La vegetation

LE MEDIUM : LA VÉGÉTATION

Les écosystèmes arctiques sont caractérisés par leurs basses températures de l’air et du sol, la présence de pergélisol, une courte saison de croissance et une production limitée de la végétation. Une augmentation de la productivité végétale de la toundra arctique et de la forêt boréale a été observée pour de larges régions entre 45° et le 70°N. Une transition lente des régions de toundra vers des régions de forêts boréales est en cours depuis quelques décennies.

Changements végétation

Expansion du groupe boréal au détriment de la toundra. Tiré de Wang et Overland (2004)

Une hausse de la température a le potentiel d’altérer la végétation sous plusieurs aspects. La production végétale peut s’accroître en réponse à une hausse des températures et les saisons de croissance peuvent s’allonger de par le couvert de neige réduit et une fonte prématurée. L’expérience indique que les changements induits par le climat sur la composition et la couverture végétale doivent être suivie à plusieurs échelles spatiales.

Les variations les plus marquées des conditions de végétation dans l’arctique et dans le nord surviendront aux limites des écotones, entre autre à la limite des arbres. La végétation arbustive a des impacts sur les patrons d’enneigement, car elle capture la neige poussée par les vents. Elle a également un impact sur le bilan radiatif car elle absorbe plus de rayonnement et contribue donc à un réchauffement de la surface. Les environnements arctiques et subarctiques ont vu une croissance rapide de la végétation arbustive au détriment de la toundra dans les dernières décennies.

Shrubs increase

Propagation de la végétation arbustive dans l’Arctique. Tiré de Myers Smith et al (2011)

QUELS PARAMÈTRES OBSERVER ?

La télédétection a le potentiel de détecter et de permettre de suivi de la végétation nordique et arctique a plusieurs échelles temporelles et spatiales.

L’utilisation de la télédétection pour le suivi de la végétation dans l’arctique doit jongler avec le couvert nuageux omniprésent. C’est pourquoi la télédétection avec les capteurs RSOUn radar à synthèse d’ouverture (RSO) est un système radar cohérent générant des images de télédétection à haute résolution. Pour créer une image, on utilise l’amplitude et la phase du signal reçu de plusieurs impulsions successives pour simuler une plus grande ouverture (ou dimension) d’antenne, d’où le terme «synthèse d’ouverture». présente un certain potentiel, ces derniers étant toutefois affectés par d’autres limitations comme les effets du terrain ou l’impact de l’angle de visée du capteur.

La télédétection a le potentiel d’identifier plusieurs changements au niveau, entre autre, de la production végétale, de la structure, du couvert et de la phénologie, ainsi que dans la délimitation des écotones.

Des données avec haute résolution temporelle (Fréquence de passage journalière) se sont démontrées efficaces pour suivre les changements dans la production végétale aux échelles régionales, continentales et globales. Pour de telles applications, les données de capteurs optiques comme MODIS et AVHRR sont appropriées.

L’accès ouvert aux données MODIS et l’existence de routines de production facilitent l’accès à des informations sur le couvert végétal comme le LAI(Leaf Area Index) à diverses échelles temporelles et spatiales.

Les données multispectrales sont souvent transformées en indices de végétation, indices sensibles aux changements dans les propriétés physiques du couvert végétal (Biomasse, couverture foliaire) tout en minimisant les effets de la géométrie de visée, de l’illumination et de l’humidité du sol.

Les indices sont constitués à partir d’une différence ou d’un ratio de deux bandes spectrales. L’indice le plus commun pour l’étude de la végétation est le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Cet indice est calculé en divisant la différence entre les réflectances du PIR et du rouge par la somme de ces deux mêmes valeurs. Le NDVI est généralement moins sensible aux variations d’illumination et aux conditions du sol que l’est un simple ratio non normalisé.

Le  suivi de la végétation avec la télédétection implique fréquemment l’utilisation du NDVI, agissant comme un proxy de la photosynthèse à des échelles spatiales grossières. Le NDVI exploite le contraste entre la réflectance dans les bandes rouge et PIR, la chlorophylle absorbant fortement le rouge, tandis que la structure foliaire réfléchit fortement le PIR. Le NDVI varie entre -1 et 1. Les nuages, l’eau et la neige, avec leur réflectance plus élevée dans le visible que dans l’infrarouge ont généralement des valeurs de NDVI négatives. La roche et le sol nu ont quant à eux des valeurs oscillant autour de 0. La végétation quant à elle présente des valeurs positives de NDVI, qui tendent vers 1 plus le contenu en chlorophylle est élevé.

La rétrodiffusionLa rétrodiffusion est la portion du signal radar que la cible redirige directement vers l’antenne radar. est sensible aux changements dans la couverture arbustive, allant jusqu’à une variation de 20% du signal, et est sensible aux changements de hauteur des arbustes, jusqu’à une hauteur de 1m. La polarisation croisée0HV) présente la sensibilité la plus marquée à la hauteur et à la densité des arbustes. Le RSOUn radar à synthèse d’ouverture (RSO) est un système radar cohérent générant des images de télédétection à haute résolution. Pour créer une image, on utilise l’amplitude et la phase du signal reçu de plusieurs impulsions successives pour simuler une plus grande ouverture (ou dimension) d’antenne, d’où le terme «synthèse d’ouverture». peut donc fournir des informations utiles non seulement à l’évaluation de l’étendue de la végétation arbustive, mais également pour le suivi de sa croissance, particulièrement au début de sa croissance.

Les RSOUn radar à synthèse d’ouverture (RSO) est un système radar cohérent générant des images de télédétection à haute résolution. Pour créer une image, on utilise l’amplitude et la phase du signal reçu de plusieurs impulsions successives pour simuler une plus grande ouverture (ou dimension) d’antenne, d’où le terme «synthèse d’ouverture». , avec des longueurs d’onde allant des millimètres jusqu’au mètres, ont la capacité de pénétrer le couvert végétal et de fournir de l’information sur la structure verticale de la végétation et sur le sol sous-jacent.

EXERCICE PRATIQUE : DÉTECTION ET SUIVI DE FEUX DE FORETS AVEC LANDSAT-7 ETM+ (EASTMAIN, 2013)

Description du contexte (La Presse, 2013)

ÉTAPES DE L’EXERCICE

  1. Sur Earth Explorer, téléchargez les images Landsat-8 selon les paramètres suivants : Path #17, Row#24, Produit Landsat Surface Reflectance – L8 OLI/TIRS, pour les dates suivantes : 2013/06/06, 2013/06/22, 2013/07/08, 2014/06/25.
  2. Ouvrez les images sous QGIS.
  3. Procédez à la conversion des valeurs numériques en réflectance grâce aux paramètres de calibration trouvés dans le fichier MTL accompagnant vos images.
    L’équation de calibration est la suivante :
    Réflectance = Facteur d’échelle * Valeur numérique + Gain
  4. Calculez pour chaque date la valeur de NDVI.
  5. Délimitez 9 polygones de 3X3 pixels (90m²) de comparaison pour lesquels vous pourrez comparer le NDVI pour chaque date.
  6. Tracez les graphiques de suivi temporel de l’évolution du NDVI pour les 4 scènes pour chacun des 9 polygones dans une seule et même figure avec Python. (Explications)
  7. A partir de vos observations, appliquez un seuil sur la valeur de NDVI permettant de délimiter la cicatrice de feu laissé par l’incendie sur l’image du 2013/07/08.
  8. Partagez vos découvertes et vos questions avec la communauté !

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RESSOURCES VIDÉO

CESBIO-Vegetation UALASKA UALASKA-EXP
CESBIO – VEGETATION NDVI (En anglais) SHRUBS EXPENSION (En anglais)
Yellowstone
SUIVI DES FEUX DE FORÊTS (En anglais)

LITTÉRATURE

Stow 2004 Olthof 2008 Myers 2011
Stow et al. (2004) Olthof et al. (2008) Myers-Smith et al. (2011)
Duguay 2015 Wang 2004
Duguay et al. (2015) Wang et Overland (2004)