Characterization and development of a monitoring tool of oasis basins and their surroundings by remote sensing and geographic information system

Located in semi-arid zone, oasis basins of east-central Niger are high potential agroecosystems. They represent the last areas where farming is possible throughout the year. These oasis basins have experienced many investments from several NGOs and projects in these recent years. However, the oasis basins are still unknown and / underused by development actors due to their extreme diversity and also due to their huge number. This thesis aims to: • Evaluate the performance of three image classification methods in detecting these oasian basins in the Department of Goure. The methods are pixel analysis, textural analysis and object analysis. They are applied to SPOT 5-THX 2.5 m resolution images. • Characterize the oasis basins shape with two morphological indices (the compactness index of Gravelius and the fractal dimension) as well as their orientations while using the sectors of the wind rose as benchmarks; • Assess constraints and opportunities related to landscape units of oasis basins and their surroundings for all the oasis basins in the Department of Gouré. Based on the area of these landscape units, spatial indicators of oasis basins characterization were developed. • Trace the history of the occupation of the oasis basins and their surroundings back to the past. The analyzes are carried out at three periods with Landsat 5-TM images in 1984, SPOT 3 images in 1996 and SPOT 5-THX images in 2013. • Plan to develop oasis basins degradation monitoring tools in the study area. Evaluation of the results shows that the approach by object analysis (global precision was 97.12%, Kappa coefficient was equal to 0.97) is more efficient than the textural method (overall precision was 89.61%, Kappa coefficient was equal to 0.90) and the pixel-based approach (overall precision was 80.58%, Kappa coefficient was equal to 0.80). A first original information, namely the number, the position and the surface of all the oasis basins on the study area is provided. The total number of oasis basins in the Department of Gouré is estimated to 10717.The inventory of these resources is a first compulsory step for the morphological characterization of oasian basins and for the evaluation of their agricultural potential. The shape index of Gravelius helped highlight circular oasis basins (9%), ovoid (47%), amoeboid (11%), stretched (18%) and very stretched or stretched-amoeboid (16%). The fractal dimension allowed making three classes of basin according to the degree of smoothness of their contours by the wind: very smoothed (39%), smoothed (50%) and moderately smoothed (10%). Herein, the smoothing is interpreted as an indicator of the eolization of the peripheries of the oasis basins. Finally, the determination of the orientation of the main axis of the basins has identified four major areas: EW (23%), NS (21%) NE-SW (22%) and SE-NW (34%). These morphological and orientation analyzes applied for the first time to all the oasis basins of the Department of Gouré offer evidence for understanding the processes of silting the oasis basins in this zone. Analysis of the agricultural potential indicators shows that the oasis basins are multi-purpose spaces, with large skills in arboriculture, market gardens, natron and forestry according to geomorphologic units. In the study area corresponding to the Department of Goure (Niger), the percentage of cropland is low for 45.8% of the oasis basins and high to very high for 3.9%. The percentage of woodland is very high for 61.6% of the oasis basins which represents 51.4% of the area. Oasis basins with natron bare soil and/or shallow or surface groundwater represent 17.6% of oasis basins. For risk indicators of degradation, they show that 3.3% and 0.5% of oasis basins have respectively high and very high risks of getting covered with sand in a medium-term period. Regarding the short-term period, the risk of getting sand dune encroachment is high and very high for 3% and 0.8% of the oasis basins, respectively. Concerning the recent evolution in this environment, the areas of the oasis basins range from 46783 ha in 1984 to 34553 ha in 2013, transiting to 40831 ha in 1996. Unlike the area of declining cuvettes, their number increased from 1984 (8911) to 2013 (10717). This is partly explained by the different resolutions of the satellite images used, but especially by the fragmentation of certain basins due to their degradation and the creation of new ones by wind erosion. This dynamic is accentuated by the human occupation of the landscapes. The surroundings of the oasis basins and dry valleys often made up of dune buildings are increasingly occupied by rain-fed crops, which expose them to erosion. In 1984, dunes and dry valleys with rainfed crops represented 295697 ha, whereas in 1996 and 2013 they occupied 368153 ha and 423876 ha respectively. The geographic information systems have allowed observing and following all the oasis basins. This system, designed using UML, has not only put the relationships between indicators of recoverable potential and degradation and additional information collected in the field (village market, biological fixation zone and Mechanical dunes) but also made easy access to these indicators through a computer interface. Through queries on the database, the very high threaten oasis basins requiring urgent action for their conservation have been identified as well as predictors of the level of exploitation of oasis basins.Situées en zone semi-aride, les cuvettes oasiennes du centre-est du Niger sont des agro-écosystèmes à hautes potentialités. C’est seulement à l’intérieur de ces dernières que l’agriculture est possible durant toute l’année. Ces cuvettes oasiennes ont connu de nombreux investissements de la part de plusieurs ONGs et projets au cours des dernières années. Cependant, elles sont souvent peu connues par ces acteurs du développement du fait de leur grand nombre et de leur extrême diversité. Cette thèse cherche à réduire cette méconnaissance à travers les activités suivantes: • évaluer les performances de trois méthodes de classification d’images appliquées à la détection de ces cuvettes oasiennes dans le Département de Gouré. Ces méthodes sont l’analyse pixellaire, l’analyse texturale et l’analyse par objet. Elles sont appliquées à des images SPOT 5-THX de 2.5 m de résolution ; • caractériser la forme des cuvettes oasiennes avec deux indices morphologiques (l’indice de compacité de Gravelius et l’indice fractale de leurs contours) ainsi que leurs orientations en utilisant les secteurs de la rose de vent comme repères ; • évaluer les contraintes et potentialités liées aux unités de paysage des cuvettes et de leurs alentours pour l’ensemble des cuvettes oasiennes à partir des extensions de ces unités de paysage, élaborer des indicateurs spatiaux de caractérisation des cuvettes ; • analyser la dynamique de l’occupation des sols de cuvettes oasiennes et de leurs alentours en utilisant les images Landsat 5-TM de 1984, les images SPOT 3 de 1996 et les images SPOT 5-THX de 2013. • proposer un outil de monitoring et une esquisse de système expert orienté à partir des données récoltées par ce biais sur l’ensemble des cuvettes de la zone d’étude. L’évaluation des résultats montre que l’approche par objet (précision globale égale à 97.12%, coefficient Kappa égal à 0.97) est plus performante que celles utilisant la texture (précision globale égale à 89.61%, coefficient Kappa égal à 0,90) et l’analyse par pixel (précision globale égale à 80.58 %, coefficient Kappa égal à 0.80). Une première information originale, à savoir le nombre, la position et la surface de l’ensemble des cuvettes sur la zone d’étude est fournie. Le nombre total de cuvettes oasiennes dans le Département de Gouré est ainsi estimé à 10717. Cet inventaire de ces lieux stocks de ressources est une première étape obligatoire pour leur caractérisation morphologique et pour l’évaluation de leurs potentialités agricoles. L’indice de forme de Gravelius met en évidence une certaine diversité de leurs contours : des cuvettes circulaires (9%), ovales (47%), amiboïdes (11%), étirées (18%) et très étirées ou étirées-amiboïdes (16%). La dimension fractale permet de distinguer trois classes de cuvette selon le degré de lissage de ces contours : très lissées (39%), lissées (50%) et moyennement lissées (10%). Le lissage est interprété ici comme un indicateur d’éolisation des pourtours des cuvettes. Enfin la détermination de l’orientation des grands axes des cuvettes a permis d’identifier quatre secteurs majeurs : E-W (23%), N-S (21%), NE-SW (22%) et SE-NW (34%). Ces analyses morphologiques et d’orientation appliquées pour la première fois à l’ensemble des cuvettes oasiennes du Département de Gouré offrent des éléments permettant de comprendre les processus d’ensablement des cuvettes oasiennes dans cette zone. L’analyse des indicateurs des potentialités naturelles à la mise en valeur agricole montre que les cuvettes oasiennes sont des espaces multi-usages, avec des aptitudes en arboriculture, maraîchage, en natron et en foresterie selon les unités géomorphologiques. Le pourcentage des surfaces cultivables est faible pour 45.8% des cuvettes et fort à très fort pour seulement 3.9 %. Celui des surfaces boisées est très fort sur 61.6 % des cuvettes soit 51.4 % en superficie. Les cuvettes possédant un sol nu à natron et/ou une nappe d’eau affleurante représentent 17.6 % des cuvettes. Quant aux indicateurs de risque de dégradation, ils montrent que 3.3 % et 0.5 % des cuvettes ont respectivement une menace d’ensablement fort et très fort à moyen terme. Alors qu’à terme immédiat, c’est respectivement 3% et 0.8 % des cuvettes dont la menace d’ensablement est fort et très fort. Concernant l’évolution récente de ces milieux, les superficies des cuvettes oasiennes ont régressé de 46783 ha en 1984, à 40831 ha en 1996 et 34553 ha en 2013. Inversement, leur nombre a augmenté de 1984 (8911) à 2013 (10717). Ceci s’explique certes pour partie par les résolutions différentes des images satellitaires utilisées, mais surtout par la fragmentation de certaines cuvettes du fait de leur dégradation et la création de nouvelles cuvettes par l’érosion éolienne. Cette dynamique est accentuée par celle de l’occupation humaine des paysages. Les abords des cuvettes et des vallées sèches constitués souvent d’édifices dunaires sont de plus en plus occupés par les cultures pluviales qui les exposent davantage à l’érosion. En 1984, les édifices dunaires et vallées sèches à culture pluviale représentent 295697 ha alors, qu’en 1996 et 2013, elles occupent respectivement 368153 ha et 423876 ha. Les systèmes d’information à référence spatiale esquissés permettent d’observer et de suivre la totalité des cuvettes oasiennes. Ce système, conçu en utilisant le langage UML, a permis non seulement d’établir des relations entre les indicateurs de potentiel valorisable et de dégradation mais aussi des informations supplémentaires récoltées sur le terrain (village, marché, zone de fixation biologique et mécanique des dunes). Ils offrent un accès aisé à ces indicateurs grâce à une interface informatique. À travers des requêtes sur cette base de données, les cuvettes à menace très forte nécessitant une intervention urgente pour leur conservation ont été mises en évidence ainsi que les variables explicatives du niveau d’exploitation des cuvettes.Préservation des cuvettes oasiennes et de leur rôle socio-économique dans le sud-est du Nige