Du bon usage des drones pour la cartographie des habitats naturels



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Les drones peuvent-ils combler le fossé entre les relevés in situ et les satellites pour la cartographie des habitats ?

Emilien Alvarez-Vanhard, Thomas Houet, Thomas Corpetti (LETG-Rennes), Cendrine Mony et Lucie Lecoq (ECOBIO) publient en avril 2020 un article dans la revue Remote Sensing of Environment un article consacré au bon usage du drone pour la cartographie des habitats, et à sa complémentarité avec les données satellitaires. L’étude a été menée sur le marais de Sougéal (Zone Atelier Armorique portée par l’OSUR) avec le soutien instrumental de la plateforme CNRS D2T (Drone, Terrain, Télédétection) de l’université Rennes 2. L’étude est également intégrée au projet européen Interreg ALICE soutenu par le FEDER pour aider à l’aménagement des bassins versants des zones côtières.


 

La cartographie des habitats est un outil essentiel pour surveiller et gérer les écosystèmes naturels ou semi-naturels. Les habitats intègrent à la fois les conditions environnementales et la biodiversité qui y est associée. Cependant, cartographier certains habitats tels que les zones humides continentales reste compliqué en raison de la variabilité spectrale, spatiale et temporelle du couvert végétal. Actuellement, aucune constellation de satellites n'optimise les résolutions spectrales, spatiales et temporelles nécessaires pour cartographier ces zones humides en fonction des habitats discriminés par les relevés in situ. L’approche proposée par l’équipe rennaise du LETG vise à combiner les données satellitaires et celles acquises par drone pour dépasser leurs limites respectives. L’idée est donc de jouer sur leur complémentarité. Ainsi, les deux sources de données ont été combinées grâce à un algorithme de " démélangeage spectral" avec l'hypothèse initiale que les composantes spectrales des données issues des drones sont suffisamment pures (précises) pour améliorer les abondances des communautés végétales estimées à partir des données satellitaires.

L'expérience a été menée en Bretagne sur le marais de Sougéal, une prairie humide de 174 ha située en amont de la baie du Mont-Saint-Michel, au sein de la Zone Atelier Armorique. Deux sources de données satellitaires - Sentinelle-2 et Pléiades - et trois périodes d'acquisition - novembre 2017, avril 2018 et mai 2018 - ont été prises en compte dans l’étude. Une carte de référence de la distribution des communautés végétales a été produite à partir des données multitemporelles acquises par drone et des relevés floristiques afin de valider le "démélangeage" des données satellites.

 


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Fig. 1. (à gauche) Localisation du site d'étude du marais de Sougéal sur le site Natura 2000 de la baie du Mont-Saint-Michel et (à droite) localisations des relevés floristiques en 2017 et 2018 sur l'orthophotographie acquise par drone le 18 mai 2018


 

Cette étude montre des résultats et des perspectives innovantes : si le drone peut améliorer la discrimination des habitats, les résultats varient selon les périodes d'acquisition et les habitats. Les résultats illustrent bien le fort potentiel de la combinaison des données drones et satellitaires, mais démontrent également l'influence des « endmembers » sur le processus de séparation et les limites techniques (par exemple, les décalages spectraux entre les capteurs), qui peuvent être surmontées grâce à des méthodes d’adaptation de domaine.

In fine, cette étude évalue et montre l'utilité des données des drones pour combler le fossé (existant en termes de résolutions spatiales) entre les relevés de terrain et les données satellitaires pour la cartographie des habitats. Les principaux résultats ont montré que les drones ont un grand potentiel pour la cartographie des habitats : ils sont flexibles (permettant l'acquisition de données en même temps que les données satellitaires), peuvent cartographier efficacement les habitats sur de petites surfaces (jusqu'à environ 100 ha) et fournir des données de formation (composante) et de validation (classe d'habitat) pour démélanger les données multispectrales satellitaires à haute résolution temporelle, telles que Sentinel-2 (10 m) ou Pléiades (2,4 m). Dans tous les cas, elles restent complémentaires aux données satellitaires.

 


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Fig. 2. Influence de la résolution spatiale des images de télédétection sur la réponse spectrale des zones de relevé terrain (plot area). a) Résolution des images Sentinel-2 (10 m), b) Résolution des images Pléiades (2 m), c) Résolution des images drone (0,2 m), d) Exemple de distribution des communautés végétales (vérité terrain)


 

Des classifications floues (probabilité d’appartenance à une classe) des communautés mésophiles, méso-hygrophiles et hygrophiles ont été produites avec une précision allant de «  bonne à correct » en utilisant à la fois les signatures spectrales pour chacune de ces classes (appelés « endmembers ») issues des drones et des données satellitaires, bien que l'étude ait révélé certaines limites techniques et le défi que représente la cartographie de ces habitats.

 


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Fig. 3. Topographie et communautés végétales du marais de Sougéal. A gauche : modèle numérique de surface dérivé des données RGB du drone. A droite : Composition couleur des communautés végétales des prairies humides du marais de Sougéal, dérivé de la classification forestière aléatoire des images du drone. Encadrés : a) écotone, b) classe MH sur les petites digues des canaux et c) dépression hygrophile. M - mésophile ; MH - méso-hygrophile ; H - hygrophile.


 

Pour les données drones, bien qu'il soit nécessaire d'intercalibrer les données issues de capteurs différents pour augmenter la précision des cartes d'habitat, les méthodes d’adaptation de domaines permettent de surmonter ces décalages spectraux. Pour les données satellites, il s’avère que certaines périodes d'acquisition sont plus adaptées que d'autres. L'influence du climat, des régimes hydrologiques et de l'utilisation des terres (ici, le pâturage) peut entraîner des changements spatiaux de la distribution spatiale des habitats mais également temporels dans la phénologie des habitats, ce qui rend d’autant plus difficile la discrimination précise des limites des habitats des prairies inondées.

Cependant, cet article démontre que les données issues des drones peuvent contribuer à la détection précoce d’espèces envahissantes ou à la dégradation des terres, dont la surface moyenne reste inférieure à la résolution spatiale des images satellites. Des travaux futurs sont nécessaires pour tirer pleinement parti des synergies potentielles entre les données drones et satellitaires pour les applications environnementales. Bien que centrée uniquement sur les synergies spectrales, cette étude a permis d'identifier des améliorations prometteuses pour répondre aux enjeux de changements d’échelles entre des données de terrain et des données satellitaires.



Référence
Alvarez-Vanhard Emilien , Thomas Houet, Cendrine Mony, Lucie Lecoq, Thomas Corpetti, Can UAVs fill the gap between in situ surveys and satellites for habitat mapping?, Remote Sensing of Environment, 243, 2020, 111780, doi.org/10.1016/j.rse.2020.111780




Contact OSUR
Thomas Houet (LETG-Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (OSUR multiCOM) / @