Indicateurs de l’écologie du paysage en milieu urbain : définitions et usages en milieu urbain

1.2.3.1. Ecologie du paysage  définitions et concepts

La première utilisation du terme « écologie du paysage » est due au géographe allemand Carl Troll en 1939. Selon Vink (1983), l’écologie du paysage est l’étude des interactions entre phénomènes et processus dans un paysage ou une portion de l’espace incluant des communautés végétales, animales et humaines. Cette définition n’est qu’une des nombreuses

modèles et des théories à propos des relations spatiales ; d’autres la nécessité de construire une science pour l’action ; d’autres encore la nécessité de s’insérer dans une démarche pluri- ou interdisciplinaire (Décamps, 2004). L’écologie du paysage vise à comprendre comment la structure de l’espace qui nous entoure interfère avec les processus qui animent la dynamique des populations, des communautés et des écosystèmes (Forman et Godron, 1986 ; Haines-

Young et al, 1993).

Ces définitions décrivent généralement l’écologie du paysage à travers les caractéristiques suivantes (Décamps, 2004) : l’écologie du paysage s’intéresse au rôle de la configuration de l’espace sur le déroulement des processus écologiques ; l’écologie du paysage considère l’espace comme étant hétérogène, et prend en compte l’influence des configurations spatiales dans les rapports que les êtres vivants développent entre eux et avec leur milieu. Les espaces étudiés par l’écologie du paysage sont plus étendus que ceux qui sont considérés en écologie, l’échelle d’étude variant en fonction du cas d’étude. L’écologie du paysage prend généralement en compte l’homme et la société, la séparation entre “la nature” et “l’homme et la société” n’étant pas fondée. Cela signifie que l’écologie du paysage est pluridisciplinaire par essence, puisqu’elle intègre les sciences de l’espace et l’espace.

L’écologie du paysage repose sur un corpus de théories (Burel et Baudry, 1996) : La théorie de la hiérarchie permet de situer tout phénomène dans une échelle spatiotemporelle appropriée, propre à chaque phénomène écologique. La théorie de la hiérarchie suppose qu’il existe une corrélation entre échelle d’espace et échelle de temps, et que ce sont les vitesses de fonctionnement des phénomènes qui définissent les niveaux. Le paysage est un niveau d’organisation des systèmes écologiques qui est caractérisé par son hétérogénéité et par une dynamique que gouvernent les activités humaines ; il est indépendant de sa perception. La théorie de la percolation, l’écologue peut décrire en termes géométriques les notions de connexion et de seuil de percolation. La théorie biogéographique des îles permet de décrire la biodiversité des espèces en fonction de la distance qui sépare l’île d’un continent. La théorie des perturbations permet de modéliser et de quantifier les perturbations à l’origine de l’hétérogénéité des milieux.

L’écologie du paysage utilise les notions de tache, de corridor, de matrice, de lisière, de mosaïque, de patron paysager. Elle les utilise dans l’étude de la connectivité ou de la fragmentation des formes, de l’hétérogénéité des espèces, des grains et des échelles d’étude du paysage. Selon Forman et Godron (1986), l’écologie du paysage se focalise sur trois caractéristiques du paysage : 1- la structure : les interrelations spatiales entre différents écosystèmes ou différents éléments du paysage. Trois éléments de base d’un paysage sont à distinguer ici : les taches, les corridors et la matrice (Encadré 2.1). En fonction de l’élément qu’on cherche à détecter et étudier, différentes techniques de traitement sont utilisées ; 2- le fonctionnement : les interactions entre les composants d’écosystèmes (flux d’énergie, de matériel et d’espèces) ; 3- le changement : l’altération dans la structure et le fonctionnement de cette mosaïque écologique à travers le temps. Ces trois caractéristiques sont reliées. En effet, le fonctionnement d’un paysage dépend de sa structure. De plus, un changement dans cette structure provoque directement des changements dans le fonctionnement du système influant ainsi sur la diversité biotique et le flux d’énergie et d’espèces.

Encadré 2.1  Taches, corridors et matrice : trois éléments de base d’un paysage

- Les taches

Les paysages sont composés d’une mosaïque de taches (Urban et al., 1987). Les taches sont formées d’un intérieur et d’une lisière (Figure 2.5). Divers termes faisant référence à ces éléments de base d’un paysage sont utilisés : écotope, composante, élément ou unité du paysage, habitat, site… (Forman et Godron, 1986). Considérées comme les éléments dominants du paysage, les taches sont définies comme étant des portions d’espace non linéaires et différentes en apparence de leur environnement. Les taches sont des régions homogènes pour une propriété donnée. Il n’existe pas d’échelle spatiale inhérente aux taches. Elles constituent l’habitat des populations d’espèces (animales ou végétales) et ont une influence directe sur l’écologie des organismes qui y vivent. Elles exercent des effets sur les déplacements d’animaux au sein du paysage, les flux d’énergie et de nourriture, sur le micro-environnement ainsi que sur l’abondance et la composition des espaces. Les taches peuvent être décrites spatialement à travers leur forme, leur étendue, leur composition et leur position relative par rapport aux autres éléments du paysage (contiguïté, proximité, éloignement…).

- Les corridors

Les taches d'habitat peuvent être reliées entre elles par des corridors (Figure 2.5). Ces derniers sont des éléments principalement de forme linéaire, de largeur plus ou moins importante ; ils sont souvent organisés en réseau. D’après Forman et Gordon (1986), il s’agit de "bandes étroites du paysage qui diffèrent de la matrice sur ses

deux côtés" (Pereboom, 2006). Les corridors peuvent remplir plusieurs fonctions, dont celle d'habitat ou de

conduit (Forman, 1995). En effet, leur fonction majeure est de faciliter le mouvement des individus (Rosenberg et al., 1997), mais aussi les flux d’énergie. Toutefois, ils peuvent se révéler de véritables barrières pour certaines espèces en contrôlant leur dynamique. Selon cette définition de corridor-conduit, « un corridor permet les

déplacements d'individus entre deux taches d'habitat mais sans offrir les conditions nécessaires à leur survie. Il ne fait donc pas, en lui-même, partie de l'habitat d'une espèce » (Pereboom, 2006). Tout comme les taches, les

corridors peuvent être décrits par leur forme, leur situation, composition, longueur, largeur, connectivité… De ce fait, les taches et les corridors sont des unités structurellement et fonctionnellement très proches, et la répartition des éléments selon ces deux classes dépend à la fois de l’échelle considérée et des espèces prises en compte (Le Lay, 2002).

- La matrice

La matrice est définie par Burel et Baudry (1999) comme étant le milieu qui entoure les morceaux résiduels et qui en diffère par la structure ou par les espèces qui la composent (Figure 2.5). Elle est généralement composée d’un grand nombre de classes distinguables par leur morphologie ou leur composition. Pereboom (2006) rappelle que « la matrice est donc devenue synonyme de milieu (plus ou moins) hostile à une espèce… [] Elle

n'est cependant pas nécessairement complètement imperméable, d'où la nécessité de parler du "niveau de porosité" de la matrice ».

Cet ensemble d’éléments (taches, corridors et matrice) naturels ou aménagés par l’homme, dont la taille, la forme et l’arrangement sont variables, sont le résultat d’interactions complexes de forces physiques, biologiques et sociales (Burgess et Sharpe, 1981 ; Forman et Gordon, 1986 ; Krummel et al,. 1987 ; Turner, 1987). Cet arrangement ou organisation spatiale peut influencer une variété de processus écologiques. En effet, il est connu que des changements de taille et de connectivité des taches causent des changements au niveau de la richesse des espèces, la distribution et la persistance des populations (Fahrig et Merriam, 1985 ; Franklin et Forman, 1987 ; Freemark et Merraim, 1986 ; Van Dorp et Opdam, 1987).

L’utilisation exponentielle de l’écologie du paysage pour étudier le milieu urbain s’explique par plusieurs facteurs : d’une part, l’écologie du paysage contribue à résoudre des problèmes qui nécessitent des approches spatialement explicites, applicables sur de vastes étendues et de longues durées. Par exemple, la protection des espèces et de leurs habitats en milieu urbain s’inscrit dans des espaces de plus en plus étendus dans le contexte d’un phénomène généralisé d’étalement urbain. D’autre part, l’écologie du paysage prend en considération les échelles spatio-temporelles afin de montrer l’organisation de l’espace influence le déplacement des organismes ou les flux de matière et d’énergie dans les paysages. Or, la prise en compte de la notion d’emboîtement d’échelles contribue à mieux comprendre l’impact du processus d’étalement urbain sur un certain nombre de variables environnementales telles que la biodiversité. Enfin, l’écologie du paysage a bénéficié des importants progrès technologiques effectués au cours des deux dernières décennies en géomatique, tant dans le domaine de la télélédétection que celui des géostatistiques et des systèmes d’information géographiques. L’écologie du paysage étudie les relations entre les structures spatiales et les processus écologiques à travers des indicateurs spatiaux.

1.2.3.2. Indicateurs ou métriques spatiaux : définitions, concepts et aspects méthodologiques

1.2.3.2.1. Généralités

Connus sous leur nom anglophone de « Landscape Metrics » ou « Spatial Metrics » ou encore « Metrics » tout court, les indicateurs paysagers développés à la fin des années 1980 sont largement utilisés pour décrire l’organisation spatiale des paysages (Iverson, 1988 ; Forman

et Godron, 1986 ; Turner et Ruscher, 1988 ; O’Neill et al., 1988) et en particulier pour Figure 2.5 : Taches, corridors et matrice : les éléments de base

d’une structure paysagère (D’après Clergeau, 2007)

Corridor

Tache Matrice

quantifier la forme et la répartition spatiale de la végétation en paysages naturels (Gustafson,

1998 ; Hargis et al.,1998 ; McGarigal et al., 2002 ; O’Neill et al., 1988). Il s’agit de mesures

dérivées à la fois de la théorie de l’information et de la géométrie fractale (Mandelbrot,

1983 ; Shannon et Weaver, 1964).

D’une façon générale, les indicateurs métriques de paysage sont des indices qui sont calculés à partir d’une carte des éléments du paysage et utilisés pour évaluer les différentes propriétés ou fonctions des paysages. Ils représentent l’hétérogénéité spatiale à une échelle spatiale donnée, déterminée par la résolution spatiale de la carte des éléments de paysage, l’étendue spatiale de la zone d’étude et la définition thématique des classes ou catégories retenues à un moment donné (la nomenclature). Quand ils sont appliqués à des données multi-échelles ou multi-temporelles, les indicateurs spatiaux peuvent être utilisés pour analyser et décrire le changement du degré d’hétérogénéité spatiale d’un paysage (Dunn et al., 1991 ; Wu et al.,

2000). Basés sur les travaux de O’Neill et al. (1988), différents indicateurs ont été

développés, modifiés et testés dans des configurations très différentes (Hargis et al., 1998 ;

McGarigal et al., 2002 ; Ritters et al., 1995). Un grand nombre d’indicateurs peut être

calculé au niveau des taches, des classes et du paysage tout entier dans plusieurs logiciels dont FRAGSTATS (McGarigal et al., 2002). La plupart des indices sont corrélés entre eux, car ils sont élaborés à partir de quelques mesures basiques effectuées sur les taches, à savoir le type de tache, leur surface, leur périmètre, leur type de voisins. Toutes les métriques sont ensuite dérivées de ces mesures basiques.

Plusieurs typologies d’indicateurs métriques de paysage sont proposées. Les typologies descriptives les répartissent généralement en trois catégories : les indices de composition, les indices de forme et les indices de configuration. Les premiers donnent des informations de base sur la composition de la mosaïque paysagère tels que le nombre et la densité des taches, la taille moyenne des taches, le nombre de types d’occupation du sol et leurs proportions dans le paysage. Les indicateurs de forme décrivent la forme du paysage et plus précisément la complexité des taches qui peut être considérée comme un élément important pour différents processus écologiques (Forman, 1995). On peut citer l’indice de forme du paysage, la dimension fractale, le ratio périmètre sur la surface. La troisième catégorie d’indices concerne ceux qui rendent compte de la configuration du paysage, à savoir son degré de fragmentation, l’isolement et la connectivité entre les différentes taches. Ils comprennent l’indice de proximité, la distance moyenne entre deux taches voisines, la connectivité, la cohésion, la contagion, ou encore l’agrégation. Les indices de configuration peuvent être répartis en deux classes : les indices basés sur la distance entre les taches et les indices de texture. Franklin

(1988) et Noss (1990) ont proposé une typologie plus fonctionnelle qui représente les

indicateurs métriques autour des trois composantes clés d’un écosystème écologique : sa composition, sa structure et sa fonction (Figure 2.6).

1.2.3.2.2. Application des indicateurs métriques en milieu urbain

L’analyse du paysage urbain à travers des indicateurs relevant de l’écologie du paysage suscite un intérêt croissant, tant pour décrire le processus d’extension urbaine, que pour le modéliser et en évaluer les impacts.

En milieu urbain, les indicateurs métriques sont utilisés pour décrire les « patrons » de paysage, quantifier la croissance urbaine et sa distribution spatiale (Barnsley et Barr 1997 ;

Parker et al., 2001). Les métriques paysagères sont appliquées généralement pour décrire les

caractéristiques et l’évolution des fragments boisés (Trani et Giles, 1999 ; Civco et al., 2002) et des surfaces artificialisées, permettant ainsi de déterminer la forme de l’étalement urbain

(Sudhira et al., 2004). Les changements spatio-temporels d’éléments constitutifs du paysage

sont déterminés à partir de métriques telles que l’indice de fragmentation (Trani et Giles,

1999 ; Yeh et Li, 2001 ; Civco et al., 2002) ou l’indice d’entropie de Shannon. Ainsi, ce

dernier a été utilisé dans plusieurs études afin de quantifier et spatialiser les formes urbaines, notamment à travers la répartition des surfaces artificialisées (Yeh et Li, 2001 ; Sudhira et

al., 2004 ; Joshi et al., 2006). L’entropie de Shannon, qui est basée sur le concept de la

théorie de l'information, peut être utilisée pour déterminer s’il y a un processus d'étalement urbain et donner son intensité, en indiquant si l’extension des surfaces urbanisées s’effectue de façon compacte ou dispersée (Lata et al., 2001 ; Sudhira et al., 2004 ; Joshi et al., 2006).

Figure 2.6 : Représentation des indicateurs écologiques centrés autour des trois composantes clés d’un écosystème écologique : composition, structure et fonction (D’après Franklin (1988) et Noss (1990) in Dale et Beyeler (2001))

Une valeur élevée de l’entropie de Shannon correspond à une répartition dispersée des surfaces artificialisées, ce qui traduit un fort étalement urbain.

Toutefois, une fois le constat du phénomène effectué, il reste à définir la relation entre l'ampleur de l’artificialisation des paysages, le type et l'intensité de changement d’occupation et d'utilisation des terres en milieu urbain et leurs facteurs explicatifs.

Plusieurs études ont montré l’intérêt de l’utilisation de ces métriques spatiales pour modéliser le processus d’extension des surfaces urbanisées et pour évaluer ses impacts. Alberti et

Waddell (2000) ont ainsi utilisé des indicateurs spécifiques pour modéliser les effets de la

complexité spatiale de l’occupation et l’usage des sols en milieu urbain sur les processus sociaux et écologiques. Ils ont montré que ces indicateurs permettent d’améliorer la représentation des caractéristiques de l’hétérogénéité de l’espace urbain et des impacts du développement urbain sur l’environnement. De nombreuses applications ont montré l’utilité des indicateurs spatiaux paysagers pour mesurer l’étalement urbain et prédire les changements paysagers associés à ce phénomène (Luck et Wu, 2002 ; Seto et Fragkias, 2005).

Geoghegan et al., (1997) ont exploré le potentiel des indicateurs métriques dans la

modélisation de l’occupation des sols et l’évaluation de son impact sur les valeurs des logements. Ils ont montré que la nature et la distribution de l’usage des sols aux alentours d’une parcelle exerce une influence sur son prix : « . . . the nature and pattern of land uses

surrounding a parcel have an influence on the price, implying that people care very much about the patterns of landscapes around them . . . ». Ils recommandent l’utilisation des

indicateurs paysagers pour décrire de telles relations.

1.2.3.2.3. Problèmes et aspects méthodologiques liés au calcul des indicateurs métriques à partir de cartographies dérivées d’images de télédétection

La télédétection peut fournir des jeux de données nécessaires pour calculer des indicateurs métriques spatiaux à différentes échelles. La télédétection est considérée comme une source importante de données pour l’analyse, par les indicateurs métriques, de l’hétérogénéité spatiale des paysages (Barr et Barnsley, 2000 ; Herold et al., 2003). Les questions soulevées par les indicateurs métriques calculés à partir des données de télédétection en milieu urbain constituent un enjeu d’ordre théorique et méthodologique. Il ressort que les questions principales portent sur l’échelle, la qualité spatiale des données de télédétection et de la qualité sémantique des classifications dérivées des images (Lausch et Herzog, 2002 ; Herold

et al., 2003).

Qualité spatiale des images

La qualité spatiale des données de télédétection qui servent au calcul des indicateurs paysagers a un impact important sur la qualité des indicateurs métriques. La précision spatiale des images, liée à la résolution spatiale des capteurs utilisés, affecte directement le niveau d’hétérogénéité du paysage représentée dans le produit cartographique final (Herold et al.,

2005 ; Woodcock et Strahler, 1987). En effet, plus la résolution spatiale est faible, plus la

structure des objets cartographiés est grossière, et plus l’hétérogénéité spatiale est faible à la fois dans l’image et les indicateurs métriques (Turner et al., 1989 ; Benson et Mackenzie,

1995 ; Riitters et al., 1995). Autrement dit, une faible résolution spatiale provoque une

généralisation cartographique. A une résolution spatiale plus faible, les objets individuels peuvent apparaître artificiellement compacts, ou aggrégés. Les mesures spatiales sont alors davantage déterminées par la forme carrée des pixels plus que par la forme réelle des objets

qui constituent le paysage (Krummel et al., 1987 ; Milne, 1991). Par conséquent, certains types d’objets, en particulier les objets linéaires, peuvent ne pas apparaître du tout, provoquant une surestimation de l’homogénéité du paysage. Dans certains cas, il est préférable d’inclure des données numériques auxiliaires telles que des cartographies du réseau routier, afin d’améliorer la donnée produite par la télédétection afin de prendre en compte ces éléments dans le calcul des indicateurs métriques (Lausch et Menz, 1999).

Qualité sémantique des classifications

La qualité sémantique des classifications dérivées des images est liée à la définition des classes thématiques et la précision ou la qualité de la classification (Herold et al., 2005). Il est évident que la qualité sémantique influence directement les indicateurs métriques (Barnsley

et Barr, 2000). La qualité thématique d’une cartographie réalisée à partir de données de

télédétection dépend essentiellement de la différence de contraste spectral entre les classes considérées et de la résolution spectrale du capteur. Plus la séparabilité spectrale des objets à cartographier est faible, moins les caractéristiques de l’occupation du sol sont précises. Une classification avec un niveau de précision de 85 % est communément considérée comme suffisante pour un produit basé sur des données de télédétection (Anderson et Hardy, 1976 ;

Anderson et al., 1976). Cependant, la précision est liée au nombre de classes considérées :

elle augmente avec la diminution du nombre de classes. Or, la définition des classes (nomenclature) devrait représenter tous les objets thématiques et les structures présents dans le paysage étudié. Une généralisation au niveau de la définition des classes peut se traduire par une représentation très homogène du paysage, et par conséquent, des objets et des structures risquent de ne pas être détectés pas les indicateurs métriques. Un processus de généralisation cartographique peut provoquer donc une surestimation du niveau d’homogénéité du paysage.

D’un autre côté, si la classification est trop détaillée, des structures spatiales pertinentes (forme, arrangement) peuvent être perdues dans un paysage hautement hétérogène (Herold et

al., 2005). De plus, plus le nombre de classes augmente, plus la précision de la classification

des données de télédétection diminue. En conséquence, la définition des classes thématiques doit prendre en considération à la fois les capacités cartographiques du capteur et les exigences de l’utilisateur concernant la précision thématique du produit final qui sera utilisé pour une analyse des indicateurs métriques. En conséquence, l’analyse de l’occupation et de l’utilisation du sol en milieu urbain doit prendre en considération au moins les deux principales types d’occupation du sol, les surfaces artificialisées (bâti et réseaux de transport) et surfaces non artificialisées (végétation, sols agricoles nus, eau). Une classification plus fine (discrimination des différents types de surfaces artificialisées et des catégories d’usage du sol) peut être utile pour une analyse de la structure spatiale, mais doit prendre en compte la séparabilité des catégories cartographiées et les qualités de la carte d’occupation du sol.

Ainsi, une nomenclature simplifiée a tendance à négliger certains éléments du paysage et conduit à sous-estimer son niveau de diversité et son degré de fragmentation, tandis qu’un processus de généralisation impliquant une simplification de la nomenclature provoque une perte d’information thématique. Par conséquent, cela se traduit par une réduction du nombre