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Localisation et caractérisation semi-automatique des géomorphosites fluviaux potentiels. Exemples d’applications à partir d’outils géomatiques dans le bassin de la Drôme (France)

Location and semi-automatic characterisation of potential fluvial geomorphosites. Examples of applications from geomatic tools in the Drôme River basin (France)
Elise Wiederkehr, Simon Dufour et Hervé Piégay
p. 175-188

Résumés

Les réseaux hydrographiques abritent des géomorphosites de qualité, comme le sont les gorges et les secteurs à lit mobile ou en tresses. Des outils de caractérisation physique des corridors fluviaux ont été mis en place pour les localiser de façon systématique. Nous nous sommes orientés vers des outils géomatiques afin d’éviter un travail de terrain long et fastidieux et obtenir un résultat homogène à l’échelle du bassin hydrographique. Deux exemples de géomorphosites potentiels sont détaillés, chacun s’appuyant sur une approche spécifique. Dans un premier temps, l’utilisation de couches vectorielles et d’un MNT ont permis de décrire la géométrie des plaines alluviales et de détecter les secteurs en gorges. Dans un second temps, nous avons couplé les données extraites d’orthophotographies avec des informations vectorielles afin de caractériser les styles fluviaux et, in fine, identifier les zones à haute valeur biogéomorphologique comme les secteurs en tresses. Une série de tests a été effectuée dans le bassin de la Drôme pour expérimenter le processus d’extraction de l’information à partir de photographies à très haute résolution et de modèles numériques de terrain et pour évaluer le potentiel de ces données en termes d’indicateurs de caractérisation physique des réseaux hydrographiques (structure paysagère, morphologie, conditions hydrauliques). Ainsi, les procédures mises en place ont permis d’identifier et de caractériser et ce, de façon systématique et rapide à l’échelle du continuum fluvial, les différentes formes de fonds de vallée et les différents types de tracés en plan du lit, afin de localiser les secteurs dont les propriétés esthétiques et patrimoniales permettent de les considérer comme des « géomorphosites ».

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Notes de la rédaction

Article soumis le 19 octobre 2009, accepté le 30 mars 2010

Texte intégral

Ce travail s’inscrit dans le cadre du programme cadre Agence de l’eau RMC-Zone Atelier Bassin du Rhône (action 10 du programme 2008) et le Projet Européen FORCASTER (IWRnet). L’objectif principal de ces travaux est de produire une caractérisation physique du réseau hydrographique rhodanien pour définir des priorités d’action en matière de restauration des cours d’eau. Nous remercions l’agence de l’eau RMC qui a mis à notre disposition les couches d’information de la BD Ortho® et de la BD Carthage® ainsi que la couche vectorielle du fond de vallée issue de calculs géomatiques réalisés sur la BD Topo®. Nous souhaitons remercier également les relecteurs dont les remarques pertinentes ont permis d’améliorer le manuscrit initial. Enfin, nous remercions Mlle Karen Johnstone pour la relecture des textes en anglais.

Introduction

Géomorphosites et réseaux hydrographiques

1Le paysage géomorphologique, tel que l’entend E. Reynard (2005a), correspond à une portion du relief terrestre à la fois vue, perçue et exploitée par l’Homme, reflétant le fruit d’un incessant travail de processus qui ont forgé sa forme actuelle et qui seront également à l’origine de son évolution future. Au sein d’un paysage géomorphologique, certains auteurs identifient des « géomorphosites » (Panizza, 2001), ceux-ci étant définis comme des sites dont les propriétés géomorphologiques présentent un intérêt social. Le non-initié n’emploiera pas le mot de « géomorphosite » mais préférera qualifier tel ou tel site d’exceptionnel, de spectaculaire, voire de grandiose. Il ne suffit cependant pas d’appréhender la valeur esthétique d’un paysage pour en évaluer sa qualité exceptionnelle ; d’autres critères doivent également être pris en compte, qu’il s’agisse de la valeur culturelle, écologique ou même économique (Panizza et Piacente, 1993, 2003 ; Reynard, 2005b). Par exemple, l’aspect grandiose de certaines formes comme les cheminées de fée et le « mystère » apparent qui tourne autour de leur formation constituent un attrait touristique notable. Lorsque la présence d’une espèce ou d’un habitat est dépendante du maintien des conditions géomorphologiques du site, l’attrait écologique fait aussi partie prenante de la valorisation d’un géomorphosite. Ce dernier est également un lieu pédagogique où la formation de la Terre, l’évolution du climat et de la vie peuvent être mieux comprises (Grandgirard, 1997 ; Panizza, 2001 ; Reynard, 2004). Les réseaux hydrographiques abritent de tels lieux, certains étant parfois spectaculaires : gorges, cascades, secteurs en tresses, marais, tourbières, bras morts. Ainsi, pour le scientifique, un tronçon dont le lit est latéralement mobile ou en tresses est synonyme de fortes potentialités écologiques (Ward et al., 2001 ; Florsheim et al., 2008) alors que l’amateur de sensation forte préférera les secteurs en gorges, où il pourra s’adonner aux sports aquatiques dans un cadre naturel remarquable.

Un inventaire exhaustif des géomorphosites

2Aussi exceptionnels qu’ils soient, ce type de sites n’est pas à l’abri de dégradations. Leur préservation tout autant que leur valorisation constituent de facto un enjeu en termes de gestion patrimoniale. Néanmoins, les pratiques de gestion ne peuvent être planifiées ni priorisées de manière cohérente que si ces sites ont été préalablement recensés. Pour y parvenir, il est possible de recourir aux données préexistantes. Par exemple, les sites inventoriés dans un guide touristique comme « valant le voyage » (définition donnée par le Guide vert Michelin ; Michelin, 2004) peuvent être considérés comme des géomorphosites ayant une valeur touristique. On peut également recourir aux documents cartographiques, comme les cartes topographiques, ou procéder à des prospections et une analyse géomorphologique in situ afin de repérer les sites potentiels. Cependant, la réalisation d’un inventaire exhaustif sur une aire géographique étendue peut se révéler longue et coûteuse. A l’échelle d’un grand bassin hydrographique comme celui du Rhône, il faudrait parcourir des milliers de kilomètres, ce qui prendrait alors des années, ou sélectionner seulement quelques secteurs, ce qui limiterait alors la portée de la démarche. Il faut donc des outils capables de renseigner de façon automatique ou semi-automatique la structure morphologique des tronçons fluviaux à petite échelle. De plus, pour des raisons opérationnelles, ces outils doivent être transposables d’une région à l’autre. En effet, il est intéressant que l’inventaire des géomorphosites potentiels, bien qu’étant réalisé sur de vastes territoires, repose sur les mêmes critères. Or, depuis une quinzaine d’années, des avancées importantes ont été réalisées en télédétection et en géomatique. Cela concerne non seulement les résolutions spectrales ou spatiales des images mais aussi leurs modes de traitement qui sont de plus en plus diversifiés. Ces améliorations permettent de renouveler la réflexion méthodologique concernant l’automatisation des techniques, la définition des métriques, les requêtes d’analyse spatiale via la géomatique à l’échelle d’un bassin hydrographique de plusieurs milliers de kilomètres. Ces progrès laissent entrevoir des pistes prometteuses en vue de la caractérisation physique d’un réseau hydrographique et ce, à trois échelles distinctes : 1) à l’échelle locale, les améliorations en termes de résolution spectrale et spatiale permettent d’extraire une information de haute qualité en limitant les collectes de données in situ (Lejot et al., 2007) ; 2) à l’échelle d’un bassin hydrographique de quelques milliers de kilomètres carrés, l’automatisation des méthodes d’extraction des informations permet d’obtenir rapidement des résultats homogènes sur l’ensemble du bassin (Reinfelds et al., 2004) ; 3) à l’échelle du territoire métropolitain, les sources de données disponibles sont nombreuses et variées et couvrent, pour certaines dcEner seulp0lle du territoies ad’une résolut09, acesiza(11; ef="http://ens.fr/​ites)able.

Les objectifs

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Le bassin de la Drôme

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Données et méthodes

Données brutes

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Mise en forme des données

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De l’objet géographique à l’extraction de métriques

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Résultats

1<0/span>Le secteurs en gorges

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Annexe

Abridged English version

“Geomorphosites” are geomorphological features with “strong interest” for ecological, aesthetic, cultural, economic and also educational reasons (Panizza 2001; Panizza and Piacente, 1993, 2003; Reynard 2005a). Hydrographic networks present some interesting geomorphosites, such as gorges, waterfalls, braided areas, marshes, and oxbow lakes. To preserve and rehabilitate these landscape features, it is necessary to locate them at regional scale. This can be achieved thanks to maps, tourist guides or field survey. But the achievement of an exhaustive inventory across a hydrographic network as large as that of the Rhône (e.g., 45,000 km long) requires the development of tools to extract indicators automatically or semi-automatically. The aim of this article is to highlight some geomatic methods based on recent remote sensing techniques to map geomorphosites. Two complementary examples are described to illustrate the approach at network scale. On one hand, we used GIS layers and a DEM to describe the geometry of the alluvial plains to target areas with gorges. On the other hand, we coupled orthophotos to vectorial layers to characterise the fluvial patterns and so identify areas of high ecological value such as braided reaches. The Drôme main stem was chosen as the test reach because it is characterised by contrasting landscapes with braided, dyked, gorges or straight reaches alternating over a 100 km long reach (Piégay and Landon, 1997).
Gorge reaches correspond to narrow and deep valleys with relatively steep slopes. To detect gorge reaches, three steps were considered: i) detection of homogeneous geomorphological reaches based on a threshold statistical test (Clément and Piégay, 2003); ii) calculation of a valley confinement index which is the ratio between the width of the active channel and the width of the valley bottom for each of the identified geomorphic reaches; iii) characterisation of valley geometry on selected narrow valley reaches (i.e., the ones with a confinement index lower than 0.3) based on metrics extracted from a set of buffers (e.g., valley depth, valley width at the top). The determination of fluvial pattern was based on four metrics: i) the average width of the active channel normalised by the size of the watershed area; ii) the confinement index, which gives an indication of the potential mobility of the river; iii) the average surface water channel/active channel ratio which provides information on the diversity of environments of the active channel (main channel, secondary channels, etc.; (Alber and Piégay, in press); iv) the index of sinuosity of the river which is the ratio of the length of the active channel centre line divided by the length of the valley bottom centre line. An ascending hierarchical classification (fig. 3) was performed on a data set of 53 reaches described by four variables (Lebart et al., 1995). We then studied the statistical distribution (median, quartiles) of each metric class in order to select five fluvial pattern types (single-bed channel to braided reaches. This allowed us to locate the geomorphosites (fig. 4). We developed another method to identify geomorphosites with high ecological value using an index of ecotone density (i.e., transition zone between two ecosystems that play an important role in maintaining biodiversity). We have identified three types of ecotones: aquatic/bar, bar/arboreous vegetation, and finally arboreous vegetation/aquatic environment. Then, we mapped (fig. 5) the density of each ecotone by homogeneous geomorphic reach.
The methodological framework that we have developed to identify potential geomorphosites could also be used to implement the Water Framework Directive (WFD; Wasson, 2001; Roche et al., 2004; Porcher, 2009). Each water body can be characterised semi-automatically by a set of metrics defined by the operator. The database contains continuous information over an entire network. However the extraction of indicators from images has constraints because of image resolution (50 cm) and spatial variations in image radiometry, limiting efficiency of some extraction procedures. For example, we can study the lateral mobility or fish habitat to improve the existing models (Ginot, 1998; Waddle, 2001; Lamouroux, 2002), or to develop models of regionalised distribution of species and habitats.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Présentation du linéaire principal de la Drôme (variation longitudinale de la largeur du fond de vallée et de la pente). Fig. 1 – General characteristics of the Drôme main stem (longitudinal variations of valley-bottom width and energy slope).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 424k
Titre Tab. 1 – Données brutes issues des bases de données géographiques de l’Institut Géographique National (IGN).Tab. 1 – Raw data extracted from the geographic databases of the National Geographical Institute (IGN).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 180k
Titre Tab. 2 – Présentation des métriques retenues pour effectuer la classification. Tab. 2 – Presentation of the parameters used for classification.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 76k
Titre Tab. 3 – Matrice de confusion de la classification. Tab. 3 – Confusion matrix of classification.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 172k
Titre Fig. 2 – Localisation des tronçons dont le fond de vallée est significativement étroit et au sein desquels sont identifiés les sites en gorges (IS : indice de sinuosité ; LS : longueur du secteur ; LBA : largeur moyenne de la bande active). Fig. 2 – Localisation of channel reaches characterised by a narrow alluvial valley within which the gorges are identified from a set of metrics describing the valley geometry (IS: sinuosity index; LS: length of sector; LBA: mean width of active band).
Légende 1 : tronçons à largeur de fond de vallée étroite (indice de confinement > 0,3).1 : reaches with valley bottom narrow (confinement index > 0,3).
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 312k
Titre Tab. 4 – Présentation des métriques extraites pour caractériser les secteurs à fond de vallée étroit. Tab. 4 – Presentation of the parameters used to characterise the reaches with narrow valley bottom.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 148k
Titre Fig. 3 – Résultat de la classification ascendante hiérarchique réalisée sur 53 tronçons fluviaux caractérisés par quatre métriques géomorphologiques. Fig. 3 – Result of hierarchical clustering performed on 53 river reaches characterised by four geomorphic metrics.
Légende A : Dendrogramme ordonnant les 53 tronçons et les distributions par classes. B : Indice de confinement. C : Largeur de la bande active. D : Indice de sinuosité. E : Taux surfacique eau/bande active.A: Ascending hierarchical classification ordering 53 reaches and distributions per class. B: Box plot, confinement index. C: Box plot, average width of the active channel. D: Box plot, index of sinuosity. E: Box plot, average surface water channel/active channel ratio.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 292k
Titre Fig. 4 – Répartition longitudinale des styles fluviaux le long du cours principal de la Drôme. Fig. 4 – Longitudinal evolution of geomorphic patterns along the Drôme river main stem.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 624k
Titre Fig. 5 – Cartographie de la densité d’écotones par tronçons homogènes du corridor fluvial de la Drôme. Fig. 5 – Map of the ecotonal density by homogeneous reaches of the river corridor of the Drôme River.
Légende 1 : très faible ; 2 : faible ; 3 : moyenne ; 4 : forte ; 5 : très forte. Méthode : pour chaque tronçon homogène la longueur de contact entre deux écosystèmes est divisée par la longueur du tronçon.1: very low; 2: low; 3: average; 4: high; 5: very high. Method: for each homogeneous reach the length of contact between two different ecosystems is divided by the length of the reach.
URL http://journals.openedition.org/geomorphologie/docannexe/image/7912/img-9.jpg
Fichier image/jpeg, 386k
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Pour citer cet article

Référence papier

Elise Wiederkehr, Simon Dufour et Hervé Piégay, « Localisation et caractérisation semi-automatique des géomorphosites fluviaux potentiels. Exemples d’applications à partir d’outils géomatiques dans le bassin de la Drôme (France) », Géomorphologie : relief, processus, environnement, vol. 16 - n° 2 | 2010, 175-188.

Référence électronique

Elise Wiederkehr, Simon Dufour et Hervé Piégay, « Localisation et caractérisation semi-automatique des géomorphosites fluviaux potentiels. Exemples d’applications à partir d’outils géomatiques dans le bassin de la Drôme (France) », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], vol. 16 - n° 2 | 2010, mis en ligne le 01 juillet 2012, consulté le 17 décembre 2017. URL : http://journals.openedition.org/geomorphologie/7912 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.7912

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Auteurs

Elise Wiederkehr

CNRS UMR 5600 Environnement, Ville et Société - Université de Lyon, ENS de Lyon - 15, parvis René Descartes - BP 7000 - 69342 LYON Cedex 07 - France (elise.wiederkehr@ens-lyon.fr)

Simon Dufour

COSTEL UMR CNRS 6554 LETG - Université Rennes 2 - Département de Géographie - Place du Recteur Henri Le Moal - 35043 RENNES Cedex - France (simon.dufour@uhb.fr)

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Hervé Piégay

CNRS UMR 5600 Environnement, Ville et Société - Université de Lyon, ENS de Lyon - 15, parvis René Descartes - BP 7000 - 69342 LYON Cedex 07 - France

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