Méthodologie pour améliorer la connaissance des espaces constitutifs de la " ville nature "
Rappel des objectifs de l’étude
La méthodologie engagée par l’Auran en 2017 sur le territoire de la ville de Nantes a pour objectifs d’évaluer les potentialités qu’offre l’imagerie aérienne à très haute résolution spatiale pour améliorer la connaissance de l’ensemble des espaces, privés ou publics, constitutifs de la « Ville nature » et créer ainsi un référentiel cartographique local basé sur télédétection de toutes les surfaces végétalisées de la ville de Nantes.
En effet, les différents quartiers constitutifs de la ville de Nantes, contiennent de nombreux espaces végétalisés (parcs, jardins, bords de cours d’eau, …), autant sur le domaine public que privé. La végétation, fortement imbriquée entre les bâtiments, est présente le long des routes, dans les cours d'immeubles, dans les jardins des quartiers pavillonnaires, ….
Aujourd’hui des éléments de connaissances existent sur les espaces gérés par la collectivité (espaces verts, arbres d’alignements…) mais ils ne sont qu’une partie des espaces constitutifs de la Ville Nature.
La méthodologie définie dans le cadre de cette étude doit donc permettre d’identifier et de caractériser l’ensemble des éléments de végétation présents en zone urbaine, qu’ils soient localisés sur le domaine public ou sur des espaces privés.
Par ailleurs, cette méthodologie se doit d’être reproductible, efficace et rapide permettant ainsi d’étendre le référentiel créé sur la ville de Nantes aux enveloppes urbaines des autres communes de Nantes Métropole, mais aussi à des territoires extérieurs.
A terme, l’ensemble des informations collectées et classifiées permettront de mettre en place une information en 3D de ces espaces constitutifs du tissu urbain.
Méthodologie générale
Des recherches bibliographiques et l’analyse des potentialités offertes par l’imagerie aérienne et satellitaire à haute et très haute résolution spatiale pour la cartographie des grands types de végétation en milieu urbain dense ont constitué un préalable à la définition de la méthodologie et aux moyens techniques à mettre en œuvre.
Dans un souci de reproductibilité spatiale et temporelle, les données utilisées sont des images photographiques avec infra-rouge permettant de mettre en évidence l’activité chlorophyllienne de la végétation. Cela permet en particulier de bien différencier la végétation du reste du paysage mais aussi de distinguer plusieurs types de végétation et notamment la végétation herbacée de la végétation arbustive et arborée.
Le choix a également été fait d’utiliser des outils de traitement libres pour l’analyse de ces données et leur intégration sous Système d’Information Géographique (SIG).
Dans la phase de test, la méthode a été appliquée sur le centre de Nantes et le quartier de Doulon-Bottière avec des images de 2012. La méthode validée a ensuite été généralisée et appliquée sur l’ensemble du territoire de la ville de Nantes.
Phase 1 - Identification du couvert végétal
Cette première phase a pour but de différencier les milieux végétalisés des milieux non végétalisés (bâti, voiries, surfaces minérales, terres non cultivées, ….). En première approche, les surfaces en eau sont identifiées dans la catégorie des milieux non végétalisés.
Pour identifier avec une fiabilité optimale le couvert végétal présent sur le territoire d’étude, deux méthodes de calcul ont été testées sur les photographies aériennes de 2012 permettant ainsi d’obtenir deux classifications : une classification par la méthode des « indices de végétation » (NDVI – Normalized Difference Vegetation Index) et une classification par la méthode de « classification supervisée » (SVM – Séparateurs à Vastes Marges).
Après différentes phases de traitements informatiques, de post-traitements, puis de confrontations à des données terrain, le choix a été fait de retenir la classification supervisée SVM pour laquelle plus de 97% % des pixels sont correctement classés de manière automatique à l’issue du process de traitement.
Cette classification supervisée SVM, basée sur un algorithme statistique, vise à définir des règles permettant de classer des objets, ici des pixels, dans des classes à partir de variables qualitatives ou quantitatives (des valeurs de réflectance dans le cas présent) caractérisant ces objets.
Elle est donc réalisée sur une image préalablement enrichie manuellement grâce à une identification par photo-interprétation sur des zones d’intérêt (toit, zone bitumée, pelouse, arbre, eau …) afin de pouvoir disposer d'un échantillon de pixels dit d'apprentissage et dont le classement des valeurs est connu.
Cet échantillon est ensuite utilisé pour l'apprentissage des règles de classement à l’ensemble des pixels.
La méthode de classification supervisée basée sur les SVM est préférée pour l’étape de détection de végétation à la méthode des « indices de végétation » car elle permet de mieux prendre en compte certains matériaux de construction présentant une réponse radiométrique et spectrale proche de celle de la végétation ; elle s’est avérée également plus pertinente pour détecter les ombres portées.
Pour faciliter les traitements, seules deux classes ont été produites :
- Classe 1 => végétation (Arbre, pelouse, culture…)
- Classe 2 => non végétation (bâti, route, sol nu, eau…) Cette classe pourra être détaillée et caractérisée ultérieurement.
Image brute du territoire de la ville de Nantes-2012
Phase 2 - Caractérisation du couvert végétal
Une première étape dans la caractérisation du couvert végétal consiste à segmenter au sein des espaces végétalisés (identifiés en phase 1 dans le cadre de la classification supervisée SVM), les surfaces à dominantes herbacée et les surfaces à dominante arbustive et/ou arborée.
Pour caractériser ces espaces végétalisés, c’est la méthode de classification des pixels avec le NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) qui a été retenue et qui s’appliquera aux seuls espaces repérés en phase d’identification.
En effet, si la méthode de classification NDVI n’avait pas été retenue en phase d’identification en raison de sa tendance à surestimer les espaces végétalisés, cette méthode trouve toute sa pertinence dans la caractérisation d’espaces végétalisés dont le périmètre est déjà validé.
La méthode de classification NDVI s’appuie sur la notion « d’indice de végétation » et permet donc de constituer un indicateur de l’éventuelle activité chlorophyllienne des espaces observés. Cet indice (variant entre -1 et 1) se construit sur un rapport entre les niveaux d’infra rouge et de rouge présents dans l’image.
Les formations végétales ont globalement des valeurs comprises entre 0 et 1 : les valeurs les plus élevées correspondent aux couverts les plus denses et ayant donc l’activité chlorophyllienne la plus forte, les valeurs les moins élevées correspondent aux espaces à faible activité chlorophyllienne et donc aux zones de pelouses et prairies.
Une seconde phase, actuellement en cours de développement, permettra de caractériser les hauteurs de végétation et de différencier ainsi les espaces à dominante arbustive des espaces à dominante arborée sur l’ensemble du territoire de la ville de Nantes.
Caractérisation des espaces végétalisés
