Connaissez-vous quelqu'un qui est tellement pris dans les détails d'un problème qu'il « ne peut pas voir la forêt pour les arbres ? Les scientifiques qui cherchent à comprendre comment les forêts se rétablissent des incendies de forêt ont parfois le problème inverse. Les systèmes satellitaires conventionnels qui surveillent de vastes étendues de terres brûlées par les incendies de forêt fournissent des informations utiles, informations générales, mais peut passer sous silence des détails importants et amener les scientifiques à conclure qu'une forêt s'est rétablie alors qu'elle en est encore aux premiers stades de son rétablissement.

Selon une équipe d'écologistes du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis, une nouvelle technique utilisant une combinaison de méthodes de télédétection à résolution beaucoup plus élevée fournit une image plus précise et plus détaillée de ce qui se passe sur le terrain. Dans un article qui paraîtra dans le numéro de juin 2018 de la revue Remote Sensing of Environment, ils décrivent comment ils ont utilisé des images satellites à résolution beaucoup plus élevée et des mesures aériennes collectées par la NASA pour caractériser une zone boisée endommagée par un incendie de forêt de 2012 qui s'était propagé sur le terrain du laboratoire.

« Être capable de quantifier la relation entre le rétablissement des forêts et la gravité des brûlures est une information essentielle pour nous permettre de comprendre à la fois la dynamique des forêts et la séquestration du carbone, " a déclaré Ran Meng, un associé de recherche postdoctoral dans le groupe de recherche Terrestrial Ecosystem Science &Technology (TEST) de Brookhaven Lab et auteur principal de l'article. "Ce travail montre qu'en utilisant des mesures de télédétection plus avancées avec une imagerie spectrale à très haute résolution et LiDAR - une technique qui nous permet de mesurer la structure physique en 3D de la forêt - nous pouvons caractériser les effets du feu et surveiller davantage la récupération après feu. avec précision, " il a dit.

Alistair Rogers, chef du groupe TEST ajouté, "Ce travail est un bel exemple de la valeur de la haute résolution, multi-capteurs, télédétection. La nouvelle combinaison de données de ces capteurs a permis de mieux comprendre une question écologique difficile et fournit un nouvel outil pour la gestion des forêts. »

Niveau du sol, discordance des données satellitaires

Meng a souligné la nécessité d'améliorer les mesures à distance en tant qu'étudiant diplômé avant de venir à Brookhaven. Tout en suivant la reprise de la végétation après les incendies de forêt dans l'ouest des montagnes et en Californie, ses observations sur le terrain ne correspondaient pas à ce que le conventionnel, des mesures satellitaires à résolution modérée (telles que celles obtenues par Landsat) montraient.

« Faire des études de terrain, nous mesurons les paramètres et caractéristiques des arbres, et nous pouvons voir si la canopée - la partie de l'écosystème formée par la cime des arbres - est en bonne santé, ou s'il n'y a qu'une repousse au niveau du sol, " a déclaré Meng.

Les scientifiques doivent être capables de distinguer cette croissance "sous-étage" (par exemple, arbustes et graminées) de la canopée pour déterminer si la forêt a effectivement retrouvé son état d'avant l'incendie.

« En termes de gestion des forêts et de compréhension de la quantité de carbone stockée dans ces systèmes et de la manière dont ils soutiennent la biodiversité et changent au fil du temps, les arbres de la canopée sont ce qui est important, " a expliqué Shawn Serbin, Le superviseur de Meng à Brookhaven.

Mais l'imagerie satellitaire traditionnelle, qui a été utilisé pour étudier les grands incendies de forêt depuis les années 1970, ne peut pas distinguer la canopée du sous-étage, a noté Serbin. Il produit des images avec des tailles de pixels beaucoup plus grandes - des carrés avec des côtés mesurant environ 30 mètres ou plus - et ne mesure que dans quelques "canaux, " ou les couleurs/longueurs d'onde réfléchies de la lumière, sans aucun sens de la profondeur.

"Donc, si un incendie se déclare et qu'un bouquet de plantes herbacées très vertes poussent dans le sous-étage nouvellement exposé, un système satellitaire traditionnel verrait tout cela à la fois - un motif général de verdure - et confondrait cela avec le fait que " la végétation s'est rétablie, ' même lorsqu'il y a encore des arbres entièrement brûlés sur le sol, " dit Serbin.

"Clairement, nous avons besoin d'un moyen de comprendre plus en détail comment la forêt récupère en termes d'arbres de la canopée sans avoir à mener des études de terrain massives, ce qui demanderait beaucoup trop de temps et de travail, " a-t-il ajouté - ou comme Meng l'a dit, "mission impossible."

Une opportunité fortuite

Heureusement, Les technologies de télédétection ont parcouru un long chemin depuis les années 1970, particulièrement au cours des 10 dernières années. Et grâce à une collaboration continue avec des scientifiques du Goddard Space Flight Center de la NASA et à la disponibilité d'images satellitaires commerciales à haute résolution, Meng et Serbin ont eu la chance d'essayer ces technologies mises à jour et de comparer les résultats avec les observations au sol.

Leur banc d'essai était une bande de forêt dans leur propre arrière-cour qui avait été endommagée lorsqu'un incendie de forêt dans les Long Island Pine Barrens s'est propagé sur une partie non développée de la propriété de Brookhaven Lab en avril 2012. Meng a d'abord utilisé des images commerciales à haute résolution achetées par le National Geospatial -Agence de renseignement (NGA), ramassé avant et après l'incendie, pour créer une carte haute résolution de la gravité des brûlures (publiée précédemment). Puis, il a utilisé cette carte pour superposer des mesures détaillées des caractéristiques forestières qu'il a extraites des images de télédétection recueillies par l'équipe Goddard de la NASA en 2015. En comparant les données à distance à haute résolution avec leurs propres observations sur le terrain, Meng et Serbin ont pu tester si les nouvelles technologies transmettaient une représentation précise de la façon dont les arbres se rétablissaient dans les différentes zones de gravité des brûlures.

"C'était l'occasion d'étudier la dynamique forestière d'une manière inédite, " dit Serbin.

Les instruments aéroportés de la NASA comprenaient des caméras pour la photographie numérique à très haute résolution (avec des pixels mesurant un mètre carré au lieu des pixels de 30 x 30 mètres utilisés par les satellites conventionnels); Imagerie « hyperspectrale » (pour capter la lumière en ~100 couleurs); imagerie infrarouge thermique (pour mesurer la chaleur); et LiDAR (qui fonctionne comme un détecteur de vitesse de pistolet radar - tirant des faisceaux de lumière proche infrarouge et mesurant le temps qu'ils mettent à rebondir pour mesurer la distance, ou dans ce cas, la profondeur dans la forêt).

Parce que ces instruments font leurs mesures simultanément, les scientifiques peuvent suivre exactement quelle couleur (même de subtiles variations de vert) est réfléchie, et à partir de quelle profondeur dans la forêt, le tout à une résolution d'un mètre.

"Cela peut nous donner beaucoup plus d'informations et réduire nos incertitudes pour comprendre la dynamique forestière et les conséquences des incendies, " a déclaré Meng.

Les données structurelles à haute résolution et en 3D ont permis de différencier la canopée du sous-étage et ont donné aux scientifiques une représentation précise de la récupération de la forêt par rapport à la gravité des brûlures qui correspondait à ce qu'ils voyaient sur le terrain.

Au lieu d'un taux de récupération qui augmentait avec l'augmentation de la gravité des brûlures, comme les données satellitaires conventionnelles - masquées par la nouvelle croissance du sous-étage - l'avaient suggéré, les données à haute résolution ont montré un taux de récupération croissant pour les arbres de la canopée jusqu'à un certain seuil.

« Avant qu'ils n'atteignent un certain seuil de dommages, les arbres peuvent récupérer—créer de nouvelles branches. Mais après avoir atteint ce point critique, ils sont tués et ne peuvent pas récupérer. Ils doivent repartir de zéro et cela prendra beaucoup de temps, " dit Meng. Pendant ce temps, de nouvelles espèces de sous-bois profitant de la lumière du soleil capable d'atteindre le sol à travers la canopée appauvrie, prennent rapidement leur place.

Voir à distance les différences entre les espèces

Les scientifiques ont même pu identifier des différences quantitatives dans les taux de récupération entre les différentes espèces de la canopée.

"Ici au labo, nous avons un exemple simple de pins contre chênes. Le pin a une forme conique avec de minces, étroitement emballé, aiguilles vert foncé. Le chêne a une structure plus ronde avec de larges feuilles de couleur plus claire. Ils ont également une composition chimique et une teneur en eau différentes. Tout cela change la façon dont ils réfléchissent la lumière, ils ont donc chacun une 'signature spectrale' unique que nous pouvons distinguer avec ces nouvelles technologies, " dit Serbin.

Les scientifiques ont utilisé des techniques d'apprentissage automatique pour entraîner les ordinateurs à reconnaître les caractéristiques spectrales et structurelles uniques afin qu'ils puissent différencier ces espèces et d'autres.

"En utilisant un système d'imagerie satellitaire traditionnel, il serait impossible de distinguer ces espèces. Mais maintenant, pour la première fois, nous pouvons utiliser notre nouvelle technologie pour quantifier ces réponses sur de vastes zones et sur une période plus longue que jamais, " a déclaré Meng.

Appliquer les connaissances

Au-delà de fournir un aperçu de la santé des Long Island Pine Barrens, la méthode devrait fonctionner pour améliorer les évaluations à distance des dommages causés par le feu et la récupération dans différents types de forêts, et en particulier dans les régions éloignées où les études sur le terrain sont impraticables.

"Nous pensons que cette méthode devrait s'appliquer à travers le monde. Nous pensons qu'elle est adaptable, et les données sont accessibles au public, afin que nous puissions augmenter cela, " dit Serbin.

Comprendre les détails de la dynamique forestière aiderait à éclairer les stratégies de gestion forestière, comme quand et où mettre en place un brûlage contrôlé pour limiter l'accumulation de carburant pour les feux de forêt, ou pour identifier où de nouveaux arbres - et quels types - devraient être plantés pour maintenir la biodiversité. Cela fournirait également des données pour les modèles conçus pour prédire comment les écosystèmes forestiers répondront à d'autres types de défis, comme la sécheresse ou le changement climatique.

"Les personnes chargées de projeter comment les écosystèmes vont réagir au changement dans le futur ont besoin d'informations très détaillées sur la dynamique des forêts et de la végétation pour leurs modèles, " a déclaré Serbin. " Nous avons appris que la structure de la végétation est fortement liée à la quantité de carbone pouvant être stockée dans ces écosystèmes, et que les écosystèmes à plus grande biodiversité stockent plus de carbone. Ainsi, la capacité d'évaluer la biodiversité et la structure forestière sera très importante pour construire ces modèles. »