Chapitre 3 : Mesures des variations d’activité et détection de phénomènes brutaux
2 Matériel et méthodes
2.1 Données de NDVI et indicateurs d’activité végétale
Les valeurs de NDVI ont été extraites à partir de la série d’images MODIS sur la période 2000-2011. Les profils temporels ont été établis pour les pixels correspondant aux surfaces en résineux des sites 1 et 2.
La Figure 29(a) illustre une série temporelle de NDVI couvrant 6 saisons de végétation, pour un pixel de peuplement de résineux. La variation temporelle de NDVI est caractérisée par une augmentation progressive des valeurs de NDVI durant la période printanière d’avril à fin juin, suivie généralement d’une phase de stagnation en été qui précède une baisse progressive durant l’automne pour atteindre un minimum hivernal. L’interprétation des variations intra-annuelles de NDVI ou cycle saisonnier repose sur la notion de phénologie.
Par phénologie, on entend la répartition dans le temps des étapes de croissance et de développement des plantes qui se produisent de manière cyclique sous l’influence des facteurs climatiques. Quand la phénologie est étudiée par télédétection, on parle de phénologie de surface (Land Surface Phenology en anglais) pour faire la distinction avec les analyses de phénologie par l’observation au sol des individus d’une espèce donnée (Reed et al., 2009). Sur les images satellitaires, l’information est agrégée car elle traduit la réponse d’un couvert végétal, souvent hétérogène, correspondant à la surface couverte par le pixel. L’acquisition de données régulières de NDVI, comme c’est le cas avec les images MODIS, rend possible le suivi des changements cycliques de la réponse du couvert, qui sont généralement assimilés à des stades phénologiques et qui se produisent de façon relativement prévisible et reproductible (Reed et al., 1994). On peut ainsi repérer sur ces cycles saisonniers les stades phénologiques correspondant à des phases « clé » du développement de la végétation, telles que le débourrement ou la feuillaison au printemps, la phase de croissance printanière, puis la sénescence estivale et automnale. Les mesures faites sur les cycles de NDVI pour identifier les stades phénologiques sont appelées phenometrics – pheno pour phénologie et metrics pour mesures. Elles sont regroupées en trois grands types (Tableau 3 et Figure 29):
- La date, marquant généralement le démarrage, la fin, le maximum de l’activité photosynthétique du couvert végétal, et permettant de mesurer la durée d’une phase phénologique particulière telle que la saison de croissance (Figure 29(b)),
- La valeur de NDVI mesurée à des moments précis, tels qu’au démarrage ou au maximum de la croissance printanière, et des mesures dérivées telles que le cumul de NDVI sur la saison de croissance (aire sous la courbe traduisant la production primaire nette) (Figure 29(c)),
- La pente de croissance ou de décroissance de NDVI traduisant le taux de croissance printanière ou la sénescence estivale de la végétation (Figure 29(d)).
Pour approcher la notion de vitalité des peuplements, les phenometrics d’intérêt sont ceux permettant de quantifier la croissance et la production. Ces derniers sont généralement des cumuls d’indice de végétation durant des phases phénologiques précises, ou des estimations de l’activité maximale (Alcaraz-Segura et al., 2009).
Dans notre étude, ce sont les valeurs de NDVI et les mesures dérivées calculées durant la saison de végétation printanière et estivale, pour chaque année d’observation, qui nous intéressent, car elles
57 traduisent l’intensité de l’activité végétale annuelle. C’est à partir de ces mesures que l’on peut proposer des indicateurs annuels d’activité végétale.
Figure 29 : (a) série temporelle de NDVI sur 6 saisons de végétation de peuplements de résineux - et illustrations des phenometrics présentés dans le tableau 3 : phenometrics (b) de type « date », (c) de type
« valeur ou cumul de NDVI et (d) de type « pente ». Tableau 3 : Principaux phenometrics, adapté de (Reed et al., 1994).
Date de début de saison de végétation Date du maximum d’activité Date de fin de saison de végétation Va leurs de ND VI
Temps (Une année)
Valeur maximale de NDVI
Va
leurs de ND
VI
Temps (Une année)
Cumul de NDVI
Va
leurs de ND
VI
Temps (Une année)
Val eurs de NDVI Temps (a) (b) (c) (d)
Temps (une année) Temps (une année) Temps (une année)
Phenometrics Interprétation phénologique
de type « date »:
Date de début de saison de végétation Date de fin de saison de végétation Date du NDVI maximum
Début d’activité photosynthétique Fin d’activité photosynthétique Date d’activité maximale
de type « mesure ou cumul de NDVI »:
Valeur maximale de NDVI Cumul de NDVI pour la période: - Printanière
- Estivale
- Saison de végétation (Printemps et Eté)
Niveau d’activité photosynthétique maximal mesurable
Production primaire ou croissance durant: - Le printemps
- L’été
- La saison de végétation (Printemps et Eté)
de type « pente »:
Taux de croissance printanière Taux de senescence
Accélération de l’activité photosynthétique Décélération de l’activité photosynthétique
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2.1.2 Choix des indicateurs annuels d’activité
A partir des cycles annuels de NDVI obtenus pour les peuplements forestiers étudiés, 4 indicateurs phénologiques ont été construits. Chacun d’entre eux permet d’estimer l’intensité de l’activité photosynthétique des peuplements pendant des périodes annuelles bien distinctes. Ils sont présentés dans le Tableau 4 et illustrés dans la Figure 30.
- Le premier indicateur d’activité, appelé SG (pour Spring Greeness), rend compte de l’activité printanière des peuplements. Il est obtenu par la somme des valeurs de NDVI d’avril à fin juin. Cette période correspond à la phase de croissance, période la plus favorable vis-à-vis des conditions hydriques. En l’absence de contraintes hydriques fortes, les variations annuelles de SG sont donc fortement liées à la capacité des peuplements à croitre. Cette dernière dépend de l’état général des peuplements, notamment de la quantité de réserves stockées au sein des arbres (Bréda et al., 2006). Cet indicateur peut être aussi influencé par les conditions climatiques de l’année de mesure mais il reflète avant tout l’état intrinsèque du peuplement. - L’indicateur SUM (pour SUMMER) rend compte de l’activité estivale des peuplements. Il est
obtenu par la somme des valeurs de NDVI de juin à septembre. L’activité durant cette période est dépendante des conditions hydriques, qui dans des situations extrêmes, peuvent être rapidement et fortement limitantes.
- L’indicateur VEG (pour VEGetation) rend compte de l’activité durant toute la saison de végétation. Il est obtenu par la somme des valeurs de NDVI d’avril à septembre. Il intègre donc les deux phases de croissance, printanière et estivale.
- L’indicateur MAX (MAX pour MAXIMUM) est la valeur maximale de NDVI observée au cours de la période d’avril à août. Il rend compte de l’activité photosynthétique maximale des peuplements détectable durant la saison de végétation.
Tableau 4 : Indicateurs annuels d'activité, les dates de la période de calcul correspondent au 1er jour des synthèses MODIS.
Indicateur Période de
calcul Formule Interprétation phénologique
SG
(SpringGreenness)
du 23/04 au 26/06
Production primaire / croissance printanière
SUM
(SUMmer)
du 10/06 au 14/09
Production primaire / croissance estivale
VEG
(VEGétation)
du 23/04 au 14/09
Production primaire / croissance durant la saison de végétation MAX
(MAXimum)
du 07/04 au 13/08
Niveau d’activité photosynthétique maximal mesurable
NDVI
max
04 / 07 08 / 13
/04 23 06 / 26NDVI
/06 10 09 / 14NDVI
/04 23 09 / 14NDVI
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Figure 30 : Illustration du calcul des indicateurs d'activité ; (a) série temporelle de NDVI de peuplements de résineux, (b) calcul de MAX, (c) calcul de SG, (d) calcul de SUM et (e) calcul de VEG.