Télédétection et forêt : comment ça marche ?foresee.fcba.fr/wp-content/uploads/sites/9/2014/10/02-foresee-14... · FORESEE : Colloque de restitution -14 novembre 2014 –FCBA

Télédétection et forêt : comment ça marche ?

Anne JOLLY (ONF) – Sylvie DURRIEU (IRSTEA)

Jérôme BOCK (ONF), Xavier LUCIE (IRTSEA), Alain MUNOZ (ONF), Alexandre PIBOULE (ONF)

FORESEE : Colloque de restitution14 novembre 2014 – FCBA Paris

FORESEE : Colloque de restitution - 14 novembre 2014 – FCBA Paris - Jolly et al. 2

Objectifs de la présentation

� Donner quelques exemples d’applications forestières de la télédétection en France (hors FORESEE)

� Présenter les technologies les plus utilisées dans le projet Foresee

� les situer parmi l’ensemble des technologies de télédétection aérospatiale

� présenter plus précisément 2 technologies : le lidar aérien et la photogrammétrie,

et les questions posées dans FORESEE sur ces technologies

� Ce n’est donc pas un panorama de l’ensemble de la télédétection forestière !


• Exemples d’applications forestières de la télédétection en France

• Panorama des principales technologies (types de données)

• « Zoom » sur la photogrammétrie

• « Zoom » sur le Lidar aérien

• Conclusion

Sommaire






• Conclusion

Sommaire

FORESEE : Colloque de restitution - 14 novembre 2014 – FCBA Paris - Jolly et al.

Suivi des coupes rases annuelles / Massif Landais

Comparaison d’images Landsat 2 thèses puis transfert vers l’opérationnel

�� carte annuelle des coupes rases (de 1984 à 2009)�� Application coupes rases GeosudA.Jolly et al. – INRA - 1993

IFN - 2008

5


Incendies de forêts

Sensibilité de la végétation aux incendies Alpes de Haute provence

ONF – Y.Duché et al. 2011

Suivi et cartographie des impacts d’incendies

S.Labbé . Irstea

6


Cartographie de dégâts de tempête en forêt

Méthode développée lors de la tempête de 1999images Landsat / Massif Landais et Département des Vosges

améliorée lors de la tempête de 2009Images SPOT 4 & 5 / Massif Landais

Inventaire Forestier National + UMR TETIS

7


Santé des forêts : défoliations massives

19931992 FD de Haguenau : défoliation par le Bombyx disparate

(étude UMR TETIS, N.Stach, M.Deshayes)

8


Evolution de l’occupation du sol en Guyane

9

Étude ONF – IGN 2010

Étude ONF – IGN 2014


Télédétection et forêt : ce n’est donc pas complètement nouveau

� la résolution des données, et la nature des informations accessibles par traitement automatique (surtout changements brutaux), insuffisants pour les besoin d’une forêt gérée intensivement

� la disponibilité insuffisante des données(nombre de satellites, modalités de diffusion, coût des données)

� le manque de capacité d’appropriation par des acteurs opérationnels (gestionnaires, coopératives, services de l’Etat) : accès aux données, compétences, matériels et logiciels, …

MAIS les applications opérationnelles sont restées longtemps limitées par :

des évolutions (+ ou -) récentes favorables

� �� du nombre de satellites et renouveau de la photographie aérienne (numérique)

� � de la résolution des données � large gamme possible : de <1m à 1 km

� Initiatives favorisant la diffusion et l’accès aux données (ex: Geosud)

� développement du LiDAR (à partir du début des années 2000) : du « vrai 3D »

� capacités de calculs et algorithmes adaptés aux données à très haute résolution optiques et lidar

�� FORESEE






• Conclusion

Sommaire


Images Optiques 2D

Emprise

> 1000 km

> 300 km

20 - 1 km

150 - 50 km

Résolution

250 m

50 m

0 m

10 m

BASSE

MOYENNE

TRESHAUTE

HAUTE

5 m

1 m

Valeur = énergie solaireré-émise


Images Optiques Stéréoscopiques (3D)

Stéréo

Emprise

> 1000 km

> 300 km

20 - 1 km

150 - 50 km

Résolution

250 m

50 m

0 m

10 m

BASSE

MOYENNE

TRESHAUTE

HAUTE

5 m

1 m

H

Stéréo-restitution :mesures ponctuelles

Source IFN

Modèle Numérique de Surface(Canopée)

Photogrammétrie


Images RADAR

Stéréo« Stéréo » (interférométrie) �� Modèle Numérique de Surface(Canopée ou terrain )

Emprise

> 1000 km

> 300 km

20 - 1 km

150 - 50 km

Résolution

250 m

50 m

0 m

10 m

BASSE

MOYENNE

TRESHAUTE

HAUTE

5 m

1 m

Valeur = rétrodiffusiondu signal RADAR

Intermap

Intermap


LiDAR Aérien

Résolution

1 pt / m²

5 pts / m²

200 000 pts / m²

10 pts / m²

100 pts / m²

50 000 pts / m²

0 m

1 m

TR

ES

HA

UT

E R

ES

OLU

TIO

N

Coordonnées X,Y,Z

Données calculées à partir du nuage de points :�� Modèle Numérique de Terrain / de Canopée


LiDAR Terrestre

Résolution

1 pt / m²

5 pts / m²

200 000 pts / m²

10 pts / m²

100 pts / m²

50 000 pts / m²

0 m

1 m

TR

ES

HA

UT

E R

ES

OLU

TIO

N


Convertir la donnée en information forestière

Caractéristiques

des objets ?

Signal

Indicateurs extraits du signal (= « métriques »)

Données de terrain indispensables

�� Calibration des modèles

� Évaluation des résultats

� Informations non accessibles par télédétection

Modèles (semi-)empiriques

Mesures de terrainsur échantilllons

Dans certains cas modèles physiques

conditions d’acquisition(éclairement, géométrie d’acquisition,

saison, atmosphère, …)

Prétraitements (géométrie, radiométrie, atmosphère, …)






• Conclusion

Sommaire


Photogrammétrie : principes

Zone couverte par 2 photos

Zone couverte par 4 photos

� Un même objet du territoire est vu depuis plusieurs points, sous des angles différents


Photogrammétrie : principes

A

B

a1 b1 a2 b2

Points homologues entre les 2 images:

� a1 et a2 ; b1 et b2

� Recherche automatique des points homologues (corrélation)

� Calcul des altitudes correspondantes

� Un même objet du territoire est vu depuis plusieurs points, sous des angles différents

Résultat =

� Modèle Numérique de Surface (image représentant les altitudes de la canopée)


« Métriques » issues de la photogrammétrie

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� A partir des apex et couronnes détectés sur le MNS ou sur un modèle de hauteur (MNS – Modèle Numérique de terrain)

� Distribution des apex (nombre d’apex)

� Distribution des hauteurs d’apex (somme, quantiles, moy. …)

� Distribution des surfaces de couronne (somme, quantiles …)

� Trouées

� …

� A partir de MNS acquis à des dates différentes

� Apex ou couronnes « apparié(e)s » d’une date à l’autre

� Différences des altitudes des apex entre dates

� Différences des hauteurs maximales entre dates à l’échelle d’une « placette »

� ...

1961 1969 1981 2000


Questions de FORESEE / photogrammétrie

� Algorithmes et paramétrage de calculs des MNS adaptés aux couverts forestiers ?

� Influence de la résolution des photos (sur les métriques, sur les modèles) ?

� Suivi temporel (croissance) :

o recalage 2D et 3D entre missions de dates différentes ?

o Possibilité de suivi individuel d’arbres ?

o différence de résolution entre dates ?

o qualité des archives ?

� Complémentarité ou alternative au lidar (mises à jour, coûts moindres) :

o apport de MNS issus de photogrammétrie en tant que variables auxiliaires(notamment dans des approches statistiques à l’échelle région ou département) dans les approches statistiques ?

o métriques communes aux données issues de LiDAR et de photogrammétrie ?

o comparaison de modèles issus de LiDAR et de photogrammétrie ?

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�� exposés JP Renaud et L. Saint André






• Conclusion

Sommaire


Lidar aérien : télémétrie laser à haute densité

xy

z

GPS

Intensité

Temps

1er écho

2ème écho

3ème écho

4ème écho

dernier écho

Multi-échosx

y

zGPS

xyz

INSLIDAR

Light Detection And Ranging - émission puis mesure du retour du signal laser


Lidar aérien : « nuage » de points 3D (X,Y,Z)

ONF - A.Munoz

Pénétration du signal à l’intérieur du couvert forestier, jusqu’au sol, avec points à l’intérieur de la végétation



Classification des points:� sol� végétation

ONF - A.Munoz

Pénétration du signal à l’intérieur du couvert forestier, jusqu’au sol, avec points à l’intérieur de la végétation



MNT : Modèle numérique de terrain

MNS: modèle numérique de surface

MNH: Modèle Numérique de Hauteur

Classification des points :Exemple : mission LiDAR /Combe d’AillonsSurface couverte ~ 2 500 ha

Nuage de points bruts 3D = 417 millions de points 16 points / m2 en moyenne (sol+végétation)(après fusion des bandes de vol)


Un MNT précis issu de Lidar aéroporté

MNT BD Topo (25x25 m)MNT Lidar (1x1m) MNT RASTER (“pixel avec valeur d’altitude)


Caractéristiques (« métriques ») analysées sur le MNT

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� Morphologie du terrain

� Pentes

� Ruptures de pentes

� Concavité, convexité

� Proximité, continuité

� Pixels voisins de caractéristiques proches

� Association de pixels voisins permettant de créer des objets (ex: segments de routes)

Plateforme de la route

Talus aval

Talusamont


Questions de FORESEE / MNT

� Qualité sous couvert forestier :

o Précision de l’altitude du MNT ?

o Caractéristiques de vol optimales pour un bon MNT sous couvert forestier ?

� Desserte forestière :

o Extraction automatique de la desserte ?

o Caractérisation de la desserte (pentes, rayons de courbure, …) ?

30

�� exposé C.Mallet


Métriques issues du nuage de points LiDAR

Ht = Zpt – Zsol

� A partir de nuage de points LiDAR (approche « placette »)

� Distribution de points (nombre, densité …)

� Distribution des hauteurs (quantiles, moy., max., …)

• …

Calcul d’indicateurs à partir du nuage LiDAR

� En combinant les couronnes détectées et le nuage de points• Distribution des points ou des hauteurs

sous les emprises de couronnes (sommes, quantiles)

• Volume sous le MNS de la canopée

• … Apex détectés à partir du MNH

LiDAR

� A partir des apex et couronnes détectés sur le MNH ou le nuage de points (approche « arbre »)

• Distribution des apex (nombre d’apex)

• Distribution des hauteurs d’apex (somme, quantiles, moy. …)

• Distribution des surfaces de couronne (somme, quantiles …)

• …


Questions de FORESEE / nuage de points LiDAR

� Choix des métriques pertinentes parmi toutes les métriques « candidates »

o réduire le nombre de métriques utilisées dans les modèles : comment optimiser le choix ?

o recherche de métriques « mécanistes » liées aux caractéristiques physiques et au fonctionnement biologique du peuplement forestier ?

� Développement de modèles suffisamment génériques (robustes) pour fonctionner

o dans différents environnements forestiers ?(résineux � feuillus ; plantations � futaies irrégulières ; plaine � montagne)

o avec des acquisitions LiDAR de caractéristiques différentes ?

� Modélisation de variables dendrométriques

o approche par placettes : taille et nombre des placettes ?

o approche arbre : généralisation ?

o domaine de validité du modèle ?

� Cartographie

o type de produit cartographique pour l’utilisateur final (pixels, zonages, info par parcelle) ?

o cartographie du domaine de validité / modèle, précision de la carte ?

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�� exposé JM Monnet






• Conclusion

Sommaire


Conclusion

� Présentation loin d’être exhaustive !

� Questions posées par FORESEE aux différentes technologies :travail spécifique à FORESEE, mais aussi en s’appuyant

o sur les travaux menés en parallèle de FORESEE par les partenaires

o sur les travaux d’équipes françaises hors Foresee (ex: photogrammétrie)

o sur les résultats de projets à l’étranger (état de l’art, bibliographie, benchmarking)

o sur la contribution de certains partenaires à des projets européens

� Une partie seulement de ces questions sera abordée dans les présentations de ce colloque

� FORESEE : projet plutôt « lidar-centré », mais pas « lidar exclusif » :

o travail en // sur différentes technologies

o combinaison de différentes sources de données (optique + lidar)

o réflexion sur la complémentarité des données

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Synergie


Inventaire Forestier National (IGN/ IFN)

• Revue IF N° 18 : Les images satellitaires pour la gestion forestière (http://inventaire-forestier.ign.fr/spip/IMG/pdf/L_IF18_img-sat.pdf)

• Revue IF N°23 : Changements d’occupation et d’utilisation des terres dans les Départements d’Outre-Mer(http://inventaire-forestier.ign.fr/spip/IMG/pdf/IF23_DOM_web-2.pdf)

• Cartographie des coupes rases en Aquitaine :(http://inventaire-forestier.ign.fr/spip/IMG/pdf/080221_4p_CIBA.pdf)

Dossier « télédétection » de la Revue ONF « Rendez-Vou s Techniques », n°31 et 32

Téléchargeables sur le site internet ONF www.onf.fr(rubrique « lire, voir, écouter » / publications ONF/ périodiques

Quelques références

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+ les documents issus de FORESEE !

Merci de votre attention !

FORESEE : Colloque de restitution14 novembre 2014 – FCBA Paris

Contacts :

[email protected] , [email protected]

Documents

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