Démarche et objectifs

Comme nous l’avons vu dans la partie 2.1, le dépérissement forestier est un phénomène complexe de par son caractère dynamique et réversible, de par sa variabilité spatiale, et de par la multitude de facteurs de causalité. Dans un contexte d’incertitudes climatiques croissantes et de manifestations de dépérissements déjà avérés, des besoins de détecter et cartographier les baisses de vitalité des peuplements forestiers sont devenus importants.

L’objectif poursuivi dans ce travail consiste à produire par télédétection des informations qui indiquent des variations d’activité végétale que l’on peut assimiler à des baisses de vitalité des peuplements, en lien avec des contraintes environnementales de type climatique. Si l’on considère le caractère évolutif et graduel de l’état des peuplements, lorsqu’ils sont soumis à des aléas climatiques, l’évaluation par télédétection des signes de perturbation et de changement de comportement implique le calcul d’indicateur d’intensité de l’activité photosynthétique que l’on peut suivre dans le temps. Cette approche repose sur les deux propriétés du signal nécessaires au suivi de l’activité végétale et à la détection de perturbations qui sont d’une part la réflectance, qui doit être adaptée à la mesure de l’activité photosynthétique, et d’autre part la résolution temporelle, qui doit permettre à la fois une mesure régulière et une analyse rétrospective sur un pas de temps suffisamment long.

Pour mener les analyses, le choix des sites d’études et du type de données satellitaires doit être orienté de manière à considérer des territoires et des essences présentant des signes importants de dépérissement et à acquérir une information satellitaire adaptée aux besoins de résolution spectrale, temporelle et d’emprise géographique.

Une fois le choix des sites d’études et le type de données satellitaires défini, la démarche de ce travail de thèse est fixée selon les objectifs principaux. Les deux premiers objectifs sont d’ordre méthodologique et visent, (1) à l’exploitation des images satellitaires pour proposer des mesures de variation significative d’activité, (2) à la validation des indicateurs de variation d’activité obtenus. Le troisième objectif est plus thématique puisqu’il vise à interpréter les anomalies détectées à partir de données de contraintes hydriques climatiques et édaphiques.

4.1 Choix des sites d’études et des données satellitaires

4.1.1 Choix des sites d’étude

Les peuplements à étudier doivent répondre à différents critères. Le premier est l’existence durant les dernières décennies, d’un dépérissement d’amplitude significative, de manière à assurer un gradient important des situations à observer. De manière générale, en France, les dépérissements les plus importants observés au cours des années 2000 ont été sur des peuplements de résineux.

Le choix s’est porté sur les peuplements de résineux du Tarn et la sapinière pyrénéenne. Les premiers correspondent à des plantations de résineux (Sapin, Epicéa, Douglas) ayant subi d’importants dommages suite à la sécheresse de 2003. Ils ont déjà été étudiés par télédétection, ce qui a permis une première localisation des peuplements dégradés et la mise en évidence de facteurs de causalité climatique (Chéret et al., 2011 ; CRPF Midi-Pyrénées et al., 2008). Compte-tenu du niveau de connaissance acquis sur ces formations, c’est sur ce site que se porteront, dans un premier temps, les analyses.

La sapinière pyrénéenne, quant à elle, est composée de deux sous-sites aux situations différentes : (1) un groupement des massifs, situés dans les Pyrénées Centrales, et impacté par des problèmes sanitaires depuis de nombreuses décennies, (2) un autre, situé dans la partie orientale des Pyrénées et correspondant à la sapinière du Pays de Sault, fortement impactée par les sécheresses estivales de 2003

36 (Boutte et Girard, 2008 ; Micaux, 2008). L’intégration d’une partie des travaux, dans le cadre du projet POCTEFA-OPCC (Observatoire Pyrénéen des Changements Climatiques) a permis d’acquérir des données exogènes, offrant ainsi des opportunités d’analyse intéressantes, notamment pour donner des éléments de validation des mesures satellitaires.

Les sites d’études seront présentés dans le chapitre 2, en intégrant leurs caractéristiques topographiques et climatiques, mais aussi une présentation des phénomènes de dépérissement déjà constatés.

4.1.2 Choix des données satellitaires

Les principales données (systèmes satellites – capteurs) utilisées dans le cadre d’études forestières ont été présentées dans le Tableau 1 de ce chapitre. Différents types de critères ont été définis pour sélectionner le type d’informations issues de la télédétection à utiliser pour la détection du dépérissement forestier à notre échelle de travail :

- Les critères « spatiaux » : Le dépérissement forestier peut être spatialement réparti de

manière très hétérogène au sein d’un peuplement. Pour prendre en compte cette variabilité intra-peuplement de l’état sanitaire, les images HRS sont les plus adaptées car elles permettent des analyses à l’échelle locale, proche de l’échelle de l’arbre. Les peuplements étudiés, notamment sur le site du Tarn (présentés dans le chapitre 2) sont très fragmentés au regard de peuplements de résineux dans d’autres régions du globe (peuplements de résineux Scandinaves, Nord-Américains…). Les images HRS sont mieux adaptées à ce type de paysage forestier. Mais, dans le cadre de cette thèse, le suivi de l’état des peuplements est envisagé à l’échelle régionale et la taille des images doit donc être suffisante pour permettre des analyses à cette échelle, ce qui est le cas uniquement avec les imageries MRS et BRS.

- Les critères « temporels » : Le dépérissement forestier est un phénomène dynamique. La

prise en compte de la saisonnalité des milieux forestiers est donc indispensable. Seules les images à Haute Fréquence Temporelle – images MRS et BRS - permettent de saisir les variations intra-annelles. Par ailleurs, le dépérissement forestier est un phénomène pouvant être discret (variations faibles sur plusieurs années). La faible amplitude des changements peut être identifiée uniquement avec des données au ratio signal/bruit acceptable. Seules les images MRS et BRS fournissent une information assez régulière pour minimiser ces erreurs, par le biais de synthèses d’images, tout en gardant une résolution temporelle suffisante. Enfin, le dépérissement forestier peut induire des changements sur un long pas de temps. Il est alors indispensable d’utiliser une source d’information proposant des archives importantes et continues et rendant ainsi possible une analyse rétrospective.

- Les critères « spectraux » : Le dépérissement forestier est approché par l’analyse des

changements de vitalité. La vitalité des peuplements peut être estimée par l’analyse de mesures d’activité photosynthétique. Les indices de type « indices de végétation », basés sur les réflectances dans le domaine du Rouge et de l’Infrarouge, permettent d’estimer l’activité de la végétation.

Au regard de ces différents prérequis, l’imagerie MODIS semble la mieux adaptée. Une fréquence d’acquisition d’information journalière permet de répondre aux critères « temporels ». La disponibilité des images depuis Février 2000 propose une période d’analyse permettant d’étudier des changements sur une période de plus de 10 ans. La taille des images permet des analyses à l’échelle régionale. La résolution des images de 250m est un bon compromis entre images BRS, peu adaptées aux peuplements étudiés et les images HRS, non utilisables au vu de leur résolution temporelle.

37 L’indice de végétation NDVI est choisi pour estimer l’activité des peuplements. Sensible aux variations spatiales et temporelles, le NDVI est adapté pour le suivi de la dynamique de la végétation (Alcaraz-Segura et al., 2009). Des applications ont montré son intérêt pour l’évaluation du dépérissement forestier et la détection de dommages dus à la sécheresse (Deshayes et al., 2006 ; Pettorelli et al., 2005). En effet, le NDVI est fortement corrélé à des paramètres biophysiques de la végétation.

Au final, le produit MOD13Q1v5 de MODIS, correspondant à des synthèses d’images de NDVI de 16 jours de résolution temporelle, et de résolution spatiale de 250m, a été utilisé comme données satellitaires pour ce travail de thèse. Pour chaque pixel, une série temporelle d’indice de végétation est disponible sur la période 2000-2011. Ce sont sur ces séries d’images, appelées « séries temporelles de NDVI », que les méthodes d’analyses sont appliquées.

Les caractéristiques des images utilisées et les prétraitements effectués sont présentés dans le