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RAPPORT MÉTHODOLOGIQUE

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RAPPORT MÉTHODOLOGIQUE ACQUISITION DE CONNAISSANCES ESSENTIELLES A L AMENAGEMENT INTEGRE DES RESSOURCES SUR LE TERRITOIRE KENAUK EN OUTAOUAIS Présenté à : Kenauk Nature S.E.C. Robert Vanier, vice-président
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RAPPORT MÉTHODOLOGIQUE ACQUISITION DE CONNAISSANCES ESSENTIELLES A L AMENAGEMENT INTEGRE DES RESSOURCES SUR LE TERRITOIRE KENAUK EN OUTAOUAIS Présenté à : Kenauk Nature S.E.C. Robert Vanier, vice-président Kenauk Nature Liane Nowell, chargée de projets Et La Société canadienne pour la conservation de la nature Joël Bonin, vice-président Québec Marie-Andrée Tougas-Tellier, chargée de projets Par : Mathieu Varin, géomaticien, M.Sc. Martin Dupuis, professeur, M.Sc. Philippe Bournival, ing.f., M.Sc. Jean Fink, biologiste Novembre Mots-clés : Classification orientée-objet, Kenauk, Outaouais, télédétection, analyse temporelle, analyse multiéchelle, Landsat 5 capteur TM, ecognition, occupation du sol Référence à citer : Varin, M., M. Dupuis, P. Bournival et J. Fink Acquisition de connaissances essentielles à l aménagement intégré des ressources sur le territoire Kenauk en Outaouais. Centre d enseignement et de recherche en foresterie de Sainte-Foy inc. (CERFO). Rapport pages. TABLE DES MATIERES RÉSUMÉ... III MISE EN CONTEXTE... 5 OBJECTIFS TERRITOIRES D ÉTUDE DÉMARCHE MÉTHODOLOGIQUE Données utilisées Prétraitement des images satellitaires Sélection des zones d entraînement Classification orientée-objet de l occupation du territoire Validation de la méthode Analyse temporelle RÉSULTATS DE LA CLASSIFICATION ORIENTÉE-OBJET Zones d entraînement Classification orientée-objet de l occupation du territoire Validation de la méthode Analyse temporelle DISCUSSION CONCLUSION RÉFÉRENCES ANNEXE 1 CARTES DE PRÉSENCE D EAU (NDWI) ANNEXE 2 FORMULAIRE DE VALIDATION TERRAIN Réf. : / MV / 22/01/2016 i LISTE DES FIGURES Figure 1 : Carte du territoire d'étude... 7 Figure 2. Localisation des points d inventaire Figure 3 : Carte de l'occupation du territoire en Figure 4 : Carte de l'occupation du territoire en Figure 5 : Carte de l'occupation du territoire en Figure 6 : Évolution de la superficie (ha) des classes pour les années 1984, 1999, Figure 7 : Évolution du pourcentage d'occupation des classes pour les années 1984, 1999, Figure 8 : Évolution du nombre d'objets par classe pour les années 1984, 1999, Figure 9 : Carte de l indice de vigueur de la forêt en 1984 sur le territoire Kenauk Figure 10 : Carte de l indice de vigueur de la forêt en 1999 sur le territoire Kenauk Figure 11 : Carte de l indice de vigueur de la forêt en 2009 sur le territoire Kenauk Figure 12 : Carte de la teneur en eau en 1984 sur le territoire Kenauk Figure 13 : Carte de la teneur en eau en 1999 sur le territoire Kenauk Figure 14 : Carte de la teneur en eau en 2009 sur le territoire Kenauk LISTE DES TABLEAUX Tableau 1 : Caractéristiques spectrales du capteur TM de Landsat Tableau 2 : Caractéristiques des images satellitaires... 9 Tableau 3 : Données auxiliaires utilisées dans le projet... 9 Tableau 4 : Caractéristiques des zones d'entraînement utilisées dans la classification Tableau 5 : Séparabilité spectrale entre les classes d'occupation du territoire Tableau 6 : Matrice d erreurs avec les zones de validation comme référence Tableau 7 : Matrice d erreurs avec les zones de validation comme référence (avec fusion des classes mélangée et feuillue) Tableau 8 : Évolution de la superficie (ha) des classes pour les années 1984, 1999, 2009 et Tableau 9 : Évolution du pourcentage d'occupation des classes pour les années 1984, 1999, 2009 et Tableau 10 : Évolution du nombre d'objets par classe pour les années 1984, 1999, 2009 et Tableau 11 : Formulaire utilisé pour effectuer la validation terrain des points d inventaires Réf. : / MV / 22/01/2016 ii RESUME Situé en Outaouais, le territoire Kenauk couvre plus de 259 km² de forêts, lacs et rivières. Il se distingue par sa richesse écologique puisqu il contient certaines des forêts les plus anciennes de l Outaouais et une faune abondante et diversifiée. Ce site est actuellement exploité dans un contexte de gestion intégrée et durable des ressources et le gestionnaire du territoire, Kenauk Nature S.E.C., spécialisé dans le tourisme de nature, souhaite diversifier son offre de services et aménager des infrastructures d accueil et d accessibilité afin d accroître sa clientèle et prolonger la durée des séjours dans ses installations. Pour réaliser ce mandat d acquisition de connaissances, une méthode de classification orientée-objet a été utilisée à partir d images Landsat 5 acquises en 1984, 1999 et Cette méthode a permis de réaliser une cartographie temporelle de l occupation du sol à l échelle d un peuplement forestier (4 ha en moyenne) tout en assurant un suivi étalé sur 25 ans. Pour 2009, il a été possible de générer une cartographie d une précision globale de 80,8 %. En analysant les trois cartographies obtenues, on remarque que la superficie des plans d eau est relativement stable (6 %), alors que celle des milieux humides diminue légèrement (13 à 9 %) depuis 25 ans. On remarque également que la récolte forestière est majoritairement représentée par des coupes d un seul tenant de plus grandes superficies en 1984 alors qu elle est représentée par un plus grand nombre de coupes de plus petites superficies en 1999 et en En termes de superficie totale, les résultats indiquent également que la pression de récolte des années 1999 et 2009 était 1,5 fois supérieure à celle de Malgré cela, la proportion du territoire occupé par la forêt est peu variable (77 %), ce qui indique que les parterres de coupes se sont très bien régénérés après 25 ans et que la pression anthropique sur le territoire a été très limitée. Les milieux forestiers mélangés à dominance feuillue diminuent alors que les milieux feuillus augmentent. Une hypothèse avancée pour expliquer ce phénomène peut s expliquer par l enfeuillement qui est souvent associé à la récolte forestière en forêt mélangée. En effet, les résineux ont plus de difficulté à se régénérer sur les parterres de coupe et perdent leur place dans la succession forestière aux dépens des feuillus plus opportunistes. Avec le temps, on voit que les peuplements se morcellent finement suite aux nombreuses coupes forestières, mais qu ils reviennent à l état d origine après 25 ans. Réf. : / MV / 22/01/2016 iii Ce projet de mise à jour des connaissances du territoire servira de référence pour cibler les secteurs à fort potentiel de mise en valeur et de conservation. La documentation du territoire peut être approfondie et faire l objet de nombreuses analyses complémentaires. Par exemple, l utilisation des données provenant du LiDAR aéroporté permettrait d associer les classes de hauteur aux peuplements et d étudier comment cette variable influence les indices de vigueur de la forêt. L imagerie hyperspectrale permettrait de préciser la reconnaissance des espèces forestières, notamment pour identifier les hêtres atteints de la maladie corticale ou les frênes atteints de l agrile du frêne. La connaissance de la localisation des secteurs issus des coupes forestières des 25 dernières années est une occasion de mesurer la diversité d espèces et le succès de la régénération de ceux-ci en comparaison avec les secteurs non perturbés. Des scénarios sylvicoles adaptés à la forêt mélangée à dominance feuillue pourront également être mis sur pieds pour limiter sa diminution à l échelle du territoire. Ces scénarios permettraient d envisager des méthodes de récolte adaptés aux espèces sensibles comme le pin blanc et la pruche d Amérique. Réf. : / MV / 22/01/2016 iv MISE EN CONTEXTE Le territoire Kenauk est l une des plus importantes et des plus anciennes réserves privées de faune au Canada. Couvrant plus de 259 km², il se distingue par sa richesse biologique (Forget et al., 2006). On y trouve des peuplements forestiers rares (ex. : érables noirs) dont plusieurs espèces sont en situation précaire (MFFP, 2015). Récemment, ce territoire a été acquis par un consortium formé des Entreprises Lyme Timber, Kenauk-Nature S.E.C. la Société canadienne pour la conservation de la nature (CNC). Ces entreprises sont spécialisées dans les domaines de l exploitation forestière, du tourisme de nature haut de gamme, de la conservation et de la mise en valeur de la faune et de ses habitats. Possédant des missions distinctes, les nouveaux propriétaires font face à de nouveaux défis d harmonisation des usages pour atteindre leurs objectifs respectifs, dans un contexte de gestion intégrée et durable des ressources (Paquet et Deschênes, 2005). À court terme, Kenauk-Nature S.E.C., le partenaire qui est spécialisé dans le tourisme de nature (forfaits de pêche, de chasse et de villégiature) souhaite diversifier son offre de services et aménager des infrastructures d accueil et d accessibilité au territoire afin d accroître sa clientèle et prolonger la durée des séjours dans ses installations. Il vise également à améliorer l habitat de la faune en effectuant certains aménagements et se préoccupe d assurer la durabilité des ressources pour le maintien des activités. Un zonage de Kenauk à une échelle fine est donc entrevu afin de définir les possibilités d aménagements pour les différentes ressources du territoire. Pour ce faire, une planification basée sur des connaissances approfondies des caractéristiques du territoire comme les milieux humides et les habitats pour les espèces à statuts précaires est indispensable. Or, les connaissances actuelles sont fragmentaires et insuffisantes. De façon conventionnelle, le portrait serait obtenu en réalisant un inventaire et en faisant l acquisition et l analyse de photographies aériennes. Toutefois, ces méthodes sont longues, coûteuses et très exigeantes. C est pourquoi il est proposé d utiliser une méthode semi-automatisée d analyse d images satellitaires, car il est possible de faire une cartographie relativement fine à l aide d images du satellite Landsat 5 (Langloise, 2012). Réf. : / MV / 22/01/2016 5 OBJECTIFS L objectif principal consiste à mettre à jour les connaissances du territoire en vue de cibler les potentiels de mises en valeur et de conservation. Plus spécifiquement, il s agit de : 1. réaliser une cartographie complète de l occupation du territoire pour 1984, 1999 et 2009; 2. analyser l évolution de l occupation du territoire sur un horizon de 25 ans; 3. évaluer l état et l évolution de l indice de vigueur forestière (NDVI) de l ensemble du territoire d étude. 1. TERRITOIRES D ETUDE Le territoire d étude représente une partie de la propriété de Kenauk-Nature (environ 259 km 2 ) en Outaouais et couvre 64 % (environ 177 km 2 ) du bassin versant de la rivière Kinonge. Ce territoire se situe dans la MRC de Papineau, à proximité des municipalités de Montebello et de Notre- Dame-de-Bonsecours. Il s agit d une grande propriété privée couverte par une diversité importante d essences forestières, de milieux humides et de lacs. Réf. : / MV / 22/01/2016 6 Figure 1 : Carte du territoire d'étude Réf. : / MV / 22/01/2016 7 2. DEMARCHE METHODOLOGIQUE La démarche proposée débute par une acquisition de données satellitaires et un prétraitement de celles-ci. Par la suite, le processus de cartographie s effectue en identifiant des zones de référence (entraînement) utilisées dans une classification orientée-objet. Cette cartographie est ensuite validée pour être utilisée dans une analyse temporelle étudiant l évolution du territoire DONNEES UTILISEES Les données essentielles à la classification orientée-objet sont constituées d images satellitaires permettant de déterminer l occupation du territoire. D autres données auxiliaires sont nécessaires afin d appuyer cette classification (réseau hydrologique, modèle numérique d altitude, etc.). Images satellitaires Les images satellitaires proviennent toutes du capteur TM 1 du satellite Landsat 5, prises durant l été sur une période de 25 ans (1984 à 2009). Ce satellite a l important avantage d avoir été fonctionnel durant une très longue période temporelle, débutant en 1984 et se terminant en Ce riche historique permet d avoir un grand éventail de choix d images selon les besoins. Les images satellitaires du capteur TM ont également l avantage d avoir, en plus d une bonne résolution temporelle, un nombre de bandes spectrales généralement supérieur aux autres capteurs multispectraux. Le tableau 1 décrit les canaux disponibles. Tableau 1 : Caractéristiques spectrales du capteur TM de Landsat 5 Longueur d'ondes Canal Spectre (µm) TM1 0,45-0,52 Bleu TM2 0,52-0,60 Vert TM3 0,63-0,69 Rouge TM4 0,76-0,90 PIR TM5 1,55-1,75 IROC1 2 TM6 10,40-12,50 Thermique TM7 2,08-2,35 IROC2 3 1 Thematic Mapper 2 Canal infrarouge à onde courte #1 3 Canal infrarouge à onde courte #2 Réf. : / MV / 22/01/2016 8 Le tableau 2 montre les caractéristiques principales des images satellitaires. Elles ont été choisies par une sélection d images satellitaires offertes gratuitement par l USGS 4 en tenant compte de plusieurs critères, notamment la couverture nuageuse, la date et l heure d acquisition. En effet, afin d obtenir les meilleures images possible, seules celles ayant moins de 1 % de couverture nuageuse ont d abord été sélectionnées. Il a été possible de s appuyer sur les métadonnées et la bande de l infrarouge thermique pour visualiser la présence ou l absence de nuages dans notre territoire d étude. Ensuite, des images prises en juillet ont été privilégiées pour s assurer d avoir des conditions environnementales standards d été et durant le jour pour avoir un ensoleillement semblable. Tableau 2 : Caractéristiques des images satellitaires Image de 1984 Image de 1999 Image de 2009 Capteur Landsat 5 TM Landsat 5 TM Landsat 5 TM Date Heure 15:13 15:22 15:33 Données auxiliaires Plusieurs données n ont pas servi directement à la cartographie, mais ont été nécessaires pour le prétraitement des images ainsi que pour servir de référence à la classification. L ensemble de ces données utilisées sont présentés au tableau 3. Tableau 3 : Données auxiliaires utilisées dans le projet Donnée Date mise à jour Résolution spatiale Format Source Ortho images aériennes Printemps cm Matriciel CNC 5 Modèle numérique d'altitude m Matriciel BDTQ 6 Réseau hydrologique linéaire et surfacique : Vectoriel CEHQ 7 Milieu humide : Vectoriel BDTQ Écoforestière 3 e décennal ha Vectoriel MFFPQ 8 Écoforestière 4 e décennal ha Vectoriel MFFPQ 4 United States Geological Survey 5 Conservation de la nature Canada 6 Base de données topographique du Québec 7 Centre d expertise hydrique du Québec 8 Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs du Québec Réf. : / MV / 22/01/2016 9 2.2. PRETRAITEMENT DES IMAGES SATELLITAIRES Les trois images satellitaires (1984, 1999 et 2009) ont été acquises en format L1T de Landsat 5 TM. Les images étaient déjà orthorectifiées afin de bien les positionner selon le système de référence spatiale WGS84 UTM zone 18N (30 m de résolution spatiale). L étendue des images a été restreinte à la délimitation du MNA disponible, ce qui a aussi permis de réduire la taille des images (passant d une superficie de km 2 à km 2 ) et de simplifier ensuite les traitements. Correction radiométrique La correction géométrique étant déjà réalisée, le prétraitement suivant était d effectuer la correction radiométrique sur ces images. On retrouve plusieurs opérations parmi cette correction, dont la transformation des comptes numériques de luminance en réflectance, la correction topographique, la correction atmosphérique et la normalisation radiométrique. Les trois premières opérations ont été réalisées avec le module ATCOR de PCI Geomatics. Ce module est programmé, entre autres, pour faire le prétraitement des images satellitaires de Landsat. Les valeurs spectrales de luminance des images ont donc d abord été converties en valeurs de réflectance, à partir d un fichier de calibration standard, pour les bandes TM 1, 2, 3, 4, 5, et 7 (la bande 6, infrarouge thermique, n est pas nécessaire pour notre étude). Cette étape a permis de normaliser les valeurs spectrales pour chaque image, simplifiant l analyse multitemporelle. Ensuite, le MNA a été utilisé pour la correction topographique. PCI Geomatics intègre la fonction de distribution angulaire caractéristique de la réflectance bidirectionnelle (Bi-directional Reflectance Distribution Function : BRDF) afin de corriger les valeurs spectrales relativement à la topographie. La réflectance variant selon le relief du territoire, les directions dépendent donc des variations topographiques qui influencent l éclairement solaire. Enfin, la correction atmosphérique a été réalisée à l aide de plusieurs paramètres environnementaux, notamment les angles zénithal et azimutal, et les conditions de visibilité au sol lors de l acquisition de l image (donnée provenant des archives d Environnement Canada 9 ). Cette correction a l avantage 9 Réf. : / MV / 22/01/ d atténuer les flous et les anomalies sur les images en augmentant les contrastes en fonction des conditions atmosphériques. Normalisation radiométrique Un des objectifs est de comparer temporellement les images et leurs produits. Pour ce faire, il est nécessaire, malgré que les images proviennent du même capteur (Landsat 5 TM), de normaliser les valeurs radiométriques entre les images. Une vérification préalable simple consiste à vérifier si la réflectance d un objet invariable dans le temps a changé. Une légère différence a été remarquée et il a été décidé de normaliser les images de 1984 et de 1999 en fonction de l image de référence de Le modèle utilisé est basé sur l étude de Radke et al qui propose de normaliser les valeurs des pixels (S(i,j)) en tenant compte des écarts-types (σ) et des moyennes (µ) de chaque bande spectrale de l image à normaliser (#2, 1984 ou 1999) et de l image de référence (#1, 2009). L équation utilisée est la suivante : S'2 (i,j) = σ1/ σ2 (S2(i,j) - µ2) + µ1 Cette équation a permis d inférer les valeurs de 1984 et de 1999 avec celle de l image de référence de Cette opération s est effectuée pour l ensemble des bandes spectrales SELECTION DES ZONES D ENTRAINEMENT Les zones d entraînement doivent être identifiées pour servir de référence à la classification. Elles permettent également de sélectionner les classes distinctes d occupation du territoire et les indices spectraux à utiliser. Délimitation des zones d entraînement La délimitation des zones d entraînement a permis de produire une classification orientée-objet à partir des images satellitaires. Il s agit d identifier sur les images, selon des classes d occupation du territoire, des zones homogènes représentant des objets réels sur le terrain. La délimitation de ces zones d entraînement a été réalisée avec ArcGIS 10.3 par image-interprétation à l aide d une mosaïque d images aériennes (30 cm de résolution spatiale) prises à l été Les données géospatiales des troisième et quatrième inventaires forestiers du Québec méridional du ministère Réf. : / MV / 22/01/ des Forêts, de la Faune et des Parcs (MFFP), de même que celles provenant de la base de données topographiques du Québec (BDTQ) ont permis d orienter le choix des zones. Sept classes d occupation du territoire ont été utilisées pour le projet, en tenant compte des principales affectations observées. Les classes retenues sont les suivantes : Milieux hydrologiques Milieux anthropiques Milieux humides Coupes récentes Milieux forestiers mélangés à dominance feuillue Milieux forestiers feuillus Milieux forestiers résineux Les zones retenues devaient avoir préférablement une superficie minimale de 8100 mètres carrés (9 pixels de Landsat 5 de 30 m par 30 m) et être réparties uniformément sur l ensemble du territoire d étude. À noter qu il y avait très peu de résineux présents dans les milieux forestiers mélangés, c est pourquoi seuls les milieux forestiers mélangés à dominance feuillus ont été conservés. Vérification de la séparabilité spectrale à l aide de l indice de Bhattacharyya La distance de Bhattacharryya a été utilisée comme indice avec le module Focus de PCI Geomatics pour déterminer le degré de similitude spectrale où l analyse de cette distance relative permet d identifier les classes semblables et différente
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