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Nouvelles technologies et méthodologies pour les inventaires forestiers nationaux

C. Kleinn

Christoph Kleinn est professeur
de télédétection et de techniques
d'inventaire forestier à l'Université
de Göttingen, Göttingen (Allemagne).

Les progrès de la technologie pourraient accroître l'efficacité des évaluations forestières, permettant de réaliser des économies et/ou d'améliorer l'exactitude et la précision - mais il ne faut pas s'attendre à des changements révolutionnaires.

Les Inventaires forestiers nationaux (IFN) fournissent des informations servant aux prises de décisions, à la formulation et au suivi des politiques au plan national, tant pour le secteur forestier que pour les secteurs connexes, ainsi qu'à la planification forestière dans des unités géographiques ou politiques plus limitées au niveau sous-national. Du fait que leurs résultats contribuent à l'établissement d'évaluations forestières mondiales, les informations nationales de qualité élevée intéressent également les niveaux régional et mondial. Le présent article examine les développements technologiques et méthodologiques pouvant faciliter la mise en œuvre des IFN et fournir des informations de meilleure qualité, améliorant ainsi la gestion et la formulation des politiques grâce à des décisions prises en connaissance de cause à tous les niveaux.

Les nouvelles technologies et méthodologies peuvent influencer les IFN à tous les stades (planification, mise en œuvre, analyse et établissement de rapports). La mesure dans laquelle elles contribuent à améliorer les IFN peut être évaluée en fonction des critères suivants:

Aident-elles à mieux satisfaire les besoins d'informations en fournissant davantage de renseignements, ou des données nouvelles et de meilleure qualité (plus de précision dans les estimations, plus d'exactitude dans les mesures)?

Permettent-elles de réduire les coûts en simplifiant le processus de l'IFN à tous les stades? Le travail de terrain, avec les dépenses qu'il entraîne (transport, indemnité journalière de subsistance, aides, outils, instruments de mesure), est un facteur de coût qui pèse lourdement dans le budget de la plupart des IFN [c'est ainsi que dans le Programme d'inventaire et d'analyse des forêts du Service forestier des Etats-Unis, deux tiers environ du coût du Programme sont imputables aux activités de terrain (Guldin, 2000)]. Toutefois, c'est une source centrale et indispensable d'informations pour de nombreuses variables forestières; il est donc naturel de rechercher des solutions pour réduire les coûts, notamment dans le contexte du travail de terrain.

Améliorent-elles la visibilité ou l'importance politique des IFN en fournissant, par exemple, des informations améliorées et plus largement disponibles, en renforçant la crédibilité générale des résultats ou en intégrant une nouvelle série d'attributs qui stimulent l'intérêt pour l'information chez un groupe élargi d'usagers?

La structure, la conception et la mise en place d'IFN individuels sont aussi variables que le cadre politique et biophysique dans lequel ils sont établis. Le rôle et l'impact potentiels des nouvelles technologies et méthodologies évolueront en fonction des conditions biophysiques, organisationnelles et politiques générales de chaque pays, ainsi que de l'histoire nationale et de l'historique de l'IFN.

Les inventaires dressés sur le terrain sont une source indispensable d'informations pour de nombreuses variables forestières - les progrès technologiques qui facilitent les travaux de terrain et réduisent les coûts sont toujours les bienvenus -

M. GARCÍA

TÉLÉDÉTECTION

Les premiers IFN reposaient presque entièrement sur des observations de terrain. Dans les années 60 et 70, lorsque la FAO appuyait et entreprenait de nombreux projets de coopération technique (PCT), dressant des inventaires forestiers nationaux dans les pays en développement, les observations de terrain étaient encore la seule principale source d'informations. On utilisait dans certains cas la photographie aérienne et, à la fin des années 70, les premiers scanneurs multibandes Landsat (SMB) ont été expérimentés. Les données et les images satellitaires sont ensuite entrées rapidement dans les IFN, en particulier dans les pays tropicaux, et l'accent est passé des observations sur le terrain à l'interprétation d'images. Dans certains cas, on donnait le nom d'«inventaire forestier» à la simple cartographie du couvert forestier dressée sur la base d'images satellitaires. Les cartes provenant de l'interprétation des images satellites ont été, depuis lors, le produit prédominant des inventaires forestiers de maints pays en développement. Les études cartographiques coûtent moins que le travail de terrain (si l'on dispose du matériel informatique et des logiciels nécessaires); elles exigent moins de planification et de compétences générales, ne nécessitent que des équipes réduites, ne dépendent pas des conditions atmosphériques, et donnent comme produit principal des cartes, qui sont normalement plus facilement acceptées et «commercialisées» que les statistiques et les tableaux avec spécification des erreurs. Cependant, la vérification au sol est essentielle à l'interprétation de l'imagerie satellitaire.

De nos jours, on recherche une bonne intégration des différentes sources d'informations, y compris la télédétection. Le travail de terrain est indispensable pour un grand nombre de variables qui ne peuvent être observées, avec une marge d'exactitude acceptable, à partir des techniques de télédétection ou qui ne peuvent être observées du tout. La télédétection, associée au contrôle sur le terrain, est la solution appropriée pour la cartographie et l'analyse à l'échelle du paysage.

De nombreux porteurs innovateurs de chambres de prises de vues aériennes et de caméras vidéo, comme les avions modèles, les ballons, les petits dirigeables et les avions ultralégers, offrent de bonnes possibilités pour obtenir des images locales, bien que leur opération exige du matériel, des infrastructures et des compétences qui ne sont pas normalement disponibles dans le cadre d'un IFN. On ne s'attend pas à ce que la photographie numérique (une forme de télédétection terrestre) ouvre la voie à de nouvelles possibilités du moment que la documentation photographique n'a jamais joué un rôle primordial dans les IFN.

Dans le cadre d'un IFN, les données et les images satellitaires peuvent contribuer aux fonctions décrites ci-dessous.

Observation directe et estimation d'attributs pertinents

L'estimation de la superficie forestière (ou d'un type de forêt) est une tâche naturelle pour les images fournies par la télédetection. Une imagerie correcte et une définition utilisable des différentes catégories de couvert permettent de réaliser cette classification avec un très haut niveau de précision. Toutefois, l'échantillonnage sur le terrain fournit aussi normalement des résultats assez précis, avec une grande exactitude de classification. Les classes rares sont mieux observables par l'imagerie satellitaire lorsqu'elles peuvent être décelées avec suffisamment de précision. L'estimation de superficies à partir des images fournit non seulement des statistiques sommaires, mais permet aussi la description et l'analyse de l'agencement dans l'espace et de la fragmentation de la superficie forestière. Cependant, on peut recourir à des approches par échantillonnage pour estimer l'état de fragmentation (Kleinn, 2000, par exemple) lorsqu'une couverture cartographique complète n'est pas nécessaire.

Seuls quelques attributs sont observables directement à partir des données et de l'imagerie satellitaires. Les dimensions de la cime d'arbres individuels et le couvert peuvent être tirés d'une imagerie adaptée. Ces caractères peuvent faciliter la classification et servir de covariables pour l'analyse et la modélisation. La hauteur d'arbres individuels peut être mesurée à partir de photos aériennes à grande échelle, et le scannage laser permet la création automatisée de profils de hauteur dans les espaces plus étendus, mais pour les IFN ces solutions ne devraient avoir qu'une importance secondaire.

La télédétection est indispensable pour l'observation spatiale des changements des types de forêts sur de grandes superficies.

Modélisation

Des données et des images satellitaires recalées et mises en correspondance avec des observations de terrain peuvent être utilisées dans la modélisation. Une couverture complète de l'ensemble de la zone n'est pas nécessaire; une imagerie locale limitée pourra suffire. Des photos aériennes ou des images satellitaires à très haute résolution prises autour de l'emplacement des échantillons de terrain pourront améliorer l'information générale des échantillons et permettront d'étendre les informations spatialement très limitées issues de la parcelle en une sorte de représentation à l'échelle du paysage d'attributs comme la fragmentation ou l'agencement spatial des classes d'utilisation des terres et des éléments du paysage.

La principale fonction analytique de l'imagerie obtenue par télédétection pour les IFN portant sur des superficies limitées est de compléter l'information tirée des parcelles de terrain ou, en termes plus généraux, de relier les données satellitaires à d'autres informations géoréférencées. Les modèles qui relient des éléments de l'imagerie satellitaire (notamment ceux déterminés par une résolution spectrale et spatiale sans cesse croissante de l'image) à des attributs intéressant les IFN pourraient améliorer les estimations. Lorsqu'ils sont appliqués et extrapolés à l'ensemble de la zone (si elle est entièrement sous couvert), ces modèles peuvent générer des cartes thématiques contenant des informations pertinentes sur les forêts. L'IFN finlandais a depuis longtemps mis au point une approche correspondante de modélisation (Tomppo, 1990), et la recherche en géostatistique en cours devrait aboutir à des résultats spatialement plus exacts et à des estimations plus précises.

Cartographie

En ce qui concerne la cartographie, l'analyse spatiale et les informations géoréférencées, les techniques de télédétection offrent les seules solutions opérationnelles. Les IFN traditionnels contenaient plus de tableaux que de cartes, mais les cartes et les informations géoréférencées devraient être à l'avenir le principal produit standard des IFN. La distance n'est pas très grande entre la cartographie du couvert forestier sur de grandes étendues et l'inventaire du paysage comprenant d'autres types d'utilisation des terres (ou l'inventaire des arbres incluant toutes les ressources arborées), si bien que la portée des IFN pourrait facilement être élargie, accroissant par là leur utilité pour d'autres secteurs. Les possibilités de cartographie qu'offrent les techniques de télédétection contribuent de manière significative à améliorer la visibilité et à consentir une présentation des résultats des IFN qui tient mieux compte des besoins du client.

SYSTÈMES DE NAVIGATION PAR SATELLITE

La mise en place de systèmes de navigation par satellite a représenté une importante percée dans de nombreux domaines. Le système de positionnement par satellite NAVSTAR-GPS (Système satellitaire NAVSTAR - Système mondial de détermination de position), exploité par le Département de la défense des Etats-Unis (DOD), a été le premier à être mis en place; il a été conçu à la fin des années 70, et 24 satellites ont été lancés entre 1989 et 1994. Jusqu'au 1er mai 2000, les signaux étaient intentionnellement dégradés en vue de diminuer la précision pour les usagers communs. De même, en période de crise politique, le système pourrait n'être disponible que pour un groupe choisi d'usagers (auquel les IFN n'appartiennent pas normalement). Le sigle GPS est également utilisé pour les systèmes de navigation par satellite en général.

Le Gouvernement russe exploite un système de navigation satellitaire basé sur des satellites russes appelé GLONASS, et la Commission européenne a lancé récemment un programme pour son propre système, nommé «Galileo», qui devrait devenir opérationnel en 2008. L'existence de trois systèmes de navigation par satellite exploités indépendamment devrait améliorer notablement la couverture, à l'avenir, mais seulement si l'on met en place des récepteurs capables de traiter les signaux provenant des trois systèmes. La couverture s'améliorera en particulier pour les applications où la portion de ciel visible est limitée, comme dans le cas des forêts denses. La précision de la position devrait augmenter grâce aux possibilités accrues de rencontrer de meilleures constellations de satellites dans tous les lieux.

Les techniques de GPS exigent des investissements en matériel informatique et en formation, mais leur coût est relativement faible et leur emploi n'est pas compliqué. Les équipes de terrain préfèrent normalement les récepteurs GPS à la procédure conventionnelle de détermination de la position. Les systèmes de navigation par satellite ont cinq applications de base: localisation (détermination d'une position de base), navigation (passage d'un emplacement à un autre), repérage (suivi du déplacement des personnes et objets), cartographie globale et mesures de temps exactes (Trimble Navigation Ltd, 2002). Seules les trois premières ont une utilité potentielle pour les IFN.

Localisation et navigation

La localisation et la navigation, cette dernière en particulier, sont les fonctions principales des systèmes de navigation par satellite pour les IFN. Pour établir de nouvelles parcelles ou pour retrouver des parcelles établies précédemment, des objectifs ponctuels sont définis géographiquement par des coordonnées et doivent être localisés sur le terrain. L'approche traditionnelle de la navigation consiste à utiliser des cartes pour identifier des points de départs optimaux, et à mesurer les distances et les azimuts, et ensuite à suivre ces indications sur le terrain avec des instruments de mesure de l'angle et de la distance. Des objets et des observations de référence sont enregistrés sur un croquis cartographique pour retrouver les parcelles pendant le prochain cycle de mesure. On aura encore besoin de cartes et de personnel local qualifié pour identifier la meilleure voie d'accès aux parcelles, mais la navigation par GPS pourrait remplacer les mesures de distances et d'angles successives. Cette technique pourrait permettre de naviguer avec une plus grande précision, en particulier dans les régions où le réseau routier est moins dense, et où les références identifiables par les cartes sont rares.

Le GPS est parfaitement applicable dans la plupart des régions où la navigation se fait hors des strates de couvert fermé. Cependant, les mesures prises au sein de forêts denses ne sont pas toujours efficaces. On peut perdre beaucoup de temps à chercher une ouverture dans le couvert permettant la prise de mesures appropriées, et le chemin allant de l'ouverture à la parcelle doit encore être parcouru suivant les systèmes traditionnels.

Quels sont les avantages des GPS sur le terrain? Dans de nombreux cas, notamment lorsqu'on doit traverser des zones ouvertes, la navigation est beaucoup plus rapide (et moins coûteuse). Le surcroît de précision n'offre pas d'avantages évidents pour les statistiques générées par les inventaires fondés sur la parcelle de terrain. Cependant, elle est vitale pour le recalage des observations de terrain avec les cartes ou l'imagerie satellitaire à des fins de modélisation. La précision de la localisation réduit le «bruit blanc» dans le modèle. C'est ainsi que les gains en précision consentis par le GPS pourraient améliorer le modèle et les extrapolations et prédictions correspondantes (voir Halme et Tomppo, 2001).

Les systèmes de navigation satellitaire peuvent faciliter l'orientation dans des conditions topographiques difficiles comme celles-ci -

M. GARCÍA

Repérage

Lorsque l'équipe de terrain utilise le GPS pour naviguer vers des parcelles, leur parcours peut être enregistré automatiquement de façon qu'un croquis cartographique du chemin d'accès, qui est traditionnellement fait à la main et à une échelle approximative, puisse être établi directement. Le croquis peut être perfectionné et complété par des descriptions verbales de points de référence et de cheminement. La localisation peut aussi se révéler utile pour la supervision du travail de terrain, et pour vérifier que les équipes se sont approchées suffisamment de la localisation projetée des parcelles.

INSTRUMENTS DE MESURE (MESURES SUR LE TERRAIN)

Les principaux attributs des arbres que l'on mesure sur le terrain sont des diamètres et des hauteurs. En outre, la mesure des distances et des angles est aussi nécessaire pour la navigation, l'établissement des parcelles et l'enregistrement de la position des arbres en l'absence d'un GPS.

Les instruments ultrasoniques et à laser facilitent les mesures de distances et d'angles. La mesure électronique de la distance accroît considérablement la rapidité de la navigation jusqu'à la parcelle, encore que le GPS puisse la remplacer. Les télémètres électroniques (ultrasoniques ou à laser) facilitent la mesure de la position des arbres par distance et azimut à partir du centre de la parcelle. Si l'instrument de mesure est relié à un enregistreur mobile de données, ces dernières peuvent être emmagasinées directement sans que soient nécessaires les fiches papier.

De nouvelles méthodes sont actuellement en cours d'expérimentation, comme le balayage par laser horizontal pour enregistrer le diamètre des arbres; à partir du centre d'une parcelle, on scanne par laser les alentours et la rétrodiffusion des arbres permet de déterminer leur diamètre à différentes hauteurs. Cette technique, toutefois, n'a pas d'utilité pratique à l'heure actuelle.

Il pourrait être possible à l'avenir de mesurer automatiquement certaines variables. Cela permettrait d'accélérer les mesures sur le terrain, mais ne devrait pas accroître la précision de façon particulière.

Mesurer la distance à l'aide d'un mètre est une pratique commune; mais les systèmes de mesure électroniques pourraient accélérer la tâche -

J. FALLAS

TECHNIQUES D'INFORMATION ET DE COMMUNICATION MOBILES

Les enregistreurs de données mobiles ont été utilisés dans les IFN depuis la fin des années 80. L'entrée des données peut se faire par clavier, câble ou radio à l'aide d'instruments de mesure électroniques. Quand bien même la technologie ne serait pas nouvelle, son potentiel ne paraît pas encore pleinement exploité. Il convient d'introduire les données aussi près que possible (en termes de temps et d'espace) de l'endroit où elles sont générées. Les procédures de vérification des données directement sur le terrain permettent aux équipes de corriger immédiatement les erreurs et les incohérences, ce qui améliore la qualité des données.

Le prochain pas consistera à relier directement les enregistreurs de données à une base de données centrale par communication mobile et accès à Internet. La base de données centrale serait alors mise à jour en permanence et les procédures de vérification pourraient être ajustées de façon immédiate et uniforme pour toutes les équipes de terrain. Cependant, ce type de saisie de données en ligne serait de qualité inférieure à celui de l'emmagasinage numérique immédiat des données sur le terrain; un transfert périodique de données (une fois par semaine environ) devrait suffire.

Les communications par téléphone mobile améliorent la sécurité des équipes de terrain, car ces dernières peuvent communiquer plus facilement en cas d'urgence. Elles permettent également l'entrée en ligne de données dans une base de données. Toutefois, la couverture pour les téléphones mobiles est faible dans de nombreuses régions, en particulier dans les zones rurales peu peuplées où se trouvent de nombreuses parcelles visées par les IFN. C'est pourquoi la communication directe par téléphone mobile à partir du terrain n'est pas techniquement possible partout.

Suivant le type de forêt à inventorier, même la mesure d'un diamètre peut représenter un défi -

I. RETANA

LOGICIELS ET ALGORITHMES

Présentation des données et de l'information

Les systèmes d'information géographique (SIG) et le site Web-SIG offrent de nombreuses possibilités de présentation des résultats et d'amélioration des données, ainsi que d'accès aux informations. La présentation en ligne des résultats des IFN accroît leur visibilité et leur utilité, notamment quand le système d'information permet la récupération interactive des données. Des approches semblables sont en cours de mise au point, tel le Système européen d'information et de communication sur les forêts (Kennedy et al., 2001).

Analyse des données et modélisation

On peut s'attendre à d'importants progrès dans la conception des modèles, non seulement en ce qui concerne l'analyse des données satellites, comme on l'a vu plus haut, mais aussi dans les aspects plus traditionnels de la modélisation liée aux fonctions de volume. En effet, l'exactitude et la validité au plan local de ces modèles sont souvent contestables. Les modèles pour l'estimation de la biomasse et de ses composantes sont beaucoup moins disponibles que ceux pour l'estimation du carbone. En outre, il a été confirmé que l'incertitude qui caractérise les estimations de la biomasse est l'un des principaux facteurs responsables de l'incertitude des estimations du carbone. La qualité des données, en particulier en ce qui concerne les attributs relatifs au volume, pourrait être rehaussée considérablement par l'amélioration des modèles de biomasse traditionnels.

En outre, des améliorations sont prévues dans les modèles associant les attributs observables dans les IFN à certains aspects de la diversité biologique.

Les modèles de croissance et de prévision à grande échelle du développement des forêts et de leurs fonctions (modélisation du scénario) dépendent en partie des données des IFN (Päivinen, Roihuvuo et Siitonen, 1996, par exemple). Promouvoir l'emploi des données des IFN dans d'autres domaines, comme la politique, l'économie et la recherche, augmenterait la visibilité des IFN. Cependant, les droits d'usage des données des IFN ne sont pas clairement réglementés partout. Des politiques plus transparentes sur leur emploi attireraient probablement l'intérêt d'un plus grand nombre d'institutions.

Domaines où de nouvelles méthodologies et technologies pourraient profiter aux IFN

Méthodologie/
technologie

Principales étapes d'un inventaire forestier national

Planification

Mise en œuvre

Qualité des
données et
gestion des
données

Analyse
(y compris la
 
modélisation)

Etablissement
de rapports

Télédétection

 

 x

 

 x

 x

Systèmes de navigation
par satellite

 

 x

 

 x

 

Instruments de mesure

 

 x

     

Information et
communication mobiles

 

 x

 x

   

Logiciels et algorithmes

   

 x

 x

 x

Echantillonnage

 x

 

 x

   

ÉCHANTILLONNAGE

L'échantillonnage est utilisé pour évaluer la plupart des attributs relevés par les IFN. L'évaluation globale par imagerie satellitaire n'est techniquement possible que pour quelques-uns (comme la superficie forestière et les variables connexes). Les concepteurs des inventaires forestiers ont réalisé des travaux statistiques pionniers en matière de théorie de l'échantillonnage. Dans les premiers IFN, l'échantillonnage était guidé par un mélange de considérations statistiques et pratiques. Le vaste éventail d'attributs évalués dans les IFN ne permet pas une simple optimisation de l'échantillonnage et du plan des parcelles.

L'échantillonnage systématique est le modèle utilisé le plus fréquemment dans les IFN, parfois en combinaison avec la stratification et/ou d'autres estimateurs. Dans le plan des parcelles appliqué le plus souvent on utilise des sous-parcelles en grappe; dans les forêts tempérées et boréales, elles tendent à consister en parcelles circulaires fixes ou échantillons ponctuels (une configuration utilisée dans les inventaires forestiers où n'est pas définie une parcelle fixe), alors que dans les régions tropicales les parcelles tendent à avoir une forme rectangulaire allongée (parcelles en bandes). Cependant, pour certains IFN, en Suisse, par exemple et préalablement en Chine, on a utilisé des parcelles individuelles plutôt que des groupes de parcelles.

De nouvelles techniques d'échantillonnage sont constamment mises au point, analysées et présentées dans la recherche forestière. Certaines de celles décrites plus récemment, comme l'échantillonnage adaptatif par grappes et l'échantillonnage par niveau d'intérêt permettent, dans le cas de questions d'inventaire spécifiques, de réaliser des gains considérables sous l'angle de la précision. Cependant, la combinaison établie d'échantillonnage systématique et de parcelles en grappes ne paraît pas avoir encore de rival sérieux. Les ajustements du modèle de parcelles en grappes pour l'évaluation de certains attributs (par exemple, dans l'observation des variables accessoires pour la diversité biologique, ou pour mieux enregistrer les objets rares) pourraient offrir quelques promesses. Une bonne intégration des données provenant de différentes sources, en particulier l'intégration des données venant des échantillons de terrain avec l'imagerie satellitaire, pourrait se révéler avantageuse pour les IFN (Schreuder, 2001, par exemple).

CONCLUSIONS

Les IFN sont des entreprises dynamiques dont la portée et les objectifs sont susceptibles de modification. Bien que l'on ne s'attende guère à des changements révolutionnaires dans les technologies et les méthodologies, les progrès techniques contribueront à l'évolution des IFN à tous les stades, depuis la planification jusqu'à la présentation des résultats (voir tableau).

Les progrès technologiques et méthodologiques décrits dans cet article pour l'estimation de certains attributs de base - comme la superficie forestière, les volume/biomasse/carbone, le régime de propriété, l'extraction industrielle et non industrielle du bois, la diversité biologique - ne devraient pas contribuer de façon notable à améliorer la précision et l'exactitude de l'estimation de l'état et du changement. L'amélioration devrait venir principalement du perfectionnement des algorithmes et des modèles, en particulier pour l'estimation des attributs relatifs au volume, à la biomasse et au carbone et pour les estimations de l'extraction du bois et de la diversité biologique.

Toute nouvelle procédure devra être introduite avec prudence dans les IFN; comme l'exprime Iles (1995): «les grands gains devront être le résultat de systèmes qui font preuve d'équilibre, de soutien et de souplesse». Dans de nombreuses régions, le principal obstacle à la mise en œuvre des IFN est leur coût, et l'enjeu consiste à fournir une justification économique pour les dépenses relatives à une évaluation nationale des ressources forestières.

Bibliographie


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