Yagoub H., Pr. Belbachir A. H., Pr. Benabadji. N. Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Faculté de physique Département de Génie physique Laboratoire d’analyse et d’application des rayonnements Apport de la télédétection dans la caractérisation spectrale de la dégradation du sol Mr. Le président, honorable assistance, dans cet exposé, je vous présente une application de la télédétection pour la caractérisation spectrale de la dégradation du sol, Yagoub H., Pr. Belbachir A. H., Pr. Benabadji. N. TEDD'14

définition La dégradation peut se définir comme la réduction du phénomène biologiste d’un écosystème, autrement dit, une diminution de la quantité et de la capacité productive des ressources en eau, sol, végétation et faune. Je commence par une définition de la dégradation, TEDD'14

L’érosion hydrique L’érosion éolienne CAUSES Les causes principales sont l’érosion hydrique et éolienne. TEDD'14

Quel est le rôle de la végétation dans la protection contre la dégradation ? Protéger le sol contre la chute des gouttes de pluie. Incrémenter le degré d’infiltration de l’eau dans le sol. Réduire la vitesse de l’eau courante de la pluie. Réduire la vitesse du vent au près des surfaces Relier le sol mécaniquement. Maintenir la rugosité de la surface du sol. Améliorer les propriétés physiques, chimiques et biologiques du sol. Le taux de recouvrement de la végétation est un facteur important pour la protection contre le phénomène de la dégradation et essentiellement contre l’érosion. La végétation réduit l’érosion du sol par : La végétation est donc importante pour le maintien de la fertilité et l’humidité du sol, et pour la protection contre les forces destructives du vent et de la précipitation. TEDD'14

désertification dans les cas aggravés. Quel est le rôle de la végétation dans la protection contre la dégradation ? dégradation du sol Dégradation de la végétation désertification dans les cas aggravés. De ce faite, il y’a un fort lien entre la végétation, le sol et le phénomène de la dégradation. Une destruction de la végétation amène à plus ou moins long terme la dégradation du sol, et dans les cas aggravés, elle conduit à la desertification. TEDD'14

Quel est le rôle de la végétation dans la protection contre la dégradation ? La sécheresse. Le surpâturage. La vitesse du vent au près des surfaces incrémente avec l'incrémentation de l'intensité du pâturage à cause du changement de la rugosité. La mauvaise irrigation appliquée qui conduit à la salinisation du sol. La sur-culturation du sol. Les feux de forêts. Etc…. La disparition du couvert végétal est causée par plusieurs facteurs : Donc ces phénomènes ne sont pas les causes principales (ou bien directes) de la dégradations, mais ils conduisent à l’aggravation de l’état de la dégradation, TEDD'14

Caractérisation spectrale de la dégradation Images NOAA AVHRR journalières couvrant le nord du Maghreb Images prises en Mars et Avril 2000, La région du Maghreb est parmi les zones les plus menacées par le phénomène de la dégradation. Le suivi de cette dernière s’appuie sur la connaissance de l’état de la végétation (notamment l’état hydrique) et de son taux de recouvrement. Pour ce faire, Des images NOAA AVHRR journalières couvrant le nord du Maghreb Ces images sont prises en Mars et Avril 2000, Période de la productivité maximale (surtout dans la région steppique, : pour remédier au problème de l'effet du sol sous-jacent surtout dans le calcul du NDVI. ) TEDD'14

Pourquoi NOAA-AVHRR ? La couverture nuageuse ne permet pas une acquisition régulière des données. Pouvoir estimer la température au sol par l’emploi des canaux 4 et 5. À grande échelle, il n’est pas envisageable d’effectuer un suivi par télédétection haute résolution, qui fonctionnent dans la gamme de l’infrarouge thermique TEDD'14

Caractérisation spectrale de la dégradation Images calibrées en réflectance TOA et géoréférencées. Images non corrigées contre les effets perturbateurs de l’atmosphère, car par la suite, nous avons utilisé des techniques qui réduisent ces effets perturbateurs. Ces images sont calibrées en réflectance TOA et sont géoréférencées. Les images ne sont pas corrigées contre les effets perturbateurs de l’atmosphère, car par la suite, nous avons utilisé des techniques qui réduisent ces effets perturbateurs, TEDD'14

taux de recouvrement du sol par la végétation L’indice de végétation par différence normalisée NDVI 𝑁𝐷𝑉𝐼= 𝑅 2 − 𝑅 1 𝑅 2 + 𝑅 1 La détermination du taux de recouvrement du sol par la végétation est l’un des indicateurs proposés dans cette étude afin de mesurer le taux de sensibilité du milieu à la dégradation. Ce taux est extrait par l’indice de végétation par différence normalisée (NDVI). Car une étude a montré que le NDVI des sols dégradés est significativement plus bas que celui des sols non dégradés. Le NDVI est calculé pour chaque image par la relation entre les canaux visible (VIS) et proche infrarouge (PIR) de l’AVHRR, cet indice met en valeur la différence entre la réflectance dans le visible et la réflectance dans le proche infrarouge. R1 : la réflectance dans le canal visible (canal 1). R2 : la réflectance dans le canal proche infrarouge (canal 2). TEDD'14

taux de recouvrement du sol par la végétation Le problème majeur dans le calcul du NDVI est sa sensibilité aux effets perturbateurs de l’atmosphére, comme la présence de la vapeur d'eau, la teneur en aérosols et les nuages et les brumes qui abaissent artificiellement ces valeurs, comme indique cette image du ,,,,,, On remarque que les nuages couvrent la partie est de l’image, Fig. 1. Image NDVI du 19 Mars 2000 TEDD'14

Maximum Value Composite (MVC) La solution ? Maximum Value Composite (MVC) Sélectionner les pixels ayant le maximum de valeurs pour réduire les effets des nuages. Pour éliminer les influences de ces facteurs, nous avons utilisé la technique du maximum value composite principe de cette méthode est de sélectionner les pixels ayant le maximum de valeurs pour réduire les effets des nuages TEDD'14

taux de recouvrement du sol par la végétation Le MVC élimine les effets de : Les changements de l'éclairement et des conditions de vue dans une seule image et dans différentes images prises dans des dates différentes. Couverture nuageuse. La variation du contenu de l'atmosphère (particulièrement les variations dans la vapeur d'eau et les concentrations des aérosols). Elle réduit le volume des données en résumant toutes les images en une seule. Cette méthode présente plusieurs avantages, elle élimine les effets TEDD'14

taux de recouvrement du sol par la végétation Image inoccupée de nuages Fig. 2. Image NDVI par l’algorithme MVC TEDD'14

Albédo D’une autre part, le processus de dégradation peut se manifester d’une autre forme, par l’augmentation du pouvoir de la surface à réfléchir le rayonnement solaire (albédo), cela est dû par le faite que l’albédo dépend de l’humidité de surface, la diminution de celle-ci fait que la couleur du sol devient plus claire induisant ainsi l’augmentation de l’albédo. TEDD'14

Albédo α = 0.347 R1 + 0.650 R2 + 0.0746. R1 et R2 sont les réflectances dans le visible et le proche infrarouge respectivement L’albédo de surface est exprimé par une combinaison linéaire entre le visible et le proche infrarouge TEDD'14

Albédo Fig. 3. Image de l’albédo L’image est est représentée par un gradient de couleur pour représenter les différents niveaux de l’albédo. Fig. 3. Image de l’albédo TEDD'14

Température de surface Les problèmes rudimentaires liés à l'estimation de la Ts par télédétection sont l'élimination des perturbations causées par l'intervention de l'atmosphère (essentiellement dues à la vapeur d'eau) d'une part, et de la correction de l'émissivité d'une autre part. TEDD'14

Recours à la méthode de Split Window L'absorption de la vapeur d'eau peut être éliminée par des mesures simultanées dans différentes longueurs d'onde à l'intérieur de la fenêtre atmosphérique 10.5-12.5 µm (région ou la transmittance de l'atmosphère est maximale). Cette technique est dite 'Split Window'. La méthode de Split Window permet de réduire l'erreur sur l'estimation de la température de surface en corrigeant à la fois les effets perturbateurs de l'atmosphère et les effets d'émissivité sur les données AVHRR. TEDD'14

Split window Avantages : Pas besoin de profiles de la vapeur d'eau atmosphérique et de température. Corrige les effets perturbateurs de l'atmosphère en se basant sur la différence d'absorption dans des bandes thermiques adjacentes plutôt qu'une seule bande ce qui est moins sensible à l'incertitude dans les propriétés optiques de l'atmosphère. Simple à calculer contrairement aux modèles de transfert radiatif qui sont difficilement effectuables en routine. La méthode de split window présente plusieurs avantages : Cette méthode n'a pas besoin de profiles de la vapeur d'eau atmosphérique et de température. Corrige les effets perturbateurs de l'atmosphère en se basant sur la différence d'absorption dans des bandes thermiques adjacentes plutôt qu'une seule bande ce qui est moins sensible à l'incertitude dans les propriétés optiques de l'atmosphère. Elle est simple à calculer contrairement aux modèles de transfert radiatif qui sont difficilement effectuables en routine. TEDD'14

Fig. 4. Localisation spectrale des canaux 4 et 5 du capteur AVHRR Split window , Les bandes 4 et 5 du capteur AVHRR sont situées dans la fenêtre où l'absorption atmosphérique est minimale. Ce qui favorise d’appliquer la méthode du split window, Donc c’est un cas adéquat pour appliquer la méthode du split window, Fig. 4. Localisation spectrale des canaux 4 et 5 du capteur AVHRR TEDD'14

Split window Méthode de McClain (1985) Ts = 1.035T4 + 3.046 (T4 - T5) - 283.93 + 273 (K) T4 est la température de brillance du canal AVHRR4 T5 est la température de brillance du canal AVHRR5 Durant les dernières années, plusieurs algorithmes de split window ont été publiés. Nous avons utilisé l’algorithme de Mc Clain qui est largement appliqué pour le calcul de la Ts, Cette méthode permet d’estimer la Ts avec une erreur maximale de TEDD'14

Fig. 5. Image de la Température de surface Split window Fig. 5. Image de la Température de surface TEDD'14

Caractérisation spectrale de la dégradation Images NOAA-AVHRR Prétraitement (Calibration, Géoréférencement)   Calcul du NDVI Calcul de l'albédo Calcul de la Ts MVC Combinaison NDVI-Albédo Combinaison Albédo-Ts Maintenant on va exposer les étapes suivies pour la caractérisatio spectrale de la dégradation du sol, Caractérisation de l'état de surface Caractérisation de l'état hydrique Fig. 6. Les étapes suivies pour la caractérisation spectrale de la dégradation du sol. TEDD'14

combinaison NDVI-Albédo La combinaison NDVI-Albédo permet d’avoir une information sur les niveaux de dégradation de surface. La représentation dans un espace à deux dimensions entre l’albédo et l’indice NDVI fournit un moyen utile pour la caractérisation de l’état de l’occupation du sol. Les pixels sont sélectionnés à partir de l’histogramme bidimensionnel. TEDD'14

combinaison NDVI-Albédo NDVI élevé et albédo faible : zones à taux de recouvrement végétal élevé. NDVI moyen et albédo moyen : zones à taux de recouvrement végétal moyen. NDVI faible et albédo moyen ou NDVI moyen avec un albédo élevé : zones critiques. Albédo élevé et NDVI faible : zones dégradées à comportement désertique. TEDD'14

combinaison NDVI-Albédo Très bon état Bon état État critique Zone dégradée Zone très dégradée Cette combinaison nous a permis de séparer les zones en cinq classes selon leur degrés de sensibilité à la dégradation, Les zones de très bon état, se localisent surtout dans la partie est qui est couvertes par les forêts, La couverture végétale en bon état se localise dans la zone tellienne Les zones critiques se trouvent un peu partout dans le sud de la partie tellienne (massif montagneux errodé) et dans les hauts plateaux La partie sud (couvrant ainsi la région steppique) est soumise à la dégradation selon différents degrés, Les zones dégradées se localisent dans la région steppique et dans le sud (région semi-aride) Fig. 7. Carte des risques de la désertification élaborée à l’aide de la combinaison NDVI-Albédo TEDD'14

Combinaison albédo-Ts Zone critique Tsmax Régulation hydrique Régulation radiative La relation Albédo-Ts nous permet d’avoir une information sur l’état hydrique des surfaces. Les pixels sont sélectionnés à partir de l’histogramme bidimensionnel La température maximale définit la valeur seuil d’albédo. Cette valeur sépare deux mécanismes physiques : une régulation hydrique dont les valeurs d’albédo sont inférieures à la valeur seuil, pour lesquelles la pente est positive, correspondent à des zones humides à logique hydrique à faible risque de dégradation. Puis une régulation radiative, associée à des valeurs d’albédo supérieures à la valeur seuil, ces zones ont des surfaces sèches où l'eau est insuffisante pour déclencher le contrôle par l'évaporation. Les zones critiques à risque de dégradation liée à la contrainte hydrique ont des valeurs d’albédo proches de la valeur seuil. Fig. 8. logique hydrique et logique radiative TEDD'14

Combinaison albédo-Ts Zone très humide Zone humide Zone intermédiaire Zone séche Zone très séche   Cette combinaison nous a permis de séparer les zones en cinq classes selon leur état hydrique, Les conditions climatiques jouent un rôle très important dans la caractérisation des conditions hydriques, Les précipitations diminuent de l’Est en Ouest et du nord en sud. De ce fait, les zones très humides se localisent dans la partie est Et elle diminue à mesure que l’on s’éloigne du littoral, de ce fait, les zones sèches se localisent dans la partie sud selon différents degrés de sécheresse, La variation spatiale de la distribution de la pluie moyenne annuelle est visible du nord au sud. Fig.9 État hydrique par combinaison de Albédo-TS TEDD'14

Conclusion La présente étude a comme objectif la caractérisation spectrale de la dégradation du sol, en exploitant les images issues du capteur AVHRR du satellite NOAA. La représentation dans un espace à deux dimensions des indicateurs Albédo et NDVI montre une bonne séparation entre les différentes zones qui se répartissent en cinq régions selon leurs sensibilités à la dégradation. D’une autre part, la séparation des zones selon leurs états hydriques a été réalisée à l’aide de la relation Albédo-Température de surface. La représentation bidimensionnelle des deux indicateurs a permis la séparation des zones selon leurs états hydrique en cinq classes. Dans la suite du travail, on vise à appliquer cette méthode pour des différentes années pour effectuer un suivi interannuel de l’état de dégradation des sols. TEDD'14

Merci pour votre attention TEDD'14