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BRGM L'ENTREPRISE AU SERVICE DE LA TERRE

appui de la télédétection pour revaluation spatiale

de la sensibilité à l'érosion hydrique des terres agricoles de la région

Nord/Pas-de-Calais

résultats scientifiques et techniques d'une intégration en SIG

*Ch. King * * Y . Le Bissonnais

**J. Daroussin M.-F. Malon

mars 1991 R 32 278

*BRGM SERVICE GÉOLOGIQUE NATIONAL

Département Télédétection B.P. 6009 - 45060 ORLÉANS CEDEX 2 - France - Tél. : (33) 38.64.34.34

**INRA SERVICE D'ÉTUDE DES SOLS

ET DE LA CARTE PÉDOLOGIQUE DE FRANCE 45160 A R D O N - France

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qualité

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B R G M

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Dans une bibliographie, ce document doit être cité de la manière suivante.

KING C , LE BISSONNAIS Y . , DAROUSSIN J . , MALÓN J . F (1991)

Appui de la télédétection pour l'évaluation spatiale de la sensibilité à l'érosion hydrique des terres agricoles de la Région "Nord - Pas de Calais" - résultats scientifiques et techniques d'une intégration en S I C

Rapport INRA BRGM R 32278, 72 pages, 19 figures, 7 planches, 3 tableaux, 2 annexes

(auteur, année d'édition, titre, nature et numéro du document, nombre de pages, de figures, de tableaux, de planches, d'annexés).

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Fiche de lecture Fiche de contrôle

Rapport n° :

Opération n° :

Contrat n° :

Érosion hydrique des terres agricoles - appui de la télédétection

- RÉSUMÉ -

Dans le cadre d'une convention de recherche entre l'INRA et la région Nord-Pas de Calais, le S E S C P F (INRA) a eu pour mission de réaliser l'évaluation spatiale des risques d'érosion des sols agricoles. Cette évaluation comporte l'élaboration de modèles théoriques de dégradation des sols, puis des approches de terrain à grande échelle pour étayer et valider ces modèles, enfin un zonage régional en termes de risques des processus de l'érosion.

E n appui à ce programme, une collaboration scientifique entre l'INRA et le B R G M (projet/CB47) a permis successivement d'évaluer les potentialités de la télédétection dans l'étude de la dégradation des sols et de mettre en œuvre une méthodologie homogène d'utilisation des données satellitaires à l'échelle de la région entière, grâce à l'appui des techniques de SIG. Ce travail constitue en cela une étape importante dans la cartographie thématique opérationnelle.

A l'heure où le S E S C P F présente les conclusions de l'étude auprès de la région Nord-Pas de Calais, ce document rend compte de la contribution spécifique liée à la collaboration B R G M - I N R A et tire les enseignements de l'appui de données satellitaires dans une approche de cartographie thématique.

A l'échelle régionale la télédétection peut "alimenter" un modèle des phénomènes de ruissellement et d'érosion par le biais des estimations de surfaces potentiellement ruisselantes à une date-clé.

Ces données ont été intégrées au système d'informations établi selon une stratégie adaptée à l'ampleur de l'étude (deux départements couverts par cinq scènes S P O T et concernant mille cinq cent communes) .

Pour porter un diagnostic sur les risques d'érosion à l'échelle du 1/250 000,78 grands bassins versants ont joué le rôle d'unités spatiales d'intégration de tous les paramètres mis enjeu. Deux scénarios de risque d'érosion ont été établis à partir d'hypothèses sensiblement différentes et d'informations d'origine indépendante, dont la télédétection. Ils ont permis de réaliser deux cartes thématiques dont les similitudes autant que les divergences soulignent l'intérêt de la méthode pour établir un suivi annuel des phénomènes et des pronostics sur leur évolution.

Éléments d'indexation :

- érosion, - terres agricoles, - SIG, - télédétection, - cartographie thématique.

INRA - BRGM R 32 278 SGN/TED


- SOMMAIRE -

Page

LISTE DES INTERVENANTS 1

LISTE DES ABRÉVIATIONS 3

INTRODUCTION 5

CHAPITRE 1 COMPRÉHENSION ET MODÉLISATION SPATIALE DES PHÉNOMÈNES D'ÉROSION : les possibilités d'intervention de la télédétection 7

1.1 - MISE EN ÉVIDENCE DES INDICES DÉCELABLES PAR DES MESURES RADIOMÉTRIQUES 7

1.2 - APPUI DE LA TÉLÉDÉTECTION DANS LA MODÉLISATION SPATIALE DE LA SENSIBILITÉ AU RUISSELLEMENT 9

1.2.1- Élaboration d u modèle spatial par l ' INRA 9 1.2.2- "Alimenter" le modèle = l'apport de la télédétection 11

1.3 - CONCLUSION - RÉSUMÉ DES POTENTIALITÉS DE LA TÉLÉDÉTECTION POUR CETTE ÉTUDE D'ÉROSION 14

CHAPITRE 2 ESQUISSE RÉGIONALE A L'ÉCHELLE DU 1/250 000 DES RISQUES D'ÉROSION HYDRIQUE 15

2.1 - PRÉAMBULE : LES CONDITIONS D'UN CHANGEMENT D'ÉCHELLE 15 2.2 - CONSTITUTION DES CARTES DE BASE ET INTÉGRATION

SPATIALE DANS LE SYSTÈME D'INFORMATION GÉOGRAPHIQUE 16

2.2.1 - Principes Généraux 16 2.2.2 - Brève description des cartes de base autre que satellitaire 23 2.2.3 - Intégration des données de télédétection 30

2.3 - C O M B I N A I S O N SPATIALE D E S F A C T E U R S ET RÉSULTATS 53

2.3.1-Méthode 53 2.3.2 • Résultats : Présentation de deux scénarios 55 2.3.3 - Comparaison des résultats cartographiques de deux scénarios 65

CONCLUSIONS 67

B I B L I O G R A P H I E 71

ANNEXE 1 LE PROJET EN CHIFFRES 75 A N N E X E 2 LES STATISTIQUES O B T E N U E S P A R T É L É D É T E C T I O N 77

INRA - BRGM R 32 278 SGN/TED


• LISTE DES INTERVENANTS -

RECUEIL ET TRAITEMENT DES DONNEES PEDOLOGIQUES

Secteurs de référence à l'échelle du 1/25 000

J. MAUCORPS R. HARDY M. SARRAZIN A . LINDOR M . E I M B E R C K C. LE LAY B. RENAUX

Esquisse à l'échelle du 1/250 000

R. HARDY M. SARRAZIN J. MAUCORPS A. LINDOR

TRAITEMENT DES DONNEES AGRONOMIQUES

B.NICOULLAUD D . KING

T R A I T E M E N T D E S D O N N E E S D E T E L E D E T E C T I O N (Collaboration B R G M )

C . K I N G (SGN/TED-BRGM) J.F. M A L O N (SGN/TED-BRGM) F. GIRAULT (SGN/TED-BRGM)

TRAITEMENT DES DONNEES CLIMATOLOGIQUES

Ph. CHERY

COMBINAISONS INFORMATIQUES ET SORTIES CARTOGRAPHIQUES

J. DAROUSSIN Ph. C H E R Y (DEA - Pédologie, Paris VI) L. ROUSSET A . C O U T U R I E R B. NOIRTIN M. VELLY

COORDINATION GENERALE

D. KING R. HARDY Y. LE BISSONNAIS

INR A - BRGM R 32 278 SGNITED 1


• LISTE DES ABRÉVIATIONS-

BV BVE BVEA CNES DAO ESRI IGN LAMONT MNT M O PNTS RGA SCEES SESCPF SGBD SIG SPOT SRAE USF USI

Bassin Versant Bassin Versant Élémentaire Bassin Versant Élémentaire Agricole Centre National d'Études Spatiales Dessin Assisté par Ordinateur Environmental Systems Research Institute INC. Institut Géographique National Logiciel d'Application des Modèles Numériques de Terrain Modèle Numérique de Terrain Matière Organique Programme National de Télédétection Spatiale Recensement Général Agricole Service Central des Études Économiques et Statistiques Service d'Étude des Sols et de la Carte Pédologique de France Système Gestion de Base de Données Système d'Information Géographique Satellite pour l'Observation de la Terre Service Régional d'Aménagement des Eaux Unité Spatiale de Fonctionnement Unité Spatiale d'Intégration

INRA - BRGMR 32 278 SGNITED D 3


• INTRODUCTION -

E n région Nord-Pas de Calais, les effets, parfois spectaculaires, de l'érosion hydrique des terres cultivées sensibilisent de plus en plus la population et les élus qui la représentent. E n premier lieu, ce sont des flots d'eau boueuse qui envahissent les maisons dans les vallées, surtout après les orages de printemps. C'est notamment le cas des nouveaux lotissements établis sur les terrains plats. E n second lieu, ce sont les envasements des étangs c o m m e ceux de la vallée de la Sensée entre Arras et Denain, des canaux navigables et de l'Aa entre Saint-O m e r et Watten, et enfin, le comblement des fossés et petits ouvrages le long des axes routiers.

Devant l'aggravation des dégâts observée depuis les 20 dernières années, de nombreuses études ont été engagées durant les années 80, tant par l'INRA que par d'autres organismes, dans des régions similaires au Nord-Pas de Calais. Elles ont montré que l'érosion des terres agricoles a pour principale origine le processus de concentration du ruissellement produit par de vastes impluvium rendus imperméables par la battance et le tassement des sols d'origines diverses.

La méthode américaine de diagnostic et de prévision de Wischmeier et Smith (Equation universelle des pertes en terre, U S C E , 1985) ne convenant pas aux situations étudiées, les équipes de l 'INRA (Agronomie, Science du Sol) ont adopté une méthode spécifique d'analyse et de prédiction basée sur la compréhension des facteurs et des mécanismes de formation du ruissellement et de sa concentration.

L'objectif plus spécifique de l'étude conduite par le S E S C P F est une analyse spatiale de ces phénomènes à différentes échelles afin de pouvoir délimiter le "potentiel" qu'ont les surfaces à générer du ruissellement. Ce "potentiel" dépend des interactions entre les principaux facteurs du milieu : le climat, la morphologie du modelé, les sols, le couvert végétal, les travaux agricoles. Leurs effets respectifs ont été appréciés à 4 niveaux d'investigation successifs allant de la parcelle à la région entière. (Le cas particulier de l'érosion des berges des cours d'eau, qui fournit néanmoins une part importante de la charge solide qu'ils transportent, n'a pas été abordé).

Ce transfert d'échelle depuis les niveaux d'étude les plus détaillés jusqu'à l'élaboration d'un zonage régional implique un emboîtement structuré des connaissances, toujours difficile à réaliser. Les résultats en sont présentés dans le rapport d'étude exhaustif* présenté par l'INRA.

Dans ce contexte, l'évaluation des potentialités de la télédétection a porté sur l'appréciation des surfaces susceptibles de générer d u ruissellement. Cette évaluation s'est faite à trois des quatre phases de travail coordonnées par l'INRA :

- la phase de compréhension des phénomènes observés, à l'échelle parcellaire par radiométrie de terrain, en 1987 et 1988, avec l'appui du P N T S ;

- la phase de modélisation spatiale de la sensibilité au ruissellement à l'échelle de secteurs de référence au 1/25 000, en 1988 et 1989 ;

- la phase de généralisation à l'ensemble de la région, sur la base des résultats précédents, en 1990.

* "Evaluation spatiale de la sensibilité à l'érosion hydrique des terres agricoles de la région Nord-Pas de Calais".

SESCPF INRA -1991 - Coordination D . KING, R. H A R D Y , Y . Le BISSONNAIS.

INR A - BRGM R 32 278 SGN/TED 5


Dans cette dernière phase, qui a abouti à l'élaboration de la cartographie régionale au 1/250 000, les résultats de la télédétection, ainsi que les principaux facteurs pédologiques, agronomiques et climatiques, ont été pris en compte selon une approche quantitative des phénomènes spatiaux. Pour ce faire, les moyens informatiques désormais disponibles au travers des Systèmes d'Information Géographique (SIG) ont été utilisés.

E n reprenant l'essentiel des résultats de l'étude exhaustive conduite par l'INRA, ce document propose de consacrer une attention plus particulière à la télédétection, objet de la collaboration scientifique avec le B R G M , en résumant les deux phases initiales d'évaluation des possibilités de télédétection (chapitre 1) et en présentant de façon plus approfondie la phase de régionalisation qui n'a été rendue possible que grâce aux techniques liées au SIG (chapitre 2).

LES CONCLUSIONS RESPECTIVES DE CESJDEUX'CHAPITRES CONTIENNENT LES PRINCIPAUX RÉSULTATS ET LA SYNTHÈSE DE CES TRAVAUX

INRA - BRGMR 32 278 SGNITED 6

Erosion hydrique des terres agricoles - appui de la télédétection

- CHAPITRE 1 -

COMPRÉHENSION ET MODÉLISATION SPATIALE DES PHÉNOMÈNES D'ÉROSION :

Les possibilités d'intervention de la télédétection

Ce chapitre a pour objectif de résumer brièvement les principaux acquis sur la connaissance des mécanismes de dégradations des sols limoneux et de situer les niveaux d'intervention de la télédétection lorsqu'on aborde l'approche spatiale des phénomènes.

La principale origine de l'érosion des terres agricoles dans ces régions est le processus de concentration du ruissellement. Ce processus est produit par de vastes impluviums qui n'atteignent pas forcément des pentes notables (supérieures à 4-5 %) mais sont rendus imperméables une partie de l'année Sous l'effet de la battance et du tassement des sols, deux phénomènes dont les mécanismes ont ét&décomposés par l'INRA (J. BOIFFIN, 1984) ou par d'autres organismes (V. A U Z E T - C N R S 1987). Ces phénomènes se manifestent dans les sols dont la texture limoneuse de l'horizon cultivé est particulièrement sensible à une dégradation de la structure.

L'excès d'eau qui en résulte est donc directement lié à l'état de la surface du sol, nu ou protégé par un couvert végétal suffisamment dense pour limiter l'agressivité des pluies, mais aussi au degré de coalescence des surfaces peu perméables (le volume de ruissellement étant d'autant plus faible que ces surfaces sont petites et très dispersées),

Les possibilités d'intervention de la télédétection dans une étude de sensibilité à l'érosion ont été évaluées selon une approche couramment employée dans cette discipline, comportant une étude radiométrique in situ et une approche spatiale à grande échelle.

1.1- MISE EN ÉVIDENCE DES INDICES DÉCELABLES PAR DES M E S U R E S RADIOMÉTRIQUES

U n e expérimentation de mesures radiométriques in situ (KING et al. 1989) est venue compléter et étayer les relations étudiées entre états de surfaces des sols et réponses radiométriques ( G I R A R D et B I A L O U S Z (1979), C I E R N I E W S K I (1981) et (1987), K I N G (1985), G I R A R D et C O U R A U L T (1989), C O U R A U L T (1990)).

Les résultats de cette expérimentation ont permis de jeter les bases de l'utilisation des réponses radiométriques pour identifier les surfaces favorables au ruissellement à une date donnée : il s'agit des terres labourables qui, à la date d'observation, sont non travaillées ou très peu couvertes par des cultures annuelles à peine levées. Ces surfaces appartiennent à un groupe radiométrique homogène (la droite des sols) dont la classification multispectrale sera aisée.

D e plus l'étude radiométrique de terrain a mis en évidence l'élévation de réflectance du sol liée à la battance, prémisse d'un ruissellement superficiel érosif. Contrairement à d'autres manifestations de l'érosion c o m m e les griffes et ravines, ce phénomène peut être observé et mesuré simultanément sur de grandes surfaces, ce qui est un atout pour l'utilisation de données satellitaires.

Mais l'inventaire exhaustif de ces croûtes de battance sur des critères radiométriques est limité pour deux raisons, l'effet saisonnier et l'effet de convergence de réponses d'autres surfaces.


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- Effet saisonnier, car selon le calendrier des travaux agricoles et la date des mesures radiométriques, une partie seulement des surfaces susceptibles de générer du ruissellement atteindra un état imperméable décelable par radiometric : le caractère conjoncturel de cette "signature spectrale" restreint donc les possibilités de la télédétection pour une identification exhaustive.

- Effet de convergence, car d'autres surfaces minérales c o m m e les affleurements de craie ou de calcaire peuvent se traduire par des "brillances" aussi élevées en termes radiométriques : les propriétés intrinsèques de ces matériaux sont permanentes et seront toujours cause de confusion avec les surfaces recherchées.

Le choix des dates d'observation a donc une importance primordiale sur la pertinence des états de surface c o m m e indicateurs directs ou non d'une sensibilité à l'érosion.

1.2 - APPUI DE LA TÉLÉDÉTECTION D A N S LA MODÉLISATION SPATIALE DE LA SENSIBILITÉ A U RUISSELLEMENT

Avant d'aborder la spatialisation des phénomènes d'érosion et proposer une esquisse cartographique de leur risque d'apparition, l'équipe de l 'INRA a réalisé plusieurs études, à l'échelle de la placette de 1 m 2 , de la parcelle de quelques hectares ou de secteurs de références de quelques centaines d'hectares.

Ces études ont permis de déterminer les facteurs prépondérants de l'érosion dans ces milieux et les unités spatiales élémentaires au sein desquelles interagissent ces facteurs.

1.2.1 - Élaboration d u modèle spatial par l ' INRA

La décomposition des mécanismes de l'érosion s'appuie essentiellement sur la connaissance du comportement structural du sol, qui dépend fortement de la texture des horizons de surface.

De plus des études à grande échelle menées sur des secteurs de référence ont montré l'importance de l'effet des pratiques culturales et des types de culture sur la dégradation de la structure de surface et l'apparition de la battance. Les travaux culturaux créent une rugosité plus ou moins accentuée de la surface favorisant l'infiltration et/ou la rétention de l'eau. Le couvert végétal atténue l'impact des pluies et favorise la division du ruissellement. Enfin, un système racinaire abondant augmente la résistance à l'incision.

U n travail de recherche sur la combinaison de données a été réalisé à grande échelle (1/25 000) sur deux secteurs représentatifs de la région (figure 2) (P. C H E R Y 1990). Il a permis de prendre en compte de façon systématique ces facteurs de l'érosion les plus importants, à savoir la texture de l'horizon de surface, l'occupation d u sol, la pluviométrie et la morphologie.

Dans cette étude à grande échelle, les Bassins Versants Élémentaires ( B V E = vallons secs d'une superficie de l'ordre de quelques centaines d'hectares) ont pu être considérés c o m m e les Unités Spatiales de Fonctionnement (USF) du ruissellement et de l'érosion. Ils ont été définis à partir de l'exploitation du M N T . La combinaison spatiale des textures de sol et de l'occupation des sols a été faite au sein de ces B V E pour proposer un modèle spatial où les sols sont classés selon leur sensibilité à l'érosion.

Le modèle confirme qu'à l'échelle du B V E il y a disjonction entre les lieux de manifestation de l'érosion et les lieux de formation du ruissellement responsable des phénomènes d'érosion, d'où l'importance de la notion de B V E .

INRA - BRGM R 32 278 SGN/TED 9

FIGURE2

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De plus ce modèle laisse une part inexpliquée de la variabilité de l'intensité de l'érosion observée au sein des Bassins Versants Élémentaires. Des phénomènes très ponctuels peuvent avoir une influence déterminante sur le ruissellement (présence de fossés, orientation des travaux culturaux en fonction de la pente,...). A l'échelle du 1/25 000 et encore plus du 1/250 000 envisagé dans la seconde partie, il est impossible de prendre en compte carto-graphiquement tous ces aspects.

Cependant, le rôle défavorable des principaux facteurs retenus et surtout leur présence simultanée au sein des Unités Spatiales de Fonctionnement hydrologique que sont les Bassins Versants Élémentaires permettent déjà une approche à petite échelle. Il faut souligner qu'il s'agira d'une démarche en terme de "risque" et non d'événements réalisés. Plus la probabilité sera forte de trouver un élément favorable à l'érosion sur un secteur, plus les risques de déclenchement du phénomène seront grands. Si plusieurs éléments apparaissent simultanément, ces risques seront multipliés.

1.2.2 - "Alimenter" le modèle = l'apport de la télédétection

Deux filières d'analyse des données satellitaires ont été explorées pour évaluer si les informations accessibles par télédétection peuvent compléter ou se substituer aux données de base nécessaires au modèle de sensibilité à l'érosion, (texture des horizons de surface, occupation du sol et pluviométrie).

1.2.2.1 • Données satellitaires mono-date : estimer les surfaces ruisselantes

Des études préliminaires ( K I N G C . et al., 1989 et 1990), conduites en 1987 et 1988, sur le site de Honnecourt-sur-Escaut (Pays de Cambrai) et en Pays d'Ouche (Normandie) ont démontré l'intérêt d'images acquises en période hivernale pour déterminer plusieurs catégories d'état de surfaces conjoncturels :

- les surfaces de sols laissées à nu ou très peu couvertes par les cultures d'hiver durant la saison hivernale, qui sont susceptibles de favoriser le ruissellement si leurs surfaces s'imperméabilisent,

- les surfaces cultivées protégées par des cultures annuelles déjà couvrantes ou des prairies permanentes,

- les surfaces couvertes de formations ligneuses.

Sans être aussi précise sur la nature des cultures que les enquêtes des statistiques agricoles (type R G A ) , ces informations peuvent être triées selon une nomenclature homogène et des estimations de surfaces de tel ou tel groupe de cultures ou de sols nus peuvent être calculées ainsi que leurs proportions au sein de chaque Bassin Versant.

Cette quantification de l'occupation hivernale des sols permet de comparer les Bassins Versants en terme de risque de ruissellement ou d'érosion.

U n e validation de cette approche a été réalisée au sein d'une région très limoneuse, le Pays d'Ouche, où il a été possible de confronter dans chaque Bassin Versant étudié, la turbi-dité des eaux de captage avec l'importance des surfaces laissées nues en hiver. Cette turbi-dité est l'indicateur direct d'un transport fréquent de limon et fines en suspension. Elle s'observe beaucoup plus fréquemment dans les eaux de sources dont les Bassins Versants présentent plus de risque de dégradation des sols en surface. A l'origine de ce fait, l'intensification des cultures annuelles au détriment du bocage.


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Erosion hydrique des terres agricoles • appui de la télédétection

TABLEAU 1 Méthodologie d'une étude multidate

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Classification supervisée

Masque sols nus

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Rectification géométrique

(Affectation d'une couleur) (rouge)

Sols nus c o m m u n s aux 2 dates

A V R I L

Classification supervisée

Masque sols nus

X S 3 Diversité des réponses

de sols nus d'avril

(Affectation d'une couleur) (bleu)

Superposition des 2 scènes

Classification de l'évolution des états de surfaces

INR A -BRGMR 32 278 SGNITED 13


Ces résultats ont permis de proposer u n premier m o y e n objectif de caractériser des Bassins Versants : l'estimation respective de leurs surfaces potentiellement ruisselantes. Ces estimations correspondent à une des variables d' "entrée" d u m o d è le des phénomènes d'érosion en sols limoneux : l'occupation d u sol.

1.2.2.2 - Données satellitaires multi-dates : identifier les croûtes d'érosion

Pour identifier de manière plus spécifique les surfaces ruisselantes et susceptibles de générer l'érosion, il faut pouvoir se dédouaner des sources de confusion avec d'autres états de surface. Cela revient à rechercher des méthodes pour distinguer les croûtes de battance, état conjoncturel, traduisant le comportement physique du sol, des surfaces dont les caractères de réflectance élevée sont permanents (affleurements de craie ou de certains calcaires).

L'analyse de l'évolution temporelle des réponses de sols nus a été engagée sur le site de référence de Honnecourt sur Escaut ( K I N G et al. 1989-1990). Deux images S P O T , de milieu et fin d'hiver ont été exploitées selon la méthodologie résumée au tableau 1.

Cette analyse a montré que les croûtes de battance visibles dans les images, se manifestent bien en sols à texture sensible à la dégradation. Elles apparaissent aussi brillantes que les affleurement carbonates en milieu d'hiver mais elles disparaissent en avril, lors de la reprise des travaux culturaux.

L'identification de ces croûtes d'érosion est donc possible mais la clé en est la connaissance des pratiques agricoles. Cela exige un calendrier des dates d'observation satellitaires très contraignant, tant dans la durée des "fenêtres de programmation" que dans la qualité des conditions météorologiques hivernales.

Cette méthode, attrayante pour atteindre la dynamique des p h é n o m è n e s , est donc plus difficilement réalisable en conditions opérationnelles.

1.3 -CONCLUSION - R É S U M É DES POTENTIALITÉS DE LA TÉLÉDÉTECTION P O U R CETTE ÉTUDE D'ÉROSION

L'approche régionale de la sensibilité des sols limoneux à l'érosion doit bénéficier d'une étude des caractères de surface des sols. E n effet l'utilisation de l'outil de télédétection devient réaliste du fait de la cohérence entre les différents niveaux d'appréhension de ces caractères : profil, parcelle, bassin versant, région.

L'atout d'une étude satellitaire repose sur la possibilité de dissocier deux grands types de surfaces : les surfaces potentiellement ruisselantes à une période donnée, celle de la date d'observation, et les surfaces relativement ou totalement protégées par une couverture végétale.

Quoique partiel, l'inventaire cartographique qui en résulte peut être exploité statistiquement puisque les informations sont homogènes, et fidèles dans leur traduction radiomé-trique des phénomènes de surface.

Dans le cas de la sensibilité à l'érosion des sols du Nord-Pas-de-Calais, le cadre final de la région d'étude couvre l'équivalent de plusieurs scènes S P O T et va résulter de l'intégration d'informations issues de plusieurs sources. Au-delà de la faisabilité d'utilisation de la télédétection, une méthodologie spécifique à la maîtrise de données provenant de sources multiples doit être mise en œuvre et fait l'objet du deuxième chapitre.



- CHAPITRE 2 -

ESQUISSE RÉGIONALE A L'ÉCHELLE DU 1/250 000 DES RISQUES D'ÉROSION HYDRIQUE

2.1 - P R É A M B U L E : LES CONDITIONS D'UN C H A N G E M E N T D'ÉCHELLE

A l'échelle du 1/250 000, une approche très mécaniste des phénomènes d'érosion n'est plus envisageable. U n e reconnaissance systématique de toutes les parcelles agricoles (ou m ê m e de tous les Bassins Versants Élémentaires (BVE)) est techniquement et financièrement impossible dans le cadre d'un thème aussi ciblé. Il faut avoir recours aux informations dites "aisément disponibles" : les données de la Météorologie Nationale, les données statistiques du Recensement Général de l'Agriculture ( R G A - S C E E S ) , les cartes géologiques ( B R G M ) et les images satellitaires (SPOT-Image). E n dehors d'une reconnaissance des principales organisations pédologiques des paysages régionaux, il n'y a pas eu de mesures explicites sur le terrain pour cette étude à petite échelle.

La nature des données mentionnées ci-dessus rendant impossible l'application de raisonnements strictement déterministes, il faut opérer u n "changement d'échelle". E n d'autres termes, il faut élargir notre champ d'étude tout en acceptant une diminution de la précision des informations. Les données aisément disponibles à l'échelle du 1/250 000 ont des niveaux de résolution spatiale très différentes d'un thème à l'autre. Par exemple, le R G A est basé sur les limites administratives des communes tandis que les données de télédétection fournissent des valeurs pour chaque pixel de 20 x 20 m . D'une façon générale, les données n'ont qu'une valeur statistique pour des unités géographiques élémentaires dépendantes des techniques et des méthodes employées.

Afin d'envisager des comparaisons et des combinaisons des variables retenues, il est proposé d'établir des Unités Spatiales d'Intégration d'une façon similaire à la démarche pratiquée à grande échelle. Pour rester cohérent avec celle-ci, le choix s'est porté sur des grands Bassins Versants (BV) qui regroupent un certain nombre de Bassins Versants Elémentaires. Chaque unité intégratrice ou B V est informée automatiquement des pourcentages de surface représentés par chaque variable. Ces unités d'intégration servent d'élément à toutes les études statistiques de cette deuxième partie.

Bien que basée sur une démarche similaire à celle de 1/25 000, l'approche envisagée à l'échelle de 1/250 000 n'a qu'une valeur d'appréciation très globale des grands types de paysage. Les différentes cartes produites par unité intégratrice devront toujours être analysées c o m m e des documents statistiques des principaux facteurs susceptibles de déclencher des phénomènes d'érosion.

E n particulier, les documents de base (par exemple, carte de sensibilité à la battance) devront être interprétés en conservant en mémoire les critiques émises sur la précision des données et en tenant compte des interactions possibles avec les autres facteurs à l'origine de l'érosion. Des documents combinant cartographiquement les différents facteurs seront proposés c o m m e supports pour des analyses ou des discussions mais ne devront pas servir à des décisions de nature ponctuelle. L'approche statistique fournit des éléments sur le caractère dominant de tel ou tel facteur mais ne peut préjuger de l'occu-rence d'événements particuliers très localisés.

Enfin si l'intégration spatiale par Bassin Versant est justifiée pour comparer des variables de nature géographique différente, c'est également un moyen d'éviter une interprétation abusive de documents cartographiques.



L'étude globale conduite à l'échelle d u 1/250 000 compte trois étapes :

(1) la constitution de la base de données élaborée au sein d u Système d'Information Géographique A R C / I N F O d u S E S C P F , à partir des données sélectionnées auprès de différents organismes et des variables de nature pédologique relevées sur le terrain,

(2) la démarche d'intégration spatiale par Bassin Versant et,

(3) l'analyse des principaux résultats selon les critères de sensibilité à la battance, d'occupation d u sol et de pluviométrie.

Les données satellitaires fournissent u n e des d e u x voies d 'accès à l'occupation d u sol, l'autre étant possible grâce au Recensement Général de l'Agriculture ( R . G . A ) effectué en 1988.

C e document détaille plus particulièrement les possibilités de couplage de la télédétection avec d'autres sources d'information, afin d'étudier plus finement au cours du temps les phénomènes d'érosion.

2.2 - CONSTITUTION DES CARTES D E BASE ET INTÉGRATION SPATIALE D A N S LE SYSTÈME D'INFORMATION G É O G R A P H I Q U E

2.2.1 - Principes Généraux

2.2.1.1 - Définition des cartes d e base

D e nombreuses informations sur le milieu physique et agronomique existent dans la région Nord-Pas de Calais au sein de divers organismes. Leur acquisition et leur assemblage ont été réalisés au sein d 'un système informatique unique, sous forme de couches d'informations indépendantes d u point de vue de leur nature et de leur acquisition. Ces couches constituent les "couvertures" de base d u Système d'Information Géographique (SIG) (figure 4).

L'objectif n'est pas de constituer une base de données multi-usages, mais a u contraire de la finaliser vis-à-vis des p r o b l è m e s d'érosion. Pour chaque couverture, une analyse des données disponibles et u n dialogue avec les organismes propriétaires des données ont permis de sélectionner les seules variables susceptibles d'avoir u n rôle dans les phénomènes d'érosion. Par exemple, en télédétection, il n 'a été conservé dans la base que les résultats issus d u traitement des images multispectrales (voir chapitre 2-3).

Les principales couvertures sont celles reconnues c o m m e les plus pertinentes des études a u 1/25 000 , c'est-à-dire le zonage pédologique et l'occupation d u sol. C e dernier thème est en fait représenté par deux sous-couvertures indépendantes, l'une relative aux données d u R G A , l'autre aux résultats issus de traitements des données satellitaires. L a pente et la morphologie des B V E n'étant pas des caractères suffisamment discriminants des p h é n o m è nes d'érosion constatés à grande échelle, la couverture "morphologie d u terrain" décrite par le M N T a été abandonnée. A l'inverse, la variabilité climatique observable à petite échelle en constituant une couverture "Météorologie" a été prise en compte. Enfin, une dernière couverture décrit s o m m a i r e m e n t quelques repères topographiques repris d u fond 1/250 000 de l'IGN.

INRA - BRGMR 32278 SGNITED 16

Origine des données

Météorologie Nationale

Couverture de base

Spot - Image + BRGM

SCEES + IGN

Climat

Occupation du sol

INRA

IGN

Sol

Repérage

FIG

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FIGURE 5 Schéma de la méthode d'évaluation des risques d'érosion à l'échelle d u 1/250 000

SOL

T

CARTE PEDOLOGIQUE

OCCUPATION DU SOL

ACQUISITION DE DONNEES

DONNEES DURGA

IMAGE SATELLITAIRE

3 CANAUX

CLIMAT

J

DONNEES METEOROLOGIQUES

TEXTURE

l

CLASSES DE SENSIBILITE A LA BATTANCE

J

CONSTITUTION DE LA BASE DE DONNEES GEOGRAPHIQUES

I T

1 CULTURES

1988 IMAGE

CLASSEE PRECIPITATIONS

J FACTEURS DETERMINANTS

CLASSES D' OCCUPATION

DU SOL I SOLS BATTANTS

SOLS NUS L'HIVER

T

MOYENNE ANNUELLE

MOYENNE HIVERNALE

INTEGRATION PAR BASSIN VERSANT (BV) I

ANALYSE STATISTIQUE DES BV - PROJECTION CARTOGRAPHIQUE

COMBINAISON SPATIALE

SCENARIOS

I CARTE SYNTHETIQUE

SENSIBILrTE A L'EROSION



U n important travail technique a consisté à caler géographiquement ces différentes couches d'information entre elles. Autrefois, il était possible de superposer manuellement différentes cartes de façon approximative et d'émettre un diagnostic qualitatif général. Avec les méthodes informatiques, le choix de la projection géographique et le niveau de la précision géométrique requis sont des préalables essentiels à toute étude quantitative des phénomènes. Nous avons retenu le repérage Lambert II étendu du fond topographique à l'échelle du 1/250 000 de l'IGN. Les couvertures ont été soit élaborées à partir de ce fond (météorologie, pédologie), soit recalées par calcul ( R G A et images satellitaires).

Le synoptique de ces travaux est résumé sur la figure 5.

2.2.1.2 • Principes d'intégration par unités spatiales des divers facteurs

• Le choix d'une unité d'intégration

Les études menées à l'échelle des Bassins Versants Élémentaires (BVE) ont confirm é la disjonction entre les lieux de manifestation de l'érosion et les lieux de formation du ruissellement responsable des phénomènes d'érosion. Ces résultats ont déterminé la méthode de combinaison de paramètres basée sur les Unités Spatiales de Fonctionnement que sont ces Bassins Versants Élémentaires, et non une analyse statistique classique sur un ensemble de points.

Il est techniquement et financièrement impossible de reproduire une telle démarche à l'échelle du 1/250 000.

Dans ce cas, la méthode utilisée est similaire mais fondée sur des Unités Spatiales d'Intégration (USD beaucoup plus grandes : celles-ci regroupent plusieurs Bassins Versants Élémentaires et leur délimitation* géographique a respecté des critères hydrologiques et morphologiques.

Afin de ne pas perturber les analyses statistiques ultérieures, deux types de milieux ont été "retranchés" de l'espace géographique par des procédés de masques* : les zones de vallées, très souvent recouvertes de prairies et les régions fortement urbanisées, qui perturbent fortement les écoulements naturels de l'eau.

• L a technique d'intégration

L'opération d'intégration spatiale permet alors de passer d'une information localement précise à une description synthétique, réalisant ainsi un "träniert d'échelle" dont le principe est brièvement rappelé (fig 6).-

* L'exposé de cette méthode est présenté dans le document exhaustif du S E S C P F .

INRA - BRGMR 32 278 SGN/TED 19

PLANCHE 1

LES UNITES SPATIALES D'INTEGRATIONDE LA REGION NORD-PAS-DE-CALAIS

LEGENDE :

Unités spatiales d'intégration(ou Bassins Venants) regroupées parrégion (cf. liste des noms en anneie).

Masque des c o m a une s mbaines(an moins 1000 habitants au E m 2 )

Uasque des Tillees flariiles

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Icbellt ippioiimtsn : 1 : 71(011


Soit deux couvertures dont l'une, n o m m é e "couverture d'intégration", dispose nécessairement d'une topologie de polygones. L'autre couverture est n o m m é e "couverture d'information" ; elle peut être sous forme de points, de lignes ou de polygones. Dans notre exemple (figure n° 6), cette couverture possède une topologie de polygones (c'est le cas pour toutes les couvertures du SIG élaboré dans le cadre de cette étude).

U n e première opération consiste à superposer les deux couvertures et à rechercher toutes les intersections des arcs délimitant les polygones. U n e seconde opération détermine le pourcentage de chaque élément de la couverture d'information au sein de chaque polygone de la couverture d'intégration.

E n sortie de ce traitement, nous obtenons une couverture de polygones, chacun d'entre eux étant renseigné par la proportion des éléments présents dans la couverture d'information. Plusieurs polygones de la couverture d'intégration peuvent appartenir à un m ê m e ensemble (exemple de l'Unité Cartographique B sur la figure 6 qui correspond à un B V (B) coupé en deux par une zone urbaine (C). Dans ce cas, on effectue une moyenne de chacun des éléments intégrés dans les différents polygones, moyenne que l'on pondère par leur surface respective.

E n résumé, une opération d'intégration permet d'obtenir pour chaque unité d'intégration la proportion en pourcentage des éléments d'une couverture quelconque, par exemple, le pourcentage de surface des sols très sensibles à la battance au sein de chaque Bassin Versant.

• Discussion : Les limites de l'interprétation des documents

Deux difficultés sont à résoudre de manière spécifique* pour chaque type de couverture :

- le choix des seuils de pourcentage de surface à partir duquel une variable choisie risque de jouer un rôle significatif dans un grand nombre des Bassins Versants Élémentaires constituant le Bassin Versant Général ;

- la perte d'information puisqu'on passe d'un niveau de résolution à un autre. Cette perte d'information géographique est jugée "favorable" dans le cas de l'étude de l'érosion puisqu'il est plus important d'avoir une donnée caractérisant une unité spatiale plutôt qu'une succession de points localisés. Ceci est particulièrement vrai pour l'interprétation des images satellitaires : savoir qu'un pixel précis correspond à une culture d'hiver et apporte peu d'éléments d'information vis-à-vis du problème de l'érosion ; ce qui importe, c'est de connaître la proportion de pixels de cette classe dans une unité spatiale définie.

Les combinaisons des différents facteurs n'auront alors plus qu'une valeur statistique mais vont permettre de mettre en évidence les zones les plus probables où les facteurs "sol - culture - climat" favorables à l'érosion risquent d'être présents simultanément. Dans un tel cas, il y a de fortes chances, d'un point de vue probabiliste, pour qu'une majorité de B V E appartenant à une m ê m e USI, réunissent en eux-mêmes toutes les conditions nécessaires au déclenchement de ruissellements concentrés.

L'exposé des choix techniques spécifiques à chaque couverture est présenté dans le document exhaustif du

S E S C P F .



FIGURE 6 Exemple théorique d'une opération

d'intégration spatiale

évt

1

A = 50%(3) + 30%(1) + 20%(2)

B = Moyenne pondérée de

[100%(2)J et de [70%(2) + 10%(3) + 20%(1)]

B. B 2 -

INRA - BRGM R 32 278 SGNITED 22


O n perçoit à travers cette présentation, les limites que l'on peut donner à l'interprétation des documents :

(1) le choix des caractères et de leur représentativité par B V permet d'ordonner les B V entre eux mais u n tel choix ne peut être directement lié aux phénomènes réels de l'érosion ;

(2) la combinaison de plusieurs de ces caractères doit faire l'objet d'une attention encore plus fine d u fait de l'aspect probabiliste de ces combinaisons. E n fait, o n se heurte à la difficulté qu'il y a d e concilier à la fois précision, quantification des p h é n o m è n e s et généralisation à u n e petite échelle.

2.2.2 - B r è v e description des cartes d e base autre q u e satellitaire

2.2.2.1 - Élaboration d ' u n e carte d e sensibilité des sols à la battance

L'étude d u milieu et la cartographie des sols a permis de différencier u n certain n o m b r e de secteurs dont la sensibilité à l'érosion est liée directement à la texture des sols, d'autres, pour lesquels celle-ci est limitée, voire annulée par des facteurs extrinsèques.

Les secteurs, où les facteurs extrinsèques au sol limitent les conditions de l'érosion, ont été traités de manière indépendante. Il s'agit :

- des zones où le sol est protégé par une couverture végétale permanente quasi continue (prairies permanentes, bocage et forêts) ;

- des zones où malgré une activité agricole intense, la topographie relativement plane ne favorise pas u n ruissellement important ;

- de celles où l'infrastructure urbaine est suffisamment importante pour morceler les surfaces agricoles ;

- de celles enfin, où le sol est totalement m a s q u é par le bâti, ou celles, c o m m e les vallées qui constituent les zones d'atterrissement des produits de l'érosion.

Entre 1987 et 1990 la carte pédologique de base a été levée sur les secteurs où la texture est le facteur majeur de l'érosion. Elle comporte n o t a m m e n t des unités texturales, plus ou moins complexes, dans lesquelles sont indiqués les pourcentages de surface des textures sans précision de leur localisation géographique à l'intérieur de chaque unité.

A la suite des travaux au 1/25 000, u n degré de sensibilité à la battance a été affecté à chaque classe texturale. 9 classes de bases ont été distinguées (figure n° 7), regroupées en trois classes principales :

- sols très sensibles à sensibles ; - sols m o y e n n e m e n t sensibles ; - sols peu à non sensibles.

L a représentation cartographique de ce paramètre figure sur la planche 2 .

O n remarque que les principales surfaces sensibles à la battance correspondent à des zones de plateaux recouverts de sols lessivés dont la pédogenèse a induit une forte décarbona-tation des matériaux limoneux.

Cette couverture servira de base à l'intégration des critères par Bassins Versants. INRA - BRGM R 32 278 SGNITED

23


FIGURE 7 Classes simplifiées de sensibilité à la battance

0 A100

100.

Limon

Pas sensible

Peu sensible

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PLANCHE 2ESQUISSE DES RISQUES D'EROSION DANS LE NORD - PAS DE CALAIS

CARTE DU POURCENTAGE DE SOLS TRES SENSIBLES A LA BATTANCE PAR BASSIN VERSANT

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2.2.2.2 - Pluviométrie

Les données de base proviennent des 30 à 40 années de relevés sur une sélection de 52 stations, ou postes métérologiques - L'hétérogénéité des mesures et leur répartition géographique irrégulière ont suscité une analyse spécifique* de ces données avant de réaliser une carte régionale des isohyètes de moyennes soit annuelles soit hivernales reflétant statistiquement l'intensité des phénomènes pluviométriques de la région.

Ces "couvertures" d'information n'ont, par la suite, été utilisées que de manière relative, entre secteurs possédant des caractéristiques agronomiques et pédologiques sensiblement identiques.

L'exemple de résultat cartographique des moyennes annuelles figure en planche 3.

2.2.2.3 - Occupation d u sol

L'objectif est de localiser les cultures qui risquent de favoriser les p h é n o m è nes de battance et de ruissellement d u fait de leur situation dans le calendrier cultural et des pratiques agricoles utilisées.

L'idéal serait de disposer d'un inventaire des différentes cultures et des états de surface à différentes époques de l'année. Cela est possible à l'aide des images satellitaires qui peuvent fournir des informations spatialement exhaustives à des dates précises. Cet aspect est développé au paragraphe suivant (2.3).

Le Recensement Général Agricole (RGA) réalisé tous les dix ans, fournit des statistiques sur les surfaces des différentes cultures au niveau communal. Ce type de données ne répond pas directement aux questions posées mais il permet, à l'aide de quelques traitements simples*, de fournir un premier zonage de la région selon une typologie reflétant l'aptitude du système de culture à favoriser ou non les phénomènes de ruissellement.

La date du dernier recensement réalisé par le Ministère de l'Agriculture (campagne agricole 1987-1988) est suffisamment récente pour être utilisée dans le cadre de notre étude.

L'enquête ainsi réalisée permet d'obtenir, entre autres, le nombre d'hectares de chaque culture mise en place dans l'année. Les données de base sont protégées par le secret informatique et les statistiques sont fournies par le S C E E S au niveau le plus détaillé, à l'échelle de la c o m m u n e . Cela représente 1549 communes pour l'ensemble de la région Nord-Pas de Calais. Ces statistiques peuvent être ensuite agrégées par canton, région agricole et département. ,

Par ailleurs, l'IGN a enregistré sur support informatique l'ensemble des limites communales de la France. Nous avons transféré ces deux sources d'informations (limites géographiques de l'IGN et attributs sémantiques du S C E E S ) sur Arc/Info. Il est ainsi possible de visualiser à tout momen t une cartographie communale de l'extension de telle ou telle culture. La liaison entre les deux fichiers n'a détecté qu'un seul cas d'incompatibilité dû à un regroupement administratif de deux communes .

Le R G A représente une source très importante d'informations mais avant toute utilisation, il faut souligner les dangers d'une interprétation trop rapide, liés aux problèmes des données manquantes, de taille des communes et de date de recensement.

L'exposé de ces méthodes spécifiques est présenté dans le document exhaustif du S E S C P F . INR A -BRGMR 32 278 SGNITED

27


Les variables retenues correspondent chacune à une hypothèse sur leur influence dans les mécanismes de dégradation des sols.

U n exemple en est la carte c o m m u n a l e des terres labourables annuellement*, qui rend compte, en proportion relative, de toutes les surfaces de sols travaillés à un m o m e n t ou l'autre de l'année et présentant donc un risque plus élevé de dégradation que des sols protégés par un couvert végétal tout au long de l'année (planche n° 4). La répartition des systèmes de cultures est fortement structurée, avec des régions où les terres labourables sont en faible proportion (régions d'exploitations agricoles spécialisées : bovins, lait) et des régions où les exploitations agricoles sont orientées vers les productions de "grandes cultures".

2.2.3 - Intégration des données de télédétection

Le système S P O T , qui, outre sa résolution spatiale très détaillée, présente l'avantage d'être programmable, a été choisi, pour réaliser cet inventaire systématique. U n e programmation auprès de la société S P O T image a permis de faire plusieurs tentatives d'acquisition d'images, durant les mois de décembre à mars 1990, jugées les plus favorables d'après l'étude de faisabilité (chapitre 1).

2.2.3.1 - Couverture de la zone d'étude et définition d'une nomenclature

Pour être totalement couverte, la région Nord-Pas de Calais nécessite l'acquisition de sept images de 60 x 60 k m (figure n° 8). Compte tenu du coût de ces images, deux régions ont été écartées de l'étude satellitaire : la Flandre Intérieure considérée c o m m e très peu sensible à l'érosion et la Thiérache et le Hainaut, à dominante bocagère. Cinq images ont été acquises sur le reste de la zone d'étude : deux images sur l'orbite côtière le 15 mars 1990 et trois images sur les collines d'Artois, Arras et Cambrai le 30 mars 1990. Cette couverture satellitaire sera gérée en trois bandes d'images correspondant aux trois orbites voisines du satellite (figure n° 9).

Simultanément à l'image, les états de surface des sols laissés nus ont été identifiés lors d'une enquête de terrain, portant sur les parcelles de la c o m m u n e de Hesdin. Cette simultanéité des observations au sol et par satellite a été une occasion de confirmer les études préliminaires de 87-88 relatives à la détection de la battance par S P O T (voir chapitre 1).

Cette connaissance de l'aspect des surfaces cultivées à la sortie de l'hiver (et par chance à la date du premier enregistrement) permet donc d'établir une nomenclature généra-lisable à toutes les classifications numériques des cinq images couvrant la région (tableau n° 2).

Plus exactement de la proportion de terres labourables par rapport à la surface Agricole Utile, qui permet de

s'affranchir des biais introduits par la méthode m ê m e de l'enquête (les déclarants étant référencés à une

c o m m u n e administrative et non à l'extension géographique réelle de leur exploitation).

INRA - BRGM R 32 278 SGN/TED 2<3

PLANCHE3 ESQUISSE DES RISQUES D'EROSION DANS LE NORD - PAS DE CALAISISOHYETES DE PLUVIOMETRIE ANNUELLE

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PLANCHE4 ESQUISSE DES RISQUES D'EROSION DANS LE NORD - PAS DE CALAISSURFACE DE TERRES LABOUREES ANNUELLEMENT I SAU PAR COMMUNE

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TABLEAU 2 Nomenclature utilisée pour les classifications des images satellitaires et codage des couleurs

CLASSES ÉTATS DE SURFACE COULEURS ATTRIBUÉES

Cl

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C9

CIO

Cil

C12

Sols nus battants (brillants)

Affleurement de sable ou craie (selon la trace orbitale) ..

Sols nus à surface partiellement battante

Sols nus sombres ou agglomérations

Cultures d'hiver très peu couvrantes

Cultures d'hiver ou prairies permanentes à faible activité chlorophyllienne

Cultures d'hiver ou prairies permanentes à forte activité chlorophyllienne

Résineux

Feuillus ou peuplements mixtes

Taillis

Eaux libres

Eaux libres

Jaune

Blanc

Orange

Rouge

Magenta

Vert clair

Vert clair

Vert foncé

Vert foncé

Vert foncé

Noir

Noir

INR A -BRGMR32278 SGNITED 34


Une trace orbitale mosaïque et projection des scènes Spot 37/247 et 37/248 duF I G U R E 9a 15 mars 1990

F I G U R E 9b L'estuaire de la Canche (au 1/100 000) (C) C N E S , 1986

INRA - BRGM R 32 278 SGN/TED35

Erosion hydrique des terres agricoles • appui de la télédétection

FIGURE 10 Méthodologie de l'intégration des données

de télédétection

DONNEES DE BASE

1.TRAITEMENTS D'IMAGES

Etape 1.1

Contrôle 1

Etape 1.2

Contrôle 2

Contrôle 3

^INTEGRATION

Etape 2.1

Etape 2.2

Etape 2.3

DONNEES ELABOREES

RESULTATS STATISTK3UES PAR

COMMUNES

IN RA - BRGM R 32 278 SGN/TED 39

Érosion hydrique des terres agricoles • appui de la télédétection

2.2.3.2 • Traitements préliminaires des données

L'objectif est d'insérer dans la base de données générale non pas la totalité des informations relatives aux enregistrements originels, mais le résultat des classifications multi-spectrales correspondant à une image plus synthétique. Plusieurs étapes techniques sont nécessaires pour y parvenir. Elles sont réalisées sur le V A X , au sein du Système IIS-S600 (figuren010):

- mosaïque des images de m ê m e date et de m ê m e trace orbitale (en 3 traces) ;

- corrections géométriques de ces traces de façon à obtenir la concordance avec le système de projection géographique choisi (Lambert 2 étendu) ;

- sélection de parcelles de référence pour définir les critères de classification des composantes de l'occupation du sol pour chaque trace orbitale, grâce à l'enquête de terrain simultanée à la 1ère date d'acquisition (15 mars) ;

- mise en œuvre d'une classification multispectrale selon la méthode du m a x i m u m de vraisemblance sur chaque trace orbitale (figure n° 11).

A chacune de ces étapes est associée une procédure de contrôle spécifique pour garantir soit la qualité de la localisation géographique des informations soit la fiabilité des classifications établies :

- la précision de localisation est calculée pour chaque trace. Elle varie entre 1,4 et 3 pixels soit entre 30 et 60 mètres ;

- le contrôle sur la pertinence et la fiabilité des classes d'occupation du sol se fait à partir d'une matrice statistique dite matrice de confusion. Cette matrice permet de vérifier que les parcelles choisies c o m m e références caractéristiques sont bien classées de façon distincte. Tous les pixels leur "ressemblant" leur seront associés et les pixels résiduels seront rejetés ;

- enfin le dernier contrôle permet de vérifier que les classifications sont cohérentes entre les traces orbitales :

* la classification est identique sur la bande de territoire "vue" simultanément dans les deux traces orbitales du 30 mars 1990 (figure n" 12) ;

* les Bassins Versants vus partiellement dans l'une ou l'autre ont des résultats similaires ;

* entre la bande côtière et l'intérieur des terres, le décalage de 15 jours dans les images se traduit par une différence de développement des cultures d'hiver et une reprise agricole d'une partie des surfaces de sols nus, battants ou non, pour la préparation de semis de printemps.

Il y aura donc des précautions à prendre lors de l'intégration des données pour faire des comparaisons relatives entre les zones vues le 15 mars ou le 30 mars.

Ces images de classification rendent fidèlement compte du parcellaire et permettent déjà de générer des cartes d'occupation du sol. Elles serviront surtout à l'intégration des statistiques dans des unités d'intégration (Bassin Versant ou c o m m u n e ) pour comparer et combiner les informations aux autres facteurs de l'érosion.



F I G U R E il Classification multispectrale d'une scène Spot (39/248) du 30 mars 1990 sur lesPays d'Arras, de Bethune et de Lens (C) C N E S , 1986

F I G U R E 12 Incrustation des limites de Bassin Versant et comparaison des classifications à la,limite entre les deux traces orbitales (Détails du parcellaire de la Haute-Sensée)(C) CNES, 1986

INRA - BRGM R 32 278 SGN/TED41


2.2.3.3 • Intégration des résultats de télédétection dans la base de données

* Méthodologie

Trois étapes sont nécessaires pour introduire dans la base de données des résultats spécifiques à chaque Bassin Versant ou chaque c o m m u n e en partant des classifications d'états de surface :

- étape 1 Sélection des surfaces utiles, par exclusion des vallées et des forêts domaniales ;

- étape 2 Histogrammes des classes obtenues dans chaque Bassin Versant ou c o m m u n e ;

- étape 3 Test de comparaison pour bassins "vus" simultanément sous deux orbites, et attribution des statistiques issues de l'orbite où le bassin est le plus représenté.

Les valeurs issues de cette intégration sont données en annexe.

Les masques appliqués sur les fonds de vallées et forêts s'avèrent très pertinents. E n effet, la classification fait apparaître, sous les masques vallées, une dominance de "cultures couvrantes à forte activité chlorophylienne", qui sont majoritairement des prairies permanentes, et, sous les masques forêts, une majorité des pixels appartenant aux rubriques résineux, feuillus ou taillis.

Pour disposer de statistiques comparables soit entre les bassins, soit entre les communes, les pixels non classés ne sont pas pris en compte dans les pourcentages. Ces pixels non classés ont été rejetés par les algorithmes de classification, car leurs réponses spectrales sont trop différentes de celles des parcelles de référence. Il s'agit fréquemment d'une partie des agglomérations, des grands axes autoroutiers, mais aussi de certaines bordures de parcelles agricoles ou forestières, dont les réponses spectrales sont dites "mixtes".

* Effets de l'intégration et précautions

L'intégration par grandes unités (les Bassins Versants) s'accompagne à l'évidence d'une perte de l'information relative à la répartition spatiale des différentes catégories de surface : un B V , dont la matrice d'information satellitaire initiale contient de 100 000 à 1 000 000 de pixels de 400 m 2 chacun se résume alors à une ligne de 15 pourcentages relatifs aux classes d'occupation du sol contenues dans le B V . Cet effet est jugé favorable puisqu'il permet d'uniformiser la caractérisation des B V et de disposer d'un outil quantitatif de comparaison.

Mais cette intégration s'accompagne d'un effet plus difficile à identifier : la disparition de la notion d'hétérogénéité intrinsèque du bassin : le pourcentage d'un caractère peut atteindre une valeur très élevée alors que ce caractère est peu dispersé dans le bassin. Par exemple le Bassin du Boulonnais englobe une très vaste surface (444 k m 2 , plus d'un million de pixels). Les seules zones où apparaissent en forte proportion des sols nus et très réfléchissants sont les communes de Leutinghen, Ferques et Réty (figure n° 13). D u fait de ces zones, très compactes et très localisées, le pourcentage de sols nus très brillants atteint 4,2 % dans ce bassin, le mettant au m ê m e niveau que des bassins beaucoup plus concernés par une agriculture intensive (Haute-Sensée, Agache ou Escaut-Ouest, figure n° 14).

La représentation cartographique des bassins selon ce seul critère peut donc conduire à un amalgame abusif entre des Bassins Versants ne présentant pas les m ê m e s caractéristiques.



Les précautions avant l'utilisation de cette information issue de la télédétection ont donc porté en premier lieu sur une vérification de la cohérence avec des paramètres issus d'autres sources pour déterminer les paramètres ou les groupes de paramètres permettant des comparaisons effectives entre tous les Bassin Versants :

- recherche de relations entre texture des horizons de surface et états de surface des sols nus ;

- cohérence avec le R G A .

* Relations entre télédétection et texture des sols

E n première hypothèse les classes de sols nus déterminées à partir des états de surface les plus couramment observés peuvent constituer une appréciation indirecte sur la texture de surface. Les travaux préliminaires sur le site de Honnecourt-sur-Escaut ont montré qu'il est possible de tirer parti de ces appréciations de l'état de surface pour mettre en relation sols très réfléchissants vus par Spot et textures très battantes, le couplage de deux dates d'observation (milieu et fin d'hiver) permettant de dissocier les effets permanents ou conjoncturels de la réponse spectrale des sols nus.

Avec une couverture satellitaire mono-date cette mise en relation n'aboutit à aucun résultat significatif (figure n° 15).

O n peut incriminer le fait de disposer d'une seule date d'observation, sans doute trop tardive car les travaux de printemps ont repris en maints endroits, détruisant les croûtes de battance. D e plus les interactions entre les caractéristiques de texture, les travaux culturaux et les conditions météorologiques récentes ne sont pas équiréparties. Cette information "sols brillants" est alors trop éphémère et trop difficile à isoler d'autres facteurs (affleurements de craie, carrières de sables,...) qui provoquent également des réponses radiométriques élevées.

* Relations entre télédétection et R G A

Pour rechercher des relations significatives entre ces deux sources d'information, deux étapes sont nécessaires : tout d'abord rejeter les Bassins Versants non comparables, car soit trop partiellement "vus" par les images, soit trop urbanisés. Ensuite émettre des hypothèses sur les relations probables entre données de télédétection de mars 1990 et données du R G A de 1988.

* O n pourrait par exemple chercher à utiliser la répartition des cultures d'hiver comm e un indice comparatif de la protection relative des sols en hiver.

A cette date, les cultures d'hiver sont toutes levées, quoique plus ou moins couvrantes (trois classes C 5 , C 6 , C 7 * ont été déterminées). La principale difficulté en télédétection réside dans le fait que ces cultures sont mal distinguées des prairies permanentes et peuvent donc être sur-, ou sous-estimées selon les Bassins Versants.

Le graphique d'analyse statistique (figure n° 16) entre la s o m m e (C5 + C6) et le ratio "cultures d'hiver sur surface du B V " ne permet d'établir aucune régression significative. O n ne peut pas, avec cette date d'observation, préparer un scénario combinatoire utilisant la répartition géographique des cultures d'hiver.

* Le corollaire de ce raisonnement est de chercher à utiliser la répartition des sols non encore travaillés en mars 90 c o m m e un indice comparatif des sols n o n protégés de la pluie et du ruissellement en hiver.

Se reporter au tableau 2 page 27/54 pour la définition de ces classes. INR A - BRGM R 32 278 SGNITED

44


FIGURE 14

Classification du Bassin Versantde l'Escaut-Ouest.Scène Spot 41/248 (C) C N E S . 1 9 8 6

Classification du Bassin Versantdu Boulonnais. Effet réducteurde l'intégration de l'informationpar Bassin Versant.Scène Spot 37/248 (C) C N E S , 1986.

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Érosion, hydrique des terres agricoles - appui de la télédétection

Parmi les sols nus, on peut retenir systématiquement les classes de sols nus et brillants (Cl) et de sols nus non encore labourés (C3). Ce groupe, quoiqu'amputé des sols récemment labourés (trop confondus avec des agglomérations), est sans conteste une image fidèle des surfaces réservées aux cultures d'été.

Le graphique d'analyse statistique (figure n° 17) montre la fiabilité statistique de la droite de régression obtenue dans ce croisement "sols nus en mars" (source télédétection) avec "culture d'été/surface totale" (source R G A ) .

Coefficient de corrélation = 0,83 ; r2 = 0,60.

Cette corrélation devrait encore être affinée en dissociant les bassins "vus" le 15 mars, de ceux "vus" le 30 mars, ou mieux, en calculant, au sein de chaque bassin la régression obtenue à partir des données par c o m m u n e (données de base du R G A , mais également calculées en télédétection).

Ce genre de corrélation est couramment utilisé dans les programmes de statistiques agricoles qui intègrent déjà la télédétection : c'est la méthode de l'estimateur de régression appliquée aux U S A par l ' U S D A et dans plusieurs pays européens par le Centre C o m m u n de Recherche de la C E E (Ispra).

2.2.3.4 • Bilan de l'intégration de la télédétection

D a n s le Nord-Pas-de-Calais, la corrélation entre "sols nus en mars" et "cultures d'été" est u n résultat original car il est obtenu à une période très précoce de l'année et conforte l'intérêt d'utiliser la télédétection pour disposer d'informations conjoncturelles dans les périodes où le R G A c o m m e n c e à être ancien (plus de 3 ans), ou pour affiner la connaissance de la répartition spatiale des cultures d'été.

A partir de la répartition statistique des Bassins Versants dans cette régression dite "sols nus d'hiver/cultures d'été", nous avons établi une hiérarchie des bassins en 5 classes :

- classe 1 = moins de 6 % de sols nus non labourés (20 B V ) ;

- classe 2 = de 6 à 10% de sols nus non labourés (16 B V ) ;

- classe 3 = de 10,1 % à 12,5% de sols nus non labourés (8 B V ) ;

- classe 4 = de 12,6% à 17,6% de sols nus non labourés (11 B V ) ;

- classe 5 = plus de 17,6% de sols nus non labourés (11 B V ) .

Les B V peuvent être comparés selon le critère "sols non protégés de la pluie et du ruissellement en hiver".

La carte intégrée de ce facteur indique les deux pôles de cette variabilité et constitue la 4ème carte de base (planche 5). Les sols nus non labourés en mars 1990 sont très représentés dans tout le Pays d'Arras et de Cambrai ; mais aussi dans le Pays de Montreuil et au nord du Boulonnais (collines de Guînes, Pays de Licques, Flandre Maritime).

Pour ces régions, l'écart de dates d'observation satellitaire a peut-être relevé artificiellement les valeurs des bassins "vus" sous l'orbite côtière du 15 mars. Par contre, les contours de la Thiérache et les plaines de la Scarpe et de l'Escaut sont les moins concernés par ce facteur. La mise en œuvre ultérieure de scénarios visant à exprimer la probabilité d'apparition de l'érosion tient compte de ce facteur "sols nus en hiver estimés par télédétection" avec cette hiérarchie des Bassins.


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PLANCHE 5 ESQUISSE DES RISQUES D'EROSION DANS LE N O R D - PAS DE CALAISSOLS NUS ESTIMES SUR CHAQUE BASSIN VERSANT PAR TELEDETECTION (mars 1990)

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2.3 • COMBINAISON SPATIALE DES FACTEURS ET RÉSULTATS

Les phénomènes d'érosion dans la région du Nord-Pas de Calais résultent de la conjonction de plusieurs facteurs. Les expressions cartographiques présentées dans le chapitre 2.2 permettent seulement une vision séparée de chaque facteur pris indépendamment les uns des autres. L'objectif de cette étape est de proposer u n e analyse statistique des relations possibles entre ces facteurs et d'effectuer des combinaisons cartographiques. Ces combinaisons multifactorielles constituent des scénarios régionaux d'évaluation de la sensibilité des terres à l'érosion.

Ces sorties cartographiques ne doivent pas être lues et analysées de la m ê m e façon que les cartes de base. Les cartes issues de combinaison correspondent en réalité à des simulations établies à partir d'hypothèses. Celles-ci sont construites en s'appuyant sur les travaux à grande échelle, sur les études bibliographiques ou sur toute autre connaissance empirique. L'intérêt d'avoir constitué une base de données géographiques est de pouvoir visualiser différents aspects des phénomènes. La convergence de plusieurs résultats et leur confrontation avec les connaissances d'experts régionaux constituent des moyens de valider à petite échelle ce type d'approche multicritère.

2 .3 .1 -Méthode

Quelle que soit l'origine des données géocodées retenues dans la base, deux types d'approche multifactorielle peuvent s'envisager, soit en utilisant les méthodes mathématiques dites d'analyse des données, soit plus simplement en visualisant sur une carte la présence simultanée de un ou plusieurs facteurs.

A l'expérience, il est très difficile de déceler des relations statistiques entre des variables par la simple observation de cartes. Le choix des seuils de classe et des couleurs peut faire apparaître différents espaces à partir d'une seule et m ê m e variable. C'est pourquoi, il est préférable dans un premier temps d'étudier les données d'un point de vue strictement statistique, puis de visualiser cartographiquement les résultats dans un second temps. Si deux variables sont fortement corrélées, leur combinaison n'apportera pas plus d'information qu'une seule d'entre elles.

2.3.1.1 • Approche statistique

L'approche statistique consiste à visualiser les objets de la base de données dans l'espace mathématique. Par exemple, il est possible de projeter les objets "Bassins Versants" dans l'espace euclidien construit à partir de deux variables caractérisant ceux-ci. L'étude des relations entre les surfaces en cultures d'été et les surfaces de Terres Labourées Annuellement constitue un exemple de ce type d'approche (cf. paragraphe 2-223). Ce raisonnement peut se prolonger dans un espace à trois dimensions, voire à n dimensions, n étant limité par le nombre de variables quantitatives caractérisant les objets. Dans le cadre de cette étude, nous sous sommes limités à des projections dans un espace à deux dimensions.

Lorsque les variables sont qualitatives, il n'est plus possible de procéder de la sorte. U n e possibilité est d'établir un tableau croisé à double entrée. Dans chaque case de ce tableau on indique soit le nombre de Bassins Versants, soit la surface qu' ils représentent par rapport à l'ensemble de la région.



2.3.1.2 - A p p r o c h e cartographique

L'approche cartographique consiste à visualiser les objets de la base de données dans l'espace géographique. Afin de reconnaître les valeurs d 'une variable les caractérisant, o n affecte différentes couleurs (ou trames) selon des intervalles de classes prédéfinis. C'est ainsi qu'ont été établies la plupart des cartes incluses dans ce rapport. Lorsque l'on veut visualiser la conjonction de deux (ou plusieurs) variables simultanées, il suffit de faire correspondre une couleur à chaque case d u tableau croisé. Cette méthode est applicable pour tout type de variable puisqu'il est toujours possible de transformer une variable quantitative en une variable qualitative.

E n résumé, la méthode suivie consiste en :

(1) analyser les relations entre variables prises deux à deux à partir de la projection des Bassins Versants dans l'espace mathémat ique ;

(2) choisir des seuils pour transformer ces variables en variables qualitatives et pourvoir établir ainsi u n tableau croisé à double entrée ;

(3) affecter à chaque case d u tableau une couleur et projeter géographiquement les Bassins Versants.

Si les variables ne sont pas quantitatives a u départ, on c o m m e n c e directement par l'étape 2 . Pour le cas où l'on désire analyser plus de deux variables simultanément, o n construit des tableaux croisés avec autant d'entrées qu'il y a de variables.

2.3.1.3 - L e s scénarios

Les possibilités de combinaisons sont multiples. Elles ont été limitéees à deux types de scénarios :

(1) pour le premier scénario, une approche très générale des p h é n o m è n e s a été retenue en combinant des facteurs à l'échelle d 'une année entière. Les sols choisis sont très sensibles à la battance et les cultures sont celles qui présentent a u cours de l'année une période risquant d'induire une dégradation de la surface (ce sont les Terres Labourées Annuellement) . C e s deux variables sont combinées à la m o y e n n e des précipitations sur l'ensemble de l'année. A u c u n e de ces variables n'explique à elle seule les p h é n o m è n e s d'érosion mais l'hypothèse a été faite q u e leur présence simultanée sera u n processus aggravant d e l'érosion ;

(2) le second scénario correspond à une approche plus conjoncturelle des phénom è n e s , c'est là qu'intervient la télédétection. N o u s tentons d'analyser les Bassins Versants risquant d'émettre le plus de ruissellement en fin d'hiver-début de printemps. L e facteur "sensibilité d u sol à la battance" est maintenu, mais il est combiné à la surface en sol n u obtenue à partir de l'image satellitaire. L 'hypothèse ainsi suggérée est d 'admet tre q u e les in ter-cultures d'hiver précédant les cultures d'été sont n o n travaillées. C e s deux variables sont combinées pour ce scénario-ci à la m o y e n n e des précipitations d'hiver c'est-à-dire aux pluies qui ont p u accentuer la dégradation des sols laissés nus pendant cette période et entraîner le ruissellement d'hiver.



2.3.2 • Résultats : Présentation de deux scénarios

2.3.2.1 - Scénario 1 : Combinaison des facteurs à l'échelle de l'année

Les résultats des analyses statistiques et cartographiques de ce scénario sont détaillés dans le document exhaustif du S E S C P F I N R A .

L a carte résultante (planche n° 6) combine des informations d'ordre général : textures très sensibles à la battance, "Terres Labourées Annuellement" issues du R G A et pluviométrie moyenne annuelle.

Le classement des Bassins Versants s'est fait à partir de la définition des seuils les plus pertinents mais sans hiérarchie entre les facteurs pris en compte. Les groupes ainsi obtenus permettent de "lire" la carte ; en particulier la répartition des Bassins Versants "extrêmes" en terme de probabilité de présence conjointe de facteurs pouvant multiplier les risques d'érosion.

Le Pays d'Arras, le Pays de Cambrai, le sud du Pays de Montreuil ainsi que les Collines de Guiñes sont identifiés c o m m e les zones de plus forte probabilité de présence simultanée des facteurs de l'érosion (en rose). Elles sont subdivisées en fonction de la pluviométrie sans pouvoir quantifier l'importance de ce facteur par rapport aux facteurs pédoagronomiques. Les zones à faible risque sont le Haut-Pays d'Artois et l'est du Pays du Hainaut (en vert). Le Haut-Pays d'Artois présente une morphologie plus accentuée et la plus forte pluviométrie de la région. Il correspond en fait, au résultat d'une érosion ancienne, d'une nature différente, liée à des processus géomorphologiques à une autre échelle de temps. Enfin les zones à risque très faible sont représentées à l'aide de trames particulières indiquant qu'il existe dans ces régions des caractères extrinsèques au sol qui limitent l'érosion : bocage, zones planes,...

E n résumé, pour tout le sud de la région, les zones à forte et moyenne probabilité de présence simultanée des facteurs favorables à l'érosion dominent et structurent le paysage en grands ensembles cohérents.



2.3.2.2 - Scénario 2 : Combinaison de facteurs à dominante conjoncturelle : texture, sols nus en hiver et pluviométrie hivernale

Les estimations de surfaces des sols nus et non labourés à la date d'observation du satellite (mars 90) ont été choisies c o m m e l'indice le plus pertinent pour élaborer un deuxièm e scénario des risques d'érosion, plus conjoncturel. Ce scénario combine cet indice aux facteurs de sensibilité à la battance et de pluviométrie hivernale.

2.3.2.2.1 - Analyse statistique

L'objectif est d'examiner les Bassins Versants en fonction de la variabilité introduite par la combinaison des facteurs issus de la carte pédologique ou de la télédétection :

- plusieurs Bassins Versants ont été écartés de cet examen : ils sont soit trop urbanisés, soit trop partiellement "vus" par les images Spot, soit non cartographies en terme de texture ;

- c o m m e dans le précédent scénario, les Bassins Versants ont été classés, pour la texture, à l'aide des variables "sols très sensibles" et "sols moyennement sensibles" (paragraphe 2.2.1), dont le résultat est une variable qualitative. L'analyse statistique est donc réalisée entre les variables quantitatives "pourcentage de sols très sensibles à la battance" et "pourcentage de sols nus inventoriés en mars 90 par télédétection" (figuren018).

Le nuage des points de Bassins Versants est d'une forme ovoïde. Le coefficient de corrélation est faible et peu significatif. Mais nous constatons qu'il n'existe pas de bassins présentant simultanément plus de 40 % de surfaces très sensibles à la battance et moins de 6 % de sols nus en mars 90 et donc présentant peu de cultures d'été.

D e m ê m e , à l'autre pôle du diagramme, seuls deux Bassins Versants présentent simultanément moins de 25 % de surface très sensibles à la battance et plus de 17 % de sols nus en mars 90 et donc beaucoup de cultures d'été : il s'agit des bassins de Collines de Frencq et Plateau de la Lacres dans le Pays de Montreuil.

Cette distribution confirme bien la cohérence des données de télédétection par rapport aux données décrivant les systèmes de culture. Que ce soit les variables "sols nus en mars", cultures d'été sur surface totale" ou "terres labourables sur surfaces totales", la répartition des Bassins Versants selon la texture très sensible à la battance est très similaire.

A l'extrémité de l'axe d'élongation maximale du nuage, on observe les situations les plus défavorables. Ce sont des bassins où les sols nus en hiver sont fortement représentés avec une proportion supérieure à 35 % en sols très sensibles à la battance : il s'agit à l'ouest, du Boulonnais, des Coteaux de Longenesse et de Campigneulle et, en Cambrésis, de la Tortille, la S o m m e et Agache.

Dans la situation la moins défavorable au sens de l'érosion, les bassins de la Sambre, de la Haute-Rhonelle, et du Pays de Béthune présentent à la fois peu de sols nus en hiver et peu de sols très sensibles à la battance.

INR A - BRGMR 32 278 SGN/TED 56

PLANCHE 6 ESQUISSE DES RISQUES D'EROSION DANS LE NORD - PAS DE CALAISCOMBINAISON DES FACTEURS TEXTURE, OCCUPATION DU SOI ET PLUVIOMETRIE ANNUELLE

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FIGURE 18

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à la battance par Bassin Versant (un point représente un Bassin Versant)

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2.3.2.2.2 - Approche cartographique

C o m m e lors du scénario 1, la m ê m e démarche de "re"-classement des Bassins Versants est réalisée selon les variables "sols nus en mars" et "sensibilité des sols à la battance", cette dernière variable correspondant à la prise en compte des pourcentages de sols très sensibles et moyennement sensibles.

Le tableau résultant indique en pourcentage, la s o m m e des surfaces des Bassins Versants concernés par une des 20 combinaisons possibles (tableau 3). Les trois cases vides illustrent la m ê m e dispersion que la dispersion statistique des Bassins Versants (figure n° 18).

Le regroupement de plusieurs cases est décidé en fonction des seuils pertinents définis en 2.2.3.3. Dans cette prise de décision, aucune hiérarchie n'est faite entre les variables "sols sensibles à la battance" et "sols nus non labourés en mars". Il s'agit seulement de rendre aisément lisibles les pôles extrêmes de cette distinction et d'y faire correspondre la palette de couleurs du document de synthèse correspondant à ce deuxième scénario :

* le pôle où les Bassins Versants sont à la fois constitués d'une forte proportion de sols très sensibles à la battance et où l'absence de protection de sols réservés aux cultures d'été atteint des taux élevés par rapport à l'ensemble des Bassins Versants ;

* le pôle où les Bassins Versants ont peu de sols très sensibles à la battance et très peu de sols laissés nus en hiver.

C o m m e dans le précédent scénario, le premier pôle regroupe des régions où la probabilité est forte de trouver simultanément en hiver des facteurs à l'origine de mécanismes de ruissellement et d'érosion : ces zones sont représentées dans la g a m m e des rouges sur la planche n° 7. Ce pôle représente 16,3 % des surfaces (15 B V ) .

Le second pôle englobe les régions à faible probabilité (couleurs vertes) et regroupe 12,2 % des surfaces (12 B V ) .

Entre ces deux pôles, sont regroupés tous les Bassins Versants en situation de "probabilité moyenne" pour trouver ces facteurs (couleurs orangé-jaune). La tranche "moyenne" représente 27 % des surfaces (23 B V ) . D u fait de la sélection préliminaire, 40 bassins ne sont pas hiérarchisés selon ce scénario, ils sont classés en fonction de caractères extrinsèques du sol.

U n deuxième niveau de lecture de la carte est possible car la représentation cartographique tient compte en sus de la subdivision liée aux moyennes cumulées des pluies hivernales. Trois classes ont été distinguées :

- moyennes des pluies hivernales inférieures à 300 m m ;

- moyennes des pluies hivernales comprises entre 300 et 400 m m ;

- moyennes des pluies hivernales supérieures à 400 m m .

Cette distinction supplémentaire a permis l'établissement de 8 classes de combinaisons conjoncturelles de facteurs sur la carte de synthèse (planche n° 7).


Classe de sensibilité à la battance des sols des Bassins Versants

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2.3.2.2.3 - Commentaires sur la carte de combinaison conjoncturelle

Cette carte illustre le m o m e n t de conjoncture particulière de fin d'hiver - début de printemps. Elle privilégie, en terme de risque d'érosion, les facteurs qui peuvent s'exprimer le plus à cette période de l'année : bilan des pluies hivernales et proportions des surfaces les moins protégées d'un risque de ruissellement sur des sols à texture très sensibles à la bat-tance.

Dans les grandes lignes, cette carte a des zonalités très proches de la carte établie grâce au premier scénario.

• Les zones à "forte probabilité "

Les régions agricoles concernées se situent dans le pays d'Arras, le pays de Cambrai, dans le sud du pays de Montreuil et dans les collines de Guiñes. Ces zones sont les plus sensibles, selon ce scénario conjoncturel c o m m e selon le précédent scénario.

La m ê m e distinction liée à la pluviométrie s'observe entre bassins côtiers et bassins intérieurs. Le pays de Cambrai est moins arrosé tant en hiver qu'en moyenne annuelle.

• Les zones à "probabilité moyenne "

Les régions agricoles de cette classe sont localisées en périphérie de l'Artois (pays de Licques, pays d'Aires), en périphérie du Ternois et dans le Pays d'Arras, enfin à la bordure occidentale du Hainaut.

Signalons que parmi ces région agricoles, une analyse prospective peut être conduite à partir du tableau 3. Huit B V présentent actuellement des sols avec de fortes sensibilités à la battance mais encore peu de cultures d'été. Ils peuvent "basculer" dans la classe à forte probabilité d'érosion, si les cultures d'été augmentent. Il s'agit essentiellement dans le Hainaut du bassin de l'Escaut, et de celui de Maroilles Est ; en Pays d'Arras, des bassins du Crinchon, Haute-Authie, et la Scarpe ; en Ternois des bassins de Haute-Canche et la Ternoise, enfin en Pays d'Aires et de Licques des bassins de Lys moyenne et de H e m .

• Les zones à "faible probabilité"

Elles se situent d'une part dans le Haut Pays d'Artois et atteignent le pays de Montreuil (bassin de Créquoise), toute cette région étant la plus arrosée, m ê m e en hiver, mais sans que les pluies soient agressives pour le milieu bocager. D'autre part le pays de Béthune et le Hainaut s'individualisent bien, et soulignent une fois de plus la forte convergence entre les facteurs retenus pour décrire les bassins en termes d'érosion et les petites régions naturelles.


PLANCHE 7 ESQUISSE DES RISQUES D'EROSION DANS LE N O R D - PAS DE CALAISCOMBINAISON CONJONCTURELLE : FACTEURS TEXTURE, SOLS NUS EN MARS, PLUIE HIVERNALE

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2.3.3 - Comparaison des résultats cartographiques de deux scénarios

La comparaison de ces deux cartes de synthèse (n° 6 et 7) est riche d'enseignements et de perspectives, tant grâce aux concordances de classement d'un certain nombre de Bassins Versants, que grâce aux discordances observées.

2.3.3.1 - Résultats concordants

Des régions entières se retrouvent identiquement classées dans l'un et l'autre scénarios et concernent 36 des 50 Bassins Versants retenus :

- zones à forte probabilité : le Pays de Cambrai et la partie du Pays d'Arras apparaissent aussi "compacts" et similaires dans les deux approches. Les collines de Guînes et le sud du Pays de Montreuil restent très différents de leur environnement immédiat ;

- zones à probabilité moyenne : le Hainaut occidental, les Pays d'Aires et de Licques, le Ternois restent identiques ;

- zone à faible probabilité : on retrouve le Hainaut oriental, une partie du Pays de Béthune, le Haut-Pays d'Artois et le nord du Pays de Montreuil.

Ces concordances de classement montrent que les distinctions soit entre terres labourées ou sols nus en hiver, soit entre pluviométrie moyenne annuelle ou pluviométrie moyenne hivernale n'introduisent pas de modifications perceptibles sur l'analyse des risques encourus par ces régions. Cela conforte la cohérence des diverses sources d'informations utilisées.

2.3.3.2 - Résultats discordants

Dix sept bassins versants sont classés de façon différente selon les scénarios utilisés. A l'analyse ces discordances sont liées à deux origines : une variation saisonnière de la répartition des pluies ou bien une importance relativement différente des sols laissés nus en hiver, c'est-à-dire une distinction liée au poids des cultures d'été par rapport aux terres labourables totales du Bassin Versant considéré.

• Variation saisonnière de la pluviométrie

Les B V qui reçoivent, en proportion relative, moins de pluies en hiver sont localisés pour l'essentiel dans la partie occidentale du Hainaut. Compte tenu des systèmes de cultures et des types de sols de ces régions, il est probable que cette différence soit sans conséquence directe sur les phénomènes d'érosion.

• Poids plus faible des cultures d'été dans l'assolement

Cette distinction est la plus manifeste à la lecture des cartes. Elle concerne essentiellement le nord du Pays d'Arras (bassins de la Scarpe, d 'Ugy et de Crinchon) et le sud de l'Ostrevent (Scarpe moyenne et Basse-Sensée).

• Poids plus fort des cultures d'été dans l'assolement

Cela touche essentiellement le Pays de Licques (Haut-Hem, Acquin et Coteau de Longenesse).

Ces deux derniers groupes de discordances sont intéressants : ils montrent l'influence des hypothèses émises dans chaque scénario et les possibilités d'analyse prospective qui en résultent.



Ainsi dans le scénario 2, des régions c o m m e le Pays d'Arras ne sont "pas encore" classées en zone à forte probabilité. Dans l'hypothèse où les effets hivernaux sont effectivement jugés prépondérants, ce deuxième scénario module le classement du scénario 1, où le pays d'Arras présente déjà toutes les conditions requises pour une forte probabilité de risques d'érosion. U n e analyse prospective est alors possible : une progression des cultures d'été accentuerait les risques encourus par cette région et toucherait aussi le Ternois.

Dans le m ê m e esprit, le diagnostic qui peut être émis sur la bordure du Pays de Licques porte sur une mise en garde quant aux risques encourus sous l'effet de l'emprise déjà notable des cultures d'été, si celle-ci s'accentuait.

2.3.3.3 - Conclusion

La comparaison des deux cartes finales permet donc de conforter les résultats obtenus et de montrer l'importance d'un suivi régional des facteurs pouvant évoluer rapidement, c o m m e les systèmes de cultures. D u fait de la pertinence de ses informations, la télédétection apporte un potentiel d'efficacité et de rapidité pour assurer ce suivi, alors m ê m e que le R G A n'est renouvelé que tous les 10 ans.

D'autres scénarios similaires peuvent s'envisager selon différentes hypothèses choisies en fonction de nos connaissances sur l'influence des cultures et des pratiques culturales sur la dégradation de sols.

Les résultats de ces scénarios ne peuvent pas servir pour des décisions à la parcelle, mais ils permettent de dégager les zones prioritaires sur lesquelles il conviendrait d'augmenter les expérimentations, incluant le suivi des pratiques agricoles.

Enfin, les délimitations obtenues sont dépendantes du choix initial des Bassins Versants c o m m e unités d'intégration. Compte tenu des hétérogénéités de texture, d'occupation du sol et de morphologie à l'intérieur de chaque unité, il est prévisible qu'un découpage des bassins d'ordre hydrologique inférieur ferait apparaître localement des secteurs atteignant déjà le stade de l'alarme quant aux problèmes d'érosion et non identifiés dans l'approche régionale présentée ici. E n s'appuyant sur la base de données constituée, cette analyse va faire l'objet d'une étude plus approfondie.



CONCLUSIONS

L'ensemble de la région Nord/Pas-de-Calais a fait l'objet d'une cartographie à l'échelle du 1/250 000 des principaux facteurs des phénomènes du ruissellement et de l'érosion. Le choix des facteurs cartographies est basé sur les conclusions des études menées à grande échelle, en accord avec la bibliographie. Il s'agit de la sensibilité des sols à la battance selon leur texture de surface, de l'occupation des sols et de la pluviométrie. Les travaux de cartographie des sols sont concentrés dans le sud de la région, là où les phénomènes d'érosion sont les plus importants et très dépendants des caractéristiques pédologiques.

L'objectif était de produire tout d'abord des cartes mono-factorielles des différents facteurs "sol-climat-plantes" puis des cartes combinant ceux-ci selon une hiérarchie traduisant notre connaissance des phénomènes d'érosion.

C e document met l'accent sur les avantages méthodologiques de la cartographie thématique mise en œ u v r e et sur la spécificité de l'apport de la télédétection dans les quatre étapes fondamentales : (1) formalisation d'un modèle, (2) constitution de la base de données, (3) définition des unités spatiales d'intégration et (4) élaboration de cartes thématiques associées à des scénarios (figures 5 p. 18 et 10 p. 39)..

1. L a modélisation des phénomènes, établie sur des secteurs de référence, constitue le pilote de l'opération et oriente les étapes de constitution de la base de données et de son exploitation. E n particulier ce modèle a confirmé qu'à l'échelle des bassins versants élémentaires, il y a disjonction entre les lieux de manifestation de l'érosion et les lieux de formation du ruissellement responsable de l'érosion, d'où l'importance de la notion d'unité spatiale d'intégration.

La télédétection peut alimenter ce modèle par le biais non des indices d'érosion linéaires, pourtant les plus spectaculaires au sol, mais des estimations de surfaces potentiellement ruisselantes.

2. La stratégie de constitution de la base de données est guidée par les objectifs et l'ampleur de l'étude. Elle s'est appuyée d'une part sur les données disponibles dans divers organismes spécialisés (Recensement Général de l'Agriculture du S C E E S sur 1500 communes , données climatiques de 52 postes de M E T E O - F r a n c e , 5 images S P O T (figure 8 p. 33). D'autre part un important travail de recueil sur le terrain puis de synthèse des données pédologiques a permis de réaliser le zonage des principales textures de sols. L'ensemble des informations pédo-agro-climatiques est géré informatiquement grâce à un Système d'Informations Géographiques (SIG).

La télédétection a fourni des informations conjoncturelles et systématiques, relatives aux surfaces de sols les plus exposées à un risque de ruissellement hivernal. La pertinence de cette information a été évaluée par une double approche, de radiometric in situ et de corrélations statistiques avec les données du Recensement Général de l'Agriculture. Le transfert des données de télédétection traitées au B R G M est réalisé de façon opérationnelle grâce aux interfaces développées entre le système 600 IIS et le système A R C / I N F O .

3. L'unité spatiale d'intégration rend possible l'application régionale du modèle établi et les combinaisons plurifactorielles qu'il impose. Sa définition est liée à la dynamique spatiale du ruissellement au sein de Bassins Versants Élémentaires. Or ces bassins constituent des unités trop fines à l'échelle du 1/250 000. L'Unité Spatiale d'Intégration est alors définie en regroupant les Bassins Versants Élémentaires contigus en 78 grands Bassins Versants.



Cette définition des unités spatiales d'intégration a une influence déterminante sur les modalités d'exploitation de la base de données et sur la portée d u diagnostic émis sur les risques d'érosion. Ainsi ces Bassins Versants ne constituent pas réellement une unité fonctionnelle pour les phénomènes d'érosion tels qu'étudiés mais une unité statistique permettant de signaler les zones où les Bassins Versants Élémentaires présentent les conditions favorables au déclenchement de l'érosion.

Des changements d'échelle sont toujours possibles, pour affiner localement la perception d'une région. Les données de télédétection sont alors les moins contraignantes pour se prêter à cette focalisation.

4. Deux scénarios établis à partir d'hypothèses sensiblement différentes et d'informations d'origine indépendante ont été utilisés pour réaliser les cartes thématiques ; l'un fait intervenir des variables caractérisant les phénomènes de façon globale à l'échelle de l'année, l'autre est relatif à un aspect plus conjoncturel grâce à l'acquisition d'images satellitaires programmées à une date-clé, l'exemple de la sortie de l'hiver 1990.

Ces cartes sont délivrées à l'échelle du 1/250 000 (planches 6 p. 56 et 7 p. 62). Les deux scénarios aboutissent à des zonages similaires, ce qui apporte une cohérence d'ensemble à la demarche. De plus les différences locales observées entre les deux cartes montrent l'importance des hypothèses émises sur l'influence des facteurs prépondérants de l'érosion pour établir des pronostics d'évolution des phénomènes d'érosion. Toutefois leur interprétation doit rester prudente et souligner le caractère probabiliste de la démarche.

Mise en œuvre grâce à la continuité de la collaboration scientifique entre l 'INRA et le B R G M , cette intégration des données satellitaires constitue une étape importante dans la cartographie thématique opérationnelle.

E n effet avec cette base de données couplée aux possibilités de l'imagerie satellitaire disponible chaque année, on dispose déjà des matériaux nécessaires à u n suivi annuel des phénomènes , voire à l'établissement de scénarios prospectifs. L'évolution des connaissances de base sur les mécanismes d'érosion ou de celles des systèmes de cultures pourra progressivement les enrichir.

Enfin la méthodologie mise en œuvre est totalement transposable aux régions agricoles concernées par les sols limoneux (figure n° 19), la principale limitation étant liée à l'acquisition des données pédologiques.



FIGURE 19 Régions agricoles concernées par les sols limoneux

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ANNEXES



- ANNEXE 1 -

VOLUME ET SOURCES D'INFORMATIONS LOGICIELS ET MATÉRIELS INFORMATIQUES

LE PROJET EN CHIFFRES :

1 -Secteurs de référence :

- Honnecourt-sur-Escaut 4 000 ha - Hesdin 4 000 ha

2 -Carte pédologique au 1/250 000 des textures des horizons de surface.

3 -Bassins versants au nombre de 78, d'environ 150 000 ha chacun.

4 -Éléments topographiques :

- limites des communes, - limites des départements, - limites des régions agricoles, - toponymie, - réseau hydrographique, - limite des grands bassins versants, - limites des zones alluviales, - limites des forêts domaniales.

5 -Recensement Général de l'Agriculture :

- 1 500 communes, - 22 cultures et occupation du sol.

6 -Télédétection :

- 5 images S P O T :

Position

Dates

37/247 37/248

17.03.90

39/248

30.03.90

41/248 41/249

30.03.90

7-Pluviométrie:

- 52 postes ou stations météorologiques, - 30 années de relevés de pluviométrie.

INR A - BRGMR 32 278 SGNITED 75


SOURCES D'INFORMATIONS, LOGICIELS ET MATÉRIELS INFORMATIQUES ;

PÉDOLOGIE

GÉOLOGIE

AGRONOMIE

TÉLÉDÉTECTION

INRA (Relevés de terrain INRA-SESCPF, antenne de Laon) S R A E (Carte schématique des risques d'érosion 1/200 000)

B R G M (Cartes géologiques 1/50 000)

SCEES (RGA : Région Nord-Pas-de-Calais 1988)

SPOT I M A G E (5 scènes, 17 et 30 mars 1990) B R G M (Traitement des images satellitaires)

CLIMATOLOGIE

TOPOGRAPHIE

M E T E O F R A N C E (Données pluviométriques)

IGN (MNT et cartes topographiques 1/250 000) IGN (fond informatisé des limites communales)

LOGICIELS INFORMATIQUES

ÉDITIONS CARTOGRAPHIQUES

ESRI (Logiciel Arc/Info) INRA (Système KALEIDOS) O R S T O M (Logiciel L A M O N T ) B R G M (Logiciel IIS)

PRECISION I M A G E (traceur électrostatique A0) implanté au SESCPF



-ANNEXE 2-

Pourcentage de surface par Bassin Versant des variables issues des images de télédétection.



LISTE DES VARIABLES

N U M B V = numéro de Bassin Versant. S U R F (HA) = surface du Bassin Versant en hectares. Cl = pourcentage de surface du Bassin Versant en sols nus battants

(brillants). C 2 = idem en affleurement de sable ou craie (selon trace orbitale). C3 = idem en sols nus à surface partiellement battante. C 4 = idem en sols nus sombres ou agglomérations. C 5 = idem en cultures d'hiver très peu couvrantes. C 6 = idem en cultures d'hiver ou prairies permanentes à faible activité

chlorophyllienne. C 7 = idem en cultures d'hiver ou prairies permanentes à forte activité

chlorophyllienne. C 8 = idem en résineux. C 9 = idem en feuillus ou peuplements mixtes. C l 0 à C l 2 = n'ont pas été portées dans le tableau car elles ne présentent pas

d'intérêt. Cl + C 3 = s o m m e des classes Cl et C 3 .

BV

N U M BV

la lb le ld le lf 1g lh li lj lk 2 3a 3b 3c 3d 4a 4b 5a 5b 5c 6a 6b 6c 6d 7a 7b 7c 7d 7e

SURF (HA)

8524 11099 6534 7208 2689 4982 13325 3849 7690 8755 2158 18354 12944 20404 5987 5034 13589 8083 31999 30779 14080 6088 9162 19252 1574 12193 14958 14401 9624 29353

Cl

19 14 4 11 26 36 26 62 60 30 39 111 14 17 21 63 72 58 11 15 12 13 9 29 41 14 20 19 95 55

C2

0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 6 0 0 4 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 1

C3

169 134 67 61 67 94 71 122 127 134 88 200 53 46 52 97 121 45 94 105 72 77 55 92 112 80 92 84 172 183

TÉLÉDÉTECTION

C4

87 46 17 26 35 25 35 26 23 58 47 25 19 18 19 27 26 10 113 103 102 220 190 20 11 165 108 197 116 136

C5

220 204 117 156 196 191 168 311 218 253 235 286 239 256 196 322 309 220 233 139 168 473 493 300 270 175 128 141 217 174

C6

204 212 196 241 172 236 246 222 156 172 154 94 316 289 226 200 121 186 225 256 202 128 103 193 104 283 308 285 270 280

C7

117 160 115 172 145 164 215 183 108 127 80 43 186 244 166 127 75 174 136 225 202 10 27 119 32 179 195 122 80 77

C8

0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 3 0 1 1 2 1 0 0 0 0 1 4 1 0 0

C9

46 51 47 69 30 35 68 50 39 57 20 46 28 31 65 99 54 114 44 34 73 52 18 57 71 19 42 11 6 6

C1 + C3

188 148 71 72 93 130 97 184 187 164 127 311 67 63 73 160 193 103 105 120 84 90 64 121 153 94 112 103 267 238



BV

NUM BV

7f 7g 7h 8a 8b 8c 8d 8e 9a 9b 9c 9d 9e 9f 10 lia 11b lie lld lie llf 12a 12b 12c 12d 12e 12f 13 14a 14b 15a 15b 16a 16b 17 18 19a 19b 19c 19d 20a 20b 20c 20d 21a 21b 21c

SURF (HA)

23759 19782 1515 23292 3081 10008 23839 4606 2784 17495 6076 9085 23381 13263 56073 11229 11723 19115 19337 24156 4499 4240 15694 1764 1304 609 1828 38186 5155 12966 9948 4081 38297 40383 67496 68976 22014 12468 6933 2681 4371 7388 13800 6817 5444 8097 7970

Cl

65 10 122 46 31 56 26 17 45 33 5 27 15 20 42 7 4 0 3 1 0 25 17 0 0 0 27 1 6 9 23 32 129 113 0 0 4 1 13 4 7 3 6 0 1 4 24

C2

0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 44 37 56 75 0 2 3 1 3 0 2 1 1 9 8 2 1

C3

148 91 182 140 244 170 100 48 104 83 8 58 22 56 56 9 3 0 9 2 0 76 40 0 0 0

107 1 24 18 29 23 59 20 0 4 29 20 45 7 35 38 59 6 16 30 105

TÉLÉDÉTECTION

C4

113 199 76 123 99 115 178 121 93 110 25 104 60 142 9 29 47 0 53 23 0

145 205 31 70 110 292 107 168 240 3 2 9 2 0

393 396 464 386 307 371 258 228 433 479 433 298

C5

239 144 283 204 146 147 132 115 100 92 14 88 22 81 179 13 14 0 9 2 0

132 131 18 65 66 94 62 166 200 182 68 371 432 0

279 150 149 257 187 351 282 270 335 308 128 167

C6

166 261 145 173 251 247 270 165 273 274 199 274 325 303 216 192 398 0

372 64 0

159 273 77 205 102 260 214 254 270 172 16 179 253 0

112 122 122 189 196 120 161 199 85 89 159 260

C7

149 99 159 111 115 197 205 141 213 236 155 226 174 197 238 110 323 0

331 26 0 96 114 26 87 69 44 114 152 133 96 3 94 80 0 10 15 12 20 74 8 30 80 4 2 13 26

C8

0 1 0 0 3 6 1 0 12 6 30 5 55 4 0 13 6 0 2 3 0 0 3 2 38 0 1 6 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0

C9

19 27 26 29 60 54 27 12 145 27 27 31 65 75 66 33 27 0 23 28 0 27 130 121 486 505 15 233 128 95 102 191 19 5 0 23 41 46 8

199 27 59 43 41 5 44 13

eues 213 101 304 186 275 226 126 65 149 116 13 85 37 76 98 16 7 0 12 3 0

101 57 0 0 0

134 2 30 27 52 55 188 133 0 4 33 21 58 11 42 41 65 6 17 34 129


R 32 278

brgminfoterre.brgm.fr/rapports/rr-32278-fr.pdf · spatiale dans le systÈme d'information...

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