Télédétection spatiale et SIG : application en milieux urbains et périurbains

La vulgarisation des images satellitales a ouvert le champ pour le développement de la connaissance sur les processus terrestres. De nouvelles attentes ont été suscitées impulsant les études portant sur les territoires inaccessibles ou difficiles à y accéder à avoir lieu. Les milieux urbains n’ont pas eu l’opportunité d’être investigués par l’imagerie satellitale qu’après l’amélioration des résolutions spatiales des capteurs satellites, notamment avec le lancement des capteurs Thematic Mapper de Landsat (30* 30m) au début des années 80, et Spot (20* 20m) en 1986. L’hétérogénéité de ces milieux en était la contrainte. Les résolutions spatiales de tailles grossières ne permettaient pas la discrimination des objets urbains, ce qui défavorise son utilisation à des échelles locales (urbaines et infra-urbaines). D’autres handicapes en rapport avec les capacités informatiques et électroniques à l’œuvre sont aussi à mentionner. D’après Weber (1995), il s’agit de : « l’investissement intellectuel et technique, l’adéquation entre les différents produits et les informations habituelles (cartes, relevés,…), les efforts méthodologiques, tant en analyse du signal qu’en analyse de données, et peut être aussi l’irruption dans un monde électronique, informatique qui à la fin des années 70 n’était pas encore, loin de là, aussi convivial, séduisant et domestiqué que maintenant. ».

L’avancement de l’outil informatique, notamment traduit par le développement des moyens matériels et logiciels assez puissant, conjuguée avec l’amélioration des qualités des images satellites en matière de résolution spatiale et spectrale ont permis la perfection progressive des résultats. Depuis lors, l’information spatiale a acquis la double utilité d’être en même temps support et vecteur de connaissance : « les informations, en général, ont acquis un statut différent. Elles ne sont plus considérées comme des éléments statiques de la connaissance, mais bien comme des gisements dynamiques, manipulables, reproductibles, polymorphes. » (Weber, 1995). Le caractère numérique que porte l’image satellite lui permet d’être intégrée dans les SGBD¹⁵ que contiennent les systèmes d’information localisée tels que les SIG et pouvant se servir comme source utile pour l’observation des territoires et de leurs dynamiques.

Les images satellites sont riches et assez variées en matière d’informations sur la surface terrestre.

Selon la thématique et les objectifs recherchés, elles peuvent fournir des données pouvant aider dans l’analyse des phénomènes, mais aussi dans le développement de la réflexion : « L’image de télédétection tant aérienne que satellitale est sans doute le modèle visuel le plus fidèle, le plus riche de l’espace géographique. Elle est la source d’informations abondantes et précises sur l’occupation du sol et sur les phénomènes qui se déroulent à la surface de la planète » (Collet et Caloz, 2001).

Les applications de la télédétection spatiale dans les milieux urbains et périurbains sont très variées.

15 Systèmes de Gestion de Base de Données

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La totalité des domaines se rapportant à la ville ont pratiquement y fait recours. À ce titre, on trouve entre autres : l’élaboration et l’actualisation cartographique ; l’analyse spatiotemporelle et le suivi de l’évolution urbaine ; l’analyse thématique et la production de l’information nouvelle.

III.6.1. Occupation du sol, inventaire et actualisation cartographique

Les chercheurs se consentent que les techniques d’observation et de « saisie » de la réalité terrestre sont incontestablement évoluées avec l’avènement de la télédétection spatiale : « Les progrès les plus spectaculaires portent sur l’utilisation des satellites que ce soit pour la localisation ou l'observation de la terre » (Pinson et al., 1987)¹⁶. Ce progrès a contribué à faire un « bond » à la foi quantitatif et qualitatif en matière d’identification et représentation des objets terrestres, et à donner la possibilité de combler les zones « non attribuées » en leur permettant d’être inventoriées dans les bases de données localisées : « les grandes taches blanches qui caractérisaient les cartes des contrées inaccessibles se remplissent, l’incertitude - le mystère disparaît ! » (Weber, 1995).

Actuellement, les pays du monde se basent pratiquement sur la télédétection spatiale pour la création et l’actualisation de leurs cartographies. Les modes et les techniques de production cartographiques basées sur la numérisation sont ainsi généralisés et mise en ouvres pratiquement dans tous les pays développés et les pays en voie de développement, avec écart évident entre ces deux mondes (Weber, 1995).

III.6.2. Cartographie et mise à jour à différentes échelles spatiales

Les images stellites peuvent se servir comme support de base dans la production cartographique à différents niveaux, mais avec différentes manières selon la finalité et l’échelle prédéfinie. Dans le cas des cartes topographiques à petites échelles (150 000^e, 1/100 000^e et plus), qui sont des cartes de références et servent pour la localisation des projets territoriaux, l’imagerie satellite intervient comme support aidant à différencier les surfaces terrestres (végétation, plans d’eau, etc.). Dans le cas des cartes thématiques, les images satellitales trouvent leurs utilités dans le processus d’identification et de localisation des phénomènes terrestres selon les variables mis en valeur telles que le bâti, les surfaces protégées, la verdure, etc. À une échelle urbaine ou régionale (1/10000 ^e à 1/50000 ^e), les images satellitales sont employées dans les études de planification et d’aménagement de l’espace, de gestion des ressources, et aussi dans la simulation et les études prospectives.

Un autre produit aussi important a pris place dans la nouvelle gamme satellitale : la spatiocarte. Il s’agit d’une carte topographique superposée sur un fond d’images satellitales. L’avantage que présente ce type de produit est qu’elle est soumise à une procédure de traitement et de rectification

16 Cité in (Weber, 1995)

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géométrique conformément à un système de références géographiques, ce qui lui permet d’être utile comme un document réunissant à la foi les qualités cartographiques et la représentativité objective de la réalité spatiale : « Elle offre en plus des insertions habituelles (informations cartographiques linéaires ou ponctuelles, habillage géographique et toponymes), des informations visuelles jusque-là absentes des cartes classiques, comme le relief » (Weber, 1995). L’élaboration des spatiocartes se distingue aussi par des couts moins élevés que ce soit pour les nouvelles créations ou les mises à jour, avec qualité d’informations faisable pour les études urbaines en raison du niveau du détail que présente ce type de cartes.

III.6.3. Les Systèmes d’Information Géographiques

Les systèmes d’information géographique étant des outils technologiques basés sur des Systèmes Informatiques ont joué un rôle crucial dans le développement et la production de l’information spatiale. Ils constituent avec la télédétection spatiale des outils « de distinction » de la géomatique (Lhomme, 2005). Le comité fédéral américain (Federal Interagency Coordinating Committee) définit les SIG comme « des systèmes composés de matériels, de logiciels et de procédures qui permettent d’acquérir, de gérer, de manipuler, d’analyser, de présenter et d’afficher les données géoréférencées ». Ils sont devenus les outils les plus répandus dans la gestion et la planification spatiale. En effet, la télédétection spatiale et les SIG sont en étroite correspondance, le développement de l’un est lié au développement de l’autre : « Dès la naissance du concept de systèmes d’information géographique (SIG), des liens étroits ont été établis entre la source d’information que les images de télédétection représentent et la similitude algorithmique qui caractérise les traitements à ceux du mode image » (Collet et Caloz, 2001).

Les SIG et la télédétection ont été conjointement poussés par l’avènement technologique constaté ces dernières décennies. Bien que les images satellites aient la faveur d’être le support d’entrée le plus avantageux en analyse spatiale, le besoin d’un environnement de traitement complémentaire est nécessaire pour qu’elles soient utiles ; les SIG se présentent comme l’outil le plus avantageux pouvant assurer cette association. En effet, l’information spatiale obtenue à travers la télédétection n’est exploitable qu’à travers une procédure de traitement et d’analyse d’images satellites, complétée par l’intégration d’informations géolocalisées moyennant les SIG (Collet et Caloz, 2001).

De par le caractère cartographique que portent les images satellites, tout comme les cartes et les relevés de terrain, ainsi que la géolocalisation des données qu’elles supportent, ces sources satellitales ont l’opportunité d’être mobilisées par la faveur des applications SIG pour « toutes les approches de représentation de l’espace ou d’aide à la décision qui demandent une appréciation de l’occupation du sol et des contraintes associées » (Weber, 1995). L’éventail de formats que peuvent

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accepter les images satellites ainsi que la fluidité possédée en matière de changement de forme et structure de données leur permettent d’être une source privilégiée d’information. Cette source est devenue « quasi incontournable » dans le domaine des SIG compte tenu de ses opportunités de périodicité, d’exhaustivité et de reproductibilité des résultats. Le modèle numérique que porte la radiométrie des images stellites offre la possibilité de multiplier les manipulations des données spatiales, ce qui leur donne l’avantage de diversifier leurs utilisations. En effet, la télédétection spatiale associée aux méthodes SIG sont pratiquement devenues des outils incontournables dans tous les domaines traitant de l’information spatiale (Donnay, 1999 ; Rongbo et al., 2015 ; Weber, 1995).

III.6.4. Typologie et inventaires

L’étude des dynamiques d’occupation du sol est sans doute l’une des principales finalités de l’imagerie satellitale. Du fait qu’elle offre l’observation de la réalité biophysique des territoires, elle contribue à la formalisation d’information assez conforme aux attentes de précision, d’actualisation, d’extensibilité et de maniabilité de traitement.

La connaissance de l’occupation et de l’utilisation du sol et de leurs implications constitue un préalable primordial dans toute prise de décision relative à la gestion et à la planification spatiale, notamment des territoires urbains et périurbains, étant admis que tout développement soutenable est essentiellement basé sur la valorisation des ressources naturelles que l’imagerie satellitale offre la possibilité de les suivre. Depuis la Deuxième Guerre mondiale, le recours à l’imagerie spatiale n’était que pour des taches complémentaires appuyant les méthodes de cartographie et d’aménagement de l’espace, à l’œuvre, qui sont principalement basées sur les images aériennes, les levés et les enquêtes sur terrain. Dans les pays en voie de développement, l’imagerie a prouvé ses opportunités pour surmonter les contraintes techniques et financières entravant les procédures de renouvellement et de mise à jour cartographique. Elle permet le suivi de la croissance rapide et moins contrôlée des villes, s’opérant particulièrement sur des marges non prises en considération dans les documents locaux d’aménagement et d’urbanisme. La mobilisation de la télédétection spatiale dans ces pays offre la possibilité de se procéder à une observation en continu de la totalité de l’espace urbanisé et d’établir donc une vision systémique de la croissance urbaine (Flouriot, 1995).

À la différence des villes des pays du Nord, dont le recours à la télédétection est de finalité diversifiée, la majorité des villes des pays du Sud trouve cette source indispensable notamment pour compenser le déficit informationnel dont la cartographie urbaine en a besoin. Sur ce point, Weber (1995) a indiqué que : « Si pour les villes des pays industrialisés, l’imagerie satellitaire permet d’accéder à un autre type de renseignements que ceux usuellement utilisés par les collectivités locales ou les usagers urbains, pour les villes des pays en voie de développement, elle est considérée comme

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l’apport primordial, palliatif aux manques de documents à jour, complets, accessibles ». La cartographie urbaine, en plus de la distinction des différents quartiers constituant la ville, permet également la localisation des zones d’extension, la compréhension des tendances et la visualisation des modifications altérant le paysage (Chaume et al., 1993).

Dans une optique de développement soutenable partagé, l’imagerie satellitale peut constituer pour les acteurs urbains une « Platte forme commune » sur laquelle se fonde un observatoire local, ou même régional, dont les intérêts sont spatialement localisés toute en prenant en compte la diversité de problématiques en rapport avec les particularités thématiques. À partir des années 90, plusieurs pays ont engagé des programmes spatiaux visant l’intégration des données satellitales pour la création et l’actualisation de leurs bases de données locales : « Le couplage des nécessités de planification et de gestion des milieux urbains, et des moyens mis à disposition avec une plus ou moins grande envergure, augure du développement de l’usage des images satellitaires intégrées à d’autres types de données afin de pouvoir répondre aux obligations qui se font de plus en plus prégnantes pour les administrations territoriales quels que soient les pays, à savoir : le développement social et économique, la politique du logement, la réduction des atteintes à l’environnement » (Weber, 1995).

III.6.5. Applications environnementales

Le progrès qu’a enregistré l’imagerie satellitale a considérablement contribué dans le développement de nouvelles connaissances sur l’interaction des établissements humains avec leurs environnements.

L’amélioration des résolutions, spectrales, spatiales et temporelles, des images satellites a permis l’acquisition de données plus fines permettant l’observation et le suivi des différentes composantes de l’environnement aux seins et aux alentours des territoires urbanisés. Deux approches sont envisageables : la première se focalise sur l’état de l’environnement à l’intérieur et dans les périphéries des villes ; la seconde met en avant les rapports de causalité établie entre croissance spatiale et environnement. Les deux approches se convergent vers l’estimation des déséquilibres engendrés par l’activité anthropique et l’évaluation des politiques visant à maintenir l’équilibre écosystémique des agglomérations urbaines et périurbaines. Plusieurs études ont montré l’importance de la télédétection spatiale pour le suivi et l’évaluation des impacts de l’urbanisation sur l’environnement. Maints aspects ont été abordés : la déforestation (Barlow et al., 2007 ; Hansen et al., 2013 ; Klein et al., 2012 ; Walker et al., 2000), recul du potentiel agricole urbain et périurbain (Bianchin et Bravin, 2008 ; DeFries et al., 2010 ; KIEFFER et SERRADJ, 2013 ; Long et Leveiller, 2016), pollution et qualité de l’air (Desailly, 2005 ; Donnay et al., 2003; Du et al., 2014 ; Hoffhine Wilson et al., 2003), ilots de chaleur urbain et changement climatique (Aboelnour et Engel, 2018 ;

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Bechtel, 2011 ; Bechtel et Daneke, 2012 ; Congedo et Macchi, 2015 ; Congedo et Munafò, 2014 ; Peng et al., 2016 ; Reid et al., 2000 ; Voogt et Oke, 2003 ; Q. Weng, 2009 ; Zak et al., 2008), pollutions et qualité de l’air (Engel-Cox, Hoff, et al., 2004 ; Engel-Cox, Holloman, et al., 2004 ; Gupta et al., 2006 ; Han et al., 2014 ; Q. Weng et Yang, 2006), pollution et qualité de l’eau (Jensen et al., 2004 ; Dengsheng Lu et Weng, 2006 ; Miller et Small, 2003 ; Pratt et Chang, 2012 ; Slonecker et al., 2001 ; Wilson et al., 2003; Yin et al., 2005; Zhao et al., 2015). Gestion et prévention des risques urbains (Dousset et al., 2007 ; Leh et al., 2013 ; Machault et al., 2012 ; Rashed et al., 2007 ; Tatem et Hay, 2004 ; van der Sande et al., 2003) et bien aussi d’autres.

III.6.6. Patrimoine naturel, espaces verts et écosystèmes

La biodiversité urbaine a ainsi tiré avantage des applications de la télédétection spatiale. Le suivi et la protection de cette composante vitale en milieux urbains constituent un enjeu majeur que tous les acteurs cherchent à le mettre en avant, étant un élément déterminant de la qualité de vie des habitants (Buyantuyev et al., 2010 ; Seto et al., 2012). Les rapports réciproques existant entre le cadre bâti et la végétation ont amené la communauté scientifique à proposer des indicateurs pour décrire les structures des paysages urbains au regard de la répartition du couvert végétal. Parmi ces indicateurs on trouve, entre autres, l’indice de végétation NDVI et l’indice du bâti NDBI (Deng et Wu, 2012 ; DU et al., 2010 ; C Small, 2001 ; Yuan et Bauer, 2007). Les images satellites offrent aussi, dans une vision écosystémique, la possibilité de prendre en compte de l’ensemble de l’espace que présente la biodiversité ainsi que l’analyse des aménités spatiales dans la ville : « … il est intéressant de noter qu’il est possible d’analyser l’espace urbain en fonction des potentialités d’accès à des espaces verts publics par la population. » (Weber, 1995). De nouvelles méthodes basées sur la modélisation ont permis l’établissement de « zonage écologique » au niveau des territoires urbains à travers l’exploitation de l’information extraite de l’imagerie satellitale en mettant en relief les zones couvertes par la végétation et les plans d’eau, en rapport avec celles occupées par le bâti : « La représentation simultanée par combinaison de ces deux surfaces statistiques offre en une information synthétique, des réponses rapides pour l’analyse de schémas spatiaux urbains » (Donnay et Nadasdi, 1992).

III.6.7. Aménagement et planification spatiale : prédiction et analyse des scénarii

La collecte et l’analyse des données satellitales constituent actuellement une étape importante dans les études précédant l’élaboration des projets d’aménagement urbain. Ces projets peuvent intégrer plusieurs interventions à différents niveaux et à différentes échelles par exemple : l’identification des zones aptes à l’urbanisation (urbanisables) et les autres zones à risques ou inconstructibles ; l’étude multicritères visant l’établissement d’arbitrage et sélection des solutions pour de futures extensions

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urbaines ; l’estimation et l’évaluation des besoins socioéconomiques en matière de logement, d’équipements et des infrastructures, et leurs planifications sur les différents termes ; la mise en valeur des quartiers vétustes et dégradés et la visualisation des propositions de leurs réhabilitations ou renouvellement. Les données satellitales peuvent entrer dans la constitution des bases de données localisées et qui peuvent être manipulées au moyen d’un SIG. En se basant sur les données recueillies des images satellitales, les méthodes SIG permettent d’aboutir à l’établissement de diagnostic et d’arriver par la suite à appréhender les défis que les responsables locaux sont appelés à faire face.

La prédiction de la croissance urbaine fait ainsi partie des possibilités offertes par la télédétection spatiale en association avec les SIG. La simulation des scénarii permet la visualisation et l’évaluation de différentes solutions de développement urbain. À ce titre, une démarche participative peut être envisagée, les images satellitales peuvent constituer des documents de références à partir desquels se développent des débats et des négociations autour des projets de grande envergure. La mise à disposition des données satellitales permet de visualiser et de cartographier les transformations prévues en matière d’occupation du sol et mettre en valeur l’impact environnemental et socioéconomique de ces projets (Chatain et al., 1994).

III.6.8. L’analyse spatiotemporelle des dynamiques spatiales

D’un point de vue général, l’étude spatiotemporelle est déterminée par « les relations entre un mode de fonctionnement et un élément de base considéré comme l’unité d’intervention dans l’espace considéré » (Weber, 1995). Dans le cas des agglomérations urbaines, le mode de croissance est généralement en rapport avec les éléments constituant le tissu bâti. Selon l’époque historique, ces éléments changent de statuts qu’ils présentent et changent ainsi de rapports qu’ils entretiennent avec l’espace urbain : « La ville, par sa capacité à se modifier sans se perdre, laisse entrevoir ainsi des différences de niveaux de compréhension qui s’articulent sans être totalement lisibles » (Weber, 1995).

Depuis plus d’un demi-siècle, les villes actuelles sont en perpétuelles dynamiques de croissance spatiale, par étalement sur les périphéries et par densification et renouvellement à l’intérieur des périmètres urbains. La cartographie de ces dynamiques d’une manière actualisée fait nécessairement appel aux outils offerts par la télédétection urbaine, notamment par le biais des images multitemporelle. Cet outil permet la quantification et la confrontation des formes générées aux indicateurs d’évaluation dont les responsables locaux ont besoin pour une meilleure compréhension et prise de décision : « Les besoins de comparaison, à des fins de régulation notamment, rendent indispensable la mise au point d’indicateurs, d’indices, de catégories qui favorisent une mesure de variation. L’application d’une nomenclature dans ce que cela comporte de systématique entre dans

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ce contexte, car elle induit la comparabilité selon une terminologie applicable quels que soient les lieux. » (Weber, 1995).

Conclusion

La télédétection spatiale se rapporte à tout le processus d’acquisition, de traitement et d’analyse de l’information obtenue via les capteurs satellites. Elle offre des images riches en information spatiale avec de larges visions sur les territoires observés. L’image est une « représentation spatiale de la réalité ». Les images satellitales ont joué un rôle essentiel dans tous les domaines se préoccupant des territoires terrestres, étant un support pertinent d’identification et de distinction spatiale des objets et des processus se rapportant à la surface terrestre et qu’elle peut fournir une « perception de la réalité proche de celle de la vision humaine ». Les opportunités apportées par l’imagerie satellitale ont fait de celle-ci un outil incontournable dans l’étude des objets et des phénomènes terrestres comme

La télédétection spatiale se rapporte à tout le processus d’acquisition, de traitement et d’analyse de l’information obtenue via les capteurs satellites. Elle offre des images riches en information spatiale avec de larges visions sur les territoires observés. L’image est une « représentation spatiale de la réalité ». Les images satellitales ont joué un rôle essentiel dans tous les domaines se préoccupant des territoires terrestres, étant un support pertinent d’identification et de distinction spatiale des objets et des processus se rapportant à la surface terrestre et qu’elle peut fournir une « perception de la réalité proche de celle de la vision humaine ». Les opportunités apportées par l’imagerie satellitale ont fait de celle-ci un outil incontournable dans l’étude des objets et des phénomènes terrestres comme