Digitalisation et géoréférencement des cartes topographiques

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Récifs coralliens

Les édifices coralliens, dans leur forme de vie primitive, datent d’au moins 500 millions d’années. Largement présents dans les eaux marines chaudes etpeu profondes, ils se sont construits à partir de l’accumulation progressive d’exosquelettes calcique s de coraux, d’algues rouges et de mollusques. Ces dernières forment ce qu’on appelle les hermatypes. La côte malgache s’étend sur près de 5000km et la longueur estimée de tous les récifs (y compris les récifs frangeants, les plates-formes et les récifs submergés et émergents) est de 3459km (Cookeet al., 2003). Les recensements dénombrent à 380 le nombre total d’espèces de coraux à Madagascar (ce q ui représente le plus grand nombre d’espèces jamais recensées dans l’Océan Indien Occidental) dont un genre endémique Horastrea et au moins 8 espèces qui n’ont été recensées nulle part (McKennaet Gerald, 2006). Les formations récifales de Tuléar forment un ensemble corallien d’une longueur totale de 300km ce qui en fait la troisième barrière récifale du monde. Cet ensemble comprend :les récifs frangeants directement accolés au littoral ; les récifs internes se trouvant à l’intérieur des lagons et les récifs barrières séparésu dlittoral par un lagon. Si la zone au Nord d’Onilahy est caractérisée par l’existence du Grand récif de Tuléart e l’existence des récifs internes, la zone allant d’Androka vers Anakao est caractérisée par une frangede récif étroit qui longe la côte avec une étroite lagune.

Faune associée au récif

La faune associée aux coraux sont les Mollusques, les Tuniciers, les Crustacés, les Echinodermes, les poissons des récifs typiques et aux couleurs vives tels que les poissons-hachettes (Chromis spp.), les poissons-demoiselles (Dascyllus spp.), les poissons-papillons (Heniochus spp.) et les poissons-perroquets (Scarus spp.). Des oursins de mer (Diadema spp), des algues sont aussi trouvés sur le récif rocheux (Pichon, 1964).

Milieu physique

Climatologie

Le climat de la région est de type tropical subaride marqué par deux saisons : fraîche et sèche d’avril à octobre, chaude et humide de novembre à mars. La te mpérature moyenne annuelle de l’air dépasse 24°C et l’insolation est élevée (~3600 h an-1), avec un maximum en octobre. Pour les eaux de surface, les alternances entre la saison chaude et la saison fraîche sont synchrones de celles des températures de l’air. En effet, l’évolution des températures de surface n’est pas imputable à la circulation océanique (Piton et Magnier, 1975), car il n’existe ni front thermique ni upwelling permanent qui pourraient entraîner ce refroidissement. Les précipitations, très variables, sont faibles (< 400 mm an-1) et surviennent surtout entre décembre et février.

Hydrographie

Trois fleuves ont leur estuaire dans cette région:
Fiherenana qui se jette dans la mer en amont de Tuléar dans une zone basse où le lit n’est pas encore stabilisé, après avoir parcouru 200 km environ et couvert 7 600km2 ;
Onilahy au Nord d’Anakao qui mesure 400 km de long depuis la source du Mangoky, l’Imaloto et la Lalana parcourent 242 km jusqu’au c onfluent avec 32 000km2 de bassin versant ;
Milieu d’étude
Menarandra à l’extrême Sud de la zone d’étude fait235 km et draine près de 8 350 km2 de bassin versant, elle sépare entre autre la région ed Beloha et d’Ampanihy ;
La rivière Linta, moins bien alimentée, draine un bassin plus petit 5 800 km, elle se jette à l’Est d’Androka après avoir parcouru 173 km.
Par leur forte charge sédimentaire, ils contrôlent le fonctionnement des producteurs primaires du milieu récifal. Leurs régimes hydrologiques sont soumis à une forte variabilité saisonnière et interannuelle.

Océanographie

Les marées sont semidiurnes avec une alternance de vives et mortes eaux suivant la lune, le marnage moyen est de 2m et le maximum est de 3,20m (Ratsifandrihamanana, 2010). Une conséquence importante de la forte amplitude des marées dans larégion de Tuléar réside dans le fait que pendantesl périodes de vives eaux, le platier récifal émerge chaqueà basse mer de deux à trois heures (Arfi et al., 2006; Ratsifandrihamanana, 2010).
Protégée des Alizés par la masse montagneuse des hauts plateaux, la région de Tuléar est soumise par un vent de Sud-ouest au cours de la majeure partie de l’année. Ces vents se renforcent pendant la saison fraîche, surtout l’après midi soulevant ainsi une mer agitée.

Milieu humain

Population

La plaine côtière Mahafaly est une zone très enclavée avec une faible densitéhumaine. Les villages côtiers sont surtout peuplés par quatre ethnies différentes : les Vezo, les Tanalana, les Mahafaly et les Antandroy.
Les conditions de vie dans les villages sont précaires : grandes difficultés d’approvisionnement en eau douce notamment à Beheloka, abandon d’un certain nombre de services publics comme l’hôpital d’Itampolo.
La moitié de la population est adepte des religionstraditionnelles, l’autre se partage entre catholicisme et protestantisme.
Comme dans toutes les régions malgaches, la population est jeune. Les individus ayant un âge inférieurs à celle de la majorité représentent prèsde la moitié de la population (48,7%). Les ménages nucléaires sont les plus nombreux ; ils sont peu souvent élargis à d’autres membres. Ce fait, ainsi que le grand nombre de ménages unipersonnels montrent que les jeunes gens quittent tôt le foyer parental. Une proportion relativement importante des ménagesest dirigée par une femme (MADIO, 1995).

Création de masque

Un masquage du milieu terrestre a été réalisé pour travailler sur le milieu marin afin de simplifier les opérations et de réduire les erreurs de classification. Ces deux milieux présentent des caractéristiques spectrales bien distinctes liées à la présence d’eau. Le bande SWIR n’ayant quasiment aucune pénétration dans l’eau a permis de séparer l’eau de la terre mais l’existence de nombreux milieux inondés et des fleuves bordant cette zone a compliqué la création du masque.
Il est également possible, pour une zone qui aurait tendance à être très confuse au niveau de l’information, de définir un masque. Ce masque isole la zone prédéfinie, du calcul des matrices de confusions, et permet ainsi d’optimiser la classification et minimiser la confusion à l’échelle d’une zone réduite, mais le résultat induit cette zone dans l’image finale classée. Le résultat de la classification d’un masque de confusion sera incrusté dans la classification originale.

Classification

La classification d’une image de télédétection consiste en une reconnaissance automatique des réflectances. L’algorithme utilisé pour classer l’image va effectuer des regroupements de pixels en fonction de leur similitude. Il est ainsi possible d’identifier automatiquement les différents thèmes d’une image (mer, plage, algueraie…). Il est possible d’effectuer une classification sur un nombre important de canaux. La rapidité des traitements diminuant avec le nombre d’informations à traiter.
Les classifications sont divisées en deux catégories : les classifications non supervisées, c’est à dire complètement automatisées et les classifications supervisées où l’utilisateur définit un certain nombre de paramètres d’ordres spatiaux ou thématiques. Entre ces deux extrêmes se trouvent la classification semi-supervisée.
La classification est semi-supervisée quand certains paramètres sont fixés par l’utilisateur en fonction du type d’image et de scène, ou que certains objets sont reconnus par l’utilisateur qui peut ainsi initialiser le processus de recherche des classes pour certaines d’entre elles.

Classification non supervisée

La classification non supervisée comme son nom l’indique consiste à segmenter une image automatiquement en se basant uniquement sur la statistique sans aucune zone d’entrainement. Les groupements de vecteurs de mesure dans l’espace de représentation ont été établis avec des critères mathématiques ou statistiques de ressemblance des valeurs considérées comme les domaines des classes. Elle utilise des algorithmes d’analyse par regroupement. Ces algorithmes déterminent automatiquement des signatures et les classifient (Bonn et Rochon, 1992).
Aujourd’hui, différents algorithmes de classification non supervisée sont couramment employés en télédétection. Les deux algorithmes les plus fréquemment utilisés sont le K-moyenne et l’algorithme ISODATA.
Ces deux algorithmes se basent sur des procédures itératives. En général, tous les deux attribuent d’abord un vecteur arbitraire initial au cluster. La deuxième étape classifie chaque pixel au cluster le
plus proche. Dans la troisième étape consiste à calculer de nouvelles moyennes sur la base de tous les pixels dans un cluster. Les deuxième et troisième étapes sont répétées jusqu’à ce que le «changement» soit faible. Le «changement» peut être défini de plusieurs manières différentes, soit en mesurant les distances entre la moyenne des clusters d’une itération à l’autre ou par le pourcentage de pixels qui ont changé entre les itérations.
L’algorithme ISODATA a quelques autres améliorations par fractionnement et la fusion des pôles et a donc été favorisée dans cette étude. Ce procédé détermine chaque signature spectrale et les regroupe au centroïde le plus proche. Il élimine les classes avec trop peu d’éléments et regroupe celles trop grandes et trop proches. Une classe peut être divisée si le nombre de classes est trop petit ou si la classe contient des éléments dissemblables.
Les paramètres d’entrées sont :
nombre de classe ;
nombre minimum d’éléments par classe ;
distance minimale entre chaque classe ;
paramètre de contrôle des subdivisions des classes ;
nombre d’itérations dans la première phase de l’algorithme ;
nombre maximum de regroupements par itération ;
nombre d’itérations maximum dans le corps de l’algorithme.
Cet algorithme est appliqué avec un nombre de classes supérieur au nombre de type de peuplements identifiés dans la bibliographie soit entre 10 à 15 classes.
Le problème de ces classifications réside dans leur interprétation. La classification attribue des étiquettes, mais le type de surface cela correspondant reste à déterminer. Aucune légende n’est donnée a priori. Il est donc nécessaire de faire suivre ce type de classification d’une étape d’interprétation afin d’attribuer une sémantique aux classes trouvées.
Cette classification automatique est indispensable à l’identification des sites d’entraînement lors de la classification supervisée.
Le traitement sous ENVI a aboutit à la réalisation d’une précarte. Elle s’est accompli à l’aide de la bibliographie existante et l’examen des autres sources d’image comme Google Earth ou les photographies aériennes disponibles.

Classification supervisée

La classification supervisée est basée sur une connaissance à priori de la zone étudiée. Toutes les méthodes supervisées comprennent deux phases : la phase d’entraînement et la phase de classification.
Lors de la première phase, à l’aide d’échantillons de pixels dont la classe d’appartenance est connue, des zones d’entraînement (ROI) pour chaque classe ont été créées. Ces zones correspondent à des échantillons représentatifs des classes. Cette étape influe fortement sur les résultats de la classification.
Dans la seconde phase, les pixels de l’ensemble de l’image sont été par comparaison de chacune d’elles avec les domaines connus. La procédure assigne à chacun des pixels de l’image l’une des types géomorphologiques ou biocénotiques.
Le choix de ces zones d’entrainement se base sur une hiérarchie de règles, prédéterminées par l’utilisateur, concernant les caractéristiques uniques à chacun des types/arrangements des récifs. Les zones seront d’abord sélectionnées suivant des critères spatiaux et géographiques puis radiométriques.
Les zones d’entrainement sont sélectionnées selon le contexte où se trouve l’objet spatialement, selon une logique de présence d’un tel type de classe ou non (par exemple : les plages ne peuvent se trouver au milieu de l’océan) et aussi en s’appuyant sur différentes couches d’informations géographiques (profondeur de l’eau, sinuosité de la côte).
De plus, les zones d’entrainement doivent être sélectionnées sur chaque image avec le souci de les regrouper par radiométrie semblable. Pour chaque classe, les zones représentatives serviront à créer un éditeur de signatures spectrales. Ensuite une analyse statistique portant sur ces noyaux permet de tester leur séparabilité afin de savoir si chacun représentait bien un ensemble de pixels aux caractéristiques spécifiques. Suivant les résultats de ces tests de séparabilité spectrale, des classes seront regroupées tandis que d’autres seront supprimées.

1.8.4 Réalisation des cartes

Le SIG permet de gérer, manipuler, analyser et saisir l’information géographique qui est présente sur ces différentes couches (topographie, réseau hydrique, réseau routier, climatologie, couvert de glace, etc.) et qui possède une référence spatiale dans le but ultime de les restituer sous forme de carte.
L’objet de cette étape du travail est de produire une carte qui soit une référence au point de vue planimétrique et qui soit également une carte détaillée présentant aussi les éléments constitutifs du système récifal.
La cartographie est l’étape au niveau de laquelle, les résultats des tâches réalisées lors des étapes précédentes convergent et sont intégrées. L’étape cartographique implique le suivi d’un processus méthodologique rigoureux et le respect des principes de cohérence qui concourent à la qualité des produits cartographiques attendus. Ce travail fait appel à des outils spécialisés comme le logiciel Arc GIS dédiés a l’exploitation de données SIG et destinés à leur restitution cartographique.
La couche d’informations « géomorphologie » représente la colonne vertébrale de la cartographie marine. C’est à cette couche « espace » que vont pouvoir être associées les autres couches d’informations « substrat » et « biocénoses » pour avoir un sens (David et al., 2008). C’est sur cette base, qu’on transformera en masque que se basera la classification de la biocénose benthique. Pour améliorer la restitution et l’analyse, les différentes cartes thématiques ont été découpées en plusieurs ensembles géomorphologique ou ensembles biocénotiques. En effet les récifs coralliens forment une étroite bande qui longe la côte, d’une largeur inférieur à 10km mais avec une longueur qui dépasse les 300km. Une restitution de l’ensemble des couches biocénotiques et géomorphologiques sur une seule carte, ne permettrait guère d’appréhender les différentes catégories.
En effet cette bande de récif se divise encore en plusieurs types, dont certaine ne sont visibles qu’à une certaine échelle.
Certaine critères doivent être établit tout de même, quant au découpage des zones géomorphologique et biocénotique. Pour être comparable, les différentes zones découpées doivent présenter la même échelle ainsi que les mêmes typologies suivant les deux thématiques présentées auparavant.

2.1.3 Précision des classifications

La précision de l’ensemble des classes est de 71,7%. Les zones à faible profondeur telles que le platier interne ou le DAR présente une précision significative avec 81,82% par rapport aux zones situées sur de moyenne profondeur avec une proportion de 68,4% pour la pente externe et 63,2% pour la pente interne.
Pour l’ensemble de la carte, l’erreur de confusion se chiffre à 30,67%. L’erreur de commission de la classe platier externe est très élevée soit 58,6%. Tandis qu’elle est faible pour les pentes récifales. Ceci peut s’expliquer par le fait que le platier externe se trouve limitrophe à de nombreuses autres classes.
La classe pente interne présente la plus forte erreur d’omissions, 36,64%. En effet, de nombreux pixels correspondant à cette classe n’ont pu être cartographiés car elle présentait le désavantage d’être longiligne, ce qui s’avère très difficile à différencier (par rapport aux classes pente externe et platier externe) lors de la sélection des zones d’entraînement.
L’indice Kappa de la carte est 64,64% ce qui est bon. Les classes géomorphologiques présentent donc une forte séparabilité avec une précision spatiale assez élevée.

Ensemble géomorphologique et biocénotique

Ensemble géomorphologique

La cartographie de la géomorphologie a été réalisée avec les deux images ETM+ de 2006. Ces dernières présentent l’avantage d’avoir été prises au même jour entraînant ainsi une faible variabilité sur la luminosité et les contrastes. En plus, pour la validation de la carte, plusieurs points datant de cette année ont été disponibles auprès de la base de données de WWF.
L’analyse spatiale de la zone d’étude a permis de dégager l’existence de quatre zones structurellement distinctes du point de vue géomorphologique.
La première zone, notée zone A, est constituée par les récifs à caye de la baie de Tuléar, la grande barrière récifale et le large récif frangeant d’Anakao. Cette zone se caractérise par une concentration importante de récifs car elle regroupe près de 59% (13220 ha) de la couverture récifale totale pour seulement 24% (91km) de la longueur de la côte de la zone d’étude. La zone de platier récifal est très large. Les larges DAR forment à certains endroits des lagons bien développés, colonisés majoritairement par un peuplement d’algue brune et de colonies coralliennes dispersées.
La seconde zone, notée zone B, regroupant 16% (3582 ha) du couvert récifal, est constituée par un étroit récif frangeant (entre 150m à 1km de large) depuis le Sud de Beheloka jusqu’au Nord d’Itampolo. Cette exigüité dans la structuration du récif frangeant est certainement due à un plateau continental peu développé qui tombe à pic vers les hauts fonds dès les premiers kilomètres dépassés.
La troisième zone, zone C, est constituée par le récif d’Itampolo qui se prolonge vers le Sud par un récif frangeant entrecoupé à de nombreux endroits par des hauts fonds suivant la profondeur et le contour des traits de côte. Le couvert récifal représente 24% (5437 ha) du couvert total pour une longueur de côte de 76km (20% de la longueur totale). Elle est entre autre marquée par un DAR peu développé contrairement aux deux premières zones.
La quatrième zone représente 35% de la longueur des côtes de la zone d’étude mais seulement 5% du couvert récifal cartographié. Cette faible superficie du couvert récifal est certainement due à l’inexistence de large platier continental mais également à une forte agitation de la houle générée par les vents du Sudouest ou à plus forte raison à une température des eaux plus froides en lien avec la zone d’upweling de Fort Dauphin. Du fait de cette faible superficie et pour minimiser l’information à traiter, cette zone a été omise de l’étude. Une grande partie des pentes externes des récifs frangeants n’a pu être cartographiée à cause de la turbidité mais surtout de la profondeur de l’eau. En effet chaque canal possède un taux de pénétration qui décroisse depuis la première bande (taux de pénétration théorique de 25m dans l’eau claire) jusqu’à la septième bande dont le taux est quasi nul.

Table des matières

LISTE DES EQUATIONS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES SIGLES ET ACRONYMES
GLOSSAIRE
INTRODUCTION
Chapitre 1. MATERIELS ET METHODE
1.1 Zone d’étude
1.2 Milieu biotique
1.2.1 Récifs coralliens
1.2.2 Faune associée au récif
1.3 Milieu physique
1.3.1 Climatologie
1.3.2 Hydrographie
1.3.3 Océanographie
1.4 Milieu humain
1.4.1 Population
1.4.2 Tenure foncière
1.4.3 Agriculture et élevage
1.4.4 Pêche et commerce
1.5 Matériels
1.5.1 Données spatiales
1.5.2 Données socio-économiques
1.5.3 Logiciels
1.6 Echelle de travail
1.7 Traitement des images satellites
1.7.1 Digitalisation et géoréférencement des cartes topographiques
1.7.2 Calibration
1.7.3 Correction géométrique
1.7.4 Correction atmosphérique
1.8 Extraction de l’information thématique
1.8.1 Mosaïque des images
1.8.2 Création de masque
1.8.3 Classification
1.8.3.1 Classification non supervisée
1.8.3.2 Classification supervisée
1.8.3.3 Typologie
1.8.3.4 Validation classification
1.8.4 Réalisation des cartes
1.9 Enquêtes socio-économiques
1.10 Analyse spatio-temporelle
1.11 Cadre opératoire
Chapitre 2. RESULTATS ET INTERPRETATIONS
2.1 Classification de la zone récifale
2.1.1 Classification géomorphologique
2.1.2 Classification biocénotique
2.1.3 Précision des classifications
2.2 Ensemble géomorphologique et biocénotique
2.2.1 Ensemble géomorphologique
2.2.2 Recouvrement benthique
2.3 Dynamique spatio-temporelle
2.3.1 Evolution globale
2.3.2 Contribution des différentes classes sur l’évolution de la couverture de la communauté corallienne
2.4 Analyse des facteurs d’influence
2.4.1 Effets de la turbidité sur la couverture récifale
2.4.2 Effets de la pêche artisanale sur le couvert récifal
Chapitre 3. DISCUSSIONS ET RECOMMANDATIONS
3.1 Discussions
3.1.1 Choix et traitement des images satellites
3.1.2 Effet de la turbidité sur la couverture récifale
3.1.3 Effets de la pêche artisanale sur la couverture récifale
3.2 Recommandations
3.2.1 Réglementations et Contrôles
3.2.2 Renforcement des études sur les zones côtières
3.2.3 Réduction de la déforestation
CONCLUSION
REFERENCES

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