles que soient les définitions, le paysage est une portion de terrain, une mosaïque qui résulte d une association de différents éléments qui interagissent les uns avec les autres. La composante physique constitue la base sur laquelle s appuient les sociétés. Elles y interviennent au travers de leurs activités et de leur composante culturelle. En somme, le paysage est la manifestation spatiale des relations entre les sociétés et leur environnement, dont la structure actuelle est la résultante d une dynamique évoluant dans le temps (Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002 ; Décamps et Décamps, 2004, IFN, 2005). b. Le système «paysage» : Composantes, limites et contexte. Les paysages sont des systèmes ouverts composés d'éléments, de composantes spatiales (Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002 ; Colantonio Venturelli et Galli, 2006). Un modèle populaire pour conceptualiser et représenter ces éléments est connu comme étant le modèle tache corridor matrice (Forman, 1995). Dans ce modèle, les paysages sont composés d'une mosaïque d éléments ou taches, d éléments linéaires qui conforment des corridors, et d une matrice, l'élément le plus étendu et le plus courant du paysage qui joue par conséquent le rôle dominant dans leur fonctionnement. Dans les paysages anthropisés, les modes d occupation du sol constituent le meilleur exemple de modèle paysager (Forman, 1995 ; Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002)

11 Dans l analyse des systèmes paysagers, la question des limites du paysage doit être résolue (Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002). Elle dépend fondamentalement de l objet de l étude ainsi que du champ d action des types de processus étudiés. Pour l analyse environnementale des paysages anthropisés, les bassins versants sont reconnus comme les unités structurelles et fonctionnelles du paysage qui constituent la limite de toute une variété de processus de l'environnement ainsi que d impacts humains sur ceux-ci (McGarigal, 2002). Cette unité définit un objet spatial fondamental dans lequel les activités socio-économiques et celles de l'environnement opèrent (Aspinall et Pearson, 2000 ; McGarigal, 2002 ; Fujihara et Kikuchi, 2005). Cependant, les systèmes paysagers n'existent pas en isolement mais ils sont insérés dans des paysages plus vastes qui, en même temps, sont insérés dans des paysages encore plus vastes. Ainsi, chaque paysage est intégré dans un cadre régional qui contient ses éléments et qui contraint les processus ayant lieu dans ses limites (McGarigal, 2002). c. Le système «paysage» : structure et dynamique. La distribution des éléments du paysage opérant aux différentes échelles spatiales et temporelles dessine le patron paysager (Forman, 1995 ; Burel et Braudy, 2000 ; McGarigal, 2002). Le patron du paysage actuel est donc le reflet des structures spatiales qui varient dans le temps. La structure du paysage détermine la mosaïque, l ensemble de taches représentant des régions de conditions environnementales relativement homogènes à une échelle particulière (McGarigal, 2002). Ces taches sont interconnectées à travers des systèmes de réseaux et insérés dans une matrice définie (Burel et Braudy, 2000 ; McGarigal, 2002). Les changements de l état et des propriétés des éléments du paysage dans le temps, lui impriment sa dynamique. Les variations temporelles des conditions de la structure représentent des variations dans la fonction écologique du paysage. Ces variations peuvent mener à des processus de fragmentation, de cohésion, de diversification où d homogénéisation du paysage (Burel et Braudy, 2000 ; Feranec et al., 2000; Mendonça Santos et Claramunt, 2001 ; McGarigal, 2002 ; Fujihara et Kikuchi, 2005 : Colantonio Venturelli et Galli, 2006 ; Haase et al., 2007). Quand ces changements se produisent dans des paysages anthropisés, (par exemple, des changements dans les types d occupation du sol) les altérations de la structure peuvent affecter la fonction écologique et le potentiel économique du paysage tout entier (Haase et al., 2007). d. L importance de l échelle : l hétérogénéité. Les paysages constituent donc un ensemble d éléments dissemblables dont les interactions déterminent la structure spatiale, la dynamique dans le temps et donc l hétérogénéité. L hétérogénéité - 5 -

12 constitue la caractéristique essentielle des paysages. Elle résulte de la nature des éléments présents, de sa connectivité/fragmentation, ainsi que de l échelle à laquelle le système est étudié (Burel et Baudry, 2000). Les concepts d hétérogénéité et d échelle sont en relation constante. L hétérogénéité détectée dans toute mosaïque paysagère est fonction de son échelle. Une tache, homogène à une échelle donnée, a toute une structure interne qui reflète des patrons hétérogènes à des échelles plus fines. De même, la mosaïque paysagère contenant cette tache, présente une structure déterminée à des échelles plus générales (McGarigal, 2002). Un paysage contient donc une hiérarchie de mosaïques à travers une gamme d échelles diverses (Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002). 2. L écologie du paysage : Une approche d analyse paysagère. Les paysages sont envisagés comme des assemblages spatialement complexes, hétérogènes, qui ne peuvent pas être catégorisés dans des éléments discrets tel que taches, matrice et corridors (Forman 1995 ; Burel et Baudry, 2000 ; Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal, 2002 ; Décamps et Décamps, 2004 ; Fujihara et Kikuchi, 2005 ; Geneletti, 2005). Cette perspective relève de la discipline de l'écologie du paysage. L un des objectifs principaux de la recherche en écologie du paysage est d appuyer la gestion de l environnement en engendrant des lignes d action pour la conservation et le développement optimal (Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal, 2002 ; Geneletti, 2005). La contribution la plus importante de cette discipline est l attention portée sur la dimension spatiale des processus écologiques et sur les relations réciproques entre structure et processus (Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; Geneletti, 2005). Structure, fonction et changement sont les trois composantes principales d analyse en écologie du paysage (Burel et Baudry, 2000 ; Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal, 2002 ; Geneletti, 2005). L écologie du paysage apporte également un nouveau regard sur les relations entre l homme et la nature (Burel et Baudry, 2000). Cette approche considère les sociétés comme partie intégrante des écosystèmes influant sur leur structure, leur organisation et leur fonctionnement. En retour, les différents processus écologiques sont susceptibles d influencer l arrangement des mosaïques paysagères dans lesquelles les sociétés s insèrent. (Burel et Baudry, 2000 ; McGarigal, 2002). 3. Problématique de recherche. Il ressort de cette étude bibliographique que dans les paysages pour lesquels un changement des propriétés de leur structure se produit, cela engendre une transformation de leur fonction et donc une altération des processus écologiques qu y se déroulent. Spécifiquement, les processus de (re)boisement qui se sont développés sur les anciennes surfaces agricoles françaises, ont mené à une mutation des prairies et des cultures en surfaces boisées et donc à une fermeture et à une homogénéisation du paysage

13 Sur la base de ces affirmations, il est possible de présumer que le s bassins versants de la vallée de l Alagnon ont connu le développement de processus similaires. La dépopulation de la région à partir des années 1940, l abandon de terrains agricoles et donc le processus de (re)boisement qui en a résulté, conduisent à examiner l'influence de ces changements sur la structure et la dynamique du paysage concerné. L objectif de l étude est de reconstruire la structure paysagère et son évolution sur les dernières 50 années. Il s agira de reconnaître les liaisons entre les éléments du paysage, les influences réciproques entre eux, ainsi que les principales transformations enregistrées dans le temps. En fonction de cet objectif principal, deux axes différents ont guidé l ensemble du travail : - La reconstitution de l état de la structure du paysage dans un bassin versant test, celui de La Voireuze en 1948, 1987 et 2000, pour l établissement de l évolution paysagère et donc de sa dynamique dans le temps. - L analyse d un point de vue quantitatif du paysage pour l identification des liaisons entre les éléments et leur évolution et pour la définition des processus écologiques. Ces axes du travail sont à la base de deux questions principales : - Comment la structure du paysage a-t-elle évolué dans les derniers 50 années? - Quelles influences ces changements ont-ils sur la fonction du paysage et les processus qui s y déroulent? Cette évaluation est une approche globale conduisant à l analyse future des différences internes du paysage, ainsi qu à son découpage en zones où les changements identifiés ont le poids le plus fort. L importance de cette étude préliminaire se justifie par l identification et la mesure des transformations paysagères et de la dynamique de ces transformations conforme aux changements des types d occupation du sol du bassin versant de La Voireuze. Tenant compte que le paysage constitue un système structuré par des composantes humaine, physique et écologique, la compréhension du fonctionnement de sa structure et de sa réponse aux processus de perturbation, permet de définir des lignes d action et de gestion. L analyse des changements du paysage est d autant plus importante du fait de l établissement des processus écologiques et socio-économiques, de leur dynamique et de leurs causes, qu elle est susceptible d éclairer les perspectives d évolution future

14 B. CADRE GÉOGRAPHIQUE. 1. L évolution du paysage français. Identification des changements paysagers. Le paysage européen a supporté une anthropisation progressive au cours des dix derniers millénaires. Depuis la naissance de l agriculture et de l élevage issus de la révolution néolithique il y a plus de six millénaires, cette anthropisation s est amplifiée et surtout ne s est pas arrêtée durant les différentes périodes qui se sont succédées. Cependant, c est à partir du XIXe siècle que les changements les plus significatifs sont intervenus (pression démographique, artificialisation de l agriculture, industrialisation et politiques de reboisement et d évolution de la sylviculture) (Delort et Walter, 2001). En France, deux processus ont conduit à une modification radicale du paysage à partir de la fin du XIXe siècle. D une part, la politique de correction torrentielle et le programme de Restauration des Terrains en Montagne (RTM), ont conduit à une revégétalisation dans la plupart vallées torrentielles françaises. L objectif principal était de contrôler les phénomènes d érosion conséquence directe des fortes crues du Petit Age Glaciaire ( ) dans un contexte où la couverture végétale avait été fragilisée par une surexploitation agro-pastorale (Liébault, 2003). D autre part, ce processus de revégétalisation a été accompagné par le dépeuplement des zones de montagne et l abandon des terrains agricoles. Cela a fourni une occasion pour la succession naturelle et la colonisation de la forêt, et donc pour la transformation des champs et prairies à cause de l expansion progressive des friches (Diry et Mignon, 2000). De la fin du XIXe siècle à la Seconde Guerre mondiale, le forestier a été souvent l ennemi de l agriculteur, en imposant le boisement des terres communes ou en incitant les propriétaires à la plantation (Diry et Mignon, 2000). L entre-deux-guerres a été caractérisé par une dégradation de l espace agricole à travers de l abandon, le dépeuplement, l enfrichement et le (re)boisement. Mais c est le lendemain de la seconde Guerre Mondiale qui apparaît comme la grande période de mutation où ces processus se sont accrus et ont conduit à une véritable fermeture du paysage (Rieutort, 2000). 2. Description de la zone d étude. La zone d étude correspond au bassin versant de La Voireuze, affluent de l Alagnon. Sa surface est de 32,4 km 2 entre la tête du bassin et le village du Cheylat. Le ruisseau La Voireuze naît à la confluence des ruisseaux de l Apcher et du Barthonnet et constitue le collecteur principal du système fluvial (Figure 1). En amont, le bassin versant de La Voireuze trouve ses sources sur le versant nord-est du Plateau de Cézalier dans le Parc Naturel Régional des Volcans d Auvergne. Ce plateau basaltique s est érigé entre 13 et 2 millions d années sur le substratum granitique et métamorphique du Massif Central. Très érodé, il a une altitude moyenne de 1200 m culminant à 1551 m au Signal du Luguet (BRGM, Le Cantal : Géologie cantalienne)

15 La morphologie actuelle du plateau résulte des érosions glaciaires et fluvia tiles qui ont remodélisé les anciens dépôts volcaniques sur le massif (BRGM, Le cantal : Situation géographique). Le relief présente une haute énergie marquée par le contraste entre des zones de relief faiblement ondulé traversées par des zones à pente forte correspondantes aux vallées. De l amont à l aval, la topographie descend de 1600 m à 600 m sur 10 km, ce qui détermine une pente générale du 10 % (Figure 2). Figure 1. Localisation et situation de la zone de l étude. En ce qui concerne la lithographie, le système fluvial draine en amont des coulées basaltiques de l age pliocène- pléistocène inférieur. En aval, les cours d eau s encaissent dans le substratum granitique d age protérozoïque au sud et sur les orthogneiss résultants de l orogenèse varisique-hercynienne au nord (BRGM, 1996, Carte Géologique de la France à l'échelle du millionième). La région reçoit des précipitations régulières dont les maximas sont enregistrées pendant l automne et le printemps. Les précipitations diminuent de l ouest vers l est en réponse à une transition climatique entre deux types de dominance océanique et continentale (DIREN Auvergne). D après les données climatiques de Météo France, la valeur moyenne des précipitations annuelles pour les trois départements dans lesquels s iscrit la zone d étude est de 800 mm. Cette valeur moyenne trouve son extrême supérieur dans le département du Cantal (1100 mm par an) et son extrême inférieur dans le département de Puy de Dôme (600 mm par an). La température moyenne annuelle est de 10 c, valeur assez basse qui reflète l influence des basses températures du département de Haute Loire. L eau tombée s évacue rapidement par ruissellement en raison des reliefs accentués et de la nature imperméable du sous-sol. Le réseau hydrographique est de type dendritique en intégrant des petits émissaires très ramifiés qui se concentrent pour former des cours d eau à fortes pentes et aux lits rocheux

16 Les écoulements sont de type rapide et torrentiel en empruntant des gorges, des ravins et des vallées au profil en V. Suivant le rythme et la distribution spatiale des précipitations annuelles, l écoulement spécifique est d entre 30 l/s/km 2 pour les hauts bassins à 20 l/s/km 2 pour les écoulements en aval. Le régime hydrologique est de type pluvionival avec une influence mixte de type océanique et continentale. (DIREN Auvergne). Figure 2. Caractéristiques du relief. La zone a été soumise à plusieurs types d occupation du sol même si elle a toujours maintenu un caractère rural, une basse densité de population et un habitat dispersé (INSEE). Avant le XIII e siècle, la forêt couvrait l'ensemble du massif. Plus tard, le défrichement par les bergers a laissé place aux pâturages pour l élevage bovin, particulièrement pour l élevage des vaches de race Salers (Rieutort, 2000). Dans les vallées plus encaissées, la présence de nombreuses terrasses témoigne des productions fruitière et viticole (DIREN Auvergne). Le XXè siècle a été marqué par des mutations et des restructurations sur le plan de l économie agricole et par l exode rural (Diry et Mignon, 2000 ; Rieutort, 2000). Actuellement, l économie de la région a une forte dominante agricole, marquée par l importance de la production de bois d œuvre. L élevage continue à occuper un pourcentage important de l activité et le tourisme a également une place privilégiée dans l économie de la région (DIREN Auvergne)

17 C. CADRE MÉTHODOLOGIQUE. Outils et méthodes d analyse du paysage Pour l évaluation de la structure et de la dynamique du paysage, différentes techniques de l écologie du paysage ont été explorées et appliquées à l échelle du bassin versant. Cette méthodologie implique toute une série d étapes et d opérations. Leur description intègre le choix des données source, leur traitement préliminaire et leur mise en forme pour la génération de données dérivées, le traitement des données pour l analyse du paysage, les indices de calcul et la présentation des résultats. 1. Les données source. Obtention et transformation des données brutes en données dérivées. Les données source du travail ont été acquises auprès de divers organismes. Leur type, leur description, leur échelle, leur provenance et leur format sont détaillés dans le Tableau 1. Dans tous les cas, les données ont été ajustées à la projection France Lambert II. Tableau 1 : Données source du travail. Type, échelle, provenance et format. Données source Description Provenance Format Carte topographique Carte 2534 E «Massiac» Echelle 1 / Centrage sur la zone d étude : IGN, Série Bleue Numérique Documents Séries de photographies aériennes 2000 ; BD Ortho 1987 ; Mission IFN P ; Echelle 1 / ; Mission F ; Echelle 1 / IGN Numérique Papier Papier Carte géologique Carte Géologique de la France Echelle 1 : Centrage sur la zone d étude BRGM Numérique Données de relief BD Alti Elévation du terrain à pas de maillage de 50 m. Centrage sur la zone d étude : IGN Fichier *.txt Certaines de ces données ont nécessité un travail de mise en forme, de numérisation, de digitalisation et d harmonisation avant d être utilisées dans le calcul d indic es et dans la production de cartes. C est le cas particulier de la BD-Alti de l IGN et des photographies aériennes. La chaîne simplifiée du traitement des données en fonction de leur type et du logiciel employé est présentée dans la Figure 3. La BD-Alti de l IGN constitue un fichier *.txt qui comprend les coordonnées XYZ des points du terrain calculés sur un pas de 50 m. Donnée essentielle, la BD-Alti est la source de nombreuses données dérivées. En premier lieu, elle a été la base de la construction du MNT et de la Carte Topographique sur le logiciel Surfer 8. En deuxième lieu, elle a servi de base de données altitudinale pour

18 l orthorectification des photos aériennes sur le logiciel ErMapper 7. Finalement, la BD-Alti a été utilisé dans la génération du TIN (Triangulated Irregular Network ) sur le logiciel ArcMap (ArcGIS 9 ), et dans les Cartes de Pentes et d Orientation dérivées (Figure 3). D autre part, trois séries de photographies aériennes issues de l IGN ont été acquises. Elles correspondent aux années 2000, 1987 et La série 2000, en format numérique, fait partie de la BD- Ortho de l IGN. Les séries 1987 et 1948 ont été acquises en format papier, puis scannées et transformées en format numérique avec une résolution de 600 ppi. Pour la correction de leur géométrie et de leurs déformations, les séries 1987 et 1948 ont été orthorectifiées sur le logiciel ErMapper 7 (Figure 3) avec une erreur RMS moyenne d entre 0,5 et 1,1. L orthorectification a été menée sur l outil Geocoding Wizard par l usage de points de contrôle sur le terrain. Les données source de cette étape intègrent la mosaïque de la série 2000 et la BD-Alti transformée en grille par la technique de krigeage sur l outil Gridding Wizard. Les photographies orthorectifiées en format *.ers ont été compressées au format *.ecw et importées sur ArcMap (ArcGIS 9 ) à travers l outil ECW and ErMapper (ArcGIS Plugin With Compressor 1 ) (Figure 3). Figure 3. Chaîne simplifiée du traitement des données. 2. Les données dérivées. Génération des données de base pour l analyse paysagère. a. Le Modèle Numérique du Terrain. Le MNT a été construit à partir de la transformation de la BD-Alti dans une grille par la technique de krigeage (Surfer 8 ) (Figure 3). Cette modélisation du relief a eu pour principale application la délimitation du bassin versant et la détermination de la direction de l écoulement. Elle a aussi permis de se rapprocher du paysage perçu à partir de la visualisation en trois dimensions (IFN, 2005). 1 Téléchargement gratuit [

19 b. Les cartes de relief, de pentes et d orientation. Les coordonnées XYZ de la BD-Alti ont été introduites sur ArcMap (ArcGIS 9 ) en format table, puis transformées dans un fichier de points en format *.shp. Ce fichier a été utilisé pour la construction du TIN avec une taille de pixel de 5 m. Les cartes d altitudes, de pentes et d orientation ont été dérivées du TIN. Ainsi, la taille des pixels est la même. Pour faciliter l analyse postérieure, les cartes brutes obtenues ont été découpées selon les limites du bassin versant (outil mask), puis reclassifiées et exportées en format vecteur. La construction de ces cartes a eu pour principal objectif l identification des caractéristiques physiques de la zone de l étude et la génération d une carte d unités physiographiques. Cette carte est le résultat de la superposition des cartes d altitude et de pentes en format vecteur (outil intersect). Elle englobe six unités physiographiques à savoir : Haut plateau, crêtes, terrains modérément escarpés, terrains escarpés, terrains fortement escarpés et fond de vallée. Ces unités ont été déterminées à partir des relations matricielles entre les valeurs d altitude et des pentes (Colantonio Venturelli et Galli, 2006). Ces valeurs préliminairement absolues, ont été catégorisées en 10 classes à pas de 100 mètres dans le cas des altitudes (600 à 1600 m). Dans le cas des valeurs des pentes (0 à 120 %), elles ont été regroupées en 10 classes à pas de 10 % d inclinaison, sauf pour les valeurs les plus élevées (90 à 120 %) qui ont été agroupées dans une seule catégorie. c. Les cartes d occupation du sol. L occupation du sol constitue l une des données principales pour l analyse paysagère et pour le calcul des indicateurs d écologie du paysage (Aspinall et Pearson, 2000 ; Feranec et al., 2000 ; Mendonça Santos et Claramunt, 2001 ; Fujihara et Kikuchi, 2005, Colantonio Venturelli et Galli, 2006 ; Lasanta et al., 2006 ; Haase et al., 2007). Les cartes d occupation du sol ont été produites à partir de l analyse et de la digitalisation sur ArcMap (ArcGIS 9 ) des mosaïques issues des photographies aériennes de 1948, 1987 et 2000 (Figure 3). Ces cartes en format vecteur intègrent toute une série de polygones identifiant types d occupation du sol. L opération de digitalisation a impliqué la résolution de certaines opérations préliminaires (Aspinall et Pearson, 2000; IFN, 2005). Ces opérations sont décrites ci-dessous. Délimitation de la zone d étude. Le bassin versant de La Voireuze a été rigoureusement délimité et digitalisé à partir de la carte topographique de l IGN, en suivant les inflexions des courbes de niveau et à l aide du MNT. Définition des surfaces minimales à cartographier en fonction de l échelle de présentation des résultats. La taille minimale des unités cartographiables a été définie à 15 m de côté (225 m 2 ). Considérant une limite de perception visuelle à 0,3 mm (Cremona Parma et Philips, 2004) et une échelle de représentation

20 à 1/50.000, les unités dont la taille sur le terrain est inférieure à cette valeur ne seront pas visibles à l échelle de représentation. Identification et définition des unités paysagères à cartographier. Sur la base de l analyse des photographies aériennes, deux grands groupes d éléments paysagers ont été identifiés : des élément linéaires et des taches. Le premier groupe intègre les cours d eau, les routes, les chemins. Le deuxième groupe englobe les espaces destinés aux activités agroforestières, les espaces couverts de végétation, les espaces de transition et les espaces occupés par des habitats. En tant qu unités paysagères identifiables, avec des limites définies et donc cartographiables (Burel et Baudry, 2000), les taches identif iées ont été regroupés en neuf catégories d occupation du sol (Tableau 2). La classification établie ainsi que les couleurs de représentation choisies ont été adaptées de la nomenclature Corine Land Cover (CLC) (EEA, 2006). CLC est l une de plus importantes bases de données sur les types d occupation du sol au niveau européen offrant un outil essentiel pour l inventoire et l analyse du paysage (Feranec et al., 2000). La catégorie «haies» a été ajoutée à la catégorisation en tant que front de boisement. Dans le cas particulier des espaces de transition, la catégorisation générale de la nomenclature CLC a été affiné à partir de la typologie des friches proposée par Diry et Mignon (2000). Tableau 2. Catégorisation des types d occupation du sol. 1 Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Description Couleur RGB Surfaces artificielles Habitats et Chemins Habitats et chemins* Modèles de cultures complexes* Des habitats, des routes et des zones artificielles occupant des surfaces significatives. Juxtaposition des petites récoltes annuelles et/ou permanentes Surfaces Surfaces 3 agricoles Plantations forestières* Couverture boisée composée d espèces de sylviculture agroforestières hétérogènes Végétation arborée alignée conformant souvent des fronts 4 Haies de boisement lorsque les cultures sont abandonnées. 5 Forêt Végétation Arborée* Surfaces forestières et seminaturelles Associations de végétation arbustive et herbacée Végétation herbacée (Prairies naturelles et pâturées)* Zones de Transition : Déprise agricole** Zones de Transition : Parcelles à broussailles** Zones de Transition : Friches** Sources : (*) EEA, 2006 [modifié] ; (**) Diry et Mignon, Formation composée principalement d arbres y compris des arbustes. Prairies de productivité différentielle, souvent placées dans des terrains irréguliers ou parmi le tissu agricole. Moindre exploitation des espaces cultivés ou pâturés pouvant conduire à un abandon partiel ou total des terres. Zone improductive qui a connu l intervention humaine mais qui n est plus exploitée depuis un temps suffisamment long pour que l embroussaillement de déroule. Espace non affecté par une intervention anthropique depuis longtemps et qui évolue à une végétation difficilement pénétrable avec éventuellement la présence d arbustes et d arbres annonçant le passage à la forêt Le traitement des données : spatialisation et quantification du paysage. La chaîne complète de traitement des données dérivées est exprimée dans la Figure 4. Les cartes d occupation du sol constituent les données de base de toute mesure et calcul d analyse du paysage. En premier lieu, elles ont été récapitulées pour chaque période considérée en fournissant une représentation de la structure de la mosaïque, puis superposées deux à deux procurant ainsi une vision des changements paysagers. Finalement, elles ont été associées aux unités de relief pour l identification de sa situation

21 géographique. En deuxième lieu, les cartes d occupation du sol ont fourni les données de base pour la quantification du paysage et des changements à travers le calcul de plusieurs indices propres de l écologie du paysage. Figure 4. Chaîne de traitement de données dérivées. a. Traitement des données pour l analyse qualitative du paysage. La description de la structure et de la dynamique du paysage a impliqué l analyse et la superposition des cartes d occupation du sol, ainsi que des cartes physiques. Ces opérations ont été réalisées sur ArcMap (ArcGIS 9 ) en format vecteur (Figure 4). La description de la structure a intégré l évaluation de l état du paysage à partir des cartes d occupation du sol 1948, 1987 et 2000 en format vecteur. Cela a compris l analyse de la distribution spatiale des polygones représentant un type d occupation de sol donné, ainsi que des mesures de leur quantité et de leur surface. Ces mesures ont été produites sur la base des tables d information spatiale associées aux cartes (Figure 4). Pour chaque année, les surfaces plane (SP) et développée (SD) des polygones ont été calculées. La SP est automatiquement calculée par le logiciel dans l environnement d une Geodatabase définie a priori. La valeur de SD a été obtenue à partir du découpage des cartes d occupation du sol par rapport aux valeurs de pente (superposition en format vecteur, outil intersect). La SD est donc le résultat de la relation entre la SP et la correspondante valeur de pente (%). La formule utilisée s exprime comme suit : n SD i = S SP + [SP * Pente] i=

22 La carte d occupation du sol 2000 a été superposée à la carte des unités physiographiques (outil intersect) (Figure 4). Cela a permis de déterminer la situation des types d occupation du sol par rapport aux caractéristiques du relief (Colantonio Venturelli et Galli, 2006). Les années 1948 et 1987 n ont pas été prises en compte du fait des variations non significatives par rapport à l année Finalement, les changements de l état du paysage dans le temps ont été établis par la superposition des cartes en format vecteur (outil intersect) deux à deux selon les années 1987/2000 et 1948/1987 (Figure 4). La multiplicité de catégories obtenues, produit de la superposition spatiotemporelle, a été corrigée par la discrimination de transitions impossibles et/ou pas significatives, puis par la construction de tableaux croisés et de diagrammes de transition. Les tableaux croisés ont fourni l information nécessaire au calcul de l Indice d Evolution (IE) des types d occupation du sol. L IE constitue un indice simple pour la mesure des changements du paysage dans le temps. Il s agit de la proportion totale (%) de terrain gagné ou perdu pour chaque type d occupation du sol entre les années 1948/1987 et 1987/2000. Cette proportion est le résultat de la relation entre les pertes de surface en faveur des autres types d occupation du sol et les surfaces gagnées durant les deux périodes concernées (IFN, 2005). Les diagrammes de transition ont fourni l identification des principaux changements du paysage, ceux qui ont été postérieurement spatialisés (Feranec et al., 2000 ; Mendonça Santos et Claramunt, 2001). b. Traitement des données pour l analyse quantitative du paysage. L analyse quantitative de la structure du paysage intègre toute une série de métriques issues de l écologie du paysage. Ces métriques sont calculées sur le logiciel Fragstats pour la quantification de la structure à l échelle de la tache, d une même catégorie de taches et à l échelle globale du paysage. Leur principale finalité consiste de recréer des structures paysagères et leur dynamique dans le temps ainsi que d évaluer les fonctions et les processus écologiques qui s y déroulent (McGarigal et al., 2002). Certaines de ces métriques sont utilisées dans la mesure de la composition du paysage (présence et abondance de taches ou de types de taches) pendant que quelques autres sont appliquées à la mesure de la configuration paysagère (distribution et arrangement spatial des taches) (Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal et al., 2002 ; Colantonio Venturelli et Galli, 2006). Pour mesurer la composition et la configuration de la structure paysagère, les cartes d occupation du sol 1948, 1987 et 2000 ont été transformées en format grid (raster) avec une taille du pixel de 5 m. Puis, les cartes en format grid ont été importées dans le logiciel Fragstats (Figure 4). Sur ce logiciel, les indices adaptés aux objectifs du travail ont été sélectionnés et calculés. Le Tableau 3 présente les indices choisis, le niveau d analyse où ils ont été appliqués et des descriptions complémentaires. Ensuite, le Tableau 4 présente la relation entre les indices et leur application dans l analyse des processus écologiques

23 Les indices inscrits dans les Tableaux 3 et 4 correspondent à métriques courantes en écologie du paysage. Par exemple, surface des taches, nombre, diversité, sont des mesures fréquemment utilisées dans des études décrivant l hétérogénéité spatiale. D autre part, les mesures de densité de contours, de surface moyenne des taches et de cohésion, constituent des calculs propres à études de la fragmentation (Aspinall et Pearson, 2000 ; Mendonça Santos et Claramunt, 2001 ; Botequilha Leitão et Ahern, 2002 ; McGarigal et al., 2002 ; Colantonio Venturelli et Galli, 2006 ; Lasanta et al., 2006 ; Hasse et al., 2007). Tableau 3. Métriques utilisées dans l analyse du paysage. Indice Niveau Algorithme Unités Description CA Classe Hectares Surface occupée par classe. Composition du paysage PLAND Classe % LPI Classe % NP Classe / Paysage NP = 1 8 PR Paysage PR = 1 8 SHDI Paysage SHDI = 0 8 PD Classe N par 100 hectares Proportion du paysage occupé par classe (Régularité). Pourcentage total du paysage compris par la tache la plus grande. Nombre de taches au niveau des classes et au niveau du paysage. Nombre de classes présentes dans le paysage. Mesure exprimant le degré avec lequel des éléments du paysage sont représentées en proportions similaires. Relation entre le nombre de taches d une classe par 100 hectares. MPS SD CV Classe Hectares Taille moyenne des taches par classe et sa variation absolue (SD) et relative (CV). Configuration du paysage SHAPE ED AI IJI Classe Classe / Paysage Classe / Paysage Classe / Paysage SHAPE = 0 8 Mètres par hectare % 0 = AI = 100 % 0 = IJI = 100 Valeur moyenne de la forme des taches composant une classe Somme des contours des taches correspondant une classe par hectares. Fréquence avec laquelle des pairs des pixels d une même classe sont adjacentes. Pourcentage d adjacence d une classe et le reste des classes. CON- TAG Paysage % 0 = C = 100 Mesure de l agrégation spatiale des classes au niveau du paysage. CA (Class area); PLAND (Percentage of Landscape); LPI (Largest Patch Index); NP (Number of Patches); PR (Patch Richness); SHDI (Shannon Diversity Index); PD (Patch Density); MPS (Mean Patch Size); SD (Standard Deviation); CV (Coefficient of Variation); ED (Edge Density); AI (Aggregation Index); IJI (Interspersion/Juxtaposition Index); CONTAG (Contagion). 4. Méthodologie de présentation des résultats. Les résultats obtenus proviennent des analyses qualitative et quantitative du paysage. Les aspects qualitatifs ont été spatialisés sur des cartes variées, accompagnées par des tableaux et par des graphiques

24 explicatifs. Les résultats de l analyse statistique ont été organisés en tableaux sans référence à un support spatial. La présentation des résultats a été organisée comme suit : Résultats de l analyse qualitative du paysage. Spatialisation de la structure paysagère à travers les Cartes d Occupation du Sol 1948, 1987 et 2000 (Figure 5). Pour chaque année, les cartes sont accompagnées par des tableaux et des qraphiques exprimant nombre et surface des types d occupation du sol. Spatialisation des relations entre les altitudes et les pentes à travers la Carte d Unités Physiographiques (Figure 6). Spatialisation de la situation des types d occupation du sol à travers la carte de distribution de types d occupation du sol par rapport aux unités physiographiques (Figure 7). Etablissement des changements du paysage à travers les diagrammes de transition 1948/1987 et 1987/2000, les schémas de tendances évolutives et à travers les Indices d Evolution (Figure 8). Spatialisation de l évolution du paysage à travers les cartes de changements 1948/1987 et 1987/2000 (Figure 9). Résultats de l analyse quantitative du paysage. Indices de la composition du paysage aux années 1948, 1987 et 2000 : Mesure de la diversification / simplification (Tableau 5). Indices de la configuration du paysage aux années 1948, 1987 et 2000 : Mesure de la fragmentation / fermeture et de la agrégation / désagrégation (Tableaux 6 et 7). Tableau 4. Applications des indices à l analyse des processus écologiques. Processus écologique Simplification / Diversification Fragmentation / Fermeture Agrégation / Désagrégation Indices de mesure CA mesure la surface occupée pour chaque type d occupation du sol. PLAND mesure la proportion du paysage occupé par des types d occupation du sol. PLAND donne une idée de dominance des types d occupation. LPI mesure la surface de la tache la plus grande pour chaque type d occupation du sol. Grandes valeurs de LPI indiquent une forte dominance d une tache unique. PR mesure le nombre de types d occupation du sol présentes dans le paysage. PR augmente en tant le paysage accroisse sa hétérogénéité. SHDI mesure la hétérogénéité du paysage combinant la richesse et la régularité. Une valeur égale à 0 indique un paysage homogène. NP et PD mesurent le nombre et la densité de taches conformant un type d occupation du sol. Ces valeurs augmentent en tant le paysage se présente de plus en plus fragmenté. MPS mesure la surface moyenne des taches conformant une classe. Cette valeur diminue en tant le paysage se présente de plus en plus fragmenté. SD et CV mesurent la variabilité de la taille des taches par rapport à la moyenne. Petites valeurs de variabilité indiquent des paysages uniformes. Ces mesures servent à comparer les variations dans le temps. ED mesure la densité des contours des taches conformant des types d occupation du sol. Hautes valeurs de ED accompagnées par faibles valeurs de surface indiquent une haute fragmentation du paysage en plusieurs petites taches. AI mesure l arrangement spatial des taches correspondantes aux types d occupation du sol. Une valeur AI élevée indique des unités adjacentes et donc des taches agrégés. IJI mesure l adjacence entre types d occupation du sol différents. Une valeur IJI égale à 100 indique une classe adjacente avec toutes les autres classes. CONTAG mesure l agrégation des taches au niveau du paysage. Hauts indices de contagion conduisent à la colonisation et à la diffusion potentielle des perturbations CA (Class area); PLAND (Percentage of Landscape); LPI (Largest Patch Index); NP (Number of Patches); PR (Patch Richness); SHDI (Shannon Diversity Index); PD (Patch Density); MPS (Mean Patch Size); SD (Standard Deviation); CV (Coefficient of Variation); ED (Edge Density); AI (Aggregation Index); IJI (Interspersion/Juxtaposition Index); CONTAG (Contagion)

25 DEUXIÈME PARTIE Résultats 1. Analyse qualitative du paysage. Description de la structure et de la dynamique. 2. Analyse quantitative du paysage. Mesure de la composition et de la configuration

26 1. Analyse qualitative du paysage. Structure et dynamique. L analyse qualitative comprend la description et la spatialisation de la structure ainsi que l identification et la spatialisation des changements du paysage enregistrés au cours des 50 dernières années. a. Description de la structure paysagère. La Figure 5 présente les cartes d occupation du sol obtenues après digitalisation des photographies aériennes de 1948, 1987 et Elle expose la distribution spatiale des neuf types d occupation du sol identifiés ainsi que la proportion du paysage occupée par les différentes catégories, et les relations entre leur surface totale et le nombre de taches qui le s composent. Les résultats soulignent certains aspects remarquables concernant l état de la structure pour chaque période. En 1948 [Figure 5 : A], le paysage apparaît plutôt rural, dominé par des espaces couverts de végétation herbacée (26,85 %) et par les cultures (12,12 %). La relation surface/nombre révèle une grande quantité de cultures (682), distribuées sur une surface de 390 ha en opposition à une grande surface herbacée (870 ha) contenant un nombre réduit de parcelles (66). Cela indique la présence d une activité agricole intensive sur un parcellaire très morcelé opposée à un pâturage plutôt extensif. En règle générale, cultures et prairies se distribuent de façon concentrée et compacte. Elles constituent des associations le long de grandes surfaces, seulement interrompues par des haies, des habitats et des chemins. Pourtant, il y a des secteurs où le continuum agricole est interrompu par des parcelles abandonnées. La déprise agricole occupe 10,7 % du territoire. Cette valeur assez élevée intègre 122 parcelles sur 345 ha, généralement distribuées autour des terrains cultivés. D autre part, la forêt (19,5 %) et les terrains embroussaillés (18,6 %) sont très présents. Les surfaces arborées occupent 630 ha disposés en langues allongées dans le sens est-ouest et qui se fragmentent vers les extrémités. Vers le centre-est, et sur une surface de 600 ha, les parcelles embroussaillées s alignent le long de la forêt ; elles sont fréquemment interrompues par des friches. Les friches, localisées de préférence au bord des surfaces arborées, représentent 8,2 % de l ensemble paysager. En 1987 [Figure 5 : B], le paysage a subi certaines transformations, représentées principalement par le recul et la fragmentation de l espace agricole, l expansion de la forêt et le développement de la sylviculture. Le nombre et la surface des cultures sont descendus de 682 à 460 parcelles et de 390 à 330 ha (10,1 %). Dans le cas de la végétation herbacée, on assiste aussi à une diminution de leur surface de 870 à 720 ha (22,3 %) ainsi qu à une réduction de la taille des parcelles herbacées liée à l accroissement de leur nombre (119). Prairies et cultures apparaissent spatialement plus fragmentées et mélangées avec des autres types d occupation du sol