Doctoral thesis

La télédétection pour l'analyse spatiale : application aux espaces périurbains de la région urbaine de Lyon


275 p

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2005

English French Cities in France have known some very important changes since the beginning of the 20th century. Their growth is only a part of this development, as the main transformations are related to their forms and organisations. As new forms of urban living appear, new tools are developed to follow and understand the cities changes, and help to define them. Remote sensing is not properly speaking a new kind of data or spatial analysis tools, it has long been used to create information about earth resources. Its contribution to physical geography is well known. Urban analysis is quite a recent topic for image interpreters; it has been mostly developed to follow the quick development of third world cities and be an alternative for the lack of statistical data. But combined with GIS, satellite pictures, as well as aerial photographs, are becoming more and more a common tool for regional planning in most countries, including for urban areas. Yet the use of remote sensing for urban analysis has not been fully explored. As many studies have been conducted about land cover discrimination, less researches tend to use pictures to extract and study urban structure and urban territorial organisations. This aims at studying the contribution of remote sensing data, satellite scenes and aerial photographs, to the analysis of one particular urban development: the periurbanisation. As a starter, we choose to define the meaning of the periurban concept. As periurbanisation is a quite recent phenomenon, its definition is still in progress. The study of the scientific literature regarding periurbanisation and periurban areas shows how the phenomenon has first been seen as an urban expansion. More and more authors are now considering periurbanisation as an interaction between two territories: the town and the country. The idea that periurban areas are forming a territory on their own is also more and more present. The way the phenomenon is defined compare to the urban world and the rural area is not only a matter of conceptual research, it influences also the management of those spaces. As a territory, the periurban would represent a third kind of spatial organisation, neither urban nor rural. It could claim a better representation in the administrative and politic structure, which matches its demographic and spatial weight. But the lack of studies considering territorial structures of periurban areas has prevented from recognising them as a whole territory. The study of the evolution of periurbanisation analysis is also a great source to identify the methods used to understand the dynamic. Two major ways of studying periurban areas have been found. The most current one is based on demography. Its inspiration comes from the major changes that occurred in the population of urban and periurban areas since the seventies. It has been proven that the centre of the cities lost their population, which moved to the periurban areas. But as this population relocates its residence, there is no change of working location. So the periurban population is characterised by a gap between its residence, which is periurban, and its job in the main town. Other indicators can also be used to complete this factor, but it would normally be considered as a very strong criteria. The French institute of statistic (INSEE) has created the official spatial definition of periurban areas based on this phenomenon. A certain level of working population employed outside of the communal boundaries is the indicator for a periurban area. Another way to study periurbanisation uses a morphological approach. The landscape provides most of the data for this approach, especially through the urbanisation. The latter is a good indicator for periurbanisation that show its impact at different scale as well as the structure of its expansion and the conditions of this expansion. But this approach seems to lack of efficient data. Morphological studies correspond to a better understanding of the periurban as a territory. They tend to rely less on the importance of the main city to explain the forms of periurban areas than the demographic approaches. Furthermore, the spatial aspect of periurbanisation is much more present than in the demographic methodologies. Thus we decided to use this approach coupled with the contribution of remote sensing images. They offer the possibility of taking a large region into account in an instant view. The morphological study of periurban spaces correspond also to the type of data available in satellite scenes or photographs. We needed to create a link between this information and the periurban phenomenon. This indicator should be able to reveal the hidden structure of the periurbanisation, in order to understand its organisation. The urbanisation, by the mean of dwelling unit extraction, provides this kind of information. The study has then been conducted in the area of the urban region of Lyon, France. The second part of our work starts by a more technical phase. Once the indicator chosen, semi-detached house urbanisation, we used some past experiences to determine the best extraction method. The texture methods, based on the value of a pixel inside its neighbourhood, seem the more adapted to our data. Two methods were selected; both use the principles of mathematical morphology. The first one is the TMM or Texture by Mathematical Morphology. This process, first built by P. Terrettaz (TERRETTAZ, 1998), is an association of top hat and valley bottom, which enhances the spectral pattern of the dwelling areas in remote sensing images. The second method is a simple tool: the morphological gradient. It helps to depict important changes of spectral information that can be related to buildings or group of buildings. Those two methods have been completed by a step of morphological reconstruction; we also added some masks to cover some obvious errors such as water or major roads. The methodologies were tested on three kinds of data: a panchromatic scene from Landsat ETM, an image of the Perpendicular Index of Vegetation, and a set of aerial photographs covering two groups of commune. After comparison, the panchromatic image processed with the morphological gradient gave the best result for the satellite pictures. Regarding the aerial photographs, the TMM method has been more efficient. The extraction of the dwelling units was the first step of our work. We used this information to acquire knowledge of the urbanisation organisation. Mathematical morphology based treatment were used to study the repartition and concentration of the dwelling units. The population data have also been crossed with the dwelling units to create a real map of the populated areas. This cartography is the base of the study of the distance factor in the periurban regions. Finally, data from aerial photographs, which have been extracted for different periods, gave important information regarding the effect of periurbanisation to the village structure. From those maps and figures, we deducted some important conclusions. Periurban areas are considered as empty spaces where buildings are not concentrated. Dwelling units repartition shows that, inside one periurban region, different patterns can be found. The remaining of the rural territory structure is also visible in the current organisation of the periurban zones. So its role in the periurbanisation should not be diminished. The association between the remote sensing images information and demographic data has enhanced those conclusions. As we studied the repartition of the population compare to the distance to territorial objects such as major cities or speedway, different form of organisation appeared. If a city such as Lyon creates a certain effect in the periurban areas, a new form of territorial structure emerges that is related to a network of towns or small urban centres, and road connections that allow periphery-to-periphery commuting. A series of maps demonstrated also that multiple forms of periurbanisation should be considered. Each type of periurbanisation is characterised by a demographic evolution, a form of urbanisation, and landscape. The existence of different periurbanisation forms has an effect on the capacity to determine the spatial periurban region limits. Images help to enlighten a different representation of the periurban phenomenon. We discovered that it is not only a residential area centred to the main town, but rather a developing territory organising itself around a series of centre and structured partially by the road network. The main contribution of remote sensing pictures is to replace the periurbanisation into its spatial dimension. It provides also a quick state of the periurban area, ready for regional planners and local politics. Some tools, and especially the mathematical morphology treatments, were used as spatial analysis process. They have been proven very efficient and able to demonstrate the existence of territorial pattern and structure. Les villes françaises ont connu des changements majeurs depuis le début du XXème siècle. Leur croissance ne représente qu’une facette de ces transformations, qui se traduisent principalement par des changements dans la forme et l’organisation des villes. Alors que ces nouvelles formes d’urbanité se mettent en place, de nouveaux outils apparaissent permettant de comprendre et suivre les changements en cours, et d’aider à la définition des milieux urbains. La télédétection ne constitue pas, à proprement parler, une nouvelle source d’information ou un nouveau type d’outil d’analyse spatial. Elle est depuis longtemps employée pour l’étude des formes et des ressources de la surface terrestre, son apport à la géographie physique est tout à fait connu. Le milieu urbain est un sujet relativement neuf pour les télédétecteurs, il a principalement été abordé à partir de la constitution rapide des grandes métropoles du tiers monde. La télédétection représente alors une alternative au manque d’informations statistiques. Cependant, les images de télédétection, images satellites ou photographies aériennes, combinées aux SIG deviennent des outils de plus en plus communs, dans la plupart des pays, pour l’aménagement du territoire, y compris pour les zones urbaines. L’usage de la télédétection dans les zones urbaines demeure néanmoins réservé à certains domaines. De nombreuses études ont été menées dans le cadre des classifications d’occupation du sol, moins de travaux tendent à explorer les structures urbaines et leur organisation en tant que territoire, à partir des images de télédétection. Notre travail de recherche vise à étudier l’apport des images de télédétection, images satellites et photographies aériennes, à l’analyse d’une forme particulière de dynamique urbaine : le périurbanisation. Dans un premier temps, nous avons choisi de définir la notion actuelle de périurbanisation. La dynamique périurbaine étant un phénomène relativement récent, sa définition est toujours en construction. L’étude de la littérature scientifique traitant de la périurbanisation et des zones périurbaines montre combien le phénomène a, dans un premier temps, été considéré comme une forme d’expansion urbaine. De plus en plus d’auteurs s’accordent actuellement à replacer la périurbanisation dans le cadre d’une interaction entre territoire urbain et rural. L’idée selon laquelle les espaces périurbains formeraient un territoire en eux même est également de plus en plus abordée. Le cadre conceptuel dans lequel la périurbanisation est considérée ne relève pas que d’un débat théorique, il influence également la gestion de ces espaces. En tant que territoire, l’espace périurbain représenterait un troisième type d’occupation de l’espace, ni rural, ni urbain. Il serait alors à même de demander une meilleure représentation de son espace dans la structure administrative, représentation qui équivaudrait à son importance démographique et spatiale. L’absence de travaux prenant en compte cette dimension du développement périurbain empêche cette reconnaissance en terme de territoire. L’étude de l’évolution des formes d’analyse de la périurbanisation est également le moyen d’identifier les méthodes utilisées pour la compréhension du phénomène. Il existe deux principales tendances pour l’analyse des espaces périurbains. La plus habituelle est basée sur des études démographiques. Elle tire ses sources des profondes transformations de la population survenues dans les aires urbaines et périurbaines depuis les années soixante-dix. On a en effet démontré que les centres urbains ont massivement perdu de leur population, au profit des espaces périurbains. Mais alors que l’on constate un changement du lieu de résidence, le lieu d’emploi ne se déplace pas. La population périurbaine est ainsi caractérisée par un fossé entre son lieu de résidence, qui se situe dans le milieu périurbain, et son lieu de travail situé dans le pôle urbain. D’autres indicateurs peuvent également être ajoutés à cette caractéristique, qui demeure néanmoins la base de nombreuses études. L’INSEE a notamment construit sa définition spatiale des espaces périurbains sur ce critère. Un certain niveau de population active employée en dehors des frontières communales permet d’identifier ces communes comme périurbaines. Le deuxième mode d’étude de la périurbanisation utilise une approche morphologique. Le paysage est l’un des outils les plus employés dans ce cadre, à partir de l’urbanisation. L’urbanisation constitue un bon indicateur pour la périurbanisation, elle est à même de démontrer son impact à différentes échelles, ainsi que les structures de son expansion et les conditions de ce développement. Cependant, cette approche semble souffrir de l’absence de sources d’information efficaces. L’approche morphologique correspond à une meilleure prise en compte des espaces périurbains en tant que territoire. En effet, elle tend à moins se baser sur le pôle urbain pour expliquer les formes du périurbain. La dimension spatiale des espaces périurbaine est également plus présente dans ces méthodologies. C’est pourquoi cette approche a été sélectionnée pour l’emploi des images de télédétection. En effet elles permettent de prendre en compte une large région au sein d’une seule image. L’analyse morphologique des espaces périurbains correspond également aux formes prises par les données de télédétection. Il a été nécessaire de créer un lien entre cette information et le phénomène périurbain. Cet indicateur devait permettre de mettre en évidence les structures de la périurbanisation, de façon à en déterminer l’organisation. L’urbanisation, au travers de l’extraction des ensembles bâtis, a apporté l’information nécessaire. L’étude de ces ensembles bâtis périurbains a été menée dans le cadre de la Région Urbaine de Lyon (France). La seconde partie de notre travail débute par une étape plus technique. Une fois l’indicateur choisi, le pavillonnaire, nous avons utilisé des travaux antérieurs pour déterminer la meilleure méthode d’extraction de l’information. Les méthodes de texture, basées sur l’analyse de la valeur du pixel dans son voisinage, sont apparues comme les plus adaptées à notre type de données. Deux méthodes ont été sélectionnées, toutes deux emploient les principes de la morphologie mathématique. La première méthode est la Texture par Morphologie Mathématique (TMM). Ce traitement, mis en place par P. Terrettaz (TERRETTAZ, 1998), associe chapeau-haut-de-forme et fonds de vallées afin de rehausser la réponse spectrale des ensembles bâtis dans les images de télédétection. La deuxième méthode est un outil simple de morphologie mathématique : le gradient morphologique. Il permet de mettre en valeur les changements, dans les valeurs spectrales, lié au bâti. Ces deux méthodes ont été complétées par une procédure de reconstruction morphologique, des masques ont également été utilisés afin de supprimer des erreurs récurrentes comme l’eau et les grandes voies routières. Les méthodologies ont été testées sur trois types de données : le canal panchromatique d’une image Landsat ETM, une image de l’Indice Perpendiculaire de Végétation, et un ensemble de photographies aériennes couvrant deux groupes de communes. Après comparaison des résultats pour les données satellitales, le canal panchromatique traité avec le gradient morphologique a été considéré comme le plus exact. Pour les photographies aériennes, la méthode TMM a été la plus efficace. L’extraction des ensembles bâtis était la première étape de notre travail. Nous avons utilisé cette information pour mettre en évidence l’organisation de l’urbanisation. Des traitements basés sur la morphologie mathématique ont été utilisés pour étudier la concentration et la répartition du bâti. Des données démographiques ont également été croisées avec l’image des ensembles bâtis afin d’établir une carte de la répartition réelle de la population dans les aires périurbaines. Cette carte sert de base à l’étude de l’importance de la notion de distance dans les espaces périurbains. Enfin, les données issues des photographies aériennes, qui ont été extraites à 3 époques différentes, donnent des informations sur l’impact de la périurbanisation sur les structures villageoises. De ces cartes et graphiques ont été tirées d’importantes conclusions. Le périurbain est considéré comme un espace vide contenant une urbanisation peu dense. La répartition du bâti montre qu’à l’intérieur d’une zone périurbaine différentes formes de concentration ou dispersion peuvent être rencontrées. La trace des structures du territoire rural est également encore visible dans l’organisation actuelle des espaces périurbains. Son rôle dans le phénomène périurbain ne doit dont pas être oublié. Ces conclusions ont été relevées par l’association entre les données de télédétection et des données démographiques. En étudiant la répartition de la population en fonction de la distance à différents objets du territoire comme les principales métropoles et les autoroutes, de nouvelles formes d’organisation territoriale ont émergé liées à un réseau de centres urbains secondaires et à des connections routières permettant les déplacements de périphérie à périphérie. Une série de carte a permis de démontrer l’existence de plusieurs formes de périurbanisation. Chaque type d’espace périurbain est caractérisé par une évolution démographique, une forme d’urbanisation et un paysage. L’existence de ces différentes formes de périurbanisation affecte la capacité à mettre en évidence des limites spatiales nettes des espaces périurbains. Les images ont permis de mettre en évidence une représentation différente du phénomène périurbain. Nous avons découvert qu’il ne s’agit pas seulement d’un espace résidentiel centré sur le pôle urbain, mais également d’un territoire en phase d’organisation autour d’un ensemble de centres secondaires et structuré en partie par un réseau routier rapprochant les différents lieux. Le principal apport de la télédétection est de replacer la périurbanisation dans sa dimension spatiale. La télédétection a également permis la mise en place rapide d’un état des lieux des espaces périurbains, utilisable par les acteurs locaux politiques et les aménageurs. D’autres outils, notamment les traitements de morphologie mathématique, ont été utilisés à des fins d’analyse spatiale. Ils se sont montrés très efficaces et à même de démontrer l’existence de structures territoriales.
Faculté des sciences et de médecine
Département de Géosciences
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