Introduction

La ville : un « macro-écosystème » original qui peut être étudié par l’écologie du paysage

1Le suivi de l'artificialisation des territoires et la compréhension de ses effets sur les structures paysagères et les processus écologiques représentent un enjeu important pour les collectivités territoriales, tant sur le plan environnemental, qu’économique et social. Grâce à ses concepts, outils et connaissances, l'écologie urbaine offre un cadre d’analyse et une lecture quantitative des espaces urbanisés et de leurs dynamiques spatio-temporelles. Vue par l'écologie urbaine, la ville est considérée comme un écosystème urbain ou plutôt un macro-écosystème original (Clergeau, 2007), un paysage spatialement hétérogène composé de multiples taches qui interagissent entre elles à l’intérieur comme au-delà de ses limites (Wu, 2008). Ces espaces urbanisés forment une mosaïque urbaine composée de structures minérales d’origine anthropique (Germaine et Wakeling, 2001 ; Mckinney, 2006) et dont l'organisation spatiale est le résultat de divers processus anthropiques et naturels opérant et interagissant à différentes échelles (Cosinschi et Racine, 1998 ; Pumain, 2006). La complexité des surfaces urbanisées résulte ainsi de l’évolution des écosystèmes naturels et des sociétés qui influencent la réponse du milieu (Barles et al., 1999). Cette complexité constitue une véritable contrainte pour le choix des données et de la méthodologie adaptées à l’étude des dynamiques spatio-temporelles des milieux urbains et périurbains (Weber, 1995). Trois types d’expansion urbaine sont à distinguer (Liu et al., 2010) : la polarisation de l’espace rural par un simple contact entre l’agglomération et la campagne (edge-expansion), la création de nouveaux fragments urbains isolés et disséminés dans l’espace rural (outlying), et enfin le remplissage des espaces non bâtis situés à l’intérieur de la tache urbaine (infilling) (figure 1). Le remplissage d’une partie ou de l’intégralité des espaces vacants intra-urbains s’effectue par la création de nouveaux fragments isolés ou par l’extension continue de la tache urbaine initiale.

2Considérée comme un foyer émetteur agissant tel un feu de forêt, « la ville consume les surfaces les plus proches tout en envoyant des mèches enflammées sur de longues distances. Ces dernières sont à l’origine de nouveaux feux secondaires agissant comme le foyer principal. Tout comme un processus de diffusion classique, l’étalement urbain procède donc par contagion » (Enault, 2003). D'après Dietzel et al. (2005), le phénomène de croissance urbaine peut être comparé à une oscillation temporelle et permanente entre la diffusion et la coalescence. La coalescence est l'aboutissement d’une croissance par extension continue de l’urbain déjà existant, tandis qu’une conversion de nouveaux espaces lointains marque une phase de diffusion. En modifiant les structures paysagères, en dégradant des continuités écologiques et en isolant des habitats naturels, l’étalement urbain suscite des inquiétudes et des questionnements au niveau des différents acteurs de la ville mais aussi des chercheurs. Ainsi, l’étude de ses impacts environnementaux est devenue un centre d’intérêt pour l’écologie du paysage et l’écologie urbaine dont les recherches font appel à des analyses quantitatives basées sur les métriques spatiales appelées « Landscape Metrics » ou « Spatial Metrics » ou simplement « Metrics » (Fauth et al., 2000).

Les métriques paysagères

3Développées à la fin des années 1980, les métriques paysagères sont utilisées pour décrire l’organisation (Forman et Godron, 1986 ; Iverson, 1988 ; O’Neill et al., 1988 ; Turner et Ruscher, 1988) et l’hétérogénéité spatiale des paysages à une échelle spatiale donnée (Antrop et Eetvelde, 2000). Elles ont été appliquées pour caractériser la forme et l’organisation spatiale des structures végétales et boisées au sein des paysages agricoles et naturels (Gustafson, 1998 ; Hargis et al., 1998 ; Trani et Giles, 1999 ; Civco et al., 2002 ; McGarigal et al., 2002). A partir des travaux d’O’Neill et al. (1988), différents indices, souvent corrélés entre eux, ont été élaborés, modifiés et testés en fonction de configurations très différentes (Ritters et al., 1995 ; Hargis et al., 1998 ; McGarigal et al., 2002). Ces métriques se répartissent en trois catégories : les indices de composition, de forme et de configuration. La composition renvoie à la présence et l’abondance de taches ou de classes dans le paysage. Toutefois, ces métriques ne fournissent aucune information sur la façon dont les éléments d’un paysage sont spatialement organisés, car plusieurs configurations spatiales peuvent correspondre aux mêmes valeurs d’indices (McCarigal et Marks, 1995). Les indices de forme, telle la dimension fractale, permettent de décrire le niveau de complexité des formes géométriques des fragments. Les indices de configuration, utilisés pour déterminer la distribution et l’arrangement des fragments dans l’espace, permettent de rendre compte du degré de fragmentation, d’isolement et de connectivité entre les fragments. Ils peuvent être répartis en deux classes : les indices de texture et les indices basés sur la distance entre les fragments tels que la distance moyenne au plus proche voisin, la proximité ou la connectivité.

Les métriques paysagères appliquées au milieu urbain

4Les métriques spatiales, développées à l’origine pour décrire les structures paysagères des milieux agricoles et naturels, ont commencé à susciter un intérêt grandissant chez les chercheurs et les aménageurs impliqués dans le milieu urbain. Elles sont appliquées pour décrire les patrons d'organisation du paysage urbain et périurbain à une date donnée (Lehmkul et Ruggiero, 1991 ; Cissel et al., 1999 ; Fu et Chen, 2001) ou pour caractériser le processus d’extension des villes (Barnsley et Barr, 1997 ; Alberti et Waddell, 2000 ; Herold et al., 2002). Ces métriques peuvent être utilisées pour analyser et décrire le changement du degré d’hétérogénéité spatiale d’un paysage (Dunn et al., 1991 ; Wu et al., 2000) et identifier les différentes phases et formes d'urbanisation.

5Toutefois, l'application de ces métriques, qui sont calculées à partir de cartes dérivées d’images de télédétection, soulève un certain nombre de questions d'ordre méthodologique et thématique, en particulier en milieu urbain et périurbain. Il ressort de la littérature que les questions principales portent sur l’échelle, la qualité spatiale des données et la qualité sémantique des classifications qui en sont dérivées (Lausch et Herzog, 2002 ; Herold et al., 2003).

6La télédétection produit des indicateurs dont la précision dépend de la résolution spatiale des capteurs utilisés (Forman et Godron, 1986 ; Li et Yeh 1998 ; Herold et al., 2003 ; Skupinski et al., 2009). Le niveau d’hétérogénéité représentée est d’autant plus grossier que la résolution spatiale est faible (Riitters et al., 1995). Les objets individuels peuvent alors apparaître compacts ou agrégés, et les mesures spatiales dérivées de ces images sont déterminées plus par la forme carrée des pixels que par la forme des objets qui constituent le paysage (Milne, 1991). Les images satellitales à très haute résolution spatiale, qui ont une précision spatiale d’un ordre métrique, apparaissent alors comme une source de données incontournable pour toute analyse des espaces urbanisés (Puissant et Weber, 2004). Toutefois, ces images présentent deux contraintes pour reconstituer le processus de croissance d’agglomérations entières : elles ne couvrent que des surfaces limitées d’un territoire, 300 km² environ au maximum, et ne sont disponibles que depuis une dizaine d’années. A contrario, les images à haute résolution spatiale de type Landsat, en dépit d’une résolution spatiale d’un ordre décamétrique, et donc inadaptée à une caractérisation fine des espaces urbains et périurbains, couvrent de larges superficies et sont disponibles depuis le début des années 1980. En étudiant l’effet de la résolution des images sur le comportement de certaines métriques paysagères, Aithal et al. (2012) indiquent que les indicateurs dont le calcul est basé sur les taches sont sensibles à la résolution spatiale tandis que ceux basés sur la forme et le voisinage sont insensibles au changement de résolution. Brown et al. (2005) ont démontré qu’en comparant plusieurs classifications d'une même région utilisant différentes classes, les conclusions dépendent de la façon dont ces classes sont définies. La qualité thématique dépend de la différence de contraste entre les classes et de la résolution du capteur : plus la séparabilité spectrale des objets est faible, moins la cartographie de l’occupation du sol est précise (Anderson et al., 1976). La précision d’une classification dépend aussi du nombre de classes considérées.

7Le choix de la nomenclature à utiliser pour classer les images de télédétection doit donc être fait en fonction de la résolution spatiale du capteur et du nombre de classes thématiques nécessaires pour générer les métriques spatiales. Ainsi, une classification grossière en deux principaux types d’occupation du sol comprenant les surfaces artificialisées et les surfaces non artificialisées, est a priori adaptée à des images dont la précision spatiale est d’un ordre décamétrique. Toutefois, des objets et des structures ne sont pas détectés, ce qui peut se traduire par une représentation très homogène du paysage en sous-estimant sa diversité et sa fragmentation (Herold et al., 2005). Mais si la classification est trop détaillée, des structures spatiales pertinentes telles que la forme et l’arrangement des objets peuvent être perdues dans un paysage très hétérogène (Herold et al., 2005). D’après Herlod et al. (2005), cette hétérogénéité est déterminée par la résolution spatiale des données, l’étendue de la zone d’étude et la nomenclature retenue pour cartographier l'occupation du sol.

8L’objectif de cet article est d’explorer l’usage des métriques paysagères pour l’analyse de la tache urbaine et de son évolution, à partir d’une série d’images Landsat pour Rennes Métropole entre 1984 et 2005. Il s’agit de suivre l’emprise des extensions urbaines en identifiant les rythmes de consommation de l’espace liée à l’urbanisation, et de caractériser les formes urbaines et les processus spatiaux. In fine, l’effet de ces processus sur les espaces agricoles et naturels, connu des services de Rennes Métropole mais non encore quantifié, est mesuré sur une période d’une vingtaine d’années.

Site d’étude et données utilisées

Rennes Métropole ou la « ville-archipel », une agglomération dynamique de taille moyenne

9Rennes Métropole est une communauté d’agglomération de taille moyenne qui s'étend sur une superficie de 61 344 ha et comptait 4 120 717 habitants au dernier recensement de 2012 (Insee, 2012) répartis sur 37 communes (figure 2). Elle couvre un territoire en fort développement et à l’aire d’influence de plus en plus étendue. Rennes Métropole est marquée par une forte dynamique économique et démographique, avec une population qui augmente chaque année de +1,1 % depuis 1975 sauf sur la période 1999-2007 où elle a enregistré un taux annuel moyen de +0,8 %. Entre 2007 et 2012, la variation de l’emploi total au lieu de travail a enregistré un taux annuel moyen de +0,9 %. Le parc logement, composé de 36,2 % de maisons et 63 % d’appartements, atteint en 2012 un total de 210 263 logements (Insee, 2012).

10Le noyau urbain correspond au cœur de la métropole (figure 2). Il accueille 61 % de population, 74 % des emplois et 67 % des logements de Rennes Métropole (Insee, 2012). Il est constitué de l’emprise urbanisée de la ville-centre (Rennes) et des quatre communes limitrophes (Saint-Grégoire, Cesson-Sévigné, Chantepie et Saint-Jacques-de-La-Lande). Les cinq communes présentent une zone de bâti continu, selon la définition morphologique du contour urbain (Bailly, 1996). Une partie du territoire de ces communes est d’ailleurs située à l’intérieur de la rocade. Cette définition du noyau urbain est utilisée par l’Agence d’Urbanisme et du Développement Intercommunal de l’Agglomération Rennaise (AUDIAR).

11L’armature urbaine de l’agglomération rennaise est basée sur l’alternance ville/campagne autour de son noyau urbain. Quatre composantes principales sont à la base de ce modèle d’urbanisation connu sous le nom de la « ville-archipel » (AUDIAR, 2004) : (1) la ville-centre agglomérée ou noyau central métropolitain ; (2) une armature de petites villes à la périphérie immédiate du noyau central aggloméré ; (3) un chapelet de petits bourgs disséminés dans la campagne et (4) un réseau routier disposé en étoile et jouant un rôle structurant du territoire. D’après Allain (2004), cette macroforme d’expansion urbaine qu’il qualifie de modèle polycentrique discontinu à faibles polarités périphériques, est le résultat d’une politique volontariste d’aménagement et d’organisation de l’espace influencée par plus de 30 ans de contrôle. Engagée depuis 1977, la politique foncière instaurée par Rennes Métropole permet aux acteurs publics de consolider le modèle d’aménagement de la ville archipel et de faire de l’alternance ville/campagne un moyen pour limiter la consommation de l’espace, la conurbation et la fragmentation de l’espace en agissant sur les choix en matière de morphologie et de formes architecturales. Ainsi, cette politique volontaire de planification urbaine, visant à maîtriser le développement spatial de l’agglomération (Guy et Givord, 2004), a permis de contenir l'étalement de la ville. Cette dernière est encore délimitée par une rocade et enserrée par une ceinture verte qui empêche un processus de coagulation avec le réseau de villes secondaires qui l’entourent.

12Grâce à cette politique de planification, Rennes Métropole est aujourd’hui dans des conditions favorables à la prise en compte de l’environnement dans les politiques d’aménagement et d’urbanisme. Toutefois, en raison de la pression foncière qui s’exerce sur les espaces agricoles et naturels périurbains, il apparaît nécessaire de mettre en œuvre un suivi de l’artificialisation du territoire sur l’ensemble de l’agglomération afin de maintenir, de restaurer, voire de construire des corridors écologiques dans le cadre de la mise en place des trames vertes et bleues.

Données utilisées

13Une série de cinq images satellitales à haute résolution spatiale, espacées de cinq ans, constitue les principales données utilisées pour reconstruire les trajectoires d’évolution des changements d’occupation et d’usage des sols entre 1984 et 2005 (tableau 1). Les différences de résolution spatiale entre les images Landsat et IRS-P6-LISS-III ont été homogénéisées à travers l’agrégation spatiale des pixels de l’image de 2005 à une résolution de 30 m. Le choix de ces images, malgré leur résolution spatiale faible et peu adaptée à l’étude fine des espaces urbanisés, se justifie par le but recherché et qui consiste à effectuer un suivi régulier de la tache urbaine et cerner les principales tendances et ruptures de son évolution en privilégiant une lecture d'ensemble et homogène sur l’ensemble du territoire. Des données auxiliaires ont servi de référence pour corriger et géoréférencer les images, calibrer et valider les classifications. Elles comprennent des séries de photographies aériennes, un orthophotoplan de 2001 ayant une résolution spatiale de 50 cm, un scan 25 de l’IGN, les cartes des modes d'occupation des sols de 1999 et 2004 fournies par l’AUDIAR ainsi qu’un fichier vectoriel des limites communales (Base de Données GEOFLA^® 2011).

Tableau 1 : Principales caractéristiques des images utilisées (Vis : Visible, PIR : Proche Infrarouge, MIR : Moyen Infrarouge)

	Image 1	Image 2	Image 3	Image 4	Image 5
Capteur	Landsat TM	Landsat ETM+	Landsat ETM+	Landsat ETM+	IRS-P6 LISS-III
Taille du pixel (m)	30 × 30	30 × 30	30 × 30	30 × 30	23,5 × 23,5
Bandes* spectrales	3 Vis, 1 PIR 2 MIR	3 Vis, 1 PIR, 2 MIR	3 Vis, 1 PIR, 2 MIR	3 Vis, 1 PIR, 2 MIR	2 Vis, 1 PIR, 1 MIR
Surface Couverte (Km)	185 × 185	185 × 185	185 × 185	185 × 185	140 × 140
Date d’acquisition	18-08-1984	27-09-1990	04-05-1995	07-04-2000	27-05-2005

Méthodologie

Traitement des données de télédétection

14La figure 3 illustre l’ensemble de la chaîne de prétraitements et de traitements effectués sur chacune des cinq images. Tout d'abord, elles ont été recalées à l’aide de l’orthophotoplan de 2001 et géoréférencées dans le même système de projection. Des corrections radiométriques et atmosphériques ont aussi été réalisées avec le modèle atmosphérique 5S (Kergomard, 2000) afin de pallier les variations de réflectance dues aux différences de conditions d’éclairement, d’observation et d’environnement entre les mêmes objets lors de l’enregistrement des cinq scènes satellitales. Ces images prétraitées ont ensuite fait l’objet d’une classification basée sur une approche orientée-objet en utilisant le logiciel eCognition. Les images ont été segmentées en objets homogènes à deux niveaux hiérarchiquement emboîtés : un niveau 1 plus grossier et un niveau 2 plus fin (figure 4). A ces deux niveaux de segmentation correspond un facteur d’échelle de 15 et 10. Ce facteur d’échelle, un des paramètres clés de la segmentation, fixe la taille des objets d’une image segmentée en agrégeant les pixels homogènes. Plus la valeur de ce facteur est élevée, plus les objets segmentés seront de grande taille.

15Les objets du niveau 1, qui servent au calcul des métriques paysagères, ont été affectés de façon supervisée aux deux classes « Tache urbaine » et « Hors tache urbaine » selon une classification « au plus proche voisin » (Aguejdad et al., 2006). La tache urbaine, qui englobe au sens large l’ensemble des surfaces urbanisées, comprend ici les espaces bâtis, les parkings, la voirie, les surfaces en eau, les espaces verts et les espaces boisés associés à l’urbanisation (Aguejdad et al., 2009). Ce niveau d’analyse devrait permettre la mise en évidence des principales dynamiques d’expansion urbaine homogènes et significatives tout en évitant d’accentuer l’hétérogénéité locale inhérente au tissu urbain. Le choix d’une nomenclature simple en deux classes s’explique par le niveau de détail recherché, ce qui permettra de garantir une classification d’une qualité meilleure et une échelle d’analyse adaptées à la caractérisation de la tache urbaine. D’après Herold et al. (2005), la résolution spatiale des données et leur précision thématique influencent directement les résultats des métriques spatiales.

16Une fois validés, les résultats de ce premier niveau de classification ont été utilisés comme données d’entrée pour définir les règles de classification au niveau 2. A ce niveau, les objets ont été discriminés selon la nomenclature suivante : d’un côté, les surfaces urbanisées formant la tache urbaine (Bâti, Surfaces en eau, Espaces verts et Espaces boisés) et de l’autre côté, les surfaces non urbanisées exclues de la tache urbaine (Eau, Forêts et Cultures et prairies). Les objets du niveau 2 ont été classés grâce à une classification supervisée basée sur la logique floue et utilisant des fonctions d’appartenance déterminées à partir d’une connaissance experte de l’opérateur (Aguejdad et al., 2006 ; Aguejdad et al., 2009). Ce deuxième niveau d’analyse devrait aider à reconstituer finement les trajectoires d’évolution de l’occupation des sols à travers l’analyse des espaces verts intra-urbains et des classes au détriment desquelles l’urbanisation s’est effectuée durant la période d’étude.

17A chacun des deux niveaux, les résultats de la classification ont été évalués et améliorés par des corrections effectuées par photo-interprétation assistée par ordinateur (eCognition et ArcGIS) à partir des données de référence. La validation des résultats des classifications finales a montré un niveau de précision élevé, avec un indice Kappa moyen de 0,97 (Congalton, 1991).

Choix des métriques

18D’après Neel et al. (2004), ce choix doit dépendre de la combinaison d’un certain nombre de critères parmi lesquels le type d’application, le contexte, les caractéristiques du paysage, les processus et la nature des données utilisées. Dans cette étude, une série de huit métriques simples à interpréter (Herold et al., 2002) a été choisie afin de mettre en évidence la composition, la forme et la configuration spatiale des fragments urbains : le nombre de fragments, leur taille moyenne, la distance moyenne au plus proche voisin, la densité de lisière, l’indice du plus large fragment, la forme du paysage, la dimension fractale et l’indice d’agrégation (tableau 2). L'ensemble de ces métriques spatiales a été calculé à un niveau d’analyse correspondant à la classe « Tache urbaine » (Niveau 1) en utilisant le programme FRAGSTATS (McGarigal et al., 2002).

19Le nombre de fragments urbains (NP) présents dans le paysage et leur taille moyenne (MPS) permettent de fournir une première description du niveau de fragmentation des surfaces artificialisées. L’analyse de l’évolution de ces deux métriques permet de savoir si de nouveaux fragments sont créés à proximité ou loin des fragments existants. La métrique du plus large fragment (LPI) permet de quantifier la part relative qu’il occupe par rapport à l’ensemble du paysage étudié. La distance euclidienne moyenne au plus proche voisin (MNN) permet de voir comment les fragments urbains sont dispersés à l’échelle du paysage. La densité de lisière (ED) représente la longueur totale du périmètre des fragments urbains divisée par la superficie totale du paysage. Plus les fragments présentent des formes irrégulières et complexes, plus leur longueur de lisière augmente, et le paysage est alors de plus en plus fragmenté. La forme du paysage (LSI), basée sur le rapport total des lisières à leur périmètre théorique total dans le cas d’une forme compacte de même surface, permet de mesurer la régularité des fragments. Les fortes valeurs de cet indice indiquent que les fragments présentent des formes irrégulières et complexes. La dimension fractale moyenne pondérée par la surface (AWMPFD) décrit le niveau de complexité de la forme géométrique des fragments urbains à travers la mesure du taux de croissance du périmètre par unité de surface. Elle permet de suivre l’évolution de la relation entre le périmètre d’une ville et son emprise au sol. L’indice d’agrégation (AI) permet de décrire le niveau d’agrégation ou d’isolement des fragments urbains dans le paysage. Les faibles valeurs de cette métrique indiquent une morphologie fragmentée où les surfaces urbanisées sont dispersées, la valeur maximale étant atteinte quand ces dernières forment un seul fragment compact.

Résultats

Un processus d’artificialisation qui se poursuit dans le temps

20Le suivi de l’artificialisation du territoire à l'échelle de Rennes Métropole au cours des vingt dernières années confirme la forte croissance de la tache urbaine (tableau 3). Ainsi, l’emprise des surfaces urbanisées a enregistré une hausse de 55 % en passant de 7 214 ha en 1984 à 11 191 ha en 2005. Les sols artificialisés qui, représentent12 % de la superficie totale de Rennes Métropole en 1984, atteignent 18 % en 2005. Les résultats montrent aussi une tache urbaine en progression régulière avec une moyenne annuelle de 190 ha/an, soit l’équivalent d’un ½ ha des espaces agricoles et naturels qui disparaissent quotidiennement au profit des espaces résidentiels, des zones d’activités et des grandes infrastructures.

Tableau 3 : Evolution de la tache urbaine dans Rennes Métropole de 1984 à 2005

Années	Tache urbaine (ha)	Part dans Rennes Métropole ( %)	Indice 100 (1984)	Périodes	Taux brut annuel (ha/an)
1984	7 214	12	100	-	-
1990	8 324	14	115	1984-1990	+185
1995	9 300	15	129	1990-1995	+195
2000	10 222	17	142	1995-2000	+185
2005	11 191	18	155	2000-2005	+194

Une artificialisation inégalement répartie dans l’espace

21Les résultats montrent une consommation d’espace faible dans la partie Nord de Rennes Métropole, et plus forte dans la partie Sud (figure 5). Trois axes semblent structurer l’urbanisation : la Vilaine et les deux axes routiers Rennes-Nantes et Rennes-Redon.

22Le noyau urbain s’affirme comme un espace fortement urbanisé. Pour la commune de Rennes, les surfaces artificialisées représentent environ 70 % de sa superficie totale, contre 47 % pour le noyau urbain (figure 6). Le taux d’artificialisation du sol à l’échelle de la commune de Rennes s’est relativement stabilisé durant la période d’étude laissant la place à des opérations de densification de l’espace communal et de renouvellement urbain qui augmente le nombre de logements sans étendre la tache urbaine.

23L’intensité de l’expansion urbaine augmente au fur et à mesure qu’on s’éloigne de la ville-centre et du noyau urbain métropolitain illustrant un phénomène de périurbanisation (figure 7). Ainsi, les communes de Rennes Métropole situées hors du noyau urbain ont connu une forte croissance (105 %) en doublant l’emprise de leurs surfaces artificialisées sur l’ensemble de la période d’étude, avec un rythme annuel d’environ 5 %. Sur les 21 ans d’urbanisation, les rythmes d’expansion de la commune de Rennes et du noyau urbain dans son ensemble restent relativement faibles, respectivement 8 % et 27 %. A partir de 1995, le rythme d’artificialisation des communes de Saint-Grégoire, Cesson-Sévigné, Chantepie et Saint-Jacques-de-La-Lande, ayant connu une forte hausse (50 %) entre 1984 et 1995, va subir un ralentissement qui se traduit par une urbanisation de plus en plus portée par les communes périurbaines.

Une artificialisation au détriment des cultures et prairies

24Rennes Métropole, malgré l’urbanisation croissante de son territoire, reste un espace à dominante agricole ou naturelle (figure 8). En 2005, 82 % du territoire était encore non urbanisé, seuls 18 % des espaces étaient urbanisés, ce qui représentait environ 1/6^ème de la superficie de Rennes Métropole.

25L’analyse des trajectoires d’évolution de l’occupation du sol entre 1984 et 2005 montre que l’urbanisation s’est produite en grande partie au détriment des espaces agricoles et naturels (figure 8). La conversion de la classe « Cultures et prairies » en espaces bâtis ou infrastructures associées représente environ 99 % des changements observés vers la tache urbaine sur la période 1984-2005 (tableau 4). Les résultats révèlent ainsi que très peu de zones boisées ont été artificialisées durant la période d’étude, parce qu’elles étaient déjà des zones relictuelles en 1984.

Tableau 4 : Principales transitions vers les surfaces urbanisées de 1984 à 2005 et leur importance en pourcentage par rapport à la superficie de Rennes Métropole et au changement total observé

Conversions	Nbre de pixels (30m x 30m)	Superficie (ha)	% Rennes Métropole	% Changement total observé
Cultures et prairies urbanisées	43334	3900	2,72	98,74
Forêts urbanisées	552	50	0,03	1,26

26Les prairies et les terres agricoles sont en régression, mais les espaces verts et boisés sont en augmentation à l’intérieur de la tache urbaine (tableau 5). En effet, ces espaces verts insérés dans la tache urbaine ont enregistré une hausse de 40 % entre 1984 et 2005.

Tableau 5 : Evolution en pourcentage des espaces verts et boisés inclus dans la tache urbaine et des espaces forestiers, agricoles et naturels dans Rennes Métropole de 1984 à 2005 (^* inclus dans la tache urbaine, ^** exclues de la tache urbaine)

	1984 ( %)	1990 ( %)	1995 ( %)	2000 ( %)	2005 ( %)	Taux d’évolution 1984-2005 ( %)
Espaces boisés*	0,14	0,12	0,13	0,15	0,15	+7
Forêts**	4,46	4,40	4,08	4,07	3,97	-11
Espaces verts*	0,35	0,33	0,35	0,46	0,49	+40
Cultures et prairies**	82,89	80,63	78,97	77,51	75,46	-9

Evolution de la structure spatiale : analyse à travers les métriques paysagères

27D’emblée, on remarque qu’entre 1984 et 2005, le nombre de fragments urbains (NP) a augmenté de 64 %, avec la création de 53 nouveaux fragments (tableau 6). Toutefois, l’évolution de cette métrique n’est pas continue et fait ressortir deux périodes distinctes (figure 9). L'accroissement du nombre de fragments est marqué sur la période 1984-1995 et surtout entre 1984 et 1990, tandis qu'une faible hausse est observée sur la période 1995-2005. Cette métrique met en évidence un processus de diffusion selon lequel l’expansion urbaine observée entre 1984 et 1995 s’est effectuée à travers la création de nouveaux fragments loin de l’urbain déjà existant. A partir de 1995, les résultats indiquent un léger accroissement du nombre de fragments urbains qui tend à se stabiliser. Cette deuxième phase marque le début d’un changement dans l’organisation spatiale de la tache urbaine selon lequel on assiste, non pas à une création diffuse de surfaces nouvellement urbanisées, mais à une extension continue de l’urbain existant suivant un processus de coalescence en cas de maintien de cette tendance dans le futur.

Tableau 6 : Evolution des métriques paysagères de 1984 à 2005

Années	NP	MPS (ha)	LPI ( %)	MNN (m)	ED (m/ha)	LSI	PAFRAC	AI ( %)
1984	83	86,92	3,03	703,02	2,82	11,52	1,23	98,14
1990	114	73,02	3,31	411,92	3,34	12,70	1,23	98,07
1995	132	70,46	3,49	363,14	3,92	14,10	1,22	97,96
2000	133	76,87	3,59	283,34	4,44	15,25	1,24	97,88
2005	136	82,30	3,67	271,39	4,90	16,06	1,25	97,86
Evolution brute 1984-2005	+53	-4,62	+0,64	-431,63	+2,08	+4,54	+0,02	-0,28

28Ce processus de fragmentation s’est accompagné d’une modification de la taille moyenne des fragments urbains (MPS). Sur l’ensemble de la période d’étude, la taille moyenne des fragments a diminué d’environ 5 ha, mais avec des trajectoires et intensités différentes selon les périodes. La plus forte baisse a été enregistrée durant la période 1984-1990 puisque la taille moyenne des surfaces urbanisées a diminué de 13,9 ha, tandis qu’entre 1990 et 1995, elle n’a baissé que de 2,6 ha. A partir de 1995, la taille moyenne des fragments marque le début d’une augmentation d’environ 6 ha tous les 5 ans.

29L’évolution de la part de Rennes Métropole occupée par le plus grand fragment urbain (LPI) a enregistré une hausse cumulée de 0,64 % entre 1984 et 2005. Toutefois, l’analyse de cette métrique par période révèle une croissance de plus en plus faible : 0,28 %, 0,18 %, 0,10 % et 0,08 %. Le noyau urbain a relativement connu sa plus forte extension durant la période 1984-1990, tandis que cette croissance s’est stabilisée à partir de 1995. L’évolution de cet indicateur s’explique par le processus de périurbanisation qui fait que la majorité de l’expansion urbaine de Rennes Métropole est de plus en plus portée par les communes périurbaines notamment dès 1995 (figures 6 et 7).

30La dispersion des fragments urbains dans le paysage est décrite en analysant la distance moyenne séparant deux fragments voisins (MNN). Les résultats montrent une baisse significative (-432 m) sur les 21 ans d’artificialisation de l’espace (tableau 6). Cette métrique, corrélée au nombre de fragments présents dans le paysage et à leur répartition spatiale, est passée de 703 m en 1984 à 271 m en 2005. Elle atteint sa plus forte baisse (-291 m) sur la période 1984-1990 tandis qu’elle est restée stable (-12 m) sur la dernière période 2000-2005, cette dernière variation comparée à la taille du pixel d’une image Landsat (30 m) étant non significative. Sur la période 1984-1990, on peut supposer qu'un processus d'artificialisation par création de nouveaux fragments a favorisé le rapprochement entre les surfaces urbanisées. Toutefois, la comparaison entre les deux périodes 1990-1995 et 1995-2000 permet de nuancer ce constat : entre 1990 et 1995, 18 nouveaux fragments ont été créés et la distance moyenne au plus proche voisin a diminué de 49 m contre 80 m sur la période 1995-2000, période pendant laquelle un seul fragment urbain a été créé. La diminution continue de la distance inter-fragments se traduit par un rapprochement des surfaces artificialisées au détriment des coupures de paysage non constructibles au risque de voir émerger des axes fragilisés par un phénomène de conurbation tel est le cas entre les communes de Vern-sur-Seiche et Chantepie. Des espaces agro-naturels non urbanisables et des connexions écologiques entre ces deux communes devront être prévus afin d’éviter ce risque de fermeture paysagère.

31La densité de lisière (ED) des surfaces urbanisées a augmenté en enregistrant une hausse de +2 m/ha, soit 74 % par rapport à 1984. Les lisières n’ont cessé de croître et leur forme est devenue irrégulière, complexe et moins compacte. La comparaison de cette métrique avec le nombre de fragments ne montre pas de relation directe entre le niveau de fragmentation des surfaces urbanisées et la densité de leur lisière.

32L’indice de forme du paysage (LSI) marque un accroissement sur l’ensemble de la période 1984-2005 avec un taux d’évolution de +39 %. Cette hausse continue est plus élevée sur la période 1984-1995 (+22 %) que sur la période 1995-2005 (+14 %), notamment entre 2000 et 2005 (+5 %). Cet indicateur illustre l’impact du mode d’expansion sur la structure spatiale de la tache urbaine. Comparé à une expansion privilégiant la compacité, l’étalement diffus observé durant la première phase 1984-1995 tend à favoriser la production de fragments de forme irrégulière et complexe.

33Les résultats de la dimension fractale (PAFRAC) montrent de très petites variations sur l’ensemble de la période 1984-2005. Ils indiquent une stabilité (-0,01) entre 1984 et 1995 tandis qu’une légère reprise (+0,03) est observée sur la période 1995-2005. A partir de 1995, la taille des fragments tend à augmenter plus lentement que leur périmètre. Une hausse de la dimension fractale se traduit par des formes géométriques de plus en plus allongées, irrégulières et complexes. Cependant, la question de la significativité de ces faibles variations reste posée et mérite d’être approfondie. L’interprétation du comportement de cette métrique est encore plus difficile que, parmi les indicateurs choisis (tableau 2), elle est la seule dont les valeurs sont comprises entre 1 et 2.

34L’organisation spatiale de la tache urbaine est aussi illustrée par l’indice d’agrégation (AI). D’emblée, on observe une baisse continue sur l’ensemble de la période 1984-2005, une très faible baisse de -0,02 % étant observée sur la dernière phase 2000-2005 (figure 10). Une baisse de cette métrique indique que les fragments sont de moins en moins dispersés et les structures paysagères sont alors moins fragmentées que dans le cas d’un étalement urbain diffus. Toutefois, son évolution durant la période d’étude doit être interprétée en tenant compte de la résolution spatiale de l’imagerie Landsat (30 m). Ainsi, la très faible baisse observée peut, en réalité, être interprétée seulement comme l’amorce d’une tendance à la diminution de la dispersion des fragments urbains.

Discussion

35Les premiers résultats illustrent une nette progression du tissu urbain qui, particulièrement plus intense au Sud, est inégalement réparti dans l’espace mais avec des rythmes de croissance annuelle légèrement différents. L’ampleur du phénomène d'artificialisation observé sur Rennes Métropole entre 1984 et 2005 a entraîné une fragmentation des structures paysagères à travers l’augmentation du nombre de nouvelles surfaces urbanisées. Avec une hausse du nombre de fragments urbains atteignant 64 %, les résultats indiquent un rapprochement des surfaces artificialisées et un mitage des espaces agricoles et naturels périurbains notamment durant la période 1984-1995. Par ailleurs, la reconstitution des trajectoires des changements d’occupation des sols montre que l’expansion urbaine s’est produite davantage au détriment des cultures et des prairies que des espaces boisés. Néanmoins, les espaces verts périphériques sont en augmentation à l’intérieur des nouveaux espaces urbanisés. Ces résultats confirment le constat selon lequel la ville, au fur et à mesure qu’elle s’étend, inclue de plus en plus de nature suivant un gradient de verdure qui s’observe depuis le centre-ville jusqu’à sa périphérie (Clergeau, 2007). Cette tendance illustre la politique de maintien des espaces verts en ville menée depuis quelques années. Elle traduit la volonté croissante, visible dans les nouveaux projets urbains, d’intégrer davantage d’espaces verts composés en grande partie d’arbustes et de pelouses et aménagés pour la détente et les loisirs, surtout à la périphérie de la ville (Clergeau, 2007).

36La comparaison entre les quatre périodes permet de cerner les principales évolutions. Selon les périodes considérées, cette consommation en continu de l’espace s’est effectuée avec des rythmes de croissance légèrement différents (±10 ha/an), l’équivalent de 111 pixels de 30 m de résolution spatiale. La plus forte extension urbaine est enregistrée durant la période 1990-1995. La plus faible consommation foncière est observée au cours des deux périodes 1984-1990 et 1995-2000, tandis que la période 2000-2005 est marquée par une nouvelle accélération de l’extension des surfaces artificialisées. D’après l’AUDIAR (2009), « la croissance de Rennes Métropole s’est poursuivie sur la période 1999-2006 à un rythme élevé, mais inférieur à celui des années 1990 ». Le maintien de l’expansion urbaine s’explique en partie par le fait que la période 1999-2000 correspond à des années considérées comme exceptionnelles pour le développement de l’immobilier de bureaux (AUDIAR, 2009), un secteur d’activité où la mondialisation se traduit par des cycles conjoncturels subis à des rythmes rapides (Bonnet, 2003). D’après Bonnet (2003), les années prospères correspondant à des phases de dynamisme (1986-1990, 1997-2000) succèdent aux années de crise et se traduisent par une hausse significative du total des surfaces placées. Par ailleurs, la période 2000-2005 a enregistré une forte expansion du secteur de l’habitat (AUDIAR, 2009), tandis que les marchés de bureaux étaient à la baisse entre 2000 et 2002 (Bonnet, 2003). Cette période est aussi marquée par une forte progression du nombre de logements livrés dans les zones de croissance urbaine avec une production d’environ 5000 logements terminés en 1995. Dès 1998, ce rythme annuel fléchit (3000 logements), marque une chute à partir de 1999 (2300 logements) et reste constant pour le reste de la période d’étude (AUDIAR, 2004). Sur Rennes Métropole hormis la ville de Rennes, la production en logements collectifs est en progression depuis 2001 grâce en grande partie aux différentes opérations de Zones d'Aménagement Concerté (ZAC), tandis que les autorisations en lotissements diminuent de façon relative (AUDIAR, 2004).

37Si les résultats obtenus pour certains indicateurs (NP, MPS, MNN et LSI) semblent significativement concluants, il est difficile de tirer, à partir des autres métriques (PAFRAC, AI, LPI, ED) marquées par de très faibles variations (tableau 6), des conclusions tranchées sur le degré de leur significativité. Par ailleurs, la magnitude du niveau d’erreur pouvant résulter de l’usage de l’imagerie à haute résolution, du choix des temporalités des données et de la propagation des erreurs dans la chaîne de prétraitements et traitements de la donnée ne permettent de rendre compte que des ruptures fortes au détriment des changements subtiles non détectables. Des travaux futurs utilisant d’autres sources d’information sur une période beaucoup plus longue permettraient de confirmer ou non la significativité des résultats obtenus. Néanmoins, l’analyse et la mise en relation des différentes métriques permettent de mettre en évidence deux phases majeures d’expansion urbaine dans Rennes Métropole durant la période 1984-2005. La période 1984-1995, qualifiée de phase de diffusion, se distingue par une forme d’expansion urbaine de type « outlying » (Liu et al., 2010). Elle est marquée par l’urbanisation de nouveaux espaces à travers la création de fragments urbains isolés, ce processus étant plus visible entre 1984 et 1990. Avec le temps, ces nouveaux fragments servent de point de départ pour de nouveaux foyers d’urbanisation. Les résultats illustrent un processus de mitage qui se traduit par une augmentation du nombre de fragments urbains, une diminution de leur taille moyenne, une chute de la distance moyenne au plus proche voisin et une baisse relative du niveau d’agrégation. A partir de 1995, date de mise en œuvre du premier Plan Local d’Habitat (PLH) communautaire fixant comme objectif la production de 3000 logements par an (AUDIAR, 2005), un virage semble se produire. L’expansion urbaine de Rennes Métropole est de plus en plus portée par les communes périurbaines qui prennent le relais et dont le rythme se démarque nettement de celui du noyau urbain. Les résultats des métriques spatiales indiquent un changement dans l’organisation spatiale de la tache urbaine qui s’étale suivant une expansion de type « edge-expansion » (Liu et al., 2010) en évoluant vers plus de compacité. Ainsi, les nouvelles surfaces artificialisées durant la période 1995-2005 résultent de l’extension continue de l’urbain existant suivant un processus de polarisation de l’espace rural voisin. Cette deuxième phase est marquée par un nombre de fragments relativement stable, une très faible diminution du niveau d’agrégation, accompagnée d’une hausse de la taille moyenne et une légère reprise de la dimension fractale des surfaces urbanisées qui deviennent de plus en plus proches les unes des autres. Cette tendance s’explique aussi par la diversité de l’habitat dans le périurbain qui privilégie des opérations d’habitat plus compactes (AUDIAR, 2004). Ainsi, sur Rennes Métropole, « les collectifs représentent plus de la moitié des logements livrés sur la périphérie rennaise depuis 2001. Les autorisations en individuel, lotissements, diminuent de façon relative et ceci est en grande partie dû à des opérations en ZAC » (AUDIAR, 2004).

Conclusion

38Les résultats obtenus montrent que l’approche orientée-objet, développée à l’origine pour traiter des données de télédétection à très haute résolution spatiale, peut être appliquée avec profit sur des images ayant une résolution spatiale plus faible. Ils montrent aussi l’intérêt de l’utilisation d’une série temporelle d’images satellitales à haute résolution de type Landsat pour l’étude et le suivi de l’étalement urbain. Ces images, malgré leur résolution spatiale faible et peu adaptée à l’étude fine du milieu urbain, permettent d’effectuer un suivi de la tache urbaine tous les 5 ans. Elles privilégient une lecture d'ensemble et homogène de l'organisation de l'espace sur tout le territoire d’une métropole, avec une précision d’un hectare environ, et cela sur deux décennies. Toutefois, les limites liées à la marge d’erreur et au choix des temporalités ne permettent de rendre compte que des ruptures fortes en privilégiant une lecture globale au détriment de l’hétérogénéité locale et des dynamiques annuelles du changement. Par ailleurs, l’une des difficultés rencontrées dans l’interprétation et la comparaison des résultats de certaines métriques réside dans la distinction entre, d’une part, des différences significatives et, d’autre part, des variations non significatives qui ne sont dues qu’à la qualité des données (résolution spatiale, précision sémantique) et aux choix des temporalités.

39Malgré ces limites, le recours aux métriques paysagères a permis de mieux caractériser le phénomène d'artificialisation du territoire. Elles ont permis de dégager les principaux modes d’organisation spatiale de l’armature urbaine à l’œuvre sur le territoire de Rennes Métropole entre 1984 et 2005. L’expansion urbaine de la métropole rennaise apparaît marquée par la coexistence de deux modes d’expansion, à savoir la création de nouveaux fragments isolés et l'extension continue de l'urbain existant. Ces deux modes ont donné naissance à deux phases d’urbanisation distinctes. Une première phase de 1984 à 1995, surtout de 1984 à 1990, est marquée par un processus de diffusion et un mitage accéléré du paysage à travers la création de nouvelles surfaces urbanisées isolées. Une deuxième phase allant de 1995 à 2005 est plutôt marquée par l’extension des surfaces urbanisées déjà existantes.

40La démarche peut être reproduite à des échelles régionales, grâce à l’utilisation d’images de type Landsat. Elle peut aussi être reproduite à l’échelle d’une agglomération en exploitant des données de télédétection à très haute résolution spatiale. Par ailleurs, l’un des usages potentiels des métriques spatiales dans une démarche de prospective territoriale est l’évaluation de l’impact des différents scénarios d’aménagement du territoire sur la modification des structures paysagères. Les résultats obtenus peuvent aussi servir à la calibration et la validation de modèles empiriques de simulation des changements d’occupation et d’usage des sols. Par exemple, l’une des applications potentielles de ces résultats serait d’évaluer l’impact du choix de la période de calibration sur la performance prédictive des modèles de simulation aussi bien au niveau de la quantité de changement estimée que son allocation spatiale. Ainsi, les faibles différences observées durant la période 1984-2005 pourraient servir à évaluer la capacité de ces modèles, basés sur une approche inductive, à reproduire de manière plausible les tendances passées.