1.4.1 La mission BIOMASS (radar bande P, 2021) . . . 20 1.4.2 La mission NISAR (radar bande L et S, 2021) . . . 20 1.4.3 La mission TanDEM-L (radar bande L, 2023) . . . 20 1.4.4 ICESat-2 (2018) . . . 21 1.4.5 GEDI (2019) . . . 21 1.4.6 Et bien d’autres missions . . . 21
1.5 Conclusions Préliminaires . . . 22 1.6 Références . . . 22
CHAPITRE 1. CARTOGRAPHIES MONDIALES DE BIOMASSE FORESTIÈRE : QUELLES PRÉCISIONS ET LIMITATIONS AUJOURD’HUI ?
Introduction
L’objectif principal de cette thèse est le développement d’une méthode permettant de cartographier des paramètres de structures forestières à l’échelle mondiale. Cet objectif peut servir de nombreux besoins. Parmi eux, l’évaluation de la biomasse forestière mon-diale est un bon exemple de toutes les difficultés qui peuvent être rencontrées, tant au niveaux du choix et des dimensionnement des capteurs, des algorithmes mis en oeuvre, et des moyens de validation. Aussi, ce chapitre cherche à dégager les principales difficul-tés rencontrées dans ce domaine, et à évaluer les précisions atteintes dans l’état de l’art le plus récent, afin de mieux cerner l’apport éventuel de la méthode de fusion proposée par la suite.
Dans la première section, nous définissons la notion de biomasse, paramètre clé pour la modélisation de l’évolution climatique. Nous montrons également quels autres intérêts les études de la forêt peuvent servir. Face au défi que représente la mesure de la biomasse forestière, il faut considérer que la planète comprend une grande diversité de végétation, qui sera décrite dans une seconde section. Enfin, nous présenterons un état des lieux sur les estimations actuelles de biomasses dont on dispose, et les perspectives d’amé-liorations prochaines dans ce domaine, notamment autour de l’organisation des futures missions spatiales d’observation terrestre.
1.1 Définition de la biomasse forestière et principaux
en-jeux
1.1.1 La biomasse : deux acceptations distinctes
Le terme de biomasse possède deux acceptions distinctes, une dans le domaine de l’énergie, une dans celui de l’écologie.
Dans le premier cas, le mot biomasse est utilisé pour désigner l’énergie biomasse. C’est la forme d’énergie la plus ancienne utilisée par l’homme depuis la découverte du feu à la préhistoire. Cette énergie permet de fabriquer de l’électricité grâce à la chaleur dégagée par la combustion de ces matières (bois, végétaux, déchets agricoles, ordures ménagères organiques) ou du biogaz issu de la fermentation de ces matières, dans des centrales biomasse. La biomasse désigne alors l’ensemble des matières organiques pou-vant se transformer en énergie. On entend par matière organique aussi bien les matières d’origine végétale (résidus alimentaires, bois, feuilles) que celles d’origine animale (ca-davres d’animaux, êtres vivants du sol).
La biomasse est une réserve d’énergie considérable née de l’action du soleil grâce à la photosynthèse. Elle existe sous forme de carbone organique. Sa valorisation se fait par des procédés spécifiques selon le type de constituant. La biomasse peut être considérée comme une source d’énergie renouvelable si l’utilisation du bois ne conduit pas à une diminution du nombre d’arbres, c’est à dire que sa régénération est au moins égale à sa consommation.
Dans le second cas, en écologie, la biomasse est la masse totale d’êtres vivants dans un milieu donné, et en un instant donné. Elle est estimée en masse par unité de surface ou de volume, plutôt qu’en masse absolue.
On peut distinguer également la biomasse sèche de la biomasse humide : la première correspond à la masse organique après évaporation de l’eau qu’elle contient. Générale-ment, on la préfère à la notion de biomasse humide (ou fresh biomass en anglais) car c’est
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une notion qui s’abstrait des concentrations d’eaux qui peuvent fluctuer en fonction du moment de mesure.
A l’échelle planétaire, le carbone se répartit de la façon suivante : sol (45%), nécro-masse (bionécro-masse morte, 11%), et bionécro-masse vivante (aérienne et souterraine, 44%) (HOUGH
-TON [2003]). Ces proportions sont par ailleurs susceptibles de varier grandement d’une région à l’autre. Parmi ces compartiments, la biomasse aérienne vivante est la plus étu-diée car c’est la plus accessible et la plus dynamique. Elle est la variable de référence pour décrire le carbone stocké dans les forêts.
Aujourd’hui, l’étude de la biomasse forestière est donc celle qui suscite le plus d’in-térêt, principalement de par son importance dans l’évolution du climat. Elle est définie comme le poids de matière végétale sèche par unité de surface.
Elle peut être ensuite convertie en masse carbone en utilisant le fait que la proportion de carbone dans le bois est généralement estimée à 50%, mais le calcul de cette propor-tion peut être amélioré.
Dans la suite, nous parlerons de biomasse forestière pour la biomasse sèche aérienne vivante des végétaux ligneux d’un diamètre supérieur à 10 cm.
Nous passons maintenant en revue les différents enjeux existant autour de l’évalua-tion de la biomasse forestière.
1.1.2 Les différents enjeux derrière l’évaluation de la biomasse
fores-tière
Un enjeu d’abord climatique
L’évaluation de la biomasse forestière, c’est à dire la quantité de matière organique végétale, est un sujet au cœur des intérêts pour les études climatiques.
La biomasse joue un rôle dans le réchauffement climatique et les grands cycles de carbone. En effet, la biomasse terrestre est le principal stock de carbone capable de com-penser les émissions de gaz à effet de serre. En tant que réservoir actif de carbone, la forêt a par conséquent son évolution très surveillée et nécessite d’être quantifiée régulièrement à échelle locale et globale.
Or, les incertitudes les plus grandes concernant le cycle de carbone proviennent des erreurs sur les quantités et les variations de biomasse, en particulier pour les forêts tro-picales. Les estimations actuelles de la biomasse à l’échelle mondiale peuvent varier d’un facteur 2. Pour cette raison, de nombreux travaux vise à améliorer nos estimation de bio-masse forestière à l’échelle mondiale.
Elle est aussi un indicateur de l’activité de l’homme comme la pollution, la déforesta-tion ou l’aménagement du territoire. L’évoludéforesta-tion de la biomasse forestière est un indica-teur de l’état de santé de la biodiversité en son sein. Il est donc utile de pouvoir l’évaluer de manière globale, dynamique, continue et fiable.
Mais l’étude de la forêt, et plus particulièrement de sa biomasse, répond à d’autres enjeux que les enjeux climatiques.
Les études sur la forêt pour la recherche d’hydrocarbures
Savoir décrire les forêts revêt d’une importance particulière pour la prospection et l’exploitation des ressources en hydrocarbures dans les sols en présence de végétation.
L’exploration pétrolière peut utiliser l’information sur l’état de la végétation pour dé-terminer un premier indice de présence d’hydrocarbures. En effet, l’existence de gise-ments potentiels a une influence non négligeable sur les espèces en présence : elle peut
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se traduire par une modification des espèces en présence, ou par un stress hydrique qui affecte l’état de santé de la végétation. De ce fait, l’analyse de la végétation peut constituer un indicateur de la présence ou non de ces hydrocarbures.
Réciproquement, les études sur les espèces végétales présentes sur des sites contami-nés ou sur des gisements naturels de surface, comme les sables et les schistes bitumineux, sont intéressantes pour savoir quelles sont les espèces végétales capables de re-coloniser les zones imprégnées par des hydrocarburesBERGUEet MÉRIENNE[1986].
Aussi, l’exploration conjointe des espèces de végétation et des gisements permet d’éta-blir un certain nombre de corrélations. Par exemple, sur des tas de résidus d’extraction de schistes bitumineux, on trouve une colonisation presque pure par la luzerne sauvage. Autre exemple, il a été constaté que les sols riches en hydrocarbures sont couramment colonisés par des légumineuses.
Modéliser la surface du géoïde terrestre
La connaissance précise de la surface du géoïde terrestre revêt de multiples intérêts, que ce soit pour la planification de missions, les études d’érosions, la simulation, les cal-culs physiques, la mise en œuvre d’une campagne d’exploration sismique, etc. Aujour-d’hui, la connaissance de la localisation précise de la surface terrestre s’établit essentiel-lement à l’aide de moyens de télédétection. Nous détaillerons certaines des techniques permettant de décrire le relief au chapitre 2.
Mais quel que soit le capteur utilisé, les éléments de sur-sol, comme les arbres ou les bâtiments, biaisent généralement la mesure de l’altitude précise du terrain. Pour cer-taines applications, il est essentiel de s’affranchir de ce biais, par exemple pour connaître le micro-relief présent dans une forêt avant de préparer une mission. Il est alors néces-saire de corriger les mesures obtenues avec éléments de sur-sols, pour remonter à l’élé-vation du sol nu.
De ce fait, les méthodes permettant de remonter à la donnée d’élévation du sol en dessous d’une couche de végétation nécessitent d’être capable de décrire cette couche de végétation sur le terrain par sa hauteur et sa densité.
Etablir des cartes de practicabilité
Afin de préparer des missions sur des terrains boisés, et de connaître l’accessibilité aux sites d’exploration, il est intéressant de connaître l’état des sols, le relief, les espèces d’arbres en présence. C’est alors la notion de practicabilité d’un terrain qui nous inté-resse. La connaissance des conditions de déplacement terrestre est un besoin clé, notam-ment dans les pays tropicaux en saison des pluies. En milieu montagneux et forestier, la connaissance de la localisation de la route et de ses caractéristiques est également très utile pour des applications écologiques et liées à la gestion forestière. Une classification des obstacles, des types de sols et de végétation, et de la nature du relief s’avère donc précieuse pour la mise au point de cartes de practicabilité.
Savoir voir à travers les forêts pour les enjeux militaires
Le milieu forestier permet le camouflage de véhicules militaires et éventuellement d’autres indices de présence humaine. Or, les images traditionnelles aériennes optiques ne permettent pas de détecter la présence de cibles camouflées par la végétation. Mais d’autres moyens d’observation de la forêt peuvent alors être utilisés. On utilise généra-lement des capteurs ayant des capacités de pénétration dans le couvert végétal pour ces
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enjeux miliaires et de surveillance, comme le radar ou le LIDAR. Ce domaine d’imagerie à travers la végétation s’appelle le FOPEN, pour FOLiage PENetrationDAVIS[2011].
Une bonne connaissance de la forêt et des signaux qu’elle génère pour ces capteurs permet d’augmenter le contraste entre une cible d’intérêt, typiquement un véhicule mi-litaire, et la forêt. Ces algorithmes prennent la forme d’un filtrage de la couche de végé-tation ; ils réclament de savoir décrire le comportement du couvert végétal vis à vis du capteur, afin d’être capable de minimiser sa contribution.
Notons que les cartes de praticabilité précédemment évoquées sont également d’in-térêt majeur dans le cadre de la défense.
L’exploitation forestière pour la filière bois
Le bois a fourni à l’homme pendant longtemps sa première et unique source d’énergie maîtrisée. Depuis, il a été exploité en tant que matériau, pour des objets, l’ameublement, les constructions, ou pour le papier. En fonction des méthodes d’exploitations forestières utilisées, l’impact environnemental peut être positif ou négatif, c’est à dire que l’évolu-tion de la quantité de bois peut s’en retrouver excédentaire ou déficitaire. De ce fait, tout l’art de l’exploitation forestière réside dans l’organisation des prélèvements de bois en fonction des capacités de production, de reconstitution, et de régénération de la forêt.
Ces activités d’exploitation réclament également des efforts de cartographie pour ré-pondre aux défis d’aménagement du territoire. Il existe en Europe une forte demande d’information standardisée sur les forêts sur les statistiques et sur la localisation des res-sources, ainsi que sur leur état et leur évolution. JEANJEAN [2001] souligne les dispa-rités dans les techniques de mesures de la biomasse entre les pays et qu’une méthode commune de relevés sur le terrain doit être formalisée pour élaborer une carte des forêts continentale.
La forêt et les surfaces agricoles
Les liens entre agriculture, forêt et réchauffement climatique sont étroits. Le secteur de l’agriculture est à la fois responsable et influencé par les changements climatiques.
Dans ce contexte, la Food and Agriculture Organization of the United Nations, ou FAO, est une organisation spécialisée des Nations unies pour l’alimentation et l’agriculture. Elle soutient les pays en développement dans leurs processus de ces réductions d’impacts cli-matiques. Afin de suivre ces évolutions, il est nécessaire de collecter les données relatives aux forêts. Aussi, la FAO travaille à renforcer les capacités dans la conception, la collecte et l’analyse des données des inventaires forestiers nationaux pour surveiller les ressources forestières grâce à des inventaires polyvalents. Ceux-ci impliquent la collecte de données biophysiques qui peuvent satisfaire les exigences d’information nationales et internatio-nales sur les forêts, leur gestion, leur stock de carbone et leur biodiversité. En outre, des informations socio-économiques sont recueillies pour comprendre l’impact anthropique sur les forêts, ainsi que leur rôle dans les moyens de subsistance durables.
1.2 Les différents types de végétations sur la planète
Savoir évaluer la biomasse forestière mondiale est un défi colossal, tant les forêts sont des systèmes complexes, et très différents d’une zone du globe à une autre. Bien souvent, les techniques d’évaluation de la biomasse dépendent fortement du type de forêts
consi-CHAPITRE 1. CARTOGRAPHIES MONDIALES DE BIOMASSE FORESTIÈRE : QUELLES PRÉCISIONS ET LIMITATIONS AUJOURD’HUI ?
déré. Il est donc indispensable de connaître ces grands types de forêt pour y adapter les méthodes.
30 % des surfaces terrestres sont couvertes par les forêts. Cependant, le type des es-pèces, l’âge moyen des arbres, leur densité moyenne, rend chaque type de forêt bien par-ticulier. En conséquence, il existe quantité de classes végétales différentes, sur lesquels l’impact humain est très différent. En général, de la manière la plus simplifiée, on dis-tingue trois grands types principaux de forêts : boréal, tempéré et tropical. La répartition géographique de ces trois grands types est représentée sur la figure 1.1.
FIGURE1.1 – Répartition des types de forêts sur terre - Image credit : Biomes - Figure 2 by OpenStax College, Biology, CC BY 4.0
Les forêts boréales, aussi appelées taïgas, se trouvent dans les altitudes nord, entre la toundra et les forêts tempérées, à des latitudes d’environ 50°N à 70°N. On peut considé-rer les forêts boréales comme étant le plus grand domaine forestier du globe d’un seul tenant, représentant environ un tiers de la surface forestière globale. De ce fait, les forêts boréales présentent des variabilités régionales considérables. En Amérique du nord, elles couvrent la plupart du Canada et de l’Alaska, comme on peut le visualiser sur la figure 1.2. En Eurasie, la taïga couvre la Scandinavie et une grande partie de la Russie tandis qu’en Asie, elle couvre le nord de la Mongolie, le Kazakhstan et le Japon. La taïga est principa-lement composée de conifères comme le mélèze, l’épinette et le pin. Ces arbres ont une forme conique et ne perdent pas leurs aiguilles pendant l’hiver afin de maximiser la pro-duction d’énergie à partir de la photosynthèse. Bien qu’en infériorité, quelques arbres à feuilles larges se produisent comme le bouleau ou l’érable. Le sol est recouvert d’herbes, de mousses, de lichens et de troncs morts.
La forêt tempérée est une forêt située dans les zones au climat du même nom. Il existe de nombreux types de forêts tempérées, principalement situées dans l’hémisphère Nord, par exemple la forêt mixte de feuillus (bouleaux, érables ...) et la forêt de conifères (pins, épicéas ...) (voir figure 1.3). Le climat est chaud et pluvieux avec parfois une saison sèche distincte.
Dans une forêt tempérée mixte, on trouve de nombreuses couches : — le haut de la canopée est composé de grands arbres (30 à 61 m),
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FIGURE1.2 – Répartition des forêts boréales - From Wiki Commons, by GeoForce3 CC BY-SA 3.0
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— les arbres moins hauts de 9 à 15 m sont composés de jeunes arbres qui recherchent des ouvertures dans la couche supérieure,
— la couche des arbustes,
— la couche herbacée qui recouvre le sol.
Enfin, les forêts tropicales sont situées dans les régions tropicales et équatoriales. Leur distribution géographique est représentée sur la figure 1.4. Dans ces zones, la tempéra-ture reste relativement constante tout au long de l’année avec une précipitation stable et élevée. La forêt tropicale humide représente le contributeur majoritaire de pompe à di-oxyde de carbone dans l’atmosphère. Il y a une très forte densité d’espèces vivantes dans les forêts tropicales, et une très forte hétérogénéité des différentes couches au sein de la canopée. Le sol de la forêt ne reçoit que 2 % de la lumière du soleil. La couche basse est constituée d’arbustes et de vignes ligneuses, et ne reçoit que 5 % de la lumière du soleil. La couche de canopée est la couche primaire. Cette couche est très dense, de 30 à 45m de hauteur. Elle est composée principalement d’arbres à feuilles larges soutenant une grande quantité de flore comme les orchidées ou les mousses.
FIGURE1.4 – distribution des forêts tropicales - de Wiki Commons, by Terpsichores CC BY-SA 3.0
1.3 Cartographie de la biomasse et des forêts à l’échelle
pla-nétaire : quelles précisions aujourd’hui ?
Avant d’aller plus loin sur la proposition de méthodes permettant d’évaluer la bio-masse, il est légitime de s’interroger sur le degré de précision atteint par les méthodes et les données actuelles. Dans cette section, nous nous interrogeons sur les données ac-tuellement disponibles pour l’ensemble de la planète, afin de déceler quelles sont les li-mitations des estimations existantes, et en déduire des stratégies pour aller au delà des précisions actuelles.
1.3.1 Obtenir la biomasse : l’utilisation d’équations allométriques
Les mesures de biomasse peuvent s’obtenir :CHAPITRE 1. CARTOGRAPHIES MONDIALES DE BIOMASSE FORESTIÈRE : QUELLES PRÉCISIONS ET LIMITATIONS AUJOURD’HUI ?
— soit à l’aide de données de terrain. Les méthodes de calcul n’étant pas standardisées d’un pays à l’autre, il est difficile de réaliser des comparaisons. Par ailleurs, certains pays ne possèdent aucune donnée d’inventaire forestier.
— soit à partir d’observation à distance ou télédétection. Dans ce cadre, les missions peuvent être aéroportées, mais dans ce cas ne couvrent pas l’intégralité de la pla-nète. Les missions peuvent également être satellitaire, et dans ce cas l’appareil de mesure est capable de générer un produit à une échelle globale.
Généralement, la biomasse n’est pas mesurée directement en tant que telle, mais à partir de la mesure d’autres grandeurs, telles que la hauteur de l’arbre, le diamètre de son tronc, son espèce, etc. La conversion de ces grandeurs en biomasse se fait à l’aide d’équations allométriques, terme qui désigne les équations décrivant des phénomènes de croissance biologiques, lorsqu’ils tombent sous une loi de forme mathématique spécifiée. La cartographie mondiale de la biomasse repose donc d’abord sur la cartographie des paramètres structurels de forêts.
Les variables d’une équation allométrique pour la forêt incluent habituellement le Diameter at Breast Height, ou DBH, (en français le diamètre à hauteur de poitrine), la hau-teur des arbres h et la densité du bois, ou le diamètre de couronne W. Les 3 paramètres h,