État de l art l. t tection opérationnels pour l observation l des milieux forestiers: principes, applications et exemples en A-T A.

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1 État de l art l des outils de télédétection t tection opérationnels pour l observation l et le suivi des milieux forestiers: principes, applications et exemples en A-T A André Beaudoin, SCF Contributions de: Luc Guindon,, Philippe Villemaire,, SCF 21 novembre 2003

2 CONTENU 1. CONTEXTE 2. RAPPEL PRINCIPES TÉLÉDÉTECTION 3. TECHNOLOGIE ET EVOLUTION vs APPLICATIONS FORESTIÈRES 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS 5. SYNTHÈSE

3 1. CONTEXTE Projet Initiatives Régionales Stratégiques (IRS) - Ressources forestières, Volet 3: Développement d outils d aménagement forestier en télédétection et géomatique (Développement Économique Canada) Développement et transfert: outils et produits spatiaux basés sur la télédétection et les SIG comme support à l AFD en Abitibi- Témiscamingue: Outils spatiaux d aide à la planification forestière (O. Valeria) État régional et suivi de la forêt en A-T comme support à l AFD (O. Valeria, A. Beaudoin): PHASE 1: ATELIER Recherche: problématiques régionales où la géomatique et la télédétection peuvent jouer un rôle: Paludification (P. Bernier) Productivité forestière (ECOLEAP, Pierre Bernier) Suivi de la régénération après perturbation (A. Beaudoin, S. Gauthier)

4 1. CONTEXTE Projet Observation de la Terre pour le Développement Durable des Forêts (OTDD) du SCF (Agence spatiale canadienne) Projet national du SCF pour la mise en place d un système d observation et de suivi de la forêt canadienne par télédétection pour divers besoins nationaux: Critères et indicateurs nationaux (CCMF) Comptabilisation du carbone et Kyoto (CBM-CFS2) Support au nouvel Inventaire Forestier National Produits en cours de réalisation ou développement: Couverture des terres et types de couvert forestier (2000,1990) Détection des perturbations majeures (au 5 ans) Estimation de la biomasse Développement et test sur réseau de régions pilotes : Abitibi

5 2. PRINCIPES: Spectre électromagnétique et technologie Technologie passive: optique, IR Technologie active: radar, lidar (optique, IR)

6 2. PRINCIPES: chaîne d acquisition A: source illumination B: rayonnement incident C: Interaction avec la surface D: Enregistrement rayonnement réfléchi ou émis E: Transmission au sol et création image F: Traitements G: Applications

7 2. PRINCIPES Dimensions spatiales et spectrales Image: échantillonnage spatial (pixels) et spectral (signature spectrale) de la réflectance des objets de la scène Réflectance: rapport lumière réfléchie/lumière incidente en fonction de portions de longueur d onde du spectre visible et infrarouge signature spectrale MIR MIR PIR Rouge Vert Bleu Réflectance Signature spectrale Landsat pessière à lichen, biomasse variable biomasse 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 longueur d'onde(υm) 13,86 17,77 86,96 132,41

8 BR V Image: ton, texture, patrons

9 2. PRINCIPES Attributs affectant la réflectance Propriétés optiques de la végétation et du sol: Feuillage: réflexion (vert), absorption (photosynthèse: rouge), diffusion (IR) Couronne: quantité de feuillage (ISF) et architecture Sol: type de sol (couleur), humidité Mixture spectrale dans un pixel (30m) Somme réflectances élémentaires: couronnes arbres, sous-bois, sol, ombre, pondérée par leur taux de recouvrement (fractions) Lien indirect avec les attributs recherchés densité couvert (niveau + répartition de l ISF, type de sous-bois) hauteur (ombre) Transformation en attributs utile: Manuelle: photo-interprétation Semi-automatique ou automatique: traitement numérique et modèle: Classification, régression, physique

10 3. TECHNOLOGIE: SURVOL Explosion des systèmes d Observation de la Terre depuis 1990: Technologies passives: Multi-spectral (Landsat, SPOT, IRS ) > hyperspectral (Hyperion, MERIS ) Amélioration de la résolution: 1m et moins (Ikonos, Quick Bird)! Multi-angulaire (stéréo; discrimination accrue) Technologies actives: Radar: multi-résolution, multi-angle, bientôt multi-polarisation Lidar: bi-fréquence, profileur vertical CHAQUE TYPE DE SYSTÈME PEUT APPORTER UNE RÉPONSE PARTIELLE EN MESURE DE C&I A UNE ÉCHELLE DONNÉE QUEL(S) SYSTÈME(S) POUR QUELS INDICATEURS? BEAUCOUP DE SYSTÈMES POUR LA R&D INTÉGRATION MULTI-SOURCE (GEOMATIQUE)

11 3. TECHNOLOGIE PASSIVE: multispectral à hyperspectral AVANTAGES: De quelques bandes séparées à plusieurs dizaines bandes continues Nouvelles applications nombreuses Milieux forestiers: état phyto-sanitaire, stress hydrique, concentrations en lignine, pigments foliaires Efficacité de conversion du rayonnement photosynthétiquement actif LIMITATIONS: Redondance d information entre bandes Données volumineuses et plus complexes à traiter Pas de systèmes satellitaires opérationnels encore GAIN RÉEL par rapport à multi-spectral pour applications traditionnelles? (Bortstad)

12 3. TECHNOLOGIE PASSIVE: amélioration de la résolution AVHRR 1km Gratuit Landsat 30m 0,03$/ km2 Quick Bird 60cm + 30,00$/ km2

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14 3. TECHNOLOGIE PASSIVE: amélioration de la résolution Avantages: S interprète davantage comme la photo aérienne couleur ou infra-rouge conventionnelle Ouvre des applications en général impossibles avec la résolution moyenne (délimitations couronnes, comptage d arbres, classification à l essence, détection des coupes partielles ) Limitations: Coûts Couverture géographique très réduite (moins 20km de largeur) Pas autant de bandes spectrales Nouveaux outils numériques en cours de développement

15 3. TECHNOLOGIE ACTIVE: LIDAR Avantages: Mesure directement avec une bonne précision la hauteur du couvert et l altitude du terrain sous-jacent, ainsi que des attributs des couronnes Permet de remonter à d autres attributs comme le volume et la biomasse Puissance accrue lorsque fusionnée avec imagerie spectrale haute résolution (Quick Bird, Ikonos) : la voie royale?? Désavantages: Structure seulement Coûts élevés Couverture aérienne réduite Lidar satellite: échantillonnage à moyenne résolution, seulement prototypes

16 3. TECHNOLOGIE: ACTIVE: RADAR Actuel: Radarsat-1 (Agence spatiale canadienne) 5cm longueur d onde (bande C), 25m résolution, polarisation VV Avantages: voit au-travers les nuages, imageur de nuit ou jour Désavantages: peu discriminant et peu adapté pour le milieu forestier Landsat Radarsat-1 (CCRS)

17 3. TECHNOLOGIE: ACTIVE: RADAR 2005: Radarsat-2 (Agence spatiale canadienne) Bande C, polarimétrique (25m), multi-polarisé; résolution fine (3m) (CCT)

18 3. TECHNOLOGIE: ACTIVE, RADAR Avantages additionnels Radarsat-2: Polarimétrie: sensible à la structure 3D des arbres et peuplements; meilleure discrimination dans la classe DH Résolution 3m: structure horizontale des peuplements (texture) Limitations: Technologie et outils complexes: appropriation plus difficiles pour les utilisateurs Applications forestières demeureront encore limitées

19 3. TECHNOLOGIE: EN RÉSUMÉ Explosion des technologies spatiales actives et passives, amélioration constante; Explosion des méthodes de traitement et d extraction de l information; Explosion des capacités de stockage et traitement Puissances des ordis: vitesse, mémoire, stockage.. Logiciels plus performants de traitement d images (TI) mais pas forcément plus conviviaux Logiciels de Systèmes d Information Géographique (SIG):i ntégration multisource des images avec autres données; capacité accrue en analyse spatiale Bref, surabondance: De données complémentaires quant aux informations utiles (futur: fusion) De méthodes et d outils associés à diverses phases de R&D En attendant: utilisation capteurs et méthodes éprouvées

20 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS Critères de sélection Quelques critères de sélection des outils de télédétection pour la mesure et le suivi d indicateurs Mesurable par télédétection directement ou indirectement: dépend de la résolution (espace, temps), précision et échelle requise Permet le suivi: revisite suffisante pour suivre les indicateurs d intérêt; pérennité des systèmes Coût raisonnable: acquisition, traitement, extraction de l information, intégration multi-source, travaux terrain, calibration/validation Difficilement accessible par d autres moyens, ou bien gain appréciable bénéfice/coûts

21 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Avantages et désavantages Avantages: Technologie et méthodes éprouvées (depuis 1972) Plus longue mission d observation de la Terre (archive) Résolution moyenne: 15-30m : échelle paysage et région; niveau du peuplement dans certains cas Coût très faible: 0,03$/km 2 Couverture régionale en peu d images Capacité de revisite régulière (en théorie: 16 jours; en pratique: tous les 1-2 ans) et pérennité Principaux désavantages: Résolution moyenne: 15-30m (pixels mixtes) Difficulté à avoir une image à une date optimale Landsat-7: problème technique: alternative??

22 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Approche méthodologique générale matrices vecteurs Traitement d image Autres données géospatiales - cartes topo - MNE - PEP, PET - cartes éco-forestières - autres SIG Attributs forestiers: indicateurs

23 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: classification type de couvert 1) Classification d images, supervisée ou non supervisée

24 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: détection des changements 2) Détection des changements: comparaison de 2 classifications

25 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: détection des changements 1) Détection des changements: différence des images T1 T1 A B Détection changement classification T2 T2 Indice spectral

26 2- Détection 1- Classification changemetns 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Résumé des attributs 1) TÉLÉDÉTECTION LANDSAT Attributs télédétectables Forêt non-forêt Type couvert : Résineux-Mixte-Feuillu Densité couvert (%) Classes d âge Volume et biomasse (m3/ha; t/ha) Dégâts insectes et gravité (ha; %) Dégâts feux et gravité (ha; %) Coupes (ha; %; taille moyenne) Régénération 2) TRAITEMENT GÉOMATIQUE Commentaires Statut Attributs Forêt télédétectable : 10% Distribution des types de couvert par entité géographique*; fragmentation Confusion dans le Distribution des types de couvert mixte forestiers par entité géographique*; fragmentation Quelques classes de Distribution classes densité par densité variables entité géographique; fragmentation Jeune; Distribution classes d äge par entité mature/suranné géographique; fragmentation Mesure indirecte; Distribution dégâts par entité précision variable; géographique stratification préalable Gravité difficile superficie gravité Distribution dégâts par entité géographique Gravité en 2-3 superficie gravité Distribution dégâts par entité classes géographique Distribution coupes par entité géographique Révégétalisation vs qualitatif quantitatif Distribution régénération par entité régénération esp. géographique commerciale Indicateurs AFD?

27 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Illustration régionale avec projets OTDD et IRS Projet OTDD et région-pilote en Abitibi (C&I nationaux) : Cartographie de la couverture des terres Détection et cartographie des changements Cartographie de la biomasse Projet IRS-Abitibi, Volet 3: Déclinaison et adaptation de ce type de produits répondant à des besoins régionaux en indicateurs d AFD

28 Région-pilote Abitibi (OTDD, IRS)

29 Base de données géospatiale Données géospatiales Cartes écoforestières 1 :20000 Carte topo BNDT au 1 :50,000 et 1 :250,000 Modèle Numérique d Altitude issu des cartes au 1 :50,000 Placettes d échantillonnage permanentes et temporaires Placettes d échantillonnage pour l estimation du Fapar 2 chronoséquences d images Landsat: 2 images sud (99,00), 8 images nord (94-01) Cartes numériques des zones brûlées 1 : Cartes numériques des travaux sylvicoles, (nord, une unité de gestion) Fournisseur MRNFP (DIF) RNCan RNCan-SCF MRNFP (DIF) UdeS SCF MRNFP (DCF) Tembec, Norbord

30 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS:

31 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Région de LG km

32 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Biomasse ligneuse aérienne Estimation de la biomasse: Approche: spatialiser par télédétection des attributs qui sont corrélés à la biomasse Stratification préalable: classification en classes de groupe d essences+densité+hauteur (GE+DC+H) 1ère approche: association d une table de conversion ou BIO = f(ge, DC,H) 2ième approche: équation de régression avec données spectrales comme variables explicatives: BIO = f(b1,b2, IV)

33 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Biomasse ligneuse aérienne Carte de biomasse basée sur l inventaire forestier Crown Density (%) Height (m) (22-+) (17-22) (12-17) (7-12) (4-7) (1.5-4) 177,5 160,0 122,8 77,8 56,2 A (4,5) (2,2) (3,4) (5,2) (5,9) (80-+) 180,8 161,0 121,2 81,2 49,0 24,7 [95] [268] [74] [20] [7] [0] 182,0 148,8 120,6 65,2 46,5 B (4,2) (1,8) (2,9) (10,3) (7,8) (60-80) 167,9 150,7 116,1 81,3 53,2 32,0 [106] [415] [105] [5] [4] [0] 157,5 122,4 96,9 63,3 28,5 C (8,3) (3,0) (2,9) (8,7) (9,1) (40-60) 141,2 126,6 97,2 67,5 43,6 25,6 [28] [151] [103] [7] [3] [0] 117,9 83,7 76,8 47,8 27,1 D (16,5) (5,1) (4,2) (8,1) (7,0) (25-40) 106,5 94,2 69,3 44,2 24,0 8,6 [7] [51] [50] [8] [5] [0] Sugar Maple Carte de biomasse produite à partir d une image satellite

34 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Biomasse ligneuse aérienne: Radissonc

35 4. LANDSAT ET ATTRIBUTS FORESTIERS: Détection des changements: 95-00

36 Exemple indice wetness sur feux

37 Exemple indice wetness sur coupes

38 Détection et classification des changements 95-00

39 Conclusions Télédétection et critères d AFD: Ne mesurent que certains indicateurs, adéquation à évaluer Landsat : technologie éprouvée pour la mise en place d un état de base de la forêt et son suivi au 2-3 ans (parfois 1 an) Autres technologies: améliorations itératives de l état de la forêt (meilleure précision; plus d indicateurs) par fusion multi-source Géomatique et SIG: ESSENTIEL (intégration multi-sources, outils d analyse spatiale) Une vision du rôle possible du SCF: Multi-partenariat université/féd/prov/industrie Supervision scientifique; contributions directes aux aspects en recherche et développement

40 Remerciements Ministère des Ressources naturelles, de la Faune et des Parcs (MRNFP): DIF, DCF Agence spatiale canadienne (ASC) Développement Économique Canada (DEC) Osvaldo Valeria, UQAT Richard Fournier, U de Sherbrooke Jocelyn Bluteau, Tecsult