télédétection et forêt : comment ça marche...
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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 !
FORESEE : Colloque de restitution - 14 novembre 2014 – FCBA Paris - Jolly et al. 3
• 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
FORESEE : Colloque de restitution - 14 novembre 2014 – FCBA Paris - Jolly et al. 4
• 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
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
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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
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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
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Santé des forêts : défoliations massives
19931992 FD de Haguenau : défoliation par le Bombyx disparate
(étude UMR TETIS, N.Stach, M.Deshayes)
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FORESEE : Colloque de restitution - 14 novembre 2014 – FCBA Paris - Jolly et al.
Evolution de l’occupation du sol en Guyane
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Étude ONF – IGN 2010
Étude ONF – IGN 2014
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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
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• 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
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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
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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
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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
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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
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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
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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, …)
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• 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
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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
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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)
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« 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
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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
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• 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
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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
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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
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Lidar aérien : « nuage » de points 3D (X,Y,Z)
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
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Lidar aérien : « nuage » de points 3D (X,Y,Z)
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)
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Un MNT précis issu de Lidar aéroporté
MNT BD Topo (25x25 m)MNT Lidar (1x1m) MNT RASTER (“pixel avec valeur d’altitude)
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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
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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, …) ?
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���� exposé C.Mallet
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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 …)
• …
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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
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• 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
FORESEE : Colloque de restitution - 14 novembre 2014 – FCBA Paris - Jolly et al.
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
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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 !
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Contacts :