Characterising the phenology of tropical rain forests in North Congo thanks to image time series at low and high resolution

The CIRAD research institute studies the North Congo rain forests, and uses satellite image time series to tell mainly deciduous forests from mainly evergreen forests, The analysis or 10 years of a vegetation index time series (Enhanced Vegetation Index – EVI) from MODIS images at 500m resolution, was used to produce a synthetic annual profile that characterises the phenology of the observed forests (Gond et al., 2013), and enables to separate these two forests types. It seems that these variations in leaf phenology are partly related to the geology (Fayolle et al., 2012).

 

SPOT4(Take5) image from June 2nd: top, with the geological limits, sandstone in the West and silt in the west ; bottom, the vegetation classes obtained thanks to MODIS (mainly evergreen in the West and deciduous in the East. EVI Temporal profiles of both forest types (evergreen and mainly deciduous) of North Congo between January and June by sixteen day periods. The black dashes mark the six clear SPOT4 (Take5) dates, and the dots mark the partially clear dates.

 

The SPOT4(Take5) experiment, which prefigures the data delivered by ESA's Sentinel-2, enabled to obtain 6 very clear images between February and June 2013, which is exceptional in this usually cloudy region (the clouds were in Europe this year :-( ). These images will allow us to analyse temporal profiles of photosynthetic activity with far more details than with MODIS, which is useful to understand the behaviour of these forest types, and study in detail how the are related to the geology.

 

This high temporal frequency data set enabled us to asses the possibilities of monitoring human activity in these rain forests. The images below, from SPOT4(Take5) show how a new logging track is opened by a company. It shows the capabilities of using Sentinel-2 data to identify and detect human interventions n the most remote places.

 

4 color images (SWIR, NIR and Red) in North Congo for 4 dates from March 2 June. A new forest track is being opened southward on the 4th of March, and goes further South until the 14th of April. From this date the track turns East, to access various forest sites. On the 2nd of June, the track is finished and the logging starts, it is clearly visible with a zoom.

References

Fayolle, A. Engelbrecht, B. Freycon, V. Mortier, F. Swaine, M. Réjou-Méchain, M. Doucet, J.-L. Fauvet, N. Cornu, G. Gourlet-Fleury, S. 2012 Geological substrates shape tree species and trait distributions in African moist forests PLoS ONE 7, e42381

Gond, V., Fayolle, A., Pennec, A., Cornu, G., Mayaux, P., Camberlin, P., Doumenge, C., Fauvet, N., Gourlet-Fleury, S., 2013, Vegetation structure and greenness in Central Africa from MODIS multi-temporal data, Philosophical Transaction of the Royal Society (serie B), 368: 20120309

Gourlet-Fleury, S. Rossi, V. Réjou-Méchain, M. Freycon, V. Fayolle, A. Saint-André, L. Cornu, G. Gérard, J. Sarrailh, J.-M. Flores, O. Baya, F. Billand, A. Fauvet, N. Gally, M. Henry, M. Hubert, D. Pasquier, A. Picard, N. 2011 Environmental filtering of dense-wooded species controls above-ground biomass storerd in African moist forests J.Ecol. 99, 981-990.

 

Caractérisation de la phénologie des forêts tropicales humides du nord Congo grâce aux séries temporelles à haute et basse résolution

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Le CIRAD s'intéresse aux forêts tropicales du Nord du Congo, et utilise les séries temporelles d'images pour distinguer les forêts à tendance sempervirente des forêts à tendance décidue. L’analyse de 10 années de données d’un indice de végétation (Enhanced Vegetation Index – EVI) issues d'images MODIS à 500m de résolution, a permis de reconstituer un profil temporel annuel synthétique reflétant la phénologie des formations forestières observées (Gond et al., 2013), et de séparer ces deux types de forêts. Il semble que ces variations dans la phénologie foliaire sont en partie sous la dépendance du substrat géologique (Fayolle et al., 2012), les grès de Carnot paraissant associés à des forêts davantage sempervirentes et les alluvions de la cuvette congolaise paraissant associés à des forêts davantage décidues.

 

L'image SPOT4(Take5) du 2 juin: en haut, les limites géologiques entre les grès à l’ouest et les alluvions à l’est ; en bas, les classes de végétation obtenues avec le capteur MODIS (sempervirentes à l’ouest et semi-décidues à l’est). Profils temporels EVI des types forestiers (sempervirents et semi-décidus) du nord Congo entre le mois de janvier (seizaine 1) et juin (seizaine 11). Les traits pleins noirs indiquent les six acquisitions SPOT-4 exploitables, et les pointillés noirs les acquisitions partiellement nuageuses

 

L'expérience Spot-4 (Take-5), qui préfigure les données qui seront fournies par la mission Sentinel-2 de l'ESA, a permis d’acquérir sur la zone 6 images très claires entre Février et Juin 2013, ce qui est exceptionnel dans cette zone fortement nuageuse (les nuages étaient en Europe cette année :-( ). Ces données permettront d'analyser des profils temporels de l’activité photosynthétique à un niveau de détails bien supérieur à celui de MODIS, ce qui est important pour comprendre le fonctionnement de ces types forestiers contrastés. Les six images Spot-4 permettront d’analyser avec davantage de détails spatiaux et temporels la répartition des types de forêt et leurs comportements dans le temps, de préciser la force et la nature de la dépendance des types de végétation au substrat et aussi leur capacité à stocker du carbone durant leurs cycles phénologiques.

 

Nous avons également accès à des inventaires forestiers dans ces secteurs, nous permettant de connaître les compositions floristiques des peuplements (Gourlet-Fleury et al., 2011). Enfin une base de données sur les précipitations locales a été élaborée à partir des données FewsNet (http://earlywarning.usgs.gov/fews/africa/index.php). Ces informations serviront à étayer les analyses sur des secteurs choisis pour leur homogénéité dans chacun des types de forêts.

 

Ce jeu de données à haute fréquence temporelle nous permet aussi d’évaluer les possibilités de surveillance des activités humaines en forêts tropicales humides en Afrique centrale. Les images ci-dessous, issues de l'expérience SPOT4(Take5) illustrent l’ouverture de la canopée par une compagnie forestière. Cette illustration rend compte de la capacité de la configuration de Sentinel-2 à identifier et évaluer les impacts humains dans les endroits les plus reculés de la planète.

Quatre compositions colorées (Moyen-infrarouge, proche infrarouge et rouge) au nord Congo avec, de gauche à droite, les dates du 4 mars, du 3 avril, du 13 avril et du 2 juin. A partir d’une piste forestière en haut de l’extrait, une piste forestière est ouverte vers le sud le 4 mars puis progresse vers le sud jusqu’au 13 avril. A cette date la piste se redirige vers l’est afin d'aller exploiter des peuplements forestiers. Le 2 juin les infrastructures d’exploitation sont réalisées et la coupe commence. Avec l’habitude et un zoom il est possible de repérer les trouées d’abattage qui apparaissent comme des tache rouge-rose (sol nu) au milieu la canopée (en vert).

Bibliographie

Fayolle, A. Engelbrecht, B. Freycon, V. Mortier, F. Swaine, M. Réjou-Méchain, M. Doucet, J.-L. Fauvet, N. Cornu, G. Gourlet-Fleury, S. 2012 Geological substrates shape tree species and trait distributions in African moist forests PLoS ONE 7, e42381

Gond, V., Fayolle, A., Pennec, A., Cornu, G., Mayaux, P., Camberlin, P., Doumenge, C., Fauvet, N., Gourlet-Fleury, S., 2013, Vegetation structure and greenness in Central Africa from MODIS multi-temporal data, Philosophical Transaction of the Royal Society (serie B), 368: 20120309

Gourlet-Fleury, S. Rossi, V. Réjou-Méchain, M. Freycon, V. Fayolle, A. Saint-André, L. Cornu, G. Gérard, J. Sarrailh, J.-M. Flores, O. Baya, F. Billand, A. Fauvet, N. Gally, M. Henry, M. Hubert, D. Pasquier, A. Picard, N. 2011 Environmental filtering of dense-wooded species controls above-ground biomass storerd in African moist forests J.Ecol. 99, 981-990.