CARTOGRAPHIE FORESTIERE PAR IMAGERIE ou Production d’une carte forestière. (partie 3/4)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Prendre en main un logiciel de cartographie (ENVI, QGIS, MapInfo ou ArcGIS) et réaliser les opérations de base (chargement d’image, navigation, sauvegarde). 2. Projeter des coordonnées géographiques sur un fichier GeoTIFF en choisissant le système de référence adapté (datum, projection UTM). 3. Géoréférencer des objets forestiers (limites de peuplements, routes, points d’observation) à l’aide de points de contrôle et évaluer la précision du référencement. **Prérequis** : - Notions de systèmes d’information géographique (SIG) et de télédétection. - Connaissance des coordonnées géographiques (latitude, longitude) et des unités angulares (degrés, minutes, secondes). - Bases informatiques : gestion de fichiers, utilisation d’une souris et d’un clavier, notions de résolution d’écran. --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la gestion durable des forêts tropicales repose sur une connaissance précise de l’étendue, de la structure et de l’état des peuplements. Les images satellitaires (Landsat, Sentinel‑2, SPOT) fournissent des données spectrales et spatiales régulièrement mises à jour. Toutefois, pour exploiter ces images dans un SIG forestier, il faut : (i) les importer dans un logiciel de cartographie, (ii) les placer dans un système de coordonnées projeté compatible avec les cartes de base (IGN, cartes forestières nationales), et (iii) géoréférencer les objets d’intérêt (limites de concessions, pistes d’exploitation, zones de reboisement) afin de pouvoir les superposer à d’autres thématiques (sol, hydrologie, biodiversité). Ce chapitre présente les trois étapes essentielles de ce workflow, conformément au programme officiel MINESEC/IGE pour la série TGF en Terminale. --- ## I. Leçon 18 : Prise en main du logiciel de cartographie ENVI (ou QGIS, MAPINFO, ARCGIS…) ### 1.1 Présentation du logiciel Un logiciel de cartographie SIG permet de visualiser, analyser et produire des cartes à partir de données raster (images satellitaires, modèles numériques de terrain) et vectorielles (points, lignes, polygones). ENVI est spécialisé dans le traitement d’images satellitaires ; QGIS, quant à lui, est un SIG open‑source largement utilisé en milieu universitaire et technique camerounais pour sa gratuité et sa richesse d’extensions. > **Définition** : Un **SIG** (Système d’Information Géographique) est un ensemble d’outils informatiques permettant d’acquérir, stocker, gérer, analyser et diffuser des données référencées dans l’espace. ### 1.2 Interface principale - **Barre de menus** : Fichier, Édition, Vue, Outils, Analyse, Géotraitement, Aide. - **Panneau de couches** (Layers) : liste les jeux de données chargés ; chaque couche peut être activée/désactivée, réordonnée, stylisée. - **Fenêtre d’affichage** : montre la carte ou l’image en cours de travail ; équipée d’outils de navigation (zoom avant/arrière, panoramique). - **Barre d’outils** : accès rapide aux fonctions les plus utilisées (sélection, mesure, création de vecteur, géoréférencement). > **Règle de métier** : Toujours vérifier que le système de coordonnées du projet est défini avant d’ajouter toute nouvelle couche afin d’éviter les décalages spatiaux. ### 1.3 Chargement d’une image satellite (GeoTIFF) 1. Menu **Fichier → Ouvrir** (ou glisser‑déposer dans le panneau de couches). 2. Sélectionner le fichier *.tif* contenant les bandes spectrales (ex. Landsat 8 OLI/TIRS). 3. Le logiciel lit les métadonnées intégrées (taille du pixel, résolution spatiale, système de coordonnées si présent). 4. L’image apparaît en fausse couleur (ex. combinaison NIR‑Red‑Green pour mettre en valeur la végétation). > **Astuce** : Dans QGIS, utiliser le plugin **OpenLayers** pour charger un fond de carte OpenStreetMap et contrôler visuellement l’alignement de l’image satellitaire. ### 1.4 Outils de base | Outil | Fonction | Raccourci clavier (QGIS) | |-------|----------|--------------------------| | Zoom avant | Agrandir l’affichage | `Ctrl + +` | | Zoom arrière | Réduire l’affichage | `Ctrl + -` | | Panoramique | Déplacer la vue | `Espace` + glisser | | Mesure linéaire | Calculer une distance sur l’image | `Ctrl + Shift + M` | | Sélection d’entité | Cliquer sur un objet vecteur | `Clique simple` | | Création de polygone | Dessiner une limite de peuplement | `Shift + Ctrl + G` | > **Précaution** : Lors de la mesure, toujours indiquer l’unité utilisée (mètres, kilomètres) pour éviter les erreurs d’interprétation. ### 1.5 Sauvegarde du projet - **ENVI** : `File → Save Session As…` crée un fichier *.session* contenant l’état de l’affichage et les paramètres de traitement. - **QGIS** : `Projet → Enregistrer sous…` génère un fichier *.qgz* (ou *.qgs*) qui référence les couches sans les dupliquer. - Il est recommandé de sauvegarder le projet toutes les 15 minutes lors d’une session de travail intensive. > **Règle de sécurité** : Ne jamais travailler directement sur les données originales ; toujours créer une copie de travail avant d’appliquer des traitements (classification, filtrage). --- ## II. Leçon 19 : Projection de coordonnes géographiques sur GEOTIF ### 2.1 Systèmes de référence géodésique - **Datum** : référentiel définissant l’origine et l’orientation de l’ellipsoïde terrestre. Au Cameroun, le datum le plus utilisé est **WGS84** (World Geodetic System 1984), adopté par le GPS et la plupart des images satellitaires. - **Projection** : transformation mathématique qui représente la surface courbe de l’ellipsoïde sur un plan. Pour les travaux forestiers nationaux, la projection **UTM** (Universal Transverse Mercator) zone 32N (couvrant le sud‑ouest du Cameroun) ou zone 33N (nord‑est) est préconisée. > **Définition** : Une **projection cartographique** est une application bijective (sauf aux pôles) qui transforme des coordonnées géographiques (φ, λ) en coordonnées planes (X, Y) tout en préservant autant que possible certaines propriétés (angles, aires, distances). ### 2.2 Transformation de coordonnées géographiques en coordonnées projetées Les formules de la projection UTM (simplifiées) sont : \[ \begin{aligned} X &= k_0 \, N \bigl[ \lambda - \lambda_0 + \frac{(T - C) \sin^3\phi}{3} + \dots \bigr] + 500\,000 \\ Y &= k_0 \, \bigl[ M + N \tan\phi \bigl( \frac{A^2}{2} + \frac{(5 - T + 9C + 4C^2)A^4}{24} + \dots \bigr) \bigr] \\ \end{aligned} \] où : - \(k_0 = 0,9996\) (facteur d’échelle de l’UTM) - \(N = \frac{a}{\sqrt{1 - e^2 \sin^2\phi}}\) (rayon de courbure primaire) - \(M\) = longueur du méridien depuis l’équateur jusqu’à φ - \(A = (\lambda - \lambda_0)\cos\phi\) - \(T = \tan^2\phi\), \(C = e^2 \cos^2\phi/(1-e^2)\) - \(a\) = demi‑grand axe de l’ellipsoïde (6378137 m pour WGS84) - \(e^2\) = excentricité première au carré. En pratique, le logiciel effectue ces calculs automatiquement ; l’utilisateur n’a besoin que de choisir le datum et la zone UTM. > **Formule à retenir** : Pour convertir une longitude λ en degrés en mètres dans l’axe X (approximation linéaire près de l’équateur) : > \[ > \Delta X \approx 111\,320 \times \cos(\phi) \times \Delta\lambda > \] > où 111 320 m correspond à la longueur d’un degré de méridien. ### 2.3 Application dans le logiciel 1. **Définir la projection du projet** : dans QGIS, `Projet → Propriétés → CRS` → rechercher `WGS 84 / UTM zone 32N` (EPSG:32632). 2. **Réprojeter l’image** : `Raster → Projections → Warp (réprojeter)` → choisir le CRS cible, spécifier la méthode de rééchantillonnage (voisin le plus proche pour des données catégorielles, bilinéaire pour des données continues). 3. **Vérifier l’alignement** : ajouter une couche de référence (par exemple, la carte forestière nationale au format Shapefile) et contrôler que les limites coïncident visuellement. > **Contrôle de qualité** : Après réprojection, calculer l’erreur maximale résiduelle (en mètres) entre les points connus de la couche de référence et leurs homologues sur l’image ; une valeur inférieure à 1 pixel (ex. 30 m pour Landsat) est généralement acceptable. ### 2.4 Exemple chiffré Supposons une image Landsat 8 de résolution spatiale 30 m. Un point de contrôle situé à latitude 3° 45′ 12″ N, longitude 11° 30′ 00″ E doit être transformé en UTM zone 32N. - Conversion en degrés décimaux : φ = 3.75333°, λ = 11.50000°. - En utilisant un outil en ligne ou la fonction `gdalsrsinfo` d’GDAL, on obtient : - X = 452 317,8 m - Y = 415 642,3 m Ces valeurs seront utilisées comme point de référence lors du géoréférencement (voir leçon 20). > **Rappel** : Toujours indiquer le datum (WGS84) et la zone UTM lors de la communication des coordonnées projetées. --- ## III. Leçon 20 : Géoréférencement des objets et plans ### 3.1 Principe du géoréférencement Le géoréférencement consiste à associer chaque pixel d’une image raster à des coordonnées réelles (X, Y) en utilisant un ensemble de **points de contrôle terrestres (GCP – Ground Control Points)** dont les coordonnées sont connues (issues d’un GPS différentiel, d’une carte topographique ou d’un levé géodésique). > **Définition** : Un **GCP** est un point identifiable à la fois sur l’image et sur une référence géoréférencée (carte, orthophoto, levé GPS) dont les coordonnées réelles sont connues avec une précision généralement supérieure à celle de l’image à référencer. ### 3.2 Sélection des points de contrôle - **Critères de choix** : points bien définis (intersection de routes, coins de bâtiments, repères hydrographiques), répartis sur toute l’étendue de l’image, idéalement au moins 4 points pour une transformation affine, davantage pour des transformations d’ordre supérieur. - **Précision GPS** : utiliser un récepteur DGPS ou un smartphone avec correction SBAS (ex. EGNOS) donnant une précision < 1 m en conditions ouvertes. > **Bonnes pratiques** : Noter systématiquement le numéro du point, sa description, ses coordonnées (X, Y) en mètres UTM, et la date/heure de la prise. ### 3.3 Méthodes de transformation | Ordre de transformation | Nombre minimum de GCP | Type de déformation corrigée | Usage fréquent | |--------------------------|-----------------------|------------------------------|----------------| | Affine (ordre 1) | 3 | Translation, rotation, échelle, cisaillement | Images légèrement inclinées, pas de distorsion majeure | | Polynomiale d’ordre 2 | 6 | Courbure faible, déformation en « coussin » | Images aériennes avec légère courbure de terre | | Polynomiale d’ordre 3 | 10 | Déformations plus complexes | Images satellitaires fortement inclinées | | Spline mince (Thin Plate Spline) | ≥ 4 | Déformation locale non linéaire | Images avec relief important ou artefacts de capteur | > **Règle de choix** : Commencer par une transformation affine ; si l’erreur résiduelle (RMSE) dépasse un seuil acceptable (ex. 1 pixel), passer à un ordre supérieur. ### 3.4 Étapes pratiques dans ENVI/QGIS **Dans QGIS** : 1. Ouvrir l’onglet **Géoréférencer** (`Raster → Géoréférencer`). 2. Charger l’image à référencer. 3. Cliquer sur **Ajouter un point** ; placer le pointeur sur un GCP visible dans l’image, entrer les coordonnées X, Y connues (issues du GPS ou de la carte de référence). 4. Répéter l’opération pour au moins 4 points (affine) ou davantage selon l’ordre choisi. 5. Dans **Paramètres de transformation**, sélectionner le type (affine, polynomiale 2, etc.) et la méthode de rééchantillonnage (voisin le plus proche, bilinéaire, cubique). 6. Cocher **Résultat en fichier neuf** et spécifier le nom du GeoTIFF géoréférencé. 7. Lancer le processus ; le logiciel crée le fichier géoréférencé et un rapport contenant les résidus et le RMSE. **Dans ENVI** : la procédure est similaire via le menu **Basic Tools → Georeferencing → Ground Control Points**. > **Contrôle de précision** : Le **RMSE (Root Mean Square Error)** quantifie l’écart moyen entre les coordonnées calculées des GCP et leurs coordonnées connues. Un RMSE ≤ 0,5 pixel est considéré comme excellent pour des applications forestières. ### 3.5 Évaluation de la précision Après géoréférencement, on peut : - Afficher la couche vectorielle de référence (ex. limites de concessions) et mesurer visuellement le décalage. - Calculer le RMSE automatiquement fourni par le logiciel. - Effectuer un contrôle ponctuel avec un GPS de terrain sur quelques points clairement identifiables (bornes, intersections de routes) et comparer les valeurs. > **Seuil d’acceptabilité** : Pour la cartographie forestière au Cameroun, un RMSE inférieur à 15 m (soit 0,5 pixel pour une image Sentinel‑2 de 10 m) est généralement requis afin de garantir que les superficies calculées des peuplements ne soient pas erronées de plus de 2 %. --- ## Synthèse du chapitre - **Prise en main du logiciel** : charger une image GeoTIFF, utiliser les outils de navigation, sauvegarder le projet. - **Projection** : choisir le datum WGS84 et la zone UTM adaptée (32N ou 33N) ; laisser le logiciel effectuer la transformation des coordonnées géographiques (φ, λ) vers (X, Y). - **Géoréférencement** : sélectionner des GCP bien répartis, appliquer une transformation (affine ou polynomiale d’ordre supérieur), vérifier le RMSE (< 0,5 pixel). - **Précision attendue** : RMSE ≤ 15 m pour Sentinel‑2, ≤ 30 m pour Landsat afin de respecter les exigences de la gestion forestière camerounaise. - **Sécurité** : travailler sur des copies, sauvegarder régulièrement, vérifier le système de coordonnées avant toute opération. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **SIG** | Système d’Information Géographique : ensemble d’outils pour acquérir, stocker, gérer, analyser et diffuser des données spatiales. | | **GeoTIFF** | Format de fichier raster qui intègre des métadonnées de géoréférencement (coordonnées, projection, datum) dans un fichier TIFF classique. | | **Datum** | Modèle mathématique de la Terre définissant l’origine et l’orientation d’un système de coordonnées géodésiques (ex. WGS84). | | **UTM** | Universal Transverse Mercator : projection cartographique divisant le globe en 60 zones de 6° de longitude chacune, utilisée pour des coordonnées en mètres. | | **GCP** | Ground Control Point : point identifiable sur l’image et sur une référence géoréférencée dont les coordonnées réelles sont connues. | | **RMSE** | Root Mean Square Error : racine de la moyenne des carrés des écarts entre les coordonnées estimées et les coordonnées connues des GCP ; mesure de la précision du géoréférencement. | | **Rééchantillonnage** | Processus d’attribution de nouvelles valeurs aux pixels lorsqu’on change la résolution ou la projection d’une image (voisin le plus proche, bilinéaire, cubique). | | **Affine** | Transformation géométrique de premier ordre comprenant translation, rotation, échelle et cisaillement ; nécessite au moins 3 GCP. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Chargement et projection d’une image Sentinel‑2 **Consigne** : Vous disposez d’une image Sentinel‑2B (10 m de résolution) couvrant la région de la réserve du Dja, au format *.jp2*. 1. Chargez l’image dans QGIS. 2. Définissez le projet en WGS 84 / UTM zone 32N (EPSG:32632). 3. Réprojetez l’image en GeoTIFF avec rééchantillonnage bilinéaire. 4. Indiquez le nombre de bandes obtenues et la taille du fichier résultant (en Mo) sachant que l’image d’origine comporte 13 bandes et occupe 650 Mo en format JP2. **Corrigé** : 1. Dans QGIS, `Couche → Ajouter une couche → Ajouter une couche raster` → sélectionner le fichier *.jp2*. L’image apparaît avec ses 13 bandes en fausse couleur (B8‑B4‑B3). 2. `Projet → Propriétés → CRS` → rechercher `EPSG:32632` et appliquer. 3. `Raster → Projections → Warp (réprojeter)` → choisir le fichier d’entrée, spécifier le CRS cible (EPSG:32632), méthode de rééchantillonnage : **Bilinéaire**, format de sortie : **GeoTIFF**, nom de fichier : `Sentinel2_Dja_UTM32N.tif`. 4. Le nombre de bandes reste identique à l’entrée : **13 bandes**. - Le format GeoTIFF est non compressé par défaut ; chaque bande occupe 10 m × 10 m × 1 octet (si on garde les valeurs sur 8 bits) ou 2 octets (16 bits). En supposant un stockage sur 16 bits (2 octets) par pixel, la taille théorique est : \[ \text{Taille} = 13 \text{ bandes} \times 2 \text{ octets} \times \frac{\text{Surface}}{100} \text{ (car 10 m = 0,01 ha)}. \] Pour simplifier, on sait que l’image JP2 de 650 Mo correspond environ à 13 bandes × 10 bits ≈ 130 Mo de données brutes ; le passage en GeoTIFF 16 bits double approximativement la taille → **≈ 1,3 Go**. - Ainsi, le fichier GeoTIFF résultant fait environ **1,3 Go** (1300 Mo). ### Exercice 2 – Géoréférencement d’une carte forestière papier **Consigne** : Vous avez scanné à 300 dpi une carte papier au 1 : 50 000 montrant les limites d’une concession forestière dans le département du Littoral. Le scan fournit un fichier TIFF non géoréférencé de 4000 × 3000 pixels. Vous disposez de quatre points de contrôle dont les coordonnées UTM (zone 32N, WGS84) sont connues : | Point | X (m) | Y (m) | |-------|-------|-------| | A | 452 100 | 415 200 | | B | 453 500 | 415 200 | | C | 453 500 | 416 800 | | D | 452 100 | 416 800 | 1. Dans QGIS, géoréférencez le scan en utilisant une transformation affine. 2. Après géoréférencement, calculez la résolution spatiale (en mètres/pixel) de l’image résultante. 3. Vérifiez que le RMSE rapporté par le logiciel est inférieur à 0,5 pixel. **Corrigé** : 1. Ouvrir le module de géoréférencement (`Raster → Géoréférencer`). Charger le TIFF scanné. - Cliquer sur **Ajouter un point**, placer le pointeur sur le coin inférieur gauche de la carte (correspondant au point A) et entrer X = 452100, Y = 415200. - Répéter pour les points B, C, D dans l’ordre correspondant aux coins inférieur droit, supérieur droit, supérieur gauche. - Dans **Paramètres de transformation**, choisir **Affine** et **voisin le plus proche** comme rééchantillonnage (car il s’agit de données catégorielles – limites de concession). - Cocher **Résultat en fichier neuf**, nommer `Concession_Littoral_georef.tif` et lancer. 2. Le scan original a une résolution de 300 dpi → 1 pouce = 25,4 mm → 300 pixels / 25,4 mm ≈ 11,81 pixels/mm → 1 pixel ≈ 0,0847 mm. À l’échelle 1 : 50 000, 1 mm sur la carte représente 50 m sur le terrain. Donc : \[ \text{Résolution terrain} = 0,0847 \text{ mm} \times 50\,000 = 4\,235 \text{ mm} = 4,235 \text{ m/pixel}. \] Après transformation affine, l’image conserve le même nombre de pixels (4000 × 3000) ; donc la résolution spatiale finale est d’environ **4,2 m/pixel**. 3. Le logiciel affiche généralement un RMSE de l’ordre de 0,2 à 0,3 pixel pour un bon placement des points aux coins exacts. Dans notre cas, comme les points coïncident parfaitement avec les coins de l’image, le RMSE sera proche de **0 pixel** (certainement < 0,5 pixel), ce qui confirme la bonne qualité du géoréférencement. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | # | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |---|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | Oublier de définir le CRS du projet avant d’ajouter une couche | Décalage systématique de plusieurs kilomètres entre les couches | Toujours vérifier `Projet → Propriétés → CRS` et choisir le datum/zone approprié dès l’ouverture du projet. | | 2 | Utiliser un rééchantillonnage « voisin le plus proche » pour une image continue (ex. reflectance) | Introduction d’artefacts de type « escalier » et perte de précision radiométrique | Pour les données spectrales, préférer le **bilinéaire** ou le **cubique** ; réservé au voisin le plus proche aux données catégorielles (classes d’occupation du sol). | | 3 | Placer les GCP uniquement sur un bord de l’image | Transformation mal conditionnée, forte distorsion au centre | Répartir les GCP sur toute l’étendue (idéalement un quadrillage ou au moins un point près de chaque coin et un au centre). | | 4 | Ne pas sauvegarder de copie de travail avant d’appliquer une classification ou un filtrage | Risque de perdre les données originales en cas d’erreur de paramétrage | Travailler toujours sur un duplicata du fichier raster (`Enregistrer sous…`) et conserver l’original en lecture seule. | | 5 | Négliger de contrôler le RMSE après géoréférencement | Acceptation d’une image avec une erreur géométrique pouvant dépasser plusieurs dizaines de mètres | Exiger un RMSE ≤ 0,5 pixel (ou la valeur définie par le cahier des charges) avant d’utiliser l’image pour des calculs de superficie ou de débit de bois. | | 6 | Utiliser un datum différent entre l’image GPS de terrain et la carte de référence | Décalage constant pouvant conduire à des conflits de limites de concession | Vérifier que tous les points de terrain sont exprimés dans le même datum (WGS84) que la carte de référence ; effectuer une transformation de datum si nécessaire avec un outil comme `cs2cs` de PROJ. | --- *Fin du cours.*