Projet de recherche en hydrographie LiDAR

Objectifs principaux du projet

Le projet vise à développer des méthodes permettant de réaliser une cartographie des milieux humides et hydriques à partir du LiDAR aéroporté et de l’imagerie aérienne. Les produits résultants permettent une meilleure gestion du territoire en facilitant l’identification de l’hydrographie et des milieux humides. Les différents milieux hydriques suivants sont au cœur du projet de recherche : les petits cours d’eau tels que les cours d’eau intermittents et permanents, les milieux humides tels que ceux étant isolés (zones de contrainte à l’orniérage) et ceux étant riverains (écotones riverains) ainsi que les plans d’eau. Une étroite collaboration est effectuée avec plusieurs ministères des gouvernements provinciaux et fédéraux. Les ministères impliqués sont le Ministère des Forêts, de la Faune et des Parcs (MFFP), le Ministère de l'Environnement et de la Lutte contre les changements climatiques (MELCC), le Ministère de l'Énergie et des Ressources naturelles (MERN) et Ressources naturelles Canada (RNCan). Les retombées de ce projet toucheront autant le milieu forestier que le monde municipal et que les organismes de protection des milieux humides et hydriques (les organismes de bassins versants par exemple). Pour découvrir comment exploiter un modèle numérique de terrain (MNT) dérivé de données LiDAR afin de modéliser l'hydrographie linéaire ainsi que les zones de contraintes à l'orniérage, visionner les capsules suivantes sur notre chaîne YouTube : #1 , #2 , #3 , #4 , #5 , #6  et #7 .

Contexte

Avec l’initiative du MFFP de récolter des données LiDAR au Québec sur une superficie de 525 000 km2 dans une période allant de 2016 à 2022, la modélisation des milieux humides et hydriques prend une toute nouvelle importance. Cette avancée est due aux modèles numériques de terrain (MNT) issus du LiDAR qui ont une résolution spatiale très fine et qui permettent désormais de décrire le sol sous le couvert forestier. Il est désormais beaucoup plus facile de décrire l’hydrologie d’un territoire avec des méthodes anciennement utilisées sur des MNT ayant une résolution plus grossière et ne décrivant pas le sol sous les arbres d’un territoire.

La particularité du projet de recherche au sein du laboratoire d’hydrologie forestière de l’Université Laval est la mise en valeur de données de terrain pour la calibration et la validation des modèles utilisés dans les outils. Les données décrivant des phénomènes réellement observés sur le terrain sont d’une grande importance lorsque le but est de produire une cartographie à haute précision des milieux humides et hydriques. Sans ces dernières, il serait impossible d’observer et de comprendre toutes les subtilités des phénomènes hydrologiques. C’est justement grâce à l’expérience terrain de l’équipe que les calibrations présentes dans les outils ont pu être effectuées.

Les différentes méthodes produites, implémentées dans des outils géomatiques, sont entre les mains du MFFP et du MELCC.

Les outils géomatiques permettent de :

• Produire un réseau hydrographique décrivant des lits d’écoulements potentiels et leurs incertitudes (MFFP; MELCC) ainsi que d’organiser les entités de ce réseau dans une géobase cohérente permettant d’effectuer des requêtes (MELCC);
• Produire les milieux humides potentiels tels que les écotones riverains et les zones de propension à l’orniérage (MFFP; MELCC);
• Produire les plans d’eau potentiels tels que les lacs et les cours d’eau à deux rives (MFFP).

Aspects de recherche

Réseaux hydrographiques (Lits d'écoulements potentiels)

Tout d’abord, lorsque les réseaux hydrographiques sont produits, il faut comprendre qu'ils ne représentent pas la réalité terrain, mais plutôt une probabilité de présence d’un lit de cours d'eau et une caractérisation sommaire du régime d’écoulement (écoulement éphémère, cours d’eau intermittent et cours d’eau permanent). C'est pour cette raison qu'ils sont nommés « lits d'écoulements potentiels ». Différents défis sont alors rencontrés pour atteindre l’objectif de rendre le réseau le plus cohérent possible avec la réalité. Les ouvrages anthropiques tels que la mise en forme des chemins et les ponceaux doivent absolument être considérés lors de la création des réseaux hydrographiques. Le remblai formé par les chemins est détecté sur les MNT, tandis que les ponceaux, qui permettent de faire passer l’eau sous ce remblai, ne le sont pas. Les réseaux hydrographiques sont alors déviés le long des chemins plutôt que de passer dans les ponceaux réellement présents. Bien souvent, les lits d'écoulements potentiels traversent trop tôt ou trop tard le chemin le long duquel ils ont été déviés. Il existe quelques méthodes automatisées pour détecter les ponceaux, mais la solution qui est de loin la plus efficace est d’avoir la localisation précise de tous les ponceaux d’un territoire et de les inclure dans les méthodes. De plus, le régime d’écoulement des entités du réseau hydrographique est déterminé en fonction de l’aire de drainage. Cependant, l’usage d’aires de drainage homogènes sur un territoire hétérogène au niveau physiographique pose un important problème lorsqu’il est question de déterminer le régime d’écoulement. Des facteurs physiographiques tels que les dépôts de surface, la pente et la cohésion des particules du sol influencent grandement le processus de formation des cours d’eau. C'est pour cette raison qu'un niveau de certitude de la présence des lits d'écoulements potentiels a été élaboré en fonction de classes hydrologiques. Le niveau de certitude permet, selon l'incision morphométrique du sol et selon un procédé permettant de recréer la diffusion de l'eau, d'évaluer la probabilité de présence d’un lit de cours d’eau. La classification hydrologique comporte trois classes (dépôts glaciaires, dépôts infiltrants et dépôts peu infiltrants) et a été déterminée en fonction des dépôts de surface et de l'affectation des terres. Par exemple, l'image de gauche ci-dessous montre des lits d'écoulements potentiels générés avec des aires de drainage homogènes tandis que l'image de droite montre les mêmes lits d'écoulements potentiels en condisérant le niveau de certitude. La dernière image permet également d'identifier les fossés anthropiques ainsi que les entités se superposant aux plans d'eau (nommées squelettes de plan d'eau).

Milieux humides isolés et riverains

De plus, les milieux humides peuvent être détectés grâce aux données LiDAR et via de nombreuses approches cartographiques. Deux approches principales sont utilisées. La première est un indice d’humidité topographique (Topographic Wetness Index; TWI) et la deuxième effectue une modélisation de la profondeur de la nappe phréatique (Depth-to-Water; DTW). L’usage d’un modèle de hauteur de la canopée (MHC) peut être également couplé à ces deux indices afin d’extraire une délimitation plus exacte pour des milieux humides où le niveau de l’eau fluctue beaucoup (cours d’eau de plus grande envergure par exemple) ou bien pour des milieux humides situés à la tête d’un bassin versant. Par exemple, la délimitation des milieux humides riverains utilise une combinaison du TWI, du DTW et du MHC. Le TWI est particulièrement efficace pour identifier des petits milieux humides isolés et avec une pente relativement faible. Le DTW quant à lui, donne d’excellents résultats pour les milieux riverains adjacents à un plan d’eau, par exemple. De plus, tout comme pour les cours d’eau, les dépôts de surface infiltrants influencent énormément la présence d’un milieu humide. Les indices proposés ci-haut performent moins bien dans ces situations. La modélisation des milieux humides est donc très complexe puisqu’elle implique énormément de situations hydrologiques et qu’il existe une multitude d’indices permettant de les représenter. Par exemple, sur les deux images ci-dessous, il est possible de constater que les milieux humides détectés grâce aux données LiDAR permettent de raffiner grandement leurs limites par rapport aux milieux humides potentiels du MELCC.

Plans d'eau

Enfin, la délimitation des plans d’eau constitue un volet de recherche du laboratoire. Les plans d’eau constituent des surfaces aquatiques. Il s’agit donc autant de lacs, de cours d’eau à deux rives que d’étangs. La précision des données LiDAR permet de grandement d’améliorer la précision cartographique du contour des plans d’eau. Ces derniers sont délimités via une approche hybride intégrant l’intensité des données LiDAR ainsi que leur différence d’élévation et l’imagerie satellitaire Sentinel 2. Une attention particulière doit être apportée aux données d’intensité car elles ne sont généralement pas normalisées. L’intégration des deux sources de données comporte d’importants avantages, soit la précision obtenue pour les petites étendues d’eau grâce à l’intensité LiDAR et l’aspect multi-temporel qu’offre l’intégration de l’imagerie satellitaire Sentinel 2. Certains problèmes de commission et d’omission subsistent toutefois, nécessitant des ajustements au cas par cas.

Territoires à l'étude

Le travail de recherche et de développement a été effectué dans la forêt publique et privée de 7 régions administratives du Québec. C'est un total de 10 secteurs différents qui ont été visités depuis 2017. Les territoires privés possèdent une anthropisation nettement plus importante que les territoires publics. Ils sont également très hétérogènes en ce qui concerne les dépôts de surface ainsi que l’affectation des terres. Le but de diversifier les inventaires de terrain est de mieux comprendre la complexité des processus hydrologiques et ainsi calibrer efficacement les méthodes automatisées à une échelle provinciale.

En fonction des régions administratives, de nombreux bassins et sous-bassins versants ont été visités. Les inventaires sur le terrain ont été réalisés à l’échelle de sous-bassins versants pour tenir compte d’une hydrologie et d’une physiographie plus locale. Cela a permis de planifier les déplacements de manière à cibler certains secteurs d’intérêts en fonction de variables physiographique comme les dépôts de surface.

Étudiant(es) gradué(es)

Émilie Drolet - Maîtrise en sciences forestières - avec mémoire (M. Sc)
Identification des zones de contrainte de drainage aux opérations forestières à l'aide des données lidar 

• Direction : Sylvain Jutras Ing F, Ph D
• Co-direction : EvelyneThiffault Ing F, Ph D

Francis Lessard - Maîtrise en sciences forestières - avec mémoire (M. Sc)
Optimisation cartographique de l'hydrographie linéaire fine 

• Direction : Sylvain Jutras Ing F, Ph D
• Co-direction : Eric Guilbert  Ph D

Étudiants

Maxime Fortin - Candidat à la maîtrise en sciences forestières - avec mémoire (M. Sc)
Quantification de l’incertitude de positionnement de réseaux hydrographiques modélisés et de la délimitation de bassins versants

• Direction : Sylvain Jutras Ing F, Ph D
• Co-direction : Heather McGrath, Ph D

Raffaël Kitching-Soulard - Candidat à la maîtrise en sciences forestières - avec mémoire (M. Sc)
Automatisation de la délimitation des écotones riverains à partir de données LiDAR

• Direction : Sylvain Jutras Ing F, Ph D
• Co-direction : Marcel Darveau, Ing F, Ph D