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Cartographie satellite des feux de forêt

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La cartographie des zones brûlées au niveau mondial est fondamentale pour analyser l'influence des gaz d'incendie sur le changement climatique. Dans un domaine plus réduit, il est également important d'élaborer une cartographie des zones brûlées pour évaluer les implications économiques et écologiques et prendre des décisions possibles. Dans les deux cas, la télédétection offre une excellente occasion de réaliser la cartographie.

La télédétection est un technicien qui obtient et utilise des images par satellite. En cas d'incendie de forêt, il est généralement utilisé en plusieurs phases. Avant l'incendie, il sert à obtenir les informations nécessaires des modèles utilisés pour calculer le risque d'incendie, connaître l'état hydrique ou la température de la végétation, etc. Pendant l'incendie on peut étudier le développement et l'étendue de celui-ci grâce à la télédétection. Enfin, il est également utilisé pour évaluer l'impact après la fin de l'incendie, afin d'élaborer la cartographie de la zone brûlée, information sur le degré d'affection causé

Obtention et suivi du processus de récupération.

Incendies et leurs effets

Les feux de forêt, les incendies de broussailles ou d'arbustes et l'agriculture par combustion ont une grande influence sur l'environnement, de la plus basse à la plus haute échelle. La déforestation intentionnée modifie totalement les paysages locaux. Au niveau régional, les incendies affectent la structure et la composition de la végétation dans les écosystèmes de phénomènes naturels, tels que les forêts boréales et la chaparrale méditerranéenne, ainsi que le cycle biogéochimique et hydrologie. En outre, les feux de forêt ont une grande influence sur le changement climatique en produisant des gaz et des particules (aérosols) qui contribuent à l'effet de serre.

Chaque écosystème répond au feu d'une manière différente, donc selon l'écosystème, l'incendie peut avoir des conséquences différentes. Par conséquent, en plus de connaître la localisation et l'étendue des incendies, il est indispensable de connaître les caractéristiques des zones brûlées.

Cependant, bien que les incendies aient une forte incidence au niveau mondial, ils suscitent une plus grande attention à l'échelle moindre (régionale ou locale). Les incendies méditerranéens en sont un exemple : on tient compte de la manière dont ils affectent l'économie et l'environnement de la région, mais les effets mondiaux ne sont pas analysés.

Capteurs de télédétection

Travailler avec des images par satellite a de grands avantages. Tout d'abord, il permet d'étudier des phénomènes avec une vision globale, car on obtient des images de presque tout le monde de façon systématique et dans des situations d'observation similaires. D'autre part, la diversité des capteurs permet aux satellites de réaliser des travaux multi-échelle et avec des objectifs. En outre, nos yeux reçoivent des informations provenant d'autres zones du spectre électromagnétique qu'ils ne perçoivent pas. Ainsi, de nombreux phénomènes semblent mieux, comme les zones brûlées.

Il existe de nombreux types de capteurs. Par exemple, des passifs et des actifs peuvent être différenciés. Les passifs reçoivent le rayonnement électromagnétique du Soleil reflété par les objets terrestres. Les actifs, au contraire, émettent des ondes à la Terre, puis les objets reçoivent une réponse traduite. Ces ondes sont généralement micro-ondes et sont très efficaces pour leur capacité à traverser les brouillards.

Les capteurs peuvent également être triés en fonction de la résolution. Il existe trois types de résolution : spatiale, spectrale et temporelle. La résolution spatiale est définie comme la mesure du plus petit élément de l'image, à savoir la taille du pixel. La résolution spatiale la plus élevée est d'environ un mètre et la plus basse de quelques kilomètres. La résolution spectrale est définie comme le nombre de zones spectrales sensibles, c'est-à-dire le nombre de bandes. Il existe actuellement des capteurs à très haute résolution spectrale (ils peuvent contenir des centaines de bandes) appelés hyperspectrales. Enfin, la résolution temporaire peut varier de quelques minutes à un mois, ce qui indique la fréquence à laquelle l'image d'un même espace rural est prise.

Ces trois résolutions sont dans un certain équilibre. Les capteurs à haute résolution temporelle ont généralement une faible résolution spatiale et spectrale et sont couramment utilisés en météorologie. En revanche, les personnes à haute résolution spatiale présentent une basse résolution temporelle et spectrale.

Feux et capteurs

Il y a deux décennies, des estimations satellite de la surface brûlée ont commencé à être effectuées par détection d'incendies actifs. Cette détection est basée sur les niveaux élevés de rayonnement produits par la température des incendies (bande d'environ 3,6 mm). Mais ce n'était pas très utile, puisque le satellite passait trop souvent pour connaître le développement exact de l'incendie. En outre, la fumée et les brumes provoquées par l'incendie empêchent souvent la détection de l'incendie.

Les capteurs et les bandes doivent donc être sélectionnés par zones pour obtenir des résultats satisfaisants. Par exemple, des capteurs à haute résolution temporaire tels que NOAA-AVHRR, ESA-ATSR et EOS-MODIS ont été utilisés pour la détection des incendies actifs. Ce dernier capteur fournit des données de haute qualité, des images géoréférencées et les effets de l'atmosphère et du brouillard sont corrigés et étalonnés. Sur la base de ces images, ils ont développé un produit standard au niveau mondial: MODIS MOD14 Fire and Thermal Anomalies Product . Il relie les incendies actifs détectés quotidiennement dans une résolution spatiale d'un kilomètre.

Toutefois, en l'absence de détection d'incendie active pour mesurer les zones brûlées, d'autres techniques ont été développées. Ces techniques sont basées sur la détection des changements produits par les incendies, tels que le dépôt de cendres et de charbon, la disparition ou la modification de la végétation.

Au niveau régional, en plus des capteurs NOAA-AVHRR et EOS-MODIS déjà mentionnés, d'autres capteurs de résolution spatiale moyenne tels que SPOT-VEGETATION ont beaucoup travaillé. De plus, à ce niveau, et aussi au niveau local, il est très courant d'utiliser des images des satellites Landsat-TM et Landsat ETM+. En plus d'avoir une bonne résolution spatiale, ils ont une résolution spectrale appropriée (spectre visible, proche infrarouge, moyenne infrarouge et bande thermique) et sont très efficaces pour cartographier les zones brûlées. La plupart des systèmes cartographiques nationaux des zones brûlées sont basés sur ces images.

Au cours de la dernière décennie, des satellites ont été développés pour capturer des images à haute résolution spatiale, telles que ICÔNES Space Imaging et QUICKBIRD de DigitGlobe. Bien que son degré de détail soit très élevé, sa moindre résolution spectrale (seulement le spectre visible et proche) ne sont pas aussi bons pour inclure les zones brûlées sur la carte.

Que mesurer ?

Avant de réaliser n'importe quel type de cartographie avec télédétection, il est impératif de savoir comment se comportent les éléments que l'on veut reproduire sur la carte dans les différentes zones du spectre. C'est ce qu'on appelle la signature spectrale et, une fois connue, on peut détecter des objets à partir d'images.

La caractéristique spectrale des zones brûlées est liée au temps écoulé depuis l'incendie, les dommages causés et la végétation précédente, expliquant les effets à court et à long terme.

Le changement spectral à court terme est la conséquence de la combustion de la végétation, du dépôt de cendres et de charbon, et produit un changement de couleur important dans le spectre visible (vert à noir ou brun). Bien que ce changement ne dure pas trop longtemps dans le milieu méditerranéen, dans les forêts boréales peut durer des années. Le changement est encore plus important dans d'autres spectres, comme par exemple dans l'infrarouge proche la réflectivité diminue considérablement, surtout dans les zones à forte teneur en combustibles, en raison de la haute génération de charbon.

Dans l'infrarouge à ondes courtes, la réflectance tend à augmenter en raison de la perte d'eau des tissus végétaux. Pour de nombreux chercheurs, ce groupe est très approprié pour cartographier les zones brûlées, car l'influence de la dispersion atmosphérique est inférieure à celle des autres. En ce qui concerne les bandes thermiques, on peut apprécier une légère augmentation de la température qui disparaît immédiatement après l'incendie.

La condition à long terme est beaucoup plus stable, car elle est basée sur le changement qui souffre de la structure de la végétation. Mais le changement peut être dû à d'autres facteurs tels que le pâturage, le vent, le stress hydrique, la phénologie ou les insectes. C'est pourquoi il est très difficile de traduire l'impact à long terme sur la carte.

Méthodologies pour la création de cartographie

On peut distinguer deux grandes méthodologies de cartographie de la zone brûlée avec des images par satellite, l'analyse visuelle et l'analyse numérique. L'analyse visuelle est basée sur des images postérieures à l'incendie ou sur des images conjointes avant et après l'incendie. En utilisant les bandes qui conviennent et en réalisant les compositions colorées appropriées, on peut distinguer assez clairement les zones brûlées. De cette façon, la cartographie se fait en indiquant sur l'écran de l'ordinateur les points qui délimitent la zone brûlée. Bien que la méthodologie soit lente, elle est très précise car en plus de travailler la perception des couleurs, les interprètes experts combinent le contexte de la zone avec l'information des structures.

L'analyse numérique est une méthodologie beaucoup plus rapide, mais elle peut poser plus de problèmes, bien que dans certains cas elle soit plus précise que l'analyse visuelle. Un des plus grands avantages des méthodologies numériques est l'automatisation, car si des algorithmes bien contrôlés sont conçus, seul l'ordinateur peut cartographier. Malheureusement, les algorithmes ne fonctionnent pas bien dans tous les cas et nécessitent une certaine garantie visuelle.

Pour effectuer des analyses numériques, de nouvelles données sont souvent créées à partir de données de base. C'est le cas, par exemple, des indices de zones brûlées. Ces indices sont basés sur les opérations des bandes d'origine et servent à mieux différencier les zones brûlées d'autres zones.

Les analyses numériques peuvent être traitées de deux manières. Celles qui utilisent des images à haute résolution temporaire sont basées sur la technique appelée capture de changements. Dans cette technique, une analyse de chaque pixel est effectuée au fil du temps pour évaluer s'il y a eu des changements dans son comportement par incendie. Plus simplement, l'analyse se fait en comparant les images de début et de fin de l'incendie. Les pixels qui ont beaucoup changé ont généralement des valeurs élevées dans ces index brûlés et sont collectés sur la carte qui sont brûlés, à condition qu'ils aient des caractéristiques spectrales des zones brûlées.

Dans le cas contraire, lorsque vous travaillez avec des images de moindre résolution temporelle (et donc avec une résolution spatiale plus élevée), des images post-incendie sont généralement utilisées. N'étant pas comparables aux valeurs ci-dessus, elles sont uniquement basées sur les caractéristiques spectrales des pixels. Il peut être effectué par différentes méthodes, étant l'un des plus simples méthode d'attribution. Dans ce cas, en fonction de l'index des zones brûlées, la carte contient tous les pixels qui dépassent une valeur.

Lignes de recherche

Ces dernières années, des recherches ont été menées dans trois domaines. D'une part, dans le développement de nouveaux indices, pour améliorer la différence entre les zones brûlées et les surfaces avec des résultats spectraux similaires. D'autre part, de nombreuses recherches sont menées dans l'évaluation du degré d'affection. Enfin, on étudie l'application de la cartographie de la zone brûlée au niveau régional et mondial, sur la base des nouveaux capteurs mis en place ces dernières années.

Nous remercions le Département de géographie de l'Université d'Alcalá et en particulier le professeur Emilio Chuvieco pour les images cédées.