Classification orientée-objet

Cartographie d’essences forestières à partir d’images multispectrales satellitaires à haute résolution spatiale et du lidar aéroporté – Phase 2

B. Chalghaf, M. Varin, G. JoanisseRapports

La cartographie du territoire forestier est obtenue traditionnellement à partir de l’interprétation de photographies aériennes. Bien que cette approche donne des résultats intéressants depuis l’arrivée de nouvelles procédures de photo-interprétation, elle reste fastidieuse, longue, coûteuse et présente certaines limites pour caractériser les peuplements. En effet, le photo-interprète doit délimiter manuellement les différents contours selon les caractéristiques observées, identifiées et interprétées. La liste de ces caractéristiques s’avère longue pour le classement des peuplements forestiers, en particulier pour l’interprétation des essences forestières.

L’objectif du projet était d’explorer ces deux problématiques, c’est-à-dire la délimitation des peuplements et la cartographie des essences forestières. Le but étant d’obtenir des attributs forestiers sur de grands territoires, un effort a été mis sur l’automatisation de ces processus. D’abord, la phase 1 (2017) du projet a permis de réaliser une campagne de terrain et de créer une bibliothèque de signatures spectrales pour 15 essences forestières présentes sur le territoire privé de Kenauk, en Outaouais. Ensuite, des images du satellite Wordview-3 ont été acquises à l’été 2016 et des données d’un lidar aéroporté à l’été 2015 sur le territoire d’étude. La phase 1 a également permis de générer une segmentation individuelle de couronnes d’arbre (SCA) par une approche orientée-objet à partir du lidar et d’attribuer des classes d’essence à l’ensemble de l’image. La phase 2 (2018) a permis d’améliorer la SCA de 87 % à 90 % en ajoutant l’imagerie dans la segmentation. Une nouvelle méthode hybride a été développée de manière à séparer d’abord les essences résineuses et feuillues (96 %) et ensuite les essences de chaque type. Les essences résineuses ont été classifiées avec une précision globale de 91 % et celles ayant un meilleur score sont l’épinette blanche, le pin blanc, le pin rouge, la pruche et le thuya. Les essences feuillues ont été classifiées avec une précision globale de 77 % et celles ayant un meilleur score sont l’érable à sucre, le chêne rouge et le peuplier à grandes dents. Ces résultats confirment que l’approche orientée-objet à partir d’imagerie satellitaire est efficace, mais présente ses limites dans la forêt feuillue.

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Automatisation de la cartographie de la canopée à l’échelle de la Communauté métropolitaine de Québec. CERFO. Technote 2017-01.

M. Varin, E. Boulfroy, C. BlanchotTechnotes

Les arbres jouent des rôles très importants en milieu urbain : ils rendent de nombreux services écologiques, sociaux et économiques, notamment en diminuant la température ambiante des villes et en contribuant au maintien de la biodiversité. Plus particulièrement, la canopée permet de contrer les effets néfastes dus aux changements climatiques, tels que l’augmentation d’un problème déjà connu : les îlots de chaleur.

C’est dans ce contexte que Nature Québec, par le biais du programme Passeport Innovation, financé par le ministère de l’Économie, de la Science et de l’Innovation, a fait appel au CERFO, membre de QuébecInnove, pour développer une méthode d’automatisation permettant de cartographier la canopée sur de grands territoires urbains, tels que celui du périmètre urbain de la Communauté métropolitaine de Québec.

Cartographie d’essences forestières à partir d’images multispectrales satellitaires à haute résolution spatiale et du lidar aéroporté – Phase 1

M. Varin, G. Joanisse, P. BournivalRapports

La cartographie du territoire forestier est obtenue traditionnellement à partir de l’interprétation de photographies aériennes. Bien que cette approche donne des résultats intéressants depuis l’arrivée de nouvelles procédures de photo-interprétation, elle reste fastidieuse, longue, coûteuse et présente certaines limites pour caractériser les peuplements. En effet, le photo-interprète doit délimiter manuellement les différents contours selon les caractéristiques observées, identifiées et interprétées. La liste de ces caractéristiques s’avère longue pour le classement des peuplements forestiers, en particulier pour l’interprétation des essences forestières. L’objectif du projet était d’explorer ces deux problématiques, c’est-à-dire la délimitation des peuplements et la cartographie des essences forestières.

Le but étant d’obtenir des attributs forestiers sur de grands territoires, un effort a été mis sur l’automatisation de ces processus. D’abord, une campagne de terrain a été réalisée et a permis de créer une bibliothèque de signatures spectrales pour 15 essences forestières présentes sur le territoire privé de Kenauk, en Outaouais. Ensuite, des images du satellite Wordview-3 ont été acquises à l’été 2016 et des données d’un lidar aéroporté à l’été 2015 sur le territoire d’étude. Une fois ces données prétraitées et combinées, une segmentation a été réalisée par une approche orientée-objet pour générer une délimitation individuelle de couronnes d’arbre. Une validation a été effectuée et chacun de ces objets correspond à une essence à 87 %. À partir de cette segmentation, il a été possible d’attribuer des classes d’essence à l’ensemble de l’image. Une approche dichotomique a été privilégiée et a mené à une première classification des résineux et des feuillus, évaluée à 94 %. Par la suite, les essences les plus discriminatives ont été classifiées en ordre de priorité. Les essences ayant un meilleur score sont le sapin, le pin blanc, le pin rouge, la pruche, l’érable à sucre, le hêtre et le peuplier à grandes dents. Ces résultats confirment que l’approche orientée-objet est efficace, mais présente ses limites dans la forêt feuillue.

Utilisation d’images hyperspectrales en vue de générer une cartographie des espèces forestières de façon automatisée – Rapport final

M. Varin, M. Dupuis, G. Joanisse, G. LessardRapports

Au Québec, la cartographie du territoire forestier est obtenue à partir de photo-interprétations d’images aériennes. La délimitation et la caractérisation des peuplements, par un photo-interprète, servent de base pour la planification et la compilation des inventaires forestiers terrain. Bien que cette approche fournit des résultats intéressants, elle reste fastidieuse et présente certaines limites pour caractériser les peuplements. Les compagnies forestières du Québec, dont Tembec (partenaire), utilisent les résultats de la photo-interprétation pour planifier les interventions sylvicoles lors du suivi de la certification forestière et pour participer aux enchères dirigées par le Bureau de mise en marché des bois. La qualité de l’information a donc un impact direct sur la qualité de la planification et les prévisions de coûts et de récolte des bois.

De nouvelles options sont donc recherchées afin d’améliorer la planification dans son efficacité, sa rapidité et ses coûts et pour participer aux enchères de manière plus éclairée. C’est dans ce contexte que le CERFO et le CGQ se sont alliés afin de réaliser ce projet de cartographie des essences forestières en intégrant une classification orientée-objet à partir d’images aériennes hyperspectrales. L’acquisition de ces images a été réalisée à l’été 2015, sur un territoire d’étude situé au Témiscamingue. Le système a été conçu à partir de trois capteurs (hyperspectral, RVB et thermique) et a permis d’obtenir une mosaïque d’images (80 bandes spectrales) sur une zone de 10,2 km2 . Les analyses statistiques ont permis de concevoir une bibliothèque de signatures spectrales pour 7 essences (érable à sucre (ES), bouleau jaune (BJ), chêne rouge (CR), pruche du Canada (PU), pin blanc (PB), thuya occidental (TO) et pin rouge (PR). Les analyses effectuées ont permis de réduire le nombre de bandes spectrales à 8 et une série d’indices spectraux a été créée dans le but de discriminer ces essences. Une clé dichotomique a été produite pour classifier chacune des essences étudiées.

L’approche orientée-objet a été privilégiée lors de la classification, de manière à classifier chaque arbre individuel/groupe d’arbres. La segmentation réalisée a permis de relever le défi de délimiter les arbres par essence, à la cime près. Les résultats de la classification ont démontré que l’identification de la plupart des essences concordait avec les zones d’entraînement (93 %) et de validation (65 %). Plus particulièrement, les espèces résineuses sont mieux différenciées entre elles que les espèces feuillues. Plus précisément, les indices utilisés ont permis de bien séparer la PU, le PB et le TO. Indépendamment, une photo-interprétation fine d’une portion du territoire d’étude a été réalisée par deux photo-interprètes. Des différences ont été observées en comparant ces produits, dont l’interprétation des essences qui dépend de l’expérience des photo-interprètes et de la connaissance du territoire. Quoique plusieurs différences méthodologiques de classification de peuplements aient été notées entre la photo-interprétation et la classification d’image, certaines corrélations ont pu être établies. Ce projet a donc confirmé le potentiel majeur d’une approche semi-automatisée pour réaliser une identification moins subjective et plus directe de l’essence. Plusieurs recommandations et pistes d’amélioration sont émises pour améliorer la classification des essences, tant au niveau de la photo-interprétation que du développement de l’imagerie hyperspectrale.

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Développement d’une méthode de cartographie d’étangs vernaux à l’aide du LIDAR et d’images multispectrales. Rapport 2016-12. 35 pages.

M. Varin, P. Bournival, J. Fink, M. DupuisRapports

Les étangs vernaux, aussi appelés étangs saisonniers, sont des milieux humides temporaires de petites superficies (Leonard et al., 2012; Julian et al., 2009). Ils sont formés par une dépression du terrain où l’eau s’accumule de façon temporaire et saisonnière. Ce sont des milieux humides particuliers en raison de leurs nombreuses fonctions écologiques et de leur importance capitale dans le cycle vital de nombreuses espèces, notamment les amphibiens et les reptiles. Ils ne sont généralement pas considérés dans la planification d’aménagement du territoire étant donné le manque d’information cartographique, leur état éphémère, leur isolement du réseau hydrologique et leur faible superficie. Conséquemment, il est difficile de les protéger. Plusieurs méthodes conventionnelles peuvent être utilisées pour cartographier les étangs vernaux, telle la photointerprétation fine. Cette dernière est toutefois longue et relativement onéreuse lorsqu’appliquée à l’échelle du territoire.

Ce projet a exploré les méthodes semi-automatisées faisant appel à de nouvelles technologies, comme le LiDAR et l’imagerie satellitaire à haute résolution, pour réaliser la cartographie des étangs vernaux sur le territoire Kenauk en Outaouais. Le LiDAR permet en effet d’avoir une résolution fine au niveau du sol, ce qui améliore considérablement le résultat des analyses hydrologiques tandis que les images satellitaires printanières permettent de confirmer la présence d’eau dans les dépressions identifiées par le LiDAR. Dans un exercice normal de cartographie des milieux humides, seuls les milieux humides de 1 000 m² seraient cartographiés, mais l’avènement des nouvelles technologies permet désormais d’identifier les milieux humides de plus faible superficie comme c’est le cas avec ce projet.

Les résultats indiquent que les analyses LiDAR identifient davantage de dépressions que les analyses hydrologiques effectuées à partir de l’imagerie satellitaire. Ils indiquent que la présence d’eau évaluée à partir de l’image printanière est confirmée à 100 % des cas sur le terrain, mais que cette présence d’eau n’est pas toujours associée à des étangs vernaux. Les technologies prises individuellement identifient 50 % des étangs vernaux potentiels alors que la combinaison des images satellitaires et des dépressions LiDAR fait diminuer ce ratio à 33 %. On attribue ce niveau de précision dans les résultats à la sévérité des critères de sélection retenus lors des analyses. Des options pour l’amélioration de la précision de la technique sont proposées. Les résultats soulignent également la diversité floristique et faunique des espèces fréquentant les étangs et l’importance d’avoir recours à un système de classification pour les caractériser. Ce système de classification permettra d’éliminer les confusions et de mieux documenter les différences entre les petits milieux humides.

Acquisition de connaissances essentielles à l’aménagement intégré des ressources sur le territoire Kenauk en Outaouais. Rapport 2016-04. 36 pages.

M. Varin, P. Bournival, M. Dupuis, J. FinkRapports

Situé en Outaouais, le territoire Kenauk couvre plus de 259 km² de forêts, lacs et rivières. Il se distingue par sa richesse écologique puisqu’il contient certaines des forêts les plus anciennes de l’Outaouais et une faune abondante et diversifiée. Ce site est actuellement exploité dans un contexte de gestion intégrée et durable des ressources et le gestionnaire du territoire, Kenauk Nature S.E.C., spécialisé dans le tourisme de nature, souhaite diversifier son offre de services et aménager des infrastructures d’accueil et d’accessibilité afin d’accroître sa clientèle et prolonger la durée des séjours dans ses installations. Pour réaliser ce mandat d’acquisition de connaissances, une méthode de classification orientée-objet a été utilisée à partir d’images Landsat 5 acquises en 1984, 1999 et 2009. Cette méthode a permis de réaliser une cartographie temporelle de l’occupation du sol à l’échelle d’un peuplement forestier (4 ha en moyenne) tout en assurant un suivi étalé sur 25 ans.

Pour 2009, il a été possible de générer une cartographie d’une précision globale de 80,8 %. En analysant les trois cartographies obtenues, on remarque que la superficie des plans d’eau est relativement stable (6 %), alors que celle des milieux humides diminue légèrement (13 à 9 %) depuis 25 ans. On remarque également que la récolte forestière est majoritairement représentée par des coupes d’un seul tenant de plus grandes superficies en 1984 alors qu’elle est représentée par un plus grand nombre de coupes de plus petites superficies en 1999 et en 2009. En termes de superficie totale, les résultats indiquent également que la pression de récolte des années 1999 et 2009 était 1,5 fois supérieure à celle de 1984. Malgré cela, la proportion du territoire occupé par la forêt est peu variable (77 %), ce qui indique que les parterres de coupes se sont très bien régénérés après 25 ans et que la pression anthropique sur le territoire a été très limitée. Les milieux forestiers mélangés à dominance feuillue diminuent alors que les milieux feuillus augmentent. Une hypothèse avancée pour expliquer ce phénomène peut s’expliquer par l’enfeuillement qui est souvent associé à la récolte forestière en forêt mélangée. En effet, les résineux ont plus de difficulté à se régénérer sur les parterres de coupe et perdent leur place dans la succession forestière aux dépens des feuillus plus opportunistes. Avec le temps, on voit que les peuplements se morcellent finement suite aux nombreuses coupes forestières, mais qu’ils reviennent à l’état d’origine après 25 ans.

Une méthode novatrice pour cartographier la canopée de la ville de Québec: la classification orientée-objet utilisant le proche infrarouge. CERFO. Technote 2015-02

M. Varin, E. BoulfroyTechnotes

Les arbres jouent des rôles très importants en milieu urbain : ils rendent de nombreux services écologiques, sociaux et économiques, notamment en diminuant la température ambiante des villes, en contribuant au maintien de la biodiversité, et même en augmentant la valeur foncière des propriétés. Dans ce contexte, de plus en plus de villes ont le souci d’améliorer la qualité de vie de leurs citoyens, par des mesures visant à augmenter la couverture arborescente sur leur territoire.  

La ville de Québec en fait partie et a décidé de se doter d’un indice de canopée pour suivre l’état de la couverture arborescente sur son territoire, afin de prioriser les secteurs de plantation où celui-ci est insuffisant et de quantifier les efforts déployés pour le maintien et la bonification du couvert arborescent.

Un projet pilote a été réalisé par le CERFO en 2014 visant à développer une méthode pour cartographier la canopée de la ville de Québec à partir d’images de 2011. Plusieurs améliorations d’ordre méthodologique ont été proposées suite à cet exercice, notamment l’utilisation de la donnée du proche infrarouge.

Calcul d’un indice de canopée pour le territoire de la Ville de Québec – Rapport méthodologique – Version finale

M. Varin, E. BoulfroyRapports

Les arbres jouent des rôles très importants en milieu urbain. En effet, ils rendent de nombreux services écologiques, sociaux et économiques, notamment en diminuant la température ambiante des villes, en contribuant au maintien de la biodiversité, et même en augmentant la valeur foncière des propriétés. Dans ce contexte, de plus en plus de villes ont le souci d’améliorer la qualité de vie de leurs citoyens, par la mise en place de mesures visant à augmenter la couverture arborescente sur leur territoire.

La ville de Québec en fait partie et a décidé de se doter d’un indice de la canopée permettant de mesurer l’état de la couverture arborescente, de manière à faire un suivi dans le temps. La canopée se définit comme la projection au sol de la cime (couronne) des arbres (incluant les feuilles, les branches et le tronc), qui est visible du ciel. Un tel indice constitue en effet un outil permettant d’évaluer l’étendue de la couverture arborescente sur un territoire donné, de prioriser les secteurs de plantation où le couvert arborescent est jugé insuffisant, mais aussi de suivre son évolution dans le temps et de quantifier les efforts déployés pour le maintien et la bonification du couvert arborescent.

Parmi les objectifs poursuivis par la Ville, la méthode retenue devait être fiable et reproductible dans le temps. Cette méthode développée pour réaliser la cartographie de la canopée sur le territoire de la ville de Québec repose sur la classification d’une mosaïque d’images selon l’approche orientée-objet, à l’aide du logiciel spécialisé eCognition. La mosaïque utilisée relève d’images prises en 2011, et était composée de trois bandes spectrales dans le visible (RVB).

La méthode utilisée s’est avérée satisfaisante. En effet, il a été possible, grâce à l’approche de classification orientée-objet, et en utilisant une vingtaine d’indices spectraux et spatiaux, de produire une cartographie de la canopée avec une précision globale très élevée, variant de 89,0 % à 97 % selon la méthode utilisée. Pour une cartographie en milieu urbain, il est habituellement admis qu’une précision d’au moins 85 % est satisfaisante.

La valeur moyenne de l’indice de la canopée pour le territoire de la ville de Québec à l’intérieur du périmètre urbain se situe entre 29,2 % et 30,0 %, selon que l’on inclut ou non la présence des plans d’eau. Pour l’ensemble du territoire de la ville, incluant la couronne forestière, l’indice varie entre 49,8 % et 51,4 % selon que l’on inclut ou non la présence des plans d’eau. En tenant compte du périmètre urbain des arrondissements, La Cité-Limoilou possède les valeurs les plus faibles (19,8-20,7 %) et celui de La Haute-Saint-Charles, les plus élevées (36,8-40,0 %). La Ville dispose donc maintenant d’une valeur de référence en date de 2011, qui lui permettra de suivre l’évolution de cet indice dans le temps et d’identifier les secteurs de la ville de Québec faisant l’objet de modifications de la canopée. En effet, depuis 2011, plusieurs changements ont eu lieu sur le territoire, qui pourraient avoir amputé une portion non négligeable de la canopée et ceux-ci ne sont actuellement pas comptabilisé dans la présente étude.

Certaines limites de la cartographie du couvert arborescent ont été entrevues, pouvant entraîner des confusions possibles entre certains types de végétation basse (herbe haute, arbustes, etc.) et des éléments anthropiques ayant une texture et une couleur semblables aux arbres. Deux principales pistes d’amélioration sont proposées, qui permettraient vraisemblablement de réduire ces confusions et de simplifier le caractère reproductible de la méthode en diminuant le nombre d’indices à utiliser : (1) l’ajout de la bande du proche.

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