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La télédétection pour améliorer la compréhension de l’urbanisation du Canada

Y. Zhang, B. Guindon, K. Sun et L. Sun
Centre canadien de télédétection (CCT), Ressources naturelles Canada

L’urbanisation est une tendance mondiale présentant des défis dont (a) la consommation accrue d’énergie qui provoque la pollution de l’air et de l’eau et la dégradation des écosystèmes, et (b) la modification du climat local résultant d’un stockage thermique renforcé et des rejets par les structures bâties (effet appelé îlots de chaleur urbains). La ”forme” des zones urbanisées, à savoir leur utilisation des terres et les tendances démographiques géospatiales, a un impact significatif sur l’énergie et de nombreux processus liés à l’environnement et aux activités réalisées dans les environnements urbains.

Afin de mieux comprendre ces impacts dans une perspective régionale et nationale, le Centre canadien de télédétection a créé des représentations quantitatives de la forme urbaine. Ces efforts ont abouti à la création d’une base de données nationale et cohérente sur les formes urbaines, appelée « Canadian Urban Land Use Survey » (CUrLUS), et à son utilisation dans l’évaluation de la durabilité urbaine canadienne. Le système CUrLUS englobe des couches intégrées, dont la couverture terrestre et l’utilisation des terres provenant principalement de l’imagerie satellitaire, les statistiques nationales sur la population, l’emploi et le transport tirées du recensement national et d’autres thèmes géospatiaux comme les  réseaux routiers. En outre, l’assimilation des anciennes cartes sur l’utilisations des terres a fourni au système CUrLUS une plage temporelle qui remonte à 1966. Grâce à la quantification des indicateurs géographiques et à la modélisation prédictive des déplacements, fondées sur les informations de CUrLUS, nous pouvons mieux comprendre le lien entre la forme urbaine et les transports.

Extraction au niveau sous-pixel d’information sur les surfaces

Dans les zones de peuplement humain, les données au niveau des pixels fournies par les satellites à résolution moyenne, comme Landsat et SPOT, sont avant tout un mélange de couvertures terrestres. La répartition des grandes couvertures terrestres comme les surfaces bâties, les terres ouvertes et les forêts urbaines dans les zones métropolitaines est la principale source d’information pour évaluer l’impact de la forme urbaine sur l’eau et l’air. Les zones bâties sont généralement des surfaces imperméables qui empêchent l’infiltration d’eau et, dans l’environnement urbain, elles comprennent diverses surfaces comme les toits, les routes, les entrées et les stationnements, ainsi que les sols et les graviers compactés. Pour comprendre de façon quantitative les effets concurents de la couverture des terres et leurs changements sur l’environnement urbain il faut une caractérisation complète de la distribution et des changements de la densité de couverture des zones urbaines, surtout la densité des surfaces imperméables et la densité des zones couvertes de forêt.

Des méthodes ont été conçues pour la cartographie sous-pixel de la densité de la couverture terrestre basée sur l’information intégrée extraite des données Landsat et QuickBird. Des images multispectrales à haute résolution (p. ex., figure 1A) obtenues par le satellite Quickbird jouent un rôle clé dans le processus de cartographie sous-pixel. D’abord, une classification thématique est dérivée de ces données. On utilise ensuite les classifications de couverture terrestre Quickbird (p. ex., figure 1B) pour « étalonner » l’indice de verdure dérivé de Landsat. La classification a priori de 30 mètres de la couverture terrestre et de l’utilisation des terres de CUrLUS nous permet d’obtenir des courbes d’étalonnage unique pour chaque classe urbaine CUrLUS (relation unique entre la l’indice de verdure et le pourcentage de surface imperméable/boisée), ce qui minimise ainsi un certain nombre de problèmes d’interprétation, dont la confusion entre les véritables surfaces imperméables et d’autres surfaces non végétales comme les champs en jachère, ainsi que les ambiguïtés de « verdure » entre les forêts et des terres herbacées. Les cartes sous-pixel des surfaces imperméables ainsi obtenues (p. ex., figure 1C, Ottawa-Gatineau) et des produits semblables pour la densité forestière sont des indicateurs fondamentaux des paramètres causant ou atténuant le chauffage urbain.

Figures 1a, 1b, et 1c

Figure 1A- B (à gauche): Exemple de carte de couverture du sol (en bas) produit avec l’imagerie Quickbird (en haut), Ottawa-Gatineau.
Figure 1C (à droite): Carte des surfaces imperméables, Ottawa-Gatineau.

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Figure 1

Ce produit illustre le processus permettant de réaliser une carte des surfaces imperméables. L’illustration est divisée en deux parties. À gauche, tel qu’indiqué dans le texte, une image à haute définition est utilisée pour générer une carte thématique de la couverture du sol selon les classes de forêt, herbe, surfaces imperméables, eau, sol découvert et terres dures non pavées. À droite, l’illustration contient un produit dérivé de la carte thématique. Il montre les surfaces imperméables, selon une échelle graduée de 0 à 100%, d’un secteur englobant la région d’Ottawa-Gatineau.

 

Mesurer la croissance urbaine au Canada

Figure 2

Figure 2: Croissance relative sur une période de 35 ans (1966-2001) dans les zones bâties des grandes régions urbanisées au Canada.

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Figure 2

Ce diagramme montre l’évolution des zones bâties dans les grandes régions urbanisées du Canada. L’axe horizontal montre les années, qui s’étalent de 1966 à 2001. L’axe vertical montre l’augmentation de la couverture urbaine en pourcentage. Le diagramme contient les courbes de 15 grandes villes canadiennes, et toutes montrent un accroissement de leur couverture urbaine. La méthode d’évaluation est décrite dans le texte.

 

La mesure de la croissance urbaine et l’évaluation de ses impacts requièrent des données à long terme sur la couverture terrestre et les changements dans l’utilisation des terres, qui ne peuvent pas être obtenues d’une seule source d’information. Une méthode d’assimilation de l’information sur la couverture terrestre et l’utilisation des terres a été conçue afin de fusionner des sources information diverses et historiques et, partant, réduire les incohérences dans la catégorisation thématique et dans les détails spatiaux entre les thèmes. L’application de cette méthode d’assimilation a permis de générer des séries chronologiques cohérentes sur 35 ans pour documenter l’évolution de la couverture terrestre dans les grandes zones urbanisées du Canada. Nous avons évalué et examiné les variables clés qui caractérisent le processus d’expansion urbaine, dont la superficie des terres urbaines, la densité de l’habitat urbain, la densité de la population urbaine et la perte de terres naturelles. En outre, les influences de l’expansion urbaine sur les transports urbains et l’intensification de l’effet d’îlot de chaleur urbain ont été estimées par modélisation de cas typiques. La figure 2 montre la croissance relative dans les zones de grandes régions canadiennes urbanisées. Dans l’ensemble, la superficie bâtie a augmenté d’environ 122,96 % au cours en 35 ans, soit de 1966 à 2001. La densité de population résidentielle dans les zones nouvellement développées dans toutes les grandes villes a diminué au cours de cette même période. Ces tendances montrent que les banlieues à faible densité d’habitation représentent le processus dominant l’expansion urbaine au Canada.

Forme urbaine et transport urbain

Le caractère géospatial (la « forme ») des zones urbaines, c’est à dire la distribution spatiale de l’utilisation des terres et de la démographie, peuvent influencer de manière significative sur leur « efficacité » en termes de consommation énergétique et donc leur impact sur l’environnement et la santé humaine. Le transport illustre éloquemment ce type d’impact. Les villes nord-américaines sont caractérisées par une densité relativement faible et des utilisations distinctes des terres. Ces facteurs se reflètent dans le taux élevé de consommation d’énergie par habitant découlant du recours massif aux véhicules privés et aux longues distances urbaines.

En partenariat avec l’Office de l’efficacité énergétique (Ressources naturelles Canada), une étude a été entreprise pour utiliser le système CUrLUS afin de quantifier un certain nombre d’indicateurs liés à la forme urbaine et d’évaluer leur efficacité pour le suivi de la durabilité urbaine canadienne. Une nouvelle formulation des diverses utilisations des terres a été élaborée, qui associe directement la dimension des mélanges d’utilisation des terres aux horizons de transport urbain, et donc à la faisabilité de divers modes de transport. Cet indicateur présente une forte corrélation avec la migration quotidienne dans les villes et à l’intérieur de celles-ci.

Un projet de collaboration a également été entrepris avec le Conseil consultatif international sur la qualité de l’air, qui relève de la Commission mixte internationale, pour évaluer les impacts environnementaux de l’urbanisation dans la région des Grands Lacs. La base de données « Great Lakes Urban Survey » (GLUS) a été créée. Elle est similaire à CUrLUS, mais elle a un caractère international, car elle contient de l’information géospatiale cohérente sur toutes les grandes villes de la région autant du coté des États-Unis que du Canada (plus de 200 000 habitants) dans le bassin (la carte des distances types parcourues est présentée à la figure 3). La GLUS est utilisée non seulement comme source de statistiques sur l’état actuel de l’urbanisation, mais aussi pour développer des modèles prédictifs en vue d’étudier les répercussions des autres formes urbaines sur les mesures de substitution dans la consommation d’énergie dans les transports, en l’occurrence la distance. Un modèle cohérent, applicable aux villes canadiennes et américaines, est utilisé en conjonction avec les projections de croissance de la population afin d’évaluer les compromis énergétiques associés aux options de croissance, comme SmartGrowth, pour contrer les tendances actuelles à la sous-urbanisation à faible densité.

Figure 3

Figure 3: Carte des distances parcourues pour quatre secteurs urbanisés de la région des Grands Lacs.

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Figure 3

Cette illustration contient quatre produits thématiques représentant deux villes américaines, Chicago et Milwaukee et deux villes canadiennes, Toronto et Hamilton. Le document inclut d’une échelle de distance de déplacement allant de .1km à 30km. Le document vise à montrer, pour chaque ville, où se situent les secteurs à faible et à grande distance de déplacement.

 

Forme urbaine et îlots de chaleur urbains

Le phénomène d’îlot de chaleur urbain est le résultat de divers processus physiques et des interactions entre les sphères terrestre, atmosphérique et humaine. La forme et le tissu de  surface des zones urbanisées jouent un rôle essentiel dans les différences de température de surface entre les régions urbaines et rurales, ce qu’on appelle les îlots de chaleur urbains. La caractérisation et l’évaluation globales des liens entre la forme urbaine et les îlots de chaleur urbains de surface dans deux grandes régions urbaines du Canada - la région du Grand Toronto et celle d’Ottawa-Gatineau - ont été étudié en utilisant les informations intégrées provenant de l’imagerie satellitaire Landsat et Quickbird et du recensement de la population. Les informations spatiales dérivées comprennent les cartes de fraction de couverture terrestre, l’utilisation des terres et leurs changements au cours des ans, la température mesurée par des capteurs thermiques, ainsi que des cartes de la densité de population. Trois aspects des îlots de chaleur urbains de surface sont abordés, à savoir (a) les relations entre la température de surface et trois attributs géospatiaux urbains : utilisation des terres, densité de la couverture terrestre urbaine et densité de population; (b) les variations de température saisonnières dans la ville; et (c) l’intensification de l’effet d’îlot de chaleur urbain due à l’urbanisation récente. La figure 4 montre l’observation par satellite d’une telle intensification dans la région du Grand Toronto.

Figure 4a, 4b, et 4c

Figure 4A : (à droite) : Croissance du territoire urbain dans la région du Grand Toronto entre 1985 et 2005.
Figure 4B (coin supérieur gauche) : Distribution normalisée des températures effectives en surface dans la région du Grand Toronto à l’été de 1985 et 2005, respectivement.
Figure 4C (coin inférieur gauche) : Histogrammes des températures effectives en surface pour 1985 et 2005, respectivement. Les augmentations de cette température est attribuable à la conversion de terres naturelles en terrains résidentiels (à gauche) et commerciaux (à droite).

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Figure 4

Cette illustration découle des figures précédentes et complète les explications du texte sur la notion d’îlot de chaleur urbain. L’illustration comprend trois parties. La première montre une cartographie des changements de l’utilisation des terres dans le Grand Toronto entre 1985 et 2005. La seconde partie montre, sous forme de carte, les changements de température entre 1985 et 2006 pour le même secteur. La dernière partie montre, sous forme de graphique, ce même accroissement de température subdivisé cette fois en fonction des terrains naturels convertis en terrain résidentiels et en terrains commerciaux.

 

Références

Guindon, B. and Y. Zhang, 2004. CoLaPS: An Integrated System Linking Land Cover Product Generation and Interpretation. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 70, 733-741.

Guindon, B., Y. Zhang and Dillabaugh, C., 2004. Landsat Urban Mapping Based on a Combined Spectral-Spatial Methodology. Remote Sensing of Environment, 92, 218-232.

Guindon, B. and Y. Zhang,  2007. Using Satellite Remote Sensing to Survey Transport-Related Urban Sustainability Part II. Results of a Canadian Urban Assessment. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 9, 276-293.

Guindon, B. and Y. Zhang, 2009. Automated Urban Delineation from Landsat Imagery Based on Spatial Information Processing. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 75. 845-858.

Voogt, J.A. and Oke, T.R., 2003. Thermal remote sensing of urban climates. Remote Sensing of Environment, 86, 370-384.

Zhang, Y and Guindon, B., 2005. Using Landsat data to assess land use conversion impacts arising from urbanization: The Canadian context. URS2005 conference proceedings, The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing, and Spatial Information Sciences 36 (8/W27), on CDROM.

Zhang, Y. and B. Guindon. 2005. Landscape Assessment of Human Impacts on Deforestation in the Great Lakes Watershed. Canada J. Remote Sensing.  31, 153-166.

Zhang, Y. and B. Guindon., 2006. Using Satellite Remote Sensing to Survey Transport-Related Urban Sustainability Part I. Methodologies for Indicator Quantification. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 8, 149-164.

Zhang, Y. and B. Guindon, 2009, Multi-resolution Integration of Land Cover for Subpixel Estimation of Urban Impervious Surface and Forest Cover, International Journal of Digital Earth, 2, 89-108.

Zhang, Y. B. Guindon, K, Sun and L. Sun, 2008. Application of EO data and tools for improved understanding of the link between urban form and air quality: Canadian case. Presentation at UNOOSA/Austria/ESA workshop, 9-13 Sept. 2008, Graz.   http://www.oosa.unvienna.org/oosa/SAP/act2008/graz/presentations.html

Zhang, Y. B. Guindon and K, Sun, 2010. Measuring Canadian urban expansion and impacts on work-related travel distance: 1966-2001. Journal of Land Use Science, 5, 217-235.

Zhang, Y. B. Guindon and K, Sun, 2010. The concepts and application of the Canadian urban land use survey. Canadian Journal of Remote Sensing, in press.

Remerciements : L’Agence spatiale canadienne, la Ville d’Ottawa, le programme Environmental Prediction in Canadian Cities (EPiCC), GéoBase, la Commission mixte internationale, PCI Geomatics, Statistique Canada et le Centre aérospatial allemand (DLR).

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