Méthode générale

L’exercice se base sur l’apport conjoint d’une image mono-date à très haute résolution spatiales(THRS, d’une résolution métrique) et d’une série temporelle annuelle d’images de hautes résolutions spatiales (HRS, d’une résolution décamétrique). Il s’agit de caractériser des polygones issus d’une segmentation (1) selon une approche orientée objets et hiérarchisée.

La première étape consiste à segmenter l’image THRS en objets qui seront par la suite caractérisés selon une démarche orientée objet et hiérarchisée. L’étape suivante consiste à extraire des milieux naturels en se basant sur la série temporelle annuelle des images HRS. Cette approche s’appuie sur le fait que les milieux naturels ont une production végétale toute l’année (en dehors des périodes d’enneigement) contrairement à d’autres occupations du sol (cultures, bâtis …). En effet, les cultures se retrouvent au moins une fois en sol nu dans l’année après récolte et en période du labour tandis que les zones urbaines ont une production végétale quasiment nulle toute l’année. Par la suite, les images THRS permettent de décliner les végétations des milieux naturels en trois niveaux de densité: herbacées (ouverts), ligneux mixtes (semi-ouverts) et ligneux denses (fermés). Puis, la série temporelle est de nouveau mise à contribution afin de caractériser les zones herbacées (pelouses ou prairies) en niveaux de productivité de biomasse végétale. Finalement, l’ensemble de ces traitements permet d’aboutir à la carte de végétation. Pour mener à bien cet objectif, les différentes parties de ce travail se résument comme suit (Figure 1):

1. Segmentation ou découpage automatique en zones homogènes à partir de l’image THRS mono-date ;

2. Extraction des milieux naturels à partir de la série temporelle d’images HRS ;

3. Extraction du degré d’ouverture des milieux c’est-à-dire de la densité des végétations naturelles ;

4. Extraction du niveau de productivité de la biomasse végétale ;

5. Carte de végétation finalisée.

Zone d’étude

Le secteur analysé dans cet exercice est situé dans le département de l’Isère à environ 10 kilomètres au sud-est de Grenoble entre la commune d’Herbeys au nord et Vaulnareys-le Bas au sud (latitude 4507N, longitude 548E, Figure 1). La zone d’intérêt représente environ 25 km²et couvre un gradient de paysage de plaine agricole au nord vers un paysage semi-montagnard au sud, atteignant jusqu’à 1000 mètres d’altitude.

Logiciels et données

Logiciel requis

Les traitements prévus dans la méthode de cartographie des végétations font appel aux fonctionnalités de base du logiciel QGis (version 3.18) ainsi que la bibliothèque intégrée de traitement d’image Orfeo ToolBox (OTB) développée par le CNES. Les fonctions d’OTB seront exécutées par le lanceur d’applications MAPLA (Monteverdi Application Launcher).

Données de télédétection

Les images de télédétection mises à contribution pour cet exercice sont fournies par l’infrastructure de données spatiales (IDS) du pôle surfaces continentales Theia (theia-land.fr).

Image à très haute résolution spatiale (THRS)

L’image à très haute résolution spatiale (THRS) utilisée est une image SPOT 6&7 extraite de la couverture France entière de l’Equipex Geosud (http://ids.equipex-geosud.fr). Les images bénéficient d’une résolution spatiale de 1,5 mètres en mode panchromatique et de 6 mètres en multispectrale composée des bandes bleue, verte rouge et proche-infra-rouge. L’image utilisée a déjà été prétraitée par la technique du pansharpening, c’est-à-dire que les bandes multispectrales ont été fondues avec l’image panchromatique afin d’obtenir une image couleur d’une résolution de 1,5 mètres. De plus, l’image a subi une correction radiométrique de type Top of Atmosphère (TOA) en utilisant l’extension de QGIS « Geosud reflectance TOA ». Les valeurs numériques des pixels sont en milli-réflectance (16 bits). L’image SPOT7 date du 9 juillet 2020 et est projetée en Lambert 93. Les bandes sont réparties ainsi : rouge (bande 1), vert (bande 2), bleu (bande 3) et proche-infra-rouge (canal 4). Pour l’exercice cette image est nommée SPOT_20200709.tif.

Série temporelle Sentinel-2

La série temporelle utilisée est issue d’une série d’images Sentinel-2 de 2020. La mission Sentinelle 2 de l'ESA, lancée dans le cadre du programme Copernicus de l'Union Européenne, se compose de deux satellites, Sentinel 2A et Sentinel 2B : le premier a été lancé en juin 2015 et le second en mars 2017. Chacun de ces satellites permet une observation de toutes les terres tous les 10 jours sur 13 bandes spectrales du visible au moyen infra-rouge. En combinant les données des deux satellites, chaque pixel est observé tous les 5 jours. Les images utilisées sont des données de niveau 3A, c’est-à-dire qu’elle correspondent à des synthèses annuelles de réflectance de surface. Les images ont été corrigées des effets atmosphériques et de relief et sont accompagnées d'un bon masque de nuages et d'ombres de nuages. Pour cet exercice nous utiliserons les quatre bandes d’une résolution de 10 mètres à savoir les bandes B2, B3, B4 et B8 correspondant respectivement au bleu (bande 1), vert (bande 2), rouge (bande 3) et proche-infra-rouge (canal 4). Ces images ont été reprojetées en Lambert 93. Les 12 images constituant la série temporelle sont nommées ainsi : S2A_2020MMJJ.tif (MM pour le mois, JJ pour le jour)

Données vectorielles

Quatre fichiers vectoriels sont fournis et correspondent à des sites échantillon pour la calibration et la validation des classifications par seuillage ou supervisée. Ces échantillons proviennent d’une photo-interprétation fondée sur l’image SPOT 7 et de polygones issus d’une segmentation.

echant_anthropique_naturelle.shp : échantillons d’entrainement nécessaire à la classification par SVM pour les classes « Anthropisée » et « végétation Naturelle ». La classe « Anthropisée » correspond à des zones urbanisées et des zones de cultures, la classe « végétation Naturelle » comprend des prairies permanentes, des landes et des forêts.

validation_anthropique_naturelle.shp : échantillons de validation pour évaluer la distinction entre la classe dite « anthropisées » et la classe « végétation naturelle ».

La table attributaire est constituée de 3 champs: ID, ECHANT et CLASS. ID correspondant aux identifiants uniques des polygones. Le champ texte ECHANT contient ʺHʺ pour la classe «Herbacées», ʺMʺ pour la classe « ligneux Mixtes » et ʺDʺ pour la classe « ligneux Denses » correspondant respectivement aux valeurs numériques 3, 4, et 5 du champ numérique CLASS.

echant_densite_veg.shp : échantillons d’entrainement pour les classes de densités des végétations semi-naturelles.

validation_densite_veg.shp : échantillons de validation pour ces mêmes classes de densités.

La table attributaire est constituée de 2 champs principaux : ECHANT et CLASS. 3 modalités ECHANT sont possibles : H pour la classe «Herbacée», M pour la classe « Mixte » et D pour la classe « ligneux denses » correspondant respectivement à la valeur numérique 3, 4, et 5.