COMPRENDRE LES CARTES DE CHLOE
Tutoriel 1
Ce tutoriel présente les éléments des cartes utilisées lors d’analyses de structures spatiales notamment avec le logiciel CHLOE Métriques Paysagères sur des cartes raster
Comprendre la production de cartes pour pouvoir les lire
(concepts de pixels, cartes raster, fenêtres et formes)
Prérequis : notion de pixels
Une image comporte pleins de pixels collés. Le pixel est le plus petit élément d’une image. C’est un carré dans la majorité des cas. Le pixel, c’est une seule couleur, une position (x,y) dans une matrice, une entité élémentaire de l’image et un objet virtuel.
Les cartes raster
Une carte raster est une image constituée de pixels (comme une photo numérique, un écran de télévision). C’est une grille aussi appelée matrice, composée de cellules organisées en lignes et en colonnes (comme un tableau). Chaque pixel de cette grille est un pixel unique (Figure 1).
Chaque pixel à une valeur qui peut correspondre à deux types de données : des données continues (quantitatives) et des données discrètes (qualitatives). C’est l’association de tous les pixels, chacun a une certaine place dans l’espace de la grille, qui crée une image.
Données continues (quantitatives)
Les données continues peuvent par exemple être des données d’altitude (chaque pixel a dans ce cas une valeur d’élévation/d’altitude…). Les cartes quantitatives sont, jusqu’à présent peu utilisées en écologie. Sans doute, car il est difficile d’obtenir des données quantitatives (fertilisation, etc.) exhaustives spatialement.
Données Discrètes (qualitatives)
Les données discrètes sont des données thématiques. Cela peut, par exemple, être un fichier présentant des données d’occupation du sol au format raster. Chaque pixel ayant alors une valeur correspondant à une certaine donnée au sol (par exemple, un pixel avec la valeur 1 représente du sable, un pixel avec la valeur 2 représente de l’eau…).
Parce que les paysages sont hétérogènes à toutes les échelles et que cette hétérogénéité est le principal moteur des processus écologiques. Les pixels peuvent représenter des hétérogénéités d’échelle très fines et l’agrégation de pixels des hétérogénéités d’échelle plus grossières. Les cartes raster permettent de représenter des gradients (distance, hétérogénéité, densité etc.) (Figure 2).
Une carte raster est une matrice rectangulaire de pixels avec un en-tête qui définit le nombre de lignes et de colonnes, la taille des pixels et les coordonnées géographiques (Figure 3, 4).
Remarque 1
Le caractère séparateur entre l’information d’entête et sa valeur est l’espacement et non la tabulation (ex : “nrows[espacement]1380”).
Remarque 2
Le caractère séparateur des décimales est le point et non la virgule (ex : “cellsize 1.5”).
La fabrication des cartes avec des fenêtres
La fenêtre d’analyse représente l’environnement d’un point du paysage
Les analyses à l’aide de CHLOE sont généralement faites en utilisant des fenêtres, c’est-à-dire en découpant le paysage en sous-unités d’analyse, de formes (carré, circulaire, fonctionnelle) et de tailles variées centrées sur un pixel, à l’intérieur desquelles on fait la mesure. Cette mesure donne une valeur au pixel central. Tous les pixels centraux utilisés forment la carte de sortie. Ceci est illustré par la figure 5.
La figure 6 suivante représente cette analyse par fenêtre. Chacune capture l’environnement spatial depuis un point d’analyse, c’est-à-dire que si nous considérons un processus biologique au centre de cette fenêtre, celle-ci sera alors son champ de perception propre et localisé. La taille de la fenêtre pourra alors décrire la taille de cet environnement spatial, autrement dit le domaine potentiel d’influence spatiale des éléments du paysage environnant sur le processus écologique étudié.
Les fenêtres bleu et rouge (Figure 6) montrent des fenêtres placées les unes à côté des autres pour former une grille. On parle d’analyse par grille. Ce sont des fenêtres carrées. Les fenêtres rouges ont trois pixels de côté (fenêtre de taille 3), les bleus, neuf. Les calculs résultant des analyses sur les cartes les plus simples sont des cartes formées de pixels dont la valeur correspond à un comptage du nombre de 4, 5, 6 etc., dans les fenêtres d’analyse. La figure 7 montre le nombre de « 4 » dans les fenêtres rouges.
Remarque 1
Pour chaque fenêtre d’analyse, nous obtenons une valeur.
La suite de fenêtres violette, verte, jaune est composée de fenêtres superposées. Ce sont des « fenêtres glissantes » du fait du recouvrement, elles ne forment pas une grille. On parle dans ce cas, d’analyse par fenêtres glissantes.
On note que pour une analyse par grille la carte de sortie a un nombre de lignes et de colonnes égal à celles de la carte d’entrée, divisé par la taille de la fenêtre. Pour une analyse par fenêtre glissante, avec un pas de déplacement de 1, la taille de la carte de sortie est identique à la taille de la carte d’entrée. Pour une même taille de fenêtre d’analyse, les fenêtres glissantes permettent de voir la variation progressive de la densité de l’élément du paysage cartographié. Cette représentation en gradient est très importante en écologie (figure 8).
Les formes de fenêtres
La forme de la fenêtre d’analyse est la forme de l’environnement spatial. Les analyses ci-dessus ont été faites avec des fenêtres carrées permettant également de mettre en évidence les analyses par grille (forcément de forme carrée). Mais le plus souvent, ce sont des fenêtres circulaires qui sont utilisés ; ainsi, tous les points du pourtour de la fenêtre sont à égale distance du centre. Il existe un troisième type de fenêtre, la fenêtre fonctionnelle. Son principe est qu’un individu qui se déplace à partir du centre de la fenêtre ne peut pas forcément se déplacer sur l’ensemble de la fenêtre, c’est-à-dire que son environnement spatial ne sera plus seulement le fait d’une capacité euclidienne de perception, mais sera impacté/contraint par les différents milieux traversés. Les cours d’eau, les routes, les bois pour certaines espèces, les espaces ouverts pour d’autres sont autant d’obstacle ou de milieu dans lequel il est difficile de se déplacer. Cette fenêtre fonctionnelle permet d’intégrer cette notion de contrainte de l’espèce lors de déplacement. Ces trois types de fenêtres sont présentés figure 9. Les fenêtres sont centrées sur un point en milieu « 6 ».
Pour simuler le contenu de la fenêtre fonctionnelle, nous avons utilisé les coefficients de coût du tableau 1. Le milieu de départ est considéré comme optimal, donc le déplacement à l’intérieur n’est pas « coûteux ». Le coût représente la dépense d’énergie supplémentaire pour se déplacer dans les autres milieux. Ainsi, un coût de « 2 » signifie qu’il est deux fois plus coûteux de se déplacer dans ce milieu pour une espèce lambda que dans le milieu optimal. Par exemple, si nous estimons que la distance maximale de déplacement de l’espèce est de 75 m, un coût de 5 signifie que traverser un pixel de 5 m de résolution équivaut à se déplacer de 25 m dans l’habitat optimal.
La fenêtre circulaire ne prend pas en compte les pixels dans les coins de la fenêtre carrée. Elle ne peut donner exactement qu’un cercle, car les pixels sont inclus ou non, mais restent « pixel ». Dans la fenêtre fonctionnelle, les deux fragments de « 6 » sont isolés. La fenêtre étant centrée sur le fragment du bas, celui du haut n’apparaît pas. Le « 4 » présente une résistance (coût) moindre au déplacement que le « 5 ». Les déplacements peuvent avoir lieu sur deux rangées de pixels pour le « 4 » et une seule pour le « 5 ».
Évidemment, le nombre et la proportion des différents types d’éléments du paysage varient selon le type de fenêtre utilisé.
Quand utiliser quel type de fenêtre ?
En écologie du paysage, le choix de la fenêtre d’analyse dépend généralement des objectifs de l’étude et de la question de recherche que l’on cherche à résoudre.
Fenêtre carrée
Les fenêtres carrées sont utilisées dans la phase de recherche de paysages à investiguer. Elles sont intéressantes pour les petites fenêtres (en 3X3), elles permettent d’avoir plus d’information et la distorsion est faible par rapport à une fenêtre circulaire.
Fenêtre circulaire
Les fenêtres circulaires sont utilisées dans la phase d’analyse des relations entre paysage et biodiversité observée. Elles sont utilisées dans deux types d’analyses : 1) une analyse structurale (densité de boisement par exemple) qui couvre l’ensemble du territoire et 2) une analyse de l’environnement autour d’un point d’échantillonnage pour des variables ayant un effet écologique à distance (ex : effet microclimatique).
Fenêtre Fonctionnelle
Les fenêtres fonctionnelles (Figure 13) sont utilisées dans les études de mise en évidence des « coûts de déplacements » pour une espèce. Elles sont utilisées pour prendre en compte le comportement des espèces. C’est-à-dire que l’on intègre deux paramètres : 1) les types de milieux (ressources) utilisés ou non et 2) la capacité de déplacement.