CARTOVEGE 2

CARTOgraphie par télédétection des espèces VEgétales et des habitats à des fins de GEstion et de préservation des espaces naturels

Présentation

• Contexte

Les Terres Australes Françaises, parties intégrantes d’une réserve naturelle nationale créée en 2006, et classées au patrimoine mondial de l’UNESCO depuis 2019, concentrent de forts enjeux de préservation de la biodiversité (plus forte densité d’oiseaux au monde, nombreuses espèces endémiques, etc.).

Elles sont constituées des archipels, Crozet, Kerguelen et des îles St-Paul et Amsterdam, dont le patrimoine naturel est menacé par l’introduction d’espèces exotiques, ainsi que par le changement climatique, qui induisent une redistribution des espèces et des modifications des habitats naturels, avec des répercussions sur les communautés et les services écosystémiques associés. Afin d’assurer une meilleure gestion et conservation de ces territoires, l’amélioration de la connaissance des écosystèmes terrestres et de leur évolution spatiale et temporelle est indispensable.

Un premier projet labellisé SCO-CNES en 2021, intitulé CARTOVEGE¹, et mis en œuvre sur l’île de la Possession (archipel Crozet) avec le soutien de l’Institut polaire français (projet 136-SUBANTECO) a permis de :

• Définir la diversité des habitats de l’archipel Crozet à l’aide d’une nouvelle typologie adaptée à la végétation polaire de toundra ;
• S’appuyer sur cette typologie pour proposer une chaîne de traitement automatique d’imagerie satellite à haute résolution pour la cartographie des habitats naturels terrestres de ces régions par classification supervisée (apprentissage automatique).

Les premières applications de la chaîne de traitement ont confirmé les apports déterminants de la télédétection satellitaire à haute résolution pour la cartographie des habitats naturels à l’échelle des territoires de la réserve naturelle nationale des Terres Australes Françaises (RNN TAF).

Néanmoins, bien que les trois archipels partagent des habitats communs (e.g. milieux de tourbières retrouvés à Crozet et Amsterdam), les îles St Paul et Amsterdam, situées à de plus basses latitudes, présentent certaines physionomies végétales typiques des zones subtropicales (liées à la présence de strates arbustive et arborée) qui impliquent des ajustements typologiques (identification de nouveaux types d’habitats) et cartographiques (e.g. prise en compte de variables explicatives supplémentaires, comme la texture, dans la classification supervisée).

• Le projet CARTOVEGE²

Dans ce nouveau projet, nous proposons d’étendre le travail établi dans CARTOVEGE¹, à l’archipel des îles Saint-Paul et Amsterdam, afin d’améliorer le potentiel de transposition des outils typologiques et méthodes de suivi des habitats à d’autres territoires et d’explorer ses potentialités.

Le projet CARTOVEGE² remplira les trois objectifs suivants :

• La typologie des habitats de l’île de la Possession sera enrichie et la méthode de télédétection sera adaptée pour intégrer les formations végétales des différentes strates, et ainsi améliorer leur distinction sur les îles St Paul et Amsterdam. En associant des données naturalistes et environnementales à des données d’imagerie drone et satellitaire multisources à haute résolution spatiale (Pléiades, Pléiades NEO, Spot 6/7), l'outil de monitoring permettra (i) aux scientifiques d’étudier les effets des changements climatiques et des invasions biologiques sur les assemblages de plantes, et (ii) aux gestionnaires du territoire de la RNN TAF d'évaluer la dynamique de la végétation.

• Dans un 2^ème temps, l’outil de télédétection fournira des informations spatiales et temporelles sur les habitats de l’île Amsterdam, qui rendront compte de l’impact des espèces de mammifères introduits sur le milieu, et de leur éradication (projet de restauration des écosystèmes de l’océan Indien, RECI), éradication qui sera mise en œuvre en 2024. En effet, sur l’île d’Amsterdam, le chat haret et les rongeurs constituent une réelle menace pour les oiseaux, par transmission de maladies ou prédation, et la végétation endémique (e.g. Phylica arborea), par consommation de graines des plantes indigènes dont la régénération naturelle est lente voire quasi inexistante. CARTOVEGE² sera donc une opportunité unique d’emploi de l’imagerie satellitaire pour rapporter l’impact sur la végétation de projets de restauration à de telles échelles.

• Les cartes d’habitats obtenues permettront d’alimenter des modèles de distribution d’espèces végétales, développés dans de la cadre de deux autres projets de recherche (projets “136-SUBANTECO” de l’Institut Polaire français, et “ASICS - Biodiversa 2021-2024”). Ces cartes amélioreront la définition des paramètres des modèles prédictifs visant à évaluer les impacts futurs des changements climatiques (hausse des températures, modification du régime des précipitations) sur les communautés végétales. La cartographie de la végétation et des habitats, et leurs trajectoires futures, apporteront de nouvelles connaissances pour la communauté scientifique, et constitueront d’importants supports d’aide à la gestion de ces îles.

Une attention particulière sera portée sur l’accessibilité et l’utilisation de ces outils par des gestionnaires (e.g. administration des TAAF, conservatoires botaniques nationaux, conservatoires d’espaces naturels et du littoral).

Représentation schématique de la chaîne de traitement des données terrain et d’imagerie développé dans le cadre du projet SCO-CARTOVEGE¹ : les mentions en rouge représentent les tâches pour lesquelles une attention particulière sera apportée afin de veiller à leur amélioration et optimisation au sein de SCO-CARTOVEGE² pour une meilleure transposabilité de l’outil à d’autres territoires.

Site(s) d’application

Trois îles des Terres australes françaises :

• Ile d’Amsterdam, archipel St Paul-Amsterdam
• Ile St Paul, archipel St Paul-Amsterdam
• Ile de la Possession, archipel Crozet

Données

Satellite

• Imagerie optique (multispectrale) à haute résolution spatiale : Pléiades, Spot 6/7 (Mono/Tri-Stereo)
• Imagerie radar : Sentinel 1, SRTM
• Infrastructures Dinamis (Data Terra) et Copernicus

Autres

• Drone : Images aériennes (RGB) : DJI AIR 2S

• Données météorologiques

  • Séries chronologiques de données microclimatiques in-situ (SoilTemp)

  • Données climatiques (actuelles et futures) à haute résolution (Projet de l’Institut Polaire Français 136-SUBANTECO, WorldClim, MerraClim, CHELSA, TerraClimate, Météo-France)

• Données floristiques

  • Base de données “Habitats-Flore-Invertébrés” cogérée par la Réserve Nationale Naturelle TAF et le projet 136-SUBANTECO de l’Institut polaire français : cette base de données compile données géo-référencées dans le temps et dans l’espace de relevés floristiques et des conditions environnementales associées (nature du substrat, pente, altitude, humidité du sol...) des Terres Australes françaises (Crozet, Kerguelen et Amsterdam).

  • Campagne(s) d’été à Amsterdam : données floristiques supplémentaires pour (i) affiner et valider la typologie à Amsterdam ; (ii) l’entrainement et la validation du modèle de classification des habitats d’Amsterdam

• Données de la littérature

  • Connaissances écologiques : invasions biologiques, autoécologie et synécologie des espèces natives et non-natives, phytosociologie.

  • Connaissances en modélisation spatiale et télédétection

  • Connaissances en traitements statistiques : classification hiérarchique ascendante, clustering, ...

  • Guides des habitats des archipels Crozet, Kerguelen 2023

  • Synthèse bibliographique des habitats des îles subantarctiques

  • Littérature sur la flore de l’île Amsterdam

• Outils de suivi terrain

  • Protocole de suivi des habitats par drone

  • Protocole de suivi des habitats par échantillonnage par points de contact

• Outils statistiques

  • Chaîne de traitement de l’imagerie satellite développée dans le projet SCO CARTOVEGE 1

  • Modèles de classification orientée pixels : machine learning (Random Forest, Support Vector Machine, etc.)

  • Modèles de classification orientée ‘objets’

  • Classification automatique des relevés de végétation : critères automatisés et méthodes de classification par analyses multivariées et clustering

  • Interpolation statistique (modèle GWR 14) et prédiction du topoclimat

Langage(s) de programmation : R / Python

Langage de gestionnaire de base de données : PostGre SQL

• Outil de visualisation de cartographie/photogrammétrie
  • Logiciel de système d’information géographique : QGIS
  • Logiciel d’assemblage des images drone (photogrammétrie) : Agisoft Metashape
  • Outil d’hébergement des cartes sur CarHab

Résultats – Produit(s) final(aux)

• Bancarisation des données de la distribution géoréférencée de la flore de l’île Amsterdam, des images satellites et des données microclimatiques servant à la construction de la cartographie des habitats.

• Révision du matériel d’apprentissage et des variables explicatives des habitats.

• Construction d’une typologie des formations végétales de l’île Amsterdam (mise en correspondance entre les données naturalistes disponibles et la typologie des habitats).

• Cartographie des habitats de l’île Amsterdam par modélisation des formations végétales sur la base du matériel disponible (données naturalistes et variables explicatives).

• Cartographie comparative des habitats de l’île Amsterdam : carte des habitats avant et après le programme d’éradication des chats et des rongeurs (projet RECI).

• Intégration des informations sur la typologie des habitats dans la base de données HABREF et des cartes produites dans la plateforme web CarHab.

• Production d’un guide des habitats (référentiel de classification des formations végétales) de l’archipel St Paul-Amsterdam : clé de détermination et fiches de synthèses.

L’ensemble des données et métadonnées à la base du projet et des publications émanant de celui-ci seront publiées avec un identifiant numérique (DOI) via le référentiel Dryad en accord avec la nomenclature FAIR, et le cadrage ‘Creative Commons Zero, CC0 1.0.

Les développements de méthodes obtenues par programmation seront stockés au format .m, .r ou .txt, et rendus publics (GitHub).

Les publications scientifiques seront déposées sur des plateformes ouvertes (bioRxiv, Zenodo, HAL).

Des actions de valorisation des travaux auprès des acteurs en charge de la gestion des invasions biologiques en France seront menées, via des outils de partage d’informations développés par le Centre de ressources EEE et le réseau EEE outre-mer (articles dans les lettres d’information, présentations lors de webinaires, etc.).

Projet(s) lié(s)

• Projet SCO CARTOVEGE¹ (2021-2023)

• Projet ‘RECI’ (“Restauration des écosystèmes insulaires de l'océan indien”)

• Projet de l’Institut Polaire Français Paul-Emile Victor 136-SUBANTECO (Subantarctic biodiversity, effects of climate change and biological invasions on the terrestrial biota,2022-2025) qui traite notamment de la distribution des espèces végétales (indigènes et invasives) au sein des TAF ;

• Projet ‘BiodivERsa’ 2021-2024 Biodiversity and Climate Change ‘ASICS’ (ASsessing and mitigating the effects of climate change and biological Invasions on the spatial redistribution of biodiversity in Cold environmentS), dont l’objectif est de réaliser des modélisations prédictives de la distribution floristique à l’échelle des territoires polaires et alpins, sous différents scénarios de changements climatiques

• SoilTemp : une base de données mondiale des données microclimatiques du sol et à la surface du sol

• Zone Atelier InEE-CNRS Antarctique et Terres Australes : suivis à long terme de la biodiversité et des écosystèmes antarctiques et subantarctiques.

• CarHab, Programme de cartographie nationale des habitats naturels et semi-naturels réalisé en collaboration avec l'OFB (Office Français de la Biodiversité), PatriNat (MNHN-OFB-CNRS-IRD), Centre d’expertise et de données sur le patrimoine naturel, l'IGN (Institut national de l'information géographique et forestière), les CBN (conservatoires botaniques nationaux), le laboratoire EVS (UMR 5600, Université Jean Monnet Saint-Etienne), le CESBIO (Centre d'Etudes Spatiales de la Biosphère), le CEREMA (Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement) et le BRGM  (Bureau de recherches géologiques et minières).

• SCO Space4Nature, les satellites et l’IA pour cartographier les habitats au Royaume-Uni

Les actus du projet

• 05/03/2024 : Transition pour Cartovege