Télédétection et forêt : comment ça marche?

2 Objectifs de la présentation Donner quelques exemples d applications forestières de la télédétection en France (hors FORESEE) Présenter les technologies les plus utilisées dans le projet Foresee les situer parmi l ensemble des technologies de télédétection aérospatiale présenter plus précisément 2 technologies : le lidar aérien et la photogrammétrie, et les questions posées dans FORESEE sur ces technologies Ce n est donc pas un panorama de l ensemble de la télédétection forestière! FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 2

3 Sommaire Exemples d applications forestières de la télédétection en France Panorama des principales technologies (types de données) «Zoom» sur la photogrammétrie «Zoom» sur le Lidar aérien Conclusion FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 3

5 Suivi des coupes rases annuelles / Massif Landais IFN A.Jolly et al. INRA Comparaison d images Landsat 2 thèses puis transfert vers l opérationnel carte annuelle des coupes rases (de 1984 à 2009) Application coupes rases Geosud FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 5

6 Incendies de forêts Sensibilité de la végétation aux incendies Alpes de Haute provence Suivi et cartographie des impacts d incendies S.Labbé. Irstea ONF Y.Duché et al FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 6

7 Cartographie de dégâts de tempête en forêt Inventaire Forestier National + UMR TETIS Méthode développée lors de la tempête de 1999 images Landsat / Massif Landais et Département des Vosges améliorée lors de la tempête de 2009 Images SPOT 4 & 5 / Massif Landais FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 7

8 Santé des forêts : défoliations massives FD de Haguenau : défoliation par le Bombyx disparate (étude UMR TETIS, N.Stach, M.Deshayes) FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 8

9 Evolution de l occupation du sol en Guyane Étude ONF IGN 2014 Étude ONF IGN 2010 FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 9

10 Télédétection et forêt : ce n est donc pas complètement nouveau MAIS les applications opérationnelles sont restées longtemps limitées par : la résolutiondes données, et la nature des informations accessiblespar traitement automatique (surtout changements brutaux), insuffisants pour les besoin d une forêt gérée intensivement la disponibilité insuffisante des données (nombre de satellites, modalités de diffusion, coût des données) le manque de capacité d appropriation par des acteurs opérationnels (gestionnaires, coopératives, services de l Etat) : accès aux données, compétences, matériels et logiciels, des évolutions (+ ou -) récentes favorables du nombre de satellites et renouveau de la photographie aérienne (numérique) de la résolution des données large gamme possible : de <1m à 1 km Initiatives favorisant la diffusion et l accès aux données (ex: Geosud) développement du LiDAR (à partir du début des années 2000) : du «vrai 3D» capacités de calculs et algorithmes adaptés aux données à très haute résolution optiques et lidar FORESEE FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 10

12 Images Optiques 2D Résolution Emprise BASSE > 1000 km 250 m MOYENNE > 300 km HAUTE 50 m Valeur = énergie solaire ré-émise 10 m TRES HAUTE 5 m 1 m km 20-1 km 0 m FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 12

13 Images Optiques Stéréoscopiques (3D) Résolution Emprise BASSE > 1000 km 250 m MOYENNE > 300 km Source IFN 50 m HAUTE 10 m TRES HAUTE 5 m km H Modèle Numérique de Surface (Canopée) 1 m 20-1 km Stéréo-restitution : mesures ponctuelles Stéréo 0 m Photogrammétrie FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 13

14 Images RADAR Résolution Emprise BASSE > 1000 km 250 m MOYENNE > 300 km HAUTE 50 m Valeur = rétrodiffusion du signal RADAR 10 m TRES HAUTE 5 m km Intermap Stéréo 1 m 0 m 20-1 km «Stéréo» (interférométrie) Modèle Numérique de Surface (Canopée ou terrain ) Intermap FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 14

15 LiDAR Aérien 1 m Résolution TRES HAUTE RESOLUTION 0 m 1 pt / m² 5 pts / m² 10 pts / m² 100 pts / m² pts / m² pts / m² Coordonnées X,Y,Z Données calculées à partir du nuage de points : Modèle Numérique de Terrain / de Canopée FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 15

16 LiDAR Terrestre 1 m Résolution TRES HAUTE RESOLUTION 1 pt / m² 5 pts / m² 10 pts / m² 100 pts / m² pts / m² 0 m pts / m² FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 16

17 Convertir la donnée en information forestière Prétraitements (géométrie, radiométrie, atmosphère, ) Signal conditions d acquisition (éclairement, géométrie d acquisition, saison, atmosphère, ) Indicateurs extraits du signal (= «métriques») Modèles (semi-)empiriques Dans certains cas modèles physiques Données de terrain indispensables Calibration des modèles Évaluation des résultats Informations non accessibles par télédétection Mesures de terrain sur échantilllons Caractéristiques des objets? FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 17

19 Photogrammétrie : principes Un même objet du territoire est vu depuis plusieurs points, sous des angles différents Zone couverte par 2 photos Zone couverte par 4 photos FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 19

20 Photogrammétrie : principes Points homologues entre les 2 images: a1 et a2 ; b1 et b2 a1 b1 a2 b2 Un même objet du territoire est vu depuis plusieurs points, sous des angles différents Recherche automatique des points homologues (corrélation) Calcul des altitudes correspondantes B Résultat = A Modèle Numérique de Surface (image représentant les altitudes de la canopée) FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 20

21 «Métriques» issues de la photogrammétrie A partir des apex et couronnes détectés sur le MNS ou sur un modèle de hauteur (MNS Modèle Numérique de terrain) Distribution des apex (nombre d apex) Distribution des hauteurs d apex (somme, quantiles, moy. ) Distribution des surfaces de couronne (somme, quantiles ) Trouées A partir de MNS acquis à des dates différentes Apex ou couronnes «apparié(e)s» d une date à l autre Différences des altitudes des apex entre dates Différences des hauteurs maximales entre dates à l échelle d une «placette» FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 21

22 Questions de FORESEE / photogrammétrie Algorithmes et paramétrage de calculs des MNS adaptés aux couverts forestiers? Influence de la résolution des photos (sur les métriques, sur les modèles)? Suivi temporel (croissance) : o recalage 2D et 3D entre missions de dates différentes? o Possibilité de suivi individuel d arbres? o différence de résolution entre dates? o qualité des archives? Complémentarité ou alternative au lidar (mises à jour, coûts moindres) : o apport de MNS issus de photogrammétrie en tant que variables auxiliaires (notamment dans des approches statistiques à l échelle région ou département) dans les approches statistiques? o métriques communes aux données issues de LiDAR et de photogrammétrie? o comparaison de modèles issus de LiDAR et de photogrammétrie? exposés JP Renaud et L. Saint André FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 22

24 Lidar aérien : télémétrie laser à haute densité GPS y z x Multi-échos Intensité LIDAR y z INS x 1 er écho 2ème écho y GPS z x 3ème écho 4ème écho dernier écho Light Detection And Ranging - émission puis mesure du retour du signal laser Temps FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 24

25 Lidar aérien : «nuage» de points 3D (X,Y,Z) Pénétration du signal à l intérieur du couvert forestier, jusqu au sol, avec points à l intérieur de la végétation ONF - A.Munoz FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 25

26 Lidar aérien : «nuage» de points 3D (X,Y,Z) Classification des points: sol végétation Pénétration du signal à l intérieur du couvert forestier, jusqu au sol, avec points à l intérieur de la végétation ONF - A.Munoz FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 26

27 Lidar aérien : «nuage» de points 3D (X,Y,Z) Exemple : mission LiDAR /Combe d Aillons Surface couverte ~ ha Classification des points : Nuage de points bruts 3D = 417 millions de points 16 points / m2 en moyenne (sol+végétation) (après fusion des bandes de vol) MNS: modèle numérique de surface MNT : Modèle numérique de terrain MNH: Modèle Numérique de Hauteur FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 27

28 Un MNT précis issu de Lidar aéroporté MNT BD Topo (25x25 m) MNT Lidar (1x1m) MNT RASTER ( pixel avec valeur d altitude) FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 28

29 Caractéristiques («métriques») analysées sur le MNT Morphologie du terrain Pentes Ruptures de pentes Concavité, convexité Proximité, continuité Pixels voisins de caractéristiques proches Association de pixels voisins permettant de créer des objets (ex: segments de routes) Talus amont Plateforme de la route Talus aval FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 29

30 Questions de FORESEE / MNT exposé C.Mallet Qualité sous couvert forestier : o Précision de l altitude du MNT? o Caractéristiques de vol optimales pour un bon MNT sous couvert forestier? Desserte forestière : o Extraction automatique de la desserte? o Caractérisation de la desserte (pentes, rayons de courbure, )? FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 30

31 Métriques issues du nuage de points LiDAR A partir de nuage de points LiDAR (approche «placette») Distribution de points (nombre, densité ) Distribution des hauteurs (quantiles, moy., max., ) H t = Z pt Z sol Calcul d indicateurs à partir du nuage LiDAR A partir des apex et couronnes détectés sur le MNH ou le nuage de points (approche «arbre») Distribution des apex (nombre d apex) Distribution des hauteurs d apex (somme, quantiles, moy. ) Distribution des surfaces de couronne (somme, quantiles ) En combinant les couronnes détectées et le nuage de points Distribution des points ou des hauteurs sous les emprises de couronnes (sommes, quantiles) Volume sous le MNS de la canopée Apex détectés à partir du MNH LiDAR FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 31

32 Questions de FORESEE / nuage de points LiDAR Choix des métriques pertinentes parmi toutes les métriques «candidates» o réduire le nombre de métriques utilisées dans les modèles : comment optimiser le choix? o recherche de métriques «mécanistes» liées aux caractéristiques physiques et au fonctionnement biologique du peuplement forestier? Développement de modèles suffisamment génériques (robustes) pour fonctionner o dans différents environnements forestiers? (résineux feuillus ; plantations futaies irrégulières ; plaine montagne) o avec des acquisitions LiDAR de caractéristiques différentes? Modélisation de variables dendrométriques o approche par placettes : taille et nombre des placettes? o approche arbre : généralisation? o domaine de validité du modèle? Cartographie o type de produit cartographique pour l utilisateur final (pixels, zonages, info par parcelle)? o cartographie du domaine de validité / modèle, précision de la carte? exposé JM Monnet FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 32

34 Conclusion Présentation loin d être exhaustive! Questions posées par FORESEE aux différentes technologies : travail spécifique à FORESEE, mais aussi en s appuyant o sur les travaux menés en parallèle de FORESEE par les partenaires o sur les travaux d équipes françaises hors Foresee (ex: photogrammétrie) o sur les résultats de projets à l étranger (état de l art, bibliographie, benchmarking) o sur la contribution de certains partenaires à des projets européens Synergie Une partie seulement de ces questions sera abordée dans les présentations de ce colloque FORESEE : projet plutôt «lidar-centré», mais pas «lidar exclusif» : o travail en // sur différentes technologies o combinaison de différentes sources de données (optique + lidar) o réflexion sur la complémentarité des données FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 34

35 Quelques références Inventaire Forestier National (IGN/ IFN) Revue IF N 18 : Les images satellitaires pour la gestion forestière ( Revue IF N 23 : Changements d occupation et d utilisation des terres dans les Départements d Outre-Mer ( Cartographie des coupes rases en Aquitaine : ( Dossier «télédétection» de la Revue ONF «Rendez-Vous Techniques», n 31 et 32 Téléchargeables sur le site internet ONF (rubrique «lire, voir, écouter» / publications ONF/périodiques + les documents issus de FORESEE! FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 FCBA Paris -Jolly et al. 35

36 FORESEE : Colloque de restitution 14 novembre 2014 FCBA Paris Merci de votre attention! Contacts : anne.jolly@onf.fr, sylvie.durrieu@teledetection.fr