Canopy Constructor, un outil virtuel innovant pour étudier la forêt tropicale

20 avril 2021 par Administrateur
Fin 2020, une intéressante publication présentait un procédé innovant d'étude de la forêt tropicale. Basé sur un principe de reconstruction virtuelle de parcelles forestières, l’outil a été mis au point pour partie avec des données acquises aux Nouragues.

Du fait de leur forte diversité et leur densité, l’étude des forêts tropicales est un défi scientifique qui stimule l’innovation. Les méthodes à disposition des chercheurs ont considérablement évolué ces dernières années, profitant de nouveaux outils et techniques offerts par le développement de l’imagerie aérienne par laser aéroporté, ainsi que de la puissance informatique de calcul. Conjointement, les séries de données acquises sur le terrain – des mesures des arbres et des écosystèmes depuis le sol – se constituent en bases numériques de plus en plus conséquentes et documentées. Sur une station comme les Nouragues, en Guyane, c’est un catalogue de plus de trente ans d’observation continue de la forêt primaire qui est disponible pour tester et calibrer les mesures dématérialisées qu’offrent les techniques à distance. L’étude des terrains complexes, dont la forêt tropicale fait partie, est un champ d’application fructueux de ces nouvelles techniques. Les enjeux actuels de préservation des forêts tropicales, de leur intégration dans la compréhension des changements planétaires et du maintien des équilibres globaux ouvrent un large horizon pour ces recherches.

Image lidar aérienne de la forêt de Paracou en Guyane dans le cadre du programme Phenobs

L’article de Fabian Fisher et al., paru en décembre 2020 dans la revue scientifique internationale Remote Sensing of Environment en donne un bon exemple. Il présente une méthode de simulation numérique, dénommée Canopy constructor. La méthode a été mise au point au laboratoire EDB de Toulouse en combinant trois développements récents pour l’étude des forêts tropicales.

Actuellement, les cartes de biomasse forestière sont produites par une combinaison de deux mesures : les mesures issues de parcelles-témoins forestières et des mesures Lidar issues de survols aériens sur plusieurs milliers d’hectares.

Les parcelles sont des carrés de forêt de quelques hectares où les arbres sont régulièrement mesurés et étudiés sous toutes les coutures depuis plusieurs années, parfois trente ans comme aux Nouragues. Une masse de connaissances est accumulée. Le développement des modèles mathématiques a permis d’intégrer les diverses données. Un des résultats est de pouvoir aujourd’hui, par exemple, évaluer de manière fiable la quantité de carbone que contient chaque arbre rien qu’en mesurant son diamètre depuis le sol. Cette opération, qui rapporte le diamètre à la biomasse de l’arbre, permet de quantifier la biomasse à l’échelle des parcelles-témoins. Elle suppose un travail de mesure sur chaque arbre de la parcelle.

Le lidar aéroporté permet quand-à-lui de mesurer la hauteur de la canopée sur la zone survolée. On part du principe que plus les forêts sont hautes, plus elles stockent de la biomasse. Il est donc possible d’évaluer la quantité de carbone contenue sur les milliers d’hectares survolés en combinant ces données de hauteur aux mesures de biomasse calculées dans les parcelles-témoins. Ce deuxième développement, qui rapporte la hauteur de l’arbre à la biomasse, est au point. Il est largement utilisé depuis déjà une dizaine d’années dans le monde malgré ses quelques imprécisons.

La nouveauté de Canopy Constructor réside sur une combinaison encore plus performante des données. Sur une parcelle, on construit cette fois un modèle dans lequel chaque arbre est positionné et dimensionné en 3 dimensions. Ce modèle est développé au laboratoire EDB, où travaillent en partie les auteurs de la publication. Il s’agit du modèle TROLL, qui propose à partir de trois paramètres une relation entre le diamètre d’un arbre et sa hauteur.

Dans Canopy constructor, le modèle TROLL est utilisé pour créer une parcelle virtuelle. De fait on en connaît tous les petits secrets puisque les arbres sont des simulations numériques. Cette parcelle virtuelle est ensuite comparée, dans sa hauteur, à celle réellement mesurée par un survol Lidar d’une vraie forêt. Canopy Constructor, outil informatique, reconstruit la forêt artificielle de TROLL pour qu’elle en vienne à « coller » à la réalité, celle de la parcelle survolée, avec des arbres de diamètre réél. La simulation se rapproche ainsi de l’observation, jusqu’à obtenir une parcelle simulée quasiment identique à celle inventoriée sur le terrain.

Visualisation d’une parcelle forestière virtuelle dans le modèle TROLL

Dans une deuxième étape, on extrapole depuis la parcelle de calibration vers l’ensemble de la zone d’étude, en admettant que les modèles calibrés localement sont représentatifs de toute de la zone. Aux Nouragues, cela correspond à passer de 12 hectares (la taille de la parcelle témoin) à une surface de 2000 hectares. Tous les arbres de plus de 1 cm sont inclus, soit plusieurs millions d’arbres qu’il serait impossible de mesurer manuellement sur le terrain. Mais on ne pourrait pas non plus réaliser cette opération sans la modélisation et la puissance de calcul numérique, auxquelles il faut rendre hommage dans ces technologies sophistiquées d’étude de la biodiversité. Les moyens utilisés sont ici ceux du supercalculateur Olympe du centre de calcul intensif de Toulouse.

Ces moyens permettent de construire une maquette tridimensionnelle de l’ensemble de la zone d’étude. A partir de cette maquette, on peut obtenir une carte des stocks de biomasse beaucoup plus précise que par la méthode classique, tout en prenant bien mieux en compte l’hétérogénéité de l’écosystème.

Canopy constructor a été testé au Nouragues et dans une parcelle au Gabon. Il est une avancée significative pour produire des informations précises et fiables en vue de la validation des données d’observation de la Terre produites par les satellites GEDI (actuellement en opération pour la NASA) et BIOMASS qui sera lancé depuis Kourou en 2022 et opéré par l’ESA. D’autres applications du programme peuvent être envisagées. Avec la prise en compte de l’hétérogénéité forestière, Canopy constructor peut par exemple être développé pour étudier la dynamique écologique des forêts, ou représenter leur croissance par modélisation prédictive.

Image lidar terrestre de la forêt des Nouragues en Guyane, réalisée dans le cadre du programme Dendrolidar

Références de la publication : Fabian Jörg Fischer, Nicolas Labrière, Grégoire Vincent, Bruno Hérault, Alfonso Alonso, Hervé Memiaghe, Pulchérie Bissiengou, David Kenfack, Sassan Saatchi, Jérôme Chave, A simulation method to infer tree allometry and forest structure from airborne laser scanning and forest inventories, Remote Sensing of Environment,Volume 251,2020,112056,ISSN 0034-4257, https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.112056.

A lire aussi