Caractérisation et surveillance des changements de la surface terrestre du Canada

Rasim Latifovic, Richard Fernandes, Darren Pouliot, Ian Olthof

La surveillance de la surface des terres est nécessaire pour évaluer et prévoir les conditions et les tendances de plusieurs paramètres : les phénomènes météorologiques, le climat, les cycles biochimiques, l’hydrologie, les habitats fauniques, l’écologie. Il est important de comprendre les processus à la surface des sols et leur rôle dans l’échange d’eau et d’énergie par les interactions terre-atmosphère. Comme les caractéristiques de surface des terres varient dans le temps et l’espace, on emploie les méthodes cartographiques basées sur l’observation de la Terre (OT) par satellite à différentes échelles spatiales et temporelles pour obtenir des informations sur les types de couverture terrestre, l’utilisation des terres et les attributs de la surface terrestre, y compris l’albédo, l’indice de surface foliaire et la phénologie de la végétation. L’information scientifique ainsi dérivée permet d’établir des stratégies de gestion du territoire visant la durabilité environnementale, sociale et économique.

Objectif :

Le projet consiste à effectuer des recherches afin d’élaborer de nouvelles méthodes de suivi et de caractérisation de la surface terrestre à l’échelle nationale. Il s’agit d’élaborer des technologies de traitement et des méthodes d’extraction d’information, et d’évaluer les nouvelles missions satellitaires pour la caractérisation de la surface terrestre. Les résultats du projet sont utilisés par les divers programmes du SST, comme le Programme de géoscience du changement climatique et le Programme géoscientifique de cartographie des eaux souterraines, et par divers intervenants gouvernementaux, publics et privés.

Méthode :

La gestion des ressources naturelles, l’évaluation environnementale, la surveillance et l’aménagement du territoire requièrent des informations fréquemment mises à jour sur la couverture terrestre et son état sur de grandes étendues. L’extraction d’information à partir des données d’OT par l’interprétation manuelle est un travail fastidieux qui n’est pas facilement reproductible pour soutenir les travaux de surveillance active à l’échelle régionale. Pour faciliter la surveillance de la couverture terrestre, les chercheurs étudient des algorithmes plus sophistiqués basés sur les progrès dans les domaines de la reconnaissance de formes et de l’apprentissage machine. Un autre préalable essentiel au suivi des conditions de la surface terrestre est la disponibilité d’observations par satellite ayant une grande cohérence radiométrique et une haute fréquence temporelle. Les données satellitaires initiales sont converties en variables géophysiques grâce à une série d’étapes de traitement comprenant l’étalonnage, la géolocalisation, la reprojection, le mosaïquage, la correction atmosphérique, l’identification des zones de ciel dégagé et la fusion en images assemblées. Les recherches sur toutes ces étapes de traitement permettent d’ améliorer la qualité et la cohérence des données. Dans le cadre du projet, les enregistrements nationaux que nous maintenons à jour sont générés à partir des données fournies par diverses missions et divers capteurs :

1. les satellites POES (Polar Operational Environmental Satellites) de la NOAA,
2. le spectromètre imageur à résolution moyenne (MODIS) de la NASA, ainsi que
3. les systèmes MERIS et SPOT/VEGETATION de l’ESA.

On utilise également les données satellitaires complémentaires à plus haute résolution spatiales acquises par les capteurs imageurs des missions ASTER, LANDSAT et SPOT comme données de référence pour soutenir les travaux de validation et d’étalonnage des produits à l’échelle nationale, et pour le développement d’applications aux échelles locale et régionale.

Le projet comporte quatre activités, à savoir :

1. Enregistrements de données satellitaires à l’échelle nationale
2. Méthodes et produits pour les séries chronologiques sur la couverture terrestre
3. Couverture terrestre de l’Amérique du Nord
4. Paramètres biophysiques de surface

1. Enregistrements de données satellitaires à l’échelle nationale

Le CCT possède des archives de données satellitaires à long terme (ADSLT) pour une série de capteurs optiques. Ces données ayant subies un traitement avancé sont disponibles pour les capteurs AVHRR, SPOT-Végétation, MODIS et MERIS. Les archives des trois premiers capteurs s'étendent sur une période de 25, 12 et 10 ans respectivement. Les données MERIS sont disponibles pour une période de 3 ans. Les méthodes de traitement et le logiciel utilisé pour générer les ADSLT ont été développés au CCT. Plus de détails sur ces archives et les méthodes de traitement utilisées seront bientôt ajoutés à ce site. Entretemps si vous désirez plus d'information, veuillez contacter rasim.latifovic@nrcan.gc.ca

2. Méthodes et produits pour les séries chronologiques sur la couverture terrestre

a) Couverture terrestre

Le Centre canadien de télédétection a produit plusieurs bases de données sur la couverture terrestre à l’échelle nationale avec une résolution spatiale de 1 km, dont les séries chronologiques de la couverture terrestre de 1985 à 2005 à l’aide des données NOAA/AVHRR (Latifovic et Pouliot, 2005) et SPOT/VEGETATION (Latifovic et autres, 2004). La plus récente base de données sur la couverture terrestre du Canada (figure 1) a été réalisée à l’aide des données MODIS et procure une précision améliorée, une résolution spatiale accrue et un contenu thématique. La nouvelle base de données à une résolution spatiale de 250 m comprend deux couches thématiques basées sur les normes de classification de la végétation du Federal Geographic Data Committee (FGDC NVCS) modifée pour l’utilisation au Canada et sur les classes de couverture terrestre du Programme international géosphère-biosphère (PIGB). L’exactitude de la nouvelle base de données sur la couverture terrestre est évaluée selon le degré d’accord avec les données de référence visuellement interprétée et les produits existants de couverture terrestre à plus haute résolution spatiale (30 m). La comparaison avec les données de référence indique un taux d’exactitude de ~ 70 % en utilisant les labels de référence primaire et secondaire pour tenir compte des pixels mélangés. La comparaison par rapport aux données de référence indépendante démontre une bonne concordance avec les pourcentages de couverture terrestre établis par Statistique Canada, le Service canadien des forêts et Agriculture Canada. Cette nouvelle base de données est utilisée comme source primaire d’information sur la couverture terrestre de la masse continentale du Canada dans la base de données sur la couverture terrestre de l’Amérique du Nord.

b) Changement de la couverture terrestre

La recherche sur la détection des changements est axée sur le développement des capacités de l’OT pour surveiller les changements qui ne sont pas évalués de manière exhaustive à l’échelle nationale. Elle vise à intégrer des données à plusieurs échelles temporelles et spatiales afin d’obtenir des résultats cohérents et précis pour la surveillance semi-automatisée des changements à la surface terrestre. En collaboration avec les autres programmes de surveillance, on envisage de créer des synthèses nationales des changements à l’échelle nationale, qui fournira de l’information normalisée sur les types de changement, leur occurrence et leur étendue dans tout le Canada, à des échelles annuelle et décennale. On a récemment élaboré une méthode pour détecter les perturbations des forêts à partir des observations MODIS, conçue spécifiquement pour maintenir la cohérence temporelle. Cette méthode est présentement évaluée en collaboration avec la Service canadien des forêts. Des exemples de résultats sont présentés à l’échelle nationale (figure 2) et pour l’exploitation forestière au Québec (figure 3).

3. Couverture terrestre de l’Amérique du Nord

Le projet contribue à la mise en place du Système nord-américain de surveillance des changements dans la couverture terrestre (NALCMS). Le CCT est le partenaire canadien dans la collaboration scientifique du NALCMS, auquel participent des organisations scientifiques des gouvernements mexicain et américain (USGS, INEGI, CONABIO, CONAFOR). Il a été initié en 2006 lors du Sommet sur la couverture terrestre à Washington (DC), et les Actes du Sommet le décrivent comme l’un des résultats les plus importants. La Commission de coopération environnementale trilatérale et son Secrétariat soutiennent le projet NALCMS en facilitant la collaboration des partenaires.

Ce qui justifie le NALCMS, c’est le besoin collectif de disposer d’un système harmonisé de surveillance de la couverture terrestre qui traverse les frontières politiques en Amérique du Nord et qui répond simultanément aux besoins à l’échelle continentale, tout en fournissant des informations pour chaque pays, en complément de leurs propres des programmes de surveillance. La surveillance du changement de la couverture terrestre fournira des informations fondamentales pour comprendre les impacts environnementaux sur le paysage de l’Amérique du Nord causés par des changements tel que les feux, l’exploitation forestière, les dommages causés par les insectes, les changements d’utilisation des terres, des infrastructures et le développement économique. Une meilleure connaissance de la dynamique et des patrons dans le changement de la couverture terrestre aidera le Canada, les États-Unis et le Mexique à travailler sur ces enjeux à l’échelle Nord-américaine.

La carte de couverture terrestre produite par le projet NALCMS est basée sur les observations satellitaires acquises en 2005 par le MODIS. Ce premier produit de la NALCMS est maintenant disponible au public. Les données détaillées, à une résolution spatiale de 250 m, constituent la carte représentant une couche de base harmonisée qui permettra le suivi des changements du couvert végétal au cours du temps. Le NALCMS s’adresse aux décideurs, aux organisations internationales comme le Programme des Nations Unies pour l’environnement, aux ONG en environnement et aux chercheurs scientifiques dans divers domaines : le changement climatique, la séquestration du carbone, la perte de biodiversité et les changements dans la structure et la fonction des écosystèmes. Le système s’adresse aussi à d'autres utilisateurs intéressés par la dynamique de la couverture terrestre et les mécanismes de changement de l’environnement à l’échelle continentale de l’Amérique du Nord.

4. Paramètres biophysiques de surface

Les archives de données satellitaires à long terme du CCT pour les capteurs AVHRR, SPOT-Végétation, MODIS et MERIS sont utilisées pour produire un certain nombre de paramètres biophysique de surface. L'indice de surface foliaire (LAI), la couverture nivale, l’indice d’activité végétale (NDVI) et l’albedo de surface sont produit. Plus de détails sur ces paramètres seront bientôt ajoutés à ce site. Entretemps si vous désirez plus d'information, veuillez contacter richard.fernandes@nrcan.gc.ca

Latifovic, R., Pouliot, D. et Olthof, I., 2009. North America Land Change Monitoring System: Canadian Perspective. 30e Symposium canadien sur la télédétection, Lethbridge, Alberta.