McGill University
Candidat M.Sc.
superviseur(e): Margaret Kalacska
Début: 2018-09-03
Fin: 2021-01-01

Projet

Utilisation de l'imagerie hyperspectrale aéroportée pour la détection et la cartographie des Phragmites australis subsp. australis dans le parc national des Îles-de-Boucherville
Autre que la perte d'habitat, les espèces envahissantes constituent actuellement l'une des plus grandes menaces pour la biodiversité mondiale. Par conséquent, la détection et l'identification précoces des espèces perturbatrices sont essentielles pour la formulation de stratégies de prévention et de gestion. En utilisant l'imagerie hyperspectrale (HSI) à partir d’un avion, une méthodologie a été établie pour identifier et cartographier le roseau Phragmites australis subsp. Australis, une espèce envahissante présente à travers le parc national des Îles-de-Boucherville (Montréal, Québec), l'un des cinq sites d'études de l'Observatoire Aéroporté Canadien de la Biodiversité (CABO). Aucune recherche de CABO n'a été menée auparavant pour cartographier les Phragmites dans ce site à une si grande échelle. En montant les capteurs sur un avion Twin Otter, cinq lignes de vol d'imagerie hyperspectrale (HSI) ont été acquises en juillet 2019, à une résolution spatiale de 2 m sur l'étendue entière du parc. De plus, des données de position de Phragmites et d'autres végétaux dans le parc a été collecté avec un système de navigation par satellite mondiale de haute précision (GNSS). Cet ensemble de données se compose de 319 points de vérité de terrain qui servent à entraîner et valider le HSI et les résultats de détection de cibles. À l'aide de l'algorithme de détection de cibles Spectral Angle Mapper (SAM), une carte des Phragmites détectés a été générée pour toute le parc. Un total de 2 507 peuplements de Phragmites de différentes tailles ont été détectés, couvrant une superficie de 27,42 hectares (0,274 km2), équivalent à environ 3,37 % de la superficie du parc (814 hectares, 8,14 km2). En tenant compte des d'incertitudes en raison de l'erreur spatiale inhérente à la HSI, la superficie totale des phragmites détectés s'est avérée être de 60,25 hectares (0,602 km2), soit 7,41 % de la superficie du parc. La précision globale de la carte était de 84,27 %, avec une sensibilité de 76,31 % et une spécificité de 91,56 %. Afin de comparer la précision de la méthode de détection de cibles SAM aux méthodes traditionnelles d'interprétation visuelle humaine, 10 interprètes ont évalué le même ensemble de 159 points de validation utilisés pour déterminer la précision de la carte de Phragmites. Les interprètes ont regardé des images satellites à haute résolution (précision spatiale de 60 cm) de chaque point de validation et ont sélectionné les images contenant des phragmites dans une zone de 15 mètres autour du point. La précision globale de l'interprétation visuelle était de 66,47 %, avec une sensibilité de 59,21 % et une spécificité de 73,13 %. Ces résultats indiquent que l'interprétation humaine des points de validation est moins précise que la méthodologie de détection de cibles basée sur un algorithme, ayant potentiellement de sérieuses implications pour la planification et la collecte de données pour d’autres études concernant l'identification et la gestion des espèces envahissantes. Les résultats fournis par la méthodologie de détection de cibles utilisant la HSI pourraient alors valoir l'investissement nécessaire pour l’obtention et l’analyse des données, particulièrement en comparaison à l'interprétation humaine des données plus facilement disponibles. En générale, la carte des phragmites détectés représente l'un des premiers efforts visant à utiliser la HSI aéroportée et des méthodes de détection de cibles basées sur des algorithmes pour détecter et cartographier les phragmites à l’échelle du parc national des Îles-de-Boucherville. La carte des Phragmites sera un outil utile pour les gestionnaires des terres du parc, car l'identification de différentes tailles de peuplements de Phragmites est essentielle pour la gestion et l'éradication du roseau envahissant. En établissant les capacités et les limites de la HSI aéroportée pour la détection des Phragmites, cette étude cherche à définir une méthodologie qui pourrait être adaptée dans les études à venir de télédétection d’autres espèces végétales envahissantes dans une haute gamme d'écosystèmes.

Mots-clés

remote sensing, invasive species, common reed, ecological management, target detection, CASI-1500, GNSS

Publications

1- Accuracy of 3D Landscape Reconstruction without Ground Control Points Using Different UAS Platforms
Kalacska, Margaret, Oliver Lucanus, J. Arroyo-Mora, Étienne Laliberté, Kathryn Elmer, George Leblanc, Andrew Groves
2020 Drones

2- Implementation of a UAV–Hyperspectral Pushbroom Imager for Ecological Monitoring
Arroyo-Mora, J., Margaret Kalacska, Deep Inamdar, Raymond Soffer, Oliver Lucanus, Janine Gorman, Tomas Naprstek, Erica Schaaf, Gabriela Ifimov, Kathryn Elmer, George Leblanc
2019 Drones

3- A High-Accuracy GNSS Dataset of Ground Truth Points Collected within Îles-de-Boucherville National Park, Quebec, Canada
Elmer, Kathryn, Margaret Kalacska
2021 Data

4- ASDToolkit: A Novel MATLAB Processing Toolbox for ASD Field Spectroscopy Data
Elmer, Kathryn, Raymond J. Soffer, J. Pablo Arroyo-Mora, Margaret Kalacska
2020 Data