Projet de cartographie nationale des milieux humides – Rapport méthodologique de la prélocalisation des milieux et des zones humides, de la cartographie des habitats et de l’évaluation des fonctions - Réseau télédétection INRAE Access content directly
Reports (Technical Report) Year : 2023

Projet de cartographie nationale des milieux humides – Rapport méthodologique de la prélocalisation des milieux et des zones humides, de la cartographie des habitats et de l’évaluation des fonctions

Abstract

Background and Objectives: While numerous challenges are related to wetlands management, there is an ongoing demand for a robust and comprehensive national map of these ecosystems. In this context, the objectives of this study are to locate, delineate and characterize wetlands across mainland France, with the aim of developing a baseline map layer at 1:10,000 scale (equivalent to 5-meter spatial resolution) for stakeholders and wetlands practitioners. The approach developed to achieve these objectives encompasses three steps: 1) delineation of wetlands over the entire French mainland territory; 2) mapping of semi-natural and human-made habitats within the potential wetlands layer in 10 watersheds; 3) calculation of functional indicators from satellite imagery on the 10 selected watersheds in collaboration with local stakeholders. The originality and innovative aspect of this approach lies in the combination of both exclusive use of open field and remote sensing data, using artificial intelligence (AI) algorithms, and the collaboration between the study authors and local stakeholders involved in wetland management. Step 1 - location and delineation of wetlands at the national scale: This operational step involves five environmental variables characterizing topography, hydro-system networks, and parental material (geology). Soil and flora field measurements were derived from archive databases and combined with the environmental variables to evaluate the probability of 5-meter resolution pixels belonging to wetlands and their presence/absence using an AI-based random forest model and experts knowledge. The accuracy of the wetland maps was assessed using independent field data collected in 2021 and 2022. The final result was also compared to 10 other existing global, European, or national similar wetland products. The probability map highlights the wetness gradient and the fine spatial pattern of wetlands (PR-AUC of 0.79). The presence/absence map of wetland is significantly more accurate (F1-score of 0.73) than existing similar layers. A combination of our wetland maps with a 2020 land-use / land-cover map and a map of protected areas in France also enables us to determine that approximately half of the wetland area has been degraded or lost due to agricultural intensification and urban sprawl. We also found that 90% of the wetlands impacted by these changes do not benefit from any protection. Step 2 - Mapping semi-natural and anthropogenic habitats within wetland in 10 pilot watersheds: The five environmental variables used in step 1 were combined with a vegetation height variable and spectral variables derived from satellite time series. These variables were then crossed with field measurements from archive databases to map habitats according to the EUNIS level 3 classification system in the 10 pilot watersheds using a random forest algorithm. The accuracy of the habitat map was evaluated by cross-validation. Results reveal: (1) substantial inter- and intra-habitat variability in modelling accuracy; (2) a decrease in map accuracy as the number of habitats to model increased (R² = 0.51, p-value = 0.02); (3) a minimum of one hundred field measurements per habitat was necessary to achieve satisfactory modelling accuracy (F1-score > 0.75). The probability of presence of some habitats was correctly predicted and spatialized, which enables to define conservation objectives and associated pressures for assessing, monitoring, or managing wetlands at both national or local (i.e. watershed) scales. However, the accuracy of the combined habitat map (10m) is currently insufficient for use at a very local scale (i.e. site), but will be improved following R&D work to be carried out in 2023-2024. Step 3 - Production of functional indicators: This R&D step is based on a vegetation index (NDVI) calculated from Sentinel-2 time series over two consecutive years. Three functional indicators were derived from this vegetation index across the 10 selected watersheds to emphasize the variability of functions in wetlands over time and space: NDVI-I (or "total NDVI") : primary productivity; RREL (or "NDVI regularity") : seasonality of carbon fluxes ; MMAX (or "maximum NDVI") : phenology. Results analysed at several test sites underscore the impact of meteorological conditions and management practices on the "habitat support" ecological function and the "carbon sequestration" biogeochemical function.
Contexte et objectifs : face aux multiples enjeux associés à la gestion des milieux et zones humides, le besoin d'une carte nationale précise et exhaustive de ces écosystèmes est fréquemment exprimé. Dans ce contexte, les objectifs de cette étude sont de pré-localiser et caractériser les milieux et zones humides sur l'ensemble de la France métropolitaine afin de constituer un socle cartographique au 1 :10 000ème (c’est-à-dire avec une résolution spatiale de 5 m) à destination des parties prenantes de la gestion de ces milieux. L’approche mise en œuvre pour atteindre ces objectifs comprend trois volets : 1- la pré-localisation des milieux et zones humides sur toute la métropole ; 2- la cartographie des habitats semi-naturels et anthropiques des milieux humides sur 10 bassins versants tests ; 3- la production d’indicateurs fonctionnels dérivés d’images satellitaires sur les 10 bassins versants tests en concertation avec les collectivités locales. L’originalité de cette approche repose sur l’utilisation exclusive de données terrain et de télédétection ouvertes, le recours à l'intelligence artificielle et à l’expertise des auteurs de cette étude et acteurs territoriaux impliqués dans la gestion de ces écosystèmes. Volet 1 - Pré-localisation des milieux et zones humides sur toute la métropole : Ce volet opérationnel mobilise cinq variables environnementales caractérisant la topographie, le réseau hygrographique et le matériau parental (géologie). Des relevés terrain de sol et de flore ont été extraits de bases de données (BD) d'archives et combinés aux variables environnementales pour déterminer, par intelligence artificielle et expertise, la probabilité d’appartenance de pixels d’une résolution de 5 m aux milieux et zones humides ainsi que leur présence/absence avec un modèle random forest. La précision des cartes des milieux et zones humides a été quantifiée avec de données de terrain indépendantes, collectées en 2021 et 2022. La précision de la carte des milieux humides a ensuite été comparée à celle de 10 cartes existantes de milieux ou zones humides ayant une couverture mondiale, européenne ou nationale. La carte de probabilité d’appartenance met bien en évidence le gradient humide/non humide ainsi que le patron spatial fin des milieux et zones humides (PR- AUC de 0,79 et 0,67 respectivement). La carte de présence/absence des milieux humides est significativement plus précise (F1-score de 0,73) que les cartes existantes. Une analyse comparative de cette carte avec une carte d’occupation des sols de 2020 et une carte des aires protégées souligne qu'environ la moitié de la superficie des milieux humides est dégradée en raison de l'intensification de l'agriculture et de l'étalement urbain, 10 % seulement des milieux humides dégradés étant situés dans des aires protégées. Volet 2 - Cartographie des habitats semi-naturels et anthropiques des milieux humides sur 10 bassins versants tests : Ce volet de R&D mobilise les cinq variables environnementales utilisées dans le volet 1 qui ont été combinées à une variable de hauteur de végétation et à des variables spectrales, puis croisées avec des relevés terrain issus de BD d’archives pour cartographier les habitats selon la typologie EUNIS niveau 3 dans les 10 bassins versants tests avec un modèle random forest. La précision de la carte d'habitats a été quantifiée par validation croisée. Les résultats montrent : (1) une forte variabilité inter et intra habitats de la précision de modélisation ; (2) une diminution de la précision de la carte à mesure que le nombre d’habitats à modéliser augmente (R² = 0,51, p-value = 0,02) ; (3) un minimum d’une centaine de relevés terrain par habitat est requis pour atteindre une précision de modélisation correcte (F1-score > 0,75). La probabilité de présence de certains habitats est correctement prédite et spatialisée, ce qui permet d’en déduire des objectifs de conservation ainsi que les pressions associées pour évaluer, suivre, ou gérer les milieux et zones humides à l'échelle d’un territoire ou d'un site. Toutefois, la précision de la carte combinée des habitats (10m) est à ce jour insuffisante pour être utilisée mais sera améliorée suite à des travaux de R&D qui seront réalisés en 2023-2024. Volet 3 - La production d’indicateurs fonctionnels : Ce volet de R&D repose sur un indice de végétation (NDVI) calculé à partir de séries temporelles Sentinel-2 sur deux années successives. Trois indicateurs fonctionnels ont été dérivés de cet indice de végétation sur les 10 bassins versants tests afin de souligner la variabilité des fonctions des milieux humides prélocalisés dans le temps et l'espace : NDVI-I (ou « NDVI total »): productivité primaire ; RREL (ou « NDVI régularité »: saisonnalité des flux de carbone ; MMAX (ou « NDVI max ») : phénologie. Les résultats analysés sur quelques sites tests soulignent les effets de la météorologie et des modes de gestion sur la fonction écologique « support de l’habitat » et la fonction biogéochimique « séquestration du carbone ».
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  • HAL Id : mnhn-04292468 , version 1

Cite

Sébastien Rapinel, Léa Panhelleux, Blandine Lemercier, François Chambaud, Guillaume Gayet, et al.. Projet de cartographie nationale des milieux humides – Rapport méthodologique de la prélocalisation des milieux et des zones humides, de la cartographie des habitats et de l’évaluation des fonctions. Patrinat (OFB-MNHN-CNRS-IRD). 2023. ⟨mnhn-04292468⟩
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