3D-CITREES: Des outils pour estimer l'importance des arbres en ville

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Publié le 4 mars 2022

Les zones urbaines étant les principales sources d'émission de carbone, des études récentes ont mis en évidence le rôle essentiel joué par la végétation arborée urbaine dans la séquestration du carbone. Leur contribution au stockage du carbone est souvent ignorée dans les estimations du cycle global du carbone, notamment du fait qu'ils sont perçus comme quantité négligeable par rapport à la couverture forestière mondiale.

Mais, dans certaines régions densément peuplées, peu boisées et appelées à s'étendre encore à l'avenir, il est fondamental de quantifier, surveiller et comprendre le rôle joué par les arbres des villes dans le stockage du carbone et la lutte contre les changements climatiques.

Le projet 3D-CITREES (Estimating the aboveground biomass of city trees in Ghent, Belgium) a tenté de relever ce défi en utilisant des données LIDAR et des données optiques de très haute résolution pour cartographier la biomasse aérienne des arbres de la ville de Gand.


Co-régistration de différents scans en un seul endroit. Chaque couleur provient d'une position de scan.
Les arbres, ce n'est pas que du vert

Dans le paysage urbain, les arbres et espaces boisés remplissent quantité de fonctions essentielles. Outre leur rôle esthétique évident, ils améliorent le bien-être physique et psychologique des citadins, remplissent une fonction sociale et même parfois économique et améliorent le confort des riverains. Mais les bienfaits les plus importants que nous procurent les arbres sont environnementaux :

  • ils agissent comme des climatiseurs naturels en diminuant la température ambiante et en favorisant une meilleure ventilation (grâce à l'évapotranspiration et à l'absorption et à la réflexion d'une partie du rayonnement solaire)
  • ils améliorent et protègent la structure du sol et la qualité de l'eau dans le sol
  • ils assurent le maintien de la biodiversité dans les villes
  • ils purifient l'air en produisant de l'oxygène, en réduisant la présence de gaz polluants et en filtrant les poussières et aérosols
  • et, last but not least, ils absorbent une partie du CO2 atmosphérique grâce à la photosynthèse et jouent donc un rôle majeur dans le cycle du carbone local et global.

Vue d'ensemble des différents processus utilisés pour évaluer le volume total des arbres. QSM : Modèle quantitatif de structure, LM : Régression linéaire, NDVI : Normalized Difference Vegetation Index, CHM : Canopy Height Model, LMF : Local Maxima Filtering, RG : Region Growing.
Estimer la contribution des arbres urbains

La Flandre, où les forêts ne couvrent que 10 % du territoire, est l'exemple parfait d'une région où le rôle des arbres urbains dans la séquestration du carbone ne peut être ignoré.

Les membres de l'équipe du projet STEREO 3D-CITREES, tous de l'Université de Gand, ont choisi leur ville comme zone d'étude pour définir une méthode d'estimation du carbone applicable aux environnement urbains. La ville compte plus de 58 000 arbres entretenus individuellement par l'administration et répartis le long des rues, des cours d'eau, dans les cimetières, les places et les parcs publics. Mais elle comprend également de nombreux espaces verts privés qui ne sont pas pris en compte dans les estimations de biomasse basées seulement sur les inventaires réalisé par les services de la ville.

Le carbone aérien stocké dans un arbre est estimé à environ 50 % de sa biomasse aérienne (AGB: AboveGround Biomass). Les méthodes traditionnelles d'estimation de cette biomasse aérienne sont définis pour les écosystèmes forestiers et utilisent des modèles allométriques, qui mettent en relation des paramètres structurels de l'arbre facilement mesurables, tels que le diamètre à hauteur de poitrine (DBH: Diameter at Breast Height) et la hauteur des arbres.

Cependant, ces modèles ne peuvent pas être appliqués aux environnements urbains. En effet, les conditions de croissance sont très différentes en ville et en forêt et entraînent des structures différentes. Par exemple, dans les zones urbaines ouvertes offrant une plus grande disponibilité en lumière, les arbres sont plus courts et ont des couronnes plus larges que dans les forêts. De plus, les arbres situés le long des rues sont fréquemment élagués pour assurer la sécurité et améliorer la visibilité au niveau de la rue.

Des méthodes alternatives doivent donc être développées pour estimer de manière fiable la biomasse aérienne de l'ensemble des arbres de la ville.

 

Les nuages de points filtrés, sous-échantillonnés et segmentés d'un Acer platanoides à gauche et le QSM résultant à droite.

 
La télédétection à la rescousse

L'équipe du projet a tiré profit des progrès récents de la technologie LiDAR, ainsi que de la disponibilité d'images à très haute résolution pour visualiser la complexité structurelle des forêts avec un niveau de détail sans précédent et, par la suite, aussi générer des cartes de la biomasse aérienne dans la ville de Gand.

Le LiDAR est une technologie qui utilise des impulsions laser pour déterminer avec précision la distance des objets ou des surfaces étudiés par rapport à l'instrument. Un nuage de points 3D de l'environnement scanné est alors créé. Les systèmes LiDAR terrestres balayent la région d'intérêt à partir d'emplacements statiques sur le sol et fournissent des données à haute résolution sur de petites échelles spatiales. Ils permettent d'obtenir une structure 3D très détaillée des arbres, à partir de laquelle la biomasse aérienne et le stock de carbone peuvent être dérivés. Pour ce faire, des modèles tridimensionnels quantitatifs (QSM: Quantitative Structure Models) peuvent être créés par ajustement de cylindres sur le nuage de points.

Le volume des arbres hors-sol peut ensuite être converti en biomasse aérienne en utilisant la densité du bois, déterminée par le rapport entre le poids sec d'un échantillon de bois et son volume vert. Celle-ci peut être mesurée sur des échantillons d'arbres ou estimée à partir de données de la littérature.

Pour améliorer les estimations à haute résolution de la biomasse, des données enregistrées par un système LiDAR embarqué à bord d'un avion permettent de fournir des estimations de la hauteur des arbres et de la taille des couronnes. De plus, des images satellitaires optiques très détaillées, d'une résolution inférieure au mètre, comme celles acquises par le satellite commercial Worldview-2 (qui fournit des images panchromatiques à une résolution de 46 cm au nadir et des images multispectrales couvrant 8 bandes), permettent de détecter chaque arbre individuellement et donc d'établir une cartographie de leurs couronnes depuis l'espace.


 

Image NDVI de la ville de Gand, obtenue par calcul matriciel utilisant les bandes Worldview-2 rouge et proche infrarouge 'pansharpened' (fusion de l'information panchromatique de haute résolution spatiale et de l’information multispectrale). Les valeurs NDVI inférieures à 0,1 correspondent aux zones sans végétation (plans d'eau p. ex.), de 0,1 à 0,2 aux sols nus, supérieures à 0,2 à la végétation basse et haute. Les zones rouges et orange correspondent aux zones densément peuplées et occupées, notamment le port dans le coin supérieur droit.
Un décompte détaillé très utile

Le projet 3D-CITREES a permis de localiser tous les arbres urbains de la ville de Gand (à l'exception de la zone portuaire faiblement boisée non incluse dans le périmètre d'étude) et de dresser une carte de la biomasse aérienne. Au total, 262 863 arbres de plus de 4 m de haut ont été détectés sur une superficie de 120 km². Le stock total de carbone aérien a été estimé à 312 710 tonnes de carbone, ce qui correspond à une densité moyenne de 26,06 tonnes de carbone par hectare.

Les résultats générés dans le cadre de ce projet sont cruciaux tant pour la planification urbaine que pour les politiques de réduction du carbone de la ville.

De plus, le projet a permis le développement d'une méthode fiable de détermination de la biomasse aérienne et de séquestration du carbone dans un environnement urbain. Cette méthode peut à l'avenir être utilisée pour d'autres zones urbaines et à n'importe quelle échelle, que ce soit pour une centaine d'arbres ou pour une ville entière.

Plus d'infos

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Jasper telde alle bomen in Gent. Het zijn er 263.863 (Radio 2)