Multiscale analysis of spatio-temporal vegetation dynamics using remote sensing data : application to the malagasy landscapes

Bien que le feu soit reconnu comme un facteur d’influence dans la dynamique de végétation des savanes, son rôle n’est pas clairement défini. Cette thèse aborde le problème de l’étude de la relation entre l’usage des feux et la dynamique de végétation. L’approche choisie repose sur l’analyse de séries temporelles d’images de télédétection à moyenne résolution spatiale. Les savanes étudiées sont situées sur le bassin versant de Marovoay au nord-ouest de Madagascar. Dans la mesure où il n’existe pas de consensus quant aux méthodes à utiliser, les savanes de Madagascar offrent un contexte particulier, en raison de la dégradation très prononcée du couvert végétal et des changements recherchés, pour tester les méthodes existantes et en proposer des nouvelles. Le premier objectif de ce travail est d’identifier le régime des feux à travers le suivi des variations spatio-temporelles des surfaces brûlées en milieu de savane. Pour cela, une méthode de cartographie des surfaces brûlées a été développée : elle est basée sur le calcul d’un indicateur annuel indiquant le passage d’un feu pendant la saison sèche et d’un indicateur saisonnier traduisant la période de passage du feu. Cette méthode, appliquée au site d’étude, a permis de produire une série temporelle de données utilisées pour caractériser le régime des feux à partir de deux paramètres, la période d’occurrence et la fréquence de passage du feu. En parallèle, le deuxième objectif consiste à caractériser la dynamique de végétation par l’analyse des variations spatio-temporelles de l’activité végétale. Deux approches de détection des changements, basées sur le traitement de série temporelle de NDVI, ont été testées. La première repose sur l’analyse des variations inter annuelles d’un indicateur phénologique traduisant l’activité végétale pendant la phase de croissance des savanes. La deuxième utilise une technique de décomposition temporelle pour extraire la tendance d’une série de NDVI. Dans les deux cas, les résultats ont permis de caractériser la dynamique de végétation à travers trois classes d’évolution de l’activité végétale (séries progressive, régressive ou stable). Ces résultats ont été évalués par comparaison avec ceux issus de techniques de détection des changements basées sur l’analyse diachronique d’images à haute résolution spatiale. Enfin, dans la dernière étape du travail, nous avons étudié les relations entre les informations relatives aux régimes des feux et à la dynamique de végétation en utilisant des modèles de régression multivariée. L’objectif est d’estimer l’importance et le rôle du feu dans la dynamique de végétation. Les résultats ont amené à trois conclusions : a) Le feu est un facteur de maintien des savanes ; b) Dans les situations où la pression liée aux activités anthropiques est faible, le feu, en particulier par la fréquence de son usage, est un facteur déterminant de la dynamique de végétation ; c) Dans les autres situations, l’interprétation des résultats est complexe et difficile, très certainement en raison de l’interaction de multiples facteurs anthropiques.Fire is recognized to be an essential factor that explains savanna vegetation dynamics. But its role is not clearly defined. This work investigates the problem of studying the relation between fire usage and vegetation dynamic. This is addressed through the analysis of time series of medium spatial resolution remotely sensed images. We studied the savanna localized on the Marovoay watershed, on the northwest part of Madagascar. As no consensus exists on the adapted methods, the savanna of Madagascar offers a particular context to test existing methods or develop new ones, because of the advanced vegetation cover degradation and the nature of change to be detected. The first objective of this work is to identify fire regime by analyzing the spatio-temporal variations of burned areas in savanna areas. To this end, a burned area mapping method was developed. It is based on the definition of an annual indicator, which indicates the occurrence of a fire during the dry season, and a seasonal indicator, which gives the information on the date of the fire event. Applied to the study site, this method has lead to the production of a time series of data used for the characterization of the fire regime through two parameters, the period of occurrence and the frequency of fire. In parallel, the second objective consists on characterizing vegetation dynamic by monitoring spatiotemporal variations of vegetation activity. Two change detection approaches based on NDVI time series, were tested. The first consists on analyzing the inter annual variations of a phenological indicator related to vegetation activity during the active growth season. The second uses a temporal decomposition technique to extract the trend from an NDVI time series. In both cases, the vegetation dynamic is characterized through three classes linked to the evolution of the vegetation activity (progressive, regressive or stable series). Results were evaluated by a comparison with the results obtained from a diachronic change detection technique based of high spatial resolution images. Finally, in the last part of this work, we investigated the relation between fire regimes and vegetation activity change classes using multivariate regression models. The objective is to analyze to determine the importance and the role of fire into the vegetation dynamic. Results leaded to three conclusions: a) Fire is a factor that maintains savanna; b) In areas where pressure due to anthropogenic activities is low, fire frequency represents a determinant factor to explain vegetation dynamic; c) In others areas, the interpretation of results appears to be complex and difficult, probably because of the high level of interactions between multiple environmental factors