Nouveau support de visualisation spatio-temporelle pour faciliter l'exploration et le partage de données environnementales : SFMN GeoSearch : un outil pour la recherche en foresterie au Canada

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

Planification de la récolte et allocation des produits aux usines

L’industrie forestière est un secteur qui, même s’il est en déclin, se trouve au cœur du débat sur la mondialisation et le développement durable. Pour de nombreux pays tels que le Canada, la Suède et le Chili, les objectifs sont de maintenir un secteur florissant sans nuire à l’environnement et en réalisant le caractère fini des ressources. Il devient important d’être compétitif et d’exploiter de manière efficace les territoires forestiers, de la récolte jusqu’à la fabrication des produits aux usines, en passant par le transport, dont les coûts augmentent rapidement. L’objectif de ce mémoire est de développer un modèle de planification tactique/opérationnelle qui permet d’ordonnancer les activités pour une année de récolte de façon à satisfaire les demandes des usines, sans perdre de vue le transport des quantités récoltées et la gestion des inventaires en usine. L’année se divise en 26 périodes de deux semaines. Nous cherchons à obtenir les horaires et l’affectation des équipes de récolte aux blocs de coupe pour une année. Le modèle mathématique développé est un problème linéaire mixte en nombres entiers dont la structure est basée sur chaque étape de la chaine d’approvisionnement forestière. Nous choisissons de le résoudre par une méthode exacte, le branch-and-bound. Nous avons pu évaluer combien la résolution directe de notre problème de planification était difficile pour les instances avec un grand nombre de périodes. Cependant l’approche des horizons roulants s’est avérée fructueuse. Grâce à elle en une journée, il est possible de planifier les activités de récolte des blocs pour l’année entière (26 périodes).

Considérer l’expérience du visiteur, une clé pour la gestion intégrée des forêts

Les forêts occidentales sont aujourd’hui de plus en plus prisées pour la pratique d’activités récréatives en milieu naturel. Dès lors, la mise en place d’une gestion intégrée des forêts est plus que jamais indispensable au maintien des conditions nécessaires à la pratique de l’ensemble des activités sur le territoire. Le Québec s’est doté d’une nouvelle législation pour répondre aux nombreux enjeux qui touchent le milieu forestier, notamment en ce qui a trait à l’harmonisation entre les activités récréatives et la production ligneuse. Dans le cadre de cette recherche, nous nous sommes intéressés au concept d’expérience du visiteur comme moyen de faciliter cette harmonisation. Il s’agissait à la fois de caractériser l’expérience de visite des utilisateurs d’un parc régional et de se questionner sur son opérationnalisation dans l’aménagement forestier. Deux méthodes qualitatives complémentaires ont été utilisées : d’une part, l’analyse de récits inscrits dans des livres d’or placés dans différents hébergements et d’autre part, des entrevues ont été conduites auprès de visiteurs rencontrés sur le site. Les résultats révèlent la pertinence de considérer l’expérience du visiteur pour favoriser une utilisation plurielle et harmonieuse du territoire forestier. Son étude permet une compréhension fine des composantes communes et spécifiques des expériences, en fonction des visiteurs. Par ailleurs, l’étude témoigne de la possibilité de mettre en relation des typologies d’expériences recherchées et les modalités d’harmonisation. Enfin, au-delà de l’expérience, le suivi de la perception de la foresterie et des représentations peut également s’avérer pertinent pour les gestionnaires.

Opportunités du REDD+ pour l'aménagement durable des forêts tropicales et obstacles à son implantation en République démocratique du Congo : perspective juridique

La situation de la forêt tropicale dans les pays en développement en général, et en République Démocratique du Congo (RDC) en particulier, est inquiétante. Les émissions de dioxyde de carbone dues au déboisement sont de l’ordre de 1,6 GtCO2e/an, soit 17% des émissions mondiales de « gaz à effet de serre ». Sous l’égide de la Convention-cadre des Nations Unies sur les changements climatiques, le REDD+ a été institué pour lutter contre cette déforestation et la dégradation des forêts. Cette étude examine les différentes opportunités qu’offre ce programme pour l’aménagement écosystémique du couvert forestier de la RDC et les obstacles contextuels à sa mise en oeuvre. Pour la RDC, le REDD+ présente un certain nombre d’opportunités : réduction des émissions liées au déboisement et à la dégradation des forêts; amorce des travaux d’afforestation et de reforestation par une gestion durable des ressources conduisant à la création des emplois et favorisant la croissance des PIB et des exports; accroissement du rendement et maintien d’une plus grande couverture des besoins alimentaires. Le REDD+ peut favoriser la croissance du Produit intérieur brut agricole. Il peut contribuer à l’électrification des ménages et réduire de moitié les dépenses des ménages dépendant de l’exploitation minière et des hydrocarbures et, ainsi, générer des milliers d’emplois en infrastructures. Pour les populations locales et autochtones, il peut contribuer aussi à protéger et à valoriser les cultures liées à la forêt. Mais, face aux pesanteurs d’ordre juridique, politique, social, économique, technologique et culturel caractéristiques de ce pays, ces opportunités risquent d’être amenuisées, sinon annihilées. Étant donné que l’essentiel du déploiement du dispositif du REDD+ se réalisera dans les zones rurales congolaises, l’obstacle majeur reste le droit coutumier. La solution serait d’harmoniser les exigences et finalités du REDD+ non seulement avec le Code forestier de 2002 et ses mesures d’exécution mais aussi avec le droit coutumier auquel les communautés locales et autochtones s’identifient.

La gestion des forêts royales en Normandie à la fin du Moyen Âge : étude du Coutumier d’Hector de Chartres

Au début du XVe siècle, les forêts domaniales devinrent un enjeu majeur dans les affaires du royaume de France. Gérées par l’administration des Eaux et Forêts, elles furent sur ordre du roi l’objet d’une surveillance particulière. L’étude du Coutumier d’Hector de Chartres, un registre du XVe siècle consignant les droits d’usage de centaines d’usagers des forêts du domaine normand de Charles VI, révèle la place que ces dernières occupaient dans la société en France dans les derniers siècles du Moyen Âge. D’une part, le Coutumier démontre qu’elles étaient non seulement importantes dans l’économie de la province mais qu’elles jouaient aussi un rôle essentiel dans la vie autant à la campagne que dans les villes. D’autre part, avec l’analyse des ordonnances forestières du XIVe siècle et du début du XVe siècle, il illustre comment elles furent d’une importance capitale pour le roi puisque ce dernier y prenait le bois nécessaire à la construction de sa marine et à l’entretien de ses forteresses normandes et qu’il en tirait d’importants revenus dans un contexte d’hostilités avec l’Angleterre. Ainsi, une relation de réciprocité bénéfique pour le roi et les usagers s’installa à travers un complexe système d’usages et de redevances. En cherchant à protéger ces bénéfices, les rois de France tentèrent de gérer adéquatement leurs forêts, établissant ainsi les jalons d’une foresterie durable tournée vers la préservation des ressources sylvicoles et se posant en gardiens du bien commun.

Optimization models and methods for real-time transportation planning in forestry

Lors du transport du bois de la forêt vers les usines, de nombreux événements imprévus peuvent se produire, événements qui perturbent les trajets prévus (par exemple, en raison des conditions météo, des feux de forêt, de la présence de nouveaux chargements, etc.). Lorsque de tels événements ne sont connus que durant un trajet, le camion qui accomplit ce trajet doit être détourné vers un chemin alternatif. En l’absence d’informations sur un tel chemin, le chauffeur du camion est susceptible de choisir un chemin alternatif inutilement long ou pire, qui est lui-même "fermé" suite à un événement imprévu. Il est donc essentiel de fournir aux chauffeurs des informations en temps réel, en particulier des suggestions de chemins alternatifs lorsqu’une route prévue s’avère impraticable. Les possibilités de recours en cas d’imprévus dépendent des caractéristiques de la chaîne logistique étudiée comme la présence de camions auto-chargeurs et la politique de gestion du transport. Nous présentons trois articles traitant de contextes d’application différents ainsi que des modèles et des méthodes de résolution adaptés à chacun des contextes. Dans le premier article, les chauffeurs de camion disposent de l’ensemble du plan hebdomadaire de la semaine en cours. Dans ce contexte, tous les efforts doivent être faits pour minimiser les changements apportés au plan initial. Bien que la flotte de camions soit homogène, il y a un ordre de priorité des chauffeurs. Les plus prioritaires obtiennent les volumes de travail les plus importants. Minimiser les changements dans leurs plans est également une priorité. Étant donné que les conséquences des événements imprévus sur le plan de transport sont essentiellement des annulations et/ou des retards de certains voyages, l’approche proposée traite d’abord l’annulation et le retard d’un seul voyage, puis elle est généralisée pour traiter des événements plus complexes. Dans cette ap- proche, nous essayons de re-planifier les voyages impactés durant la même semaine de telle sorte qu’une chargeuse soit libre au moment de l’arrivée du camion à la fois au site forestier et à l’usine. De cette façon, les voyages des autres camions ne seront pas mo- difiés. Cette approche fournit aux répartiteurs des plans alternatifs en quelques secondes. De meilleures solutions pourraient être obtenues si le répartiteur était autorisé à apporter plus de modifications au plan initial. Dans le second article, nous considérons un contexte où un seul voyage à la fois est communiqué aux chauffeurs. Le répartiteur attend jusqu’à ce que le chauffeur termine son voyage avant de lui révéler le prochain voyage. Ce contexte est plus souple et offre plus de possibilités de recours en cas d’imprévus. En plus, le problème hebdomadaire peut être divisé en des problèmes quotidiens, puisque la demande est quotidienne et les usines sont ouvertes pendant des périodes limitées durant la journée. Nous utilisons un modèle de programmation mathématique basé sur un réseau espace-temps pour réagir aux perturbations. Bien que ces dernières puissent avoir des effets différents sur le plan de transport initial, une caractéristique clé du modèle proposé est qu’il reste valable pour traiter tous les imprévus, quelle que soit leur nature. En effet, l’impact de ces événements est capturé dans le réseau espace-temps et dans les paramètres d’entrée plutôt que dans le modèle lui-même. Le modèle est résolu pour la journée en cours chaque fois qu’un événement imprévu est révélé. Dans le dernier article, la flotte de camions est hétérogène, comprenant des camions avec des chargeuses à bord. La configuration des routes de ces camions est différente de celle des camions réguliers, car ils ne doivent pas être synchronisés avec les chargeuses. Nous utilisons un modèle mathématique où les colonnes peuvent être facilement et naturellement interprétées comme des itinéraires de camions. Nous résolvons ce modèle en utilisant la génération de colonnes. Dans un premier temps, nous relaxons l’intégralité des variables de décision et nous considérons seulement un sous-ensemble des itinéraires réalisables. Les itinéraires avec un potentiel d’amélioration de la solution courante sont ajoutés au modèle de manière itérative. Un réseau espace-temps est utilisé à la fois pour représenter les impacts des événements imprévus et pour générer ces itinéraires. La solution obtenue est généralement fractionnaire et un algorithme de branch-and-price est utilisé pour trouver des solutions entières. Plusieurs scénarios de perturbation ont été développés pour tester l’approche proposée sur des études de cas provenant de l’industrie forestière canadienne et les résultats numériques sont présentés pour les trois contextes.

L’épave du Machault, 1760 : entre tradition et innovation.

Cette étude s’intéresse à l’industrie de la construction navale pour le milieu du XVIIIe siècle en France dans la région de Bayonne. L’objectif est de documenter la relation qu’entretiennent les pratiques de construction traditionnelles et innovatrices à cette période. L’architecture de la frégate le Machault est au cœur de cette analyse. Construit en 1757 à Bayonne et perdu en 1760, le Machault a été fouillé, documenté et parallèlement récupéré par les archéologues de Parcs Canada entre 1969 et 1972 à Ristigouche dans la baie des Chaleurs, Québec. Cette étude constitue la première analyse architecturale approfondie menée sur ces vestiges. L’analyse est réalisée en trois temps qui correspondent aux trois grandes étapes de la chaine opératoire de la construction du navire. Tout d’abord, il est question d’aborder l’aspect de la foresterie afin de saisir la nature de la ressource forestière mobilisée pour la construction de la frégate. Ensuite, ce mémoire se penche sur la conception architecturale des navires qui renvoie à un aspect plus théorique, car il relève de la façon dont les formes du navire ont été « pensées ». Enfin, la charpenterie est abordée afin de saisir la séquence d’assemblage du navire. Ensemble, ces trois grands aspects dressent un portrait général de la construction navale pour la région de Bayonne au milieu du XVIIIe siècle.