Caractérisation par télédétection multi-échelle des changements de la végétation intertidale liés aux pressions naturelles et anthropiques.

Les habitats structurés par des végétaux marins dans les zones intertidales qui découvrent à marée basse (herbiers d’angiospermes marines, microphytobenthos, macroalgues) sont fortement impactés par les activités humaines: les herbiers d’angiospermes marines sont menacés par de nombreuses activités anthropiques (McKenzie et al., 2020), le microphytobenthos est affecté par la diminution mondiale des vasières intertidales (Murray et al., 2019), l’expansion des huîtres sauvages pourraient avoir réduit les surfaces colonisées par les macroalgues (Le Bris et al., 2016). Ces habitats remplissent des fonctions écologiques reconnues : protection contre l’érosion côtière, atténuation des effets de l’eutrophisation, consommation du CO2 atmosphérique, hotspots de biodiversité abritant une flore et une faune spécifique.

Les zones intertidales sont néanmoins difficiles d’accès comme les zones de vasières et les échantillonnages traditionnels de terrain demanderaient trop de temps et d’effort pour couvrir les surfaces considérées. Cependant, la demande réglementaire de suivi du bon état écologique des habitats marins côtiers nécessitent des cartographies régulières. C’est le cas de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) ou de la Directive Cadre Stratégie pour le Milieu Marin (DCSMM) qui utilisent la diversité des habitats marins comme bioindicateurs de la qualité des eaux côtières ou estuariennes (Borja et al., 2013; Zoffoli et al., 2021)).

La télédétection spatiale est un outil novateur pour étudier les variables essentielles pour la biodiversité de ces habitats (Peirera et al., 2013; Skidmore et al., 2015), mais les missions satellite passées et présentes n’ont pas les caractéristiques techniques optimales (résolution spatiale, spectrale et temporelle) pour être pleinement opérationnelles (Muller-Karger et al., 2018). Pour certains habitats, une résolution multispectrale peut suffire sous certaines conditions (Zoffoli et al., 2020), mais des risques de confusion demeurent. Pour d’autres, une résolution plus importante, ou la présence de quelques bandes spectrales, est indispensable pour permettre de distinguer des classes d’organismes distincts du point de vue taxonomique (Fyfe et al., 2003; Launeau et al., 2018; Méléder et al., 2018). Le principe d’identification repose en effet en partie sur la présence de bandes d’absorption dans le visible liées à la présence de pigments photosynthétiques et accessoires, qu’il est possible de détecter et de quantifier par chromatographie liquide haute pression (Méléder et al., 2003, 2005; Bargain et al., 2013; Jesus et al., 2014). L’analyse de la phénologie de ces organismes pourrait également être exploitée pour aider à leur discrimination.

Grâce à son temps de revisite de 3 à 5 jours, le satellite Sentinel 2, peut également permettre d’identifier des cycles saisonniers de végétaux marins (Zoffoli et al., 2020). Les variations temporelles de la végétation intertidale ont été beaucoup moins documentées que les variations spatiales, notamment en raison de la disponibilité réduite d’images satellitales à haute résolution spatiale (eg. SPOT, LANDSAT) et des contraintes d’acquisition des images à marée basse liées à l’objet d’étude. Il n’existe donc pas de capteur permettant à la fois d’avoir des résolutions spatiale/spectrales/temporelles élevées. Cette thèse va donc faire appel à une analyse multi-capteurs (Sentinel 2 ; MODIS) et utiliser notamment la cartographie à très-haute résolution spatiale par drone.

Les objectifs sont liés à la cartographie des variations spatio-temporelles de la biodiversité des végétaux des zones intertidales par télédétection, notamment avec le satellite Sentinel 2, puis à l’analyse des principaux facteurs naturels et anthropiques responsables des changements. L’enjeu sera enfin de montrer que la télédétection peut répondre à la demande réglementaire de suivi de l’état écologique des habitats d’intérêt communautaires (Papathanasopoulou et al. 2019) et que les angiospermes marines pourrait être utilisé comme indicateur de la qualité de l’eau.

Mon doctorat

Le but de mon doctorat est de faire la cartographie des végétaux qui se développent dans la zone entre marée haute et marée basse (on l’appelle “Zone intertidale”). On y trouve principalement des algues ainsi que quelques plantes à fleurs. le problème c’est que certains de ces végétaux partagent des compositions pigmentaires très similaires. Cela veux dire qu’ils absorbent et reflechissent plus ou moins les même couleurs (on dit qu’ils ont la même signature spectrale). Cela est un problème quand on cherche à différencier les végétaux avec la télédéctection, car justement la couleur est l’unique information que l’on peut mesurer par télédetection.

Du coup j’essaie de trouver des méthodes de machine learning permettant de différencier efficacement ces végétaux qui ont des compositions pigmentaires similaires.

Qu’est ce que la télédetection ?

La télédétection est une méthode permettant de collecter des données sur quelque chose sans être en contact physique avec. Cela peut impliquer utiliser des drones ou des satellites afin de prendre des photos (soit dans le spectre visible, soit dans le spectre infrarouge), de mesurer la température, voire de pénétrer les nuages et la végétation pour cartographier les reliefs (avec le Lidar ou le Radar par exemple). C’est une technique utile pour étudier la Terre, surveiller l’environnement et prendre des décisions éclairées concernant des domaines tels que l’agriculture, le développement urbain ou la gestion de l’environnement.

Dans mon cas, j’utilise principalement la télédétection pour observer ce qui se passe dans la partie visible et proche infrarouge du spectre électromagnétique. C’est dans ces longueurs d’onde que le soleil émet la majorité de son énergie. Et c’est précisément dans ces longueurs d’onde que les pigments des plantes absorbent la lumière (on appelle cela le rayonnement photosynthétiquement actif, ou PAR) pour réaliser la photosynthèse.

Résolution spectrale

Quand on parle de télédétection, une des caractéristiques techniques les plus importantes est se qu’on appelle la résolution spectrale. C’est tellement important, qu’en fonction de la résolution spectrale du capreur, on parle soit de télédetection multispectrale ou de télédetection hyperspectrale. La résolution spectral défini basiquement le nombre de “couleurs” (longueur d’onde) différentes qu’un capteur est capable de mesurer. Les capteurs hyperspectraux ont une très forte résolution spectrale, mais créent des données, lourdes, difficiles à traiter et bruités. A l’inverse, les capteurs multispectraux sont plus simple a mettre en place, créent moins de données mais ont une résolution spectrale plus faible.

Dans mon cas, je travaille principalement avec des données multispectrales, car c’est le type de données le plus répandu en télédétection. Certains produits, comme Sentinel-2, sont accessibles gratuitement. En ce qui concerne les drones, par rapport aux données hyperspectrales, l’acquisition et le traitement des données multispectrales sont bien moins contraignants. De plus, une publication récente a montré que la contribution des données hyperspectrales était négligeable pour discriminer avec précision les macrophytes intertidaux.

Caractérisation par télédétection multi-échelle des changements de la végétation intertidale liés aux pressions naturelles et anthropiques.

Les habitats structurés par des végétaux marins dans les zones intertidales qui découvrent à marée basse (herbiers d’angiospermes marines, microphytobenthos, macroalgues) sont fortement impactés par les activités humaines: les herbiers d’angiospermes marines sont menacés par de nombreuses activités anthropiques (McKenzie et al., 2020), le microphytobenthos est affecté par la diminution mondiale des vasières intertidales (Murray et al., 2019), l’expansion des huîtres sauvages pourraient avoir réduit les surfaces colonisées par les macroalgues (Le Bris et al., 2016). Ces habitats remplissent des fonctions écologiques reconnues : protection contre l’érosion côtière, atténuation des effets de l’eutrophisation, consommation du CO2 atmosphérique, hotspots de biodiversité abritant une flore et une faune spécifique.

Les zones intertidales sont néanmoins difficiles d’accès comme les zones de vasières et les échantillonnages traditionnels de terrain demanderaient trop de temps et d’effort pour couvrir les surfaces considérées. Cependant, la demande réglementaire de suivi du bon état écologique des habitats marins côtiers nécessitent des cartographies régulières. C’est le cas de la Directive Cadre sur l’Eau (DCE) ou de la Directive Cadre Stratégie pour le Milieu Marin (DCSMM) qui utilisent la diversité des habitats marins comme bioindicateurs de la qualité des eaux côtières ou estuariennes (Borja et al., 2013; Zoffoli et al., 2021)).

La télédétection spatiale est un outil novateur pour étudier les variables essentielles pour la biodiversité de ces habitats (Peirera et al., 2013; Skidmore et al., 2015), mais les missions satellite passées et présentes n’ont pas les caractéristiques techniques optimales (résolution spatiale, spectrale et temporelle) pour être pleinement opérationnelles (Muller-Karger et al., 2018). Pour certains habitats, une résolution multispectrale peut suffire sous certaines conditions (Zoffoli et al., 2020), mais des risques de confusion demeurent. Pour d’autres, une résolution plus importante, ou la présence de quelques bandes spectrales, est indispensable pour permettre de distinguer des classes d’organismes distincts du point de vue taxonomique (Fyfe et al., 2003; Launeau et al., 2018; Méléder et al., 2018). Le principe d’identification repose en effet en partie sur la présence de bandes d’absorption dans le visible liées à la présence de pigments photosynthétiques et accessoires, qu’il est possible de détecter et de quantifier par chromatographie liquide haute pression (Méléder et al., 2003, 2005; Bargain et al., 2013; Jesus et al., 2014). L’analyse de la phénologie de ces organismes pourrait également être exploitée pour aider à leur discrimination.

Grâce à son temps de revisite de 3 à 5 jours, le satellite Sentinel 2, peut également permettre d’identifier des cycles saisonniers de végétaux marins (Zoffoli et al., 2020). Les variations temporelles de la végétation intertidale ont été beaucoup moins documentées que les variations spatiales, notamment en raison de la disponibilité réduite d’images satellitales à haute résolution spatiale (eg. SPOT, LANDSAT) et des contraintes d’acquisition des images à marée basse liées à l’objet d’étude. Il n’existe donc pas de capteur permettant à la fois d’avoir des résolutions spatiale/spectrales/temporelles élevées. Cette thèse va donc faire appel à une analyse multi-capteurs (Sentinel 2 ; MODIS) et utiliser notamment la cartographie à très-haute résolution spatiale par drone.

Les objectifs sont liés à la cartographie des variations spatio-temporelles de la biodiversité des végétaux des zones intertidales par télédétection, notamment avec le satellite Sentinel 2, puis à l’analyse des principaux facteurs naturels et anthropiques responsables des changements. L’enjeu sera enfin de montrer que la télédétection peut répondre à la demande réglementaire de suivi de l’état écologique des habitats d’intérêt communautaires (Papathanasopoulou et al. 2019) et que les angiospermes marines pourrait être utilisé comme indicateur de la qualité de l’eau.