Evaluation of forest stand vitality decrease using satellite images time series : application on south Massif Central mountains coniferous stands and Pyrenean silver fir stands

Une tendance à l’augmentation des dépérissements forestiers est observée et risque de s’accentuer dans le contexte actuel de changement climatique. La télédétection peut proposer des méthodes innovantes pour l’évaluation de l’état et du devenir des écosystèmes forestiers. Ce travail de thèse vise à proposer, valider et interpréter des mesures de baisse d’activité des résineux du Sud du Massif-Central et de la sapinière pyrénéenne. Le premier objectif est, par l’utilisation de séries temporelles d’images à moyenne résolution spatiale (images NDVI-MODIS), d’identifier les méthodes permettant de mesurer des baisses d’activité, et de vérifier qu’elles correspondent à des baisses de vitalité, dans des peuplements où se manifestent des phénomènes de dépérissement. La détection de changement d’activité, que l’on peut assimiler à des perturbations, repose sur deux approches : la première mesure des écarts ou des tendances de paramètres de phénologie de surface et la deuxième utilise une procédure de décomposition de la série temporelle. Les mesures de changement ont été réalisées sur la période 2000-2011. La détection des ruptures négatives et de forte amplitude dans la réponse de NDVI de 2003 à 2011 confirme l’influence de la sècheresse de 2003, qui se traduit à la fois par les baisses d’activité liées à l’état des arbres mais également par des coupes de dépérissement qui se sont succédées les années suivantes. Un travail préliminaire à l’étape de validation des baisses de vitalité détectées, a consisté à proposer et appliquer un modèle de détection des coupes afin d’éliminer ces situations des zones d’observation. Une procédure de validation des baisses de vitalité a été mise en place dans le cas de la sapinière des Pyrénées. Pour cela, deux approches ont été utilisées : (1) la confrontation à des données indirectes de l’état des peuplements mais spatialement exhaustives, à travers les inventaires des coupes de dépérissement sur la période 2000-2012 et une cartographie du dépérissement datant de 2001 et (2) la confrontation à des données d’observations directes de l’état des Sapins dans le Pays de Sault (Est des Pyrénées), en utilisant une méthode de diagnostic basée sur l’architecture des arbres (méthode ARCHI), avec un échantillonnage adapté à l’échelle des pixels MODIS (Lambert et al. 2013). Des relations ont été mises en évidence, permettant de valider les méthodes utilisées, mais aussi d’en ressortir des limites d’interprétation. Enfin, pour donner des éléments d’interprétation des phénomènes observés, les variations d’activité observées par télédétection ont été confrontées à des données climatiques et édaphiques spatialisées, adaptées à l’étude des milieux forestiers. Les résultats montrent que les baisses de vitalité constatées dans les peuplements de Sapins du Pays de Sault sont significativement corrélées au facteur climatique température et dans une moindre mesure, aux précipitations. Dans les Pyrénées Centrales, où les facteurs de causalité semblent être multiples, l’influence des conditions de sècheresse hydrique et édaphique n’a pas pu être démontrée.An increasing trend of forest decline is observed and is likely to increase in the current context of climate change. Remote sensing can provide innovative methods for the forest ecosystems status assessment. This thesis aims at proposing, validating and interpreting activity measurements of some Southern Massif Central and Pyrenees mountains coniferous stands. The first objective is, using of time series of medium spatial resolution (MODIS-NDVI) images, to identify methods to measure decreases of activity, and to verify if they correspond to vitality decreases in stands in which has been observed forest decline. Change detection of activity, which can be considered as disturbances, is based on two approaches: the first allows to measure differences or trends of phenology surface parameters, and the second uses a method based on the time series decomposition. Changes that occur during the 2000-2011 times-period were measured. The detection of high magnitude negative breakpoints in NDVI time series from 2003 to 2011 confirms the influence of the 2003 summer drought, which both led to decreases in activity related to trees heath status and also to clear-cuts during the following years. Before the validation process, a clear-cut detection method was proposed in order to eliminate these situations in the study areas. A validation procedure was implemented on Pyrenean fir stands. For this step, two approaches were implemented: (1) the use of spatially extensive state stands proxies, through cuts inventory inventories during the 2000-2012 times-period and a 2001 forest decline map, and (2) the use of data from direct tree heath’s observations in the fir stands of Pays de Sault region (Eastern Pyrenees) using a diagnostic method based on the observation of tree architecture (ARCHI method). For this second approach, an appropriate sampling was assessed to deal with the MODIS pixels scale (Lambert et al. 2013). Relationships have been identified, allowing to validate the used methods, but also to highlight theirs interpretation’s limits. Finally, to provide an interpretation of the observed phenomena, the remote sensing activity variations were compared to climatic and soil spatial data which are adapted to the study of forest environments. The results show that vitality declines in Pays de Sault fir stands are significantly correlated with climatic factors, temperature and to a lesser degree to precipitations. In the Central Pyrenees, where the causal factors appear to be numerous, the influence of water and soil drought conditions has not been demonstrated