Coupling advanced earth observation, Machine learning, GeoAI, and CA-ANN model for assessing Spatio-temporal LULC change in Gilgel Gibe I Watershed, Upper Omo-Gibe Basin, Ethiopia

Le paysage de la Terre n'est jamais véritablement immobile. Il respire, se déplace et se transforme à mesure que les gens plantent des cultures, construisent des maisons et déboisent des forêts pour répondre à de nouveaux besoins. Ce remodelage constant du sol sous nos pieds est connu sous le nom de changement d'utilisation des terres, et c'est l'une des forces les plus puissantes qui altèrent notre planète aujourd'hui. Lorsque des zones naturelles comme les forêts et les prairies sont converties en fermes ou en villes, les effets de ricochet touchent tout, de l'eau circulant dans les rivières aux animaux qui habitent ces lieux. Pour comprendre ces changements, les scientifiques s'appuient depuis longtemps sur l'observation de la Terre vue d'en haut, utilisant des satellites pour prendre des photos du même endroit sur de nombreuses années. Au cours des dernières décennies, la capacité de traiter ces collections massives d'images a explosé, grâce à de puissants ordinateurs dans le cloud qui peuvent analyser de vastes quantités de données en quelques secondes. En combinant ces vues satellitaires avec des programmes informatiques intelligents capables d'apprendre des modèles, les chercheurs peuvent désormais non seulement voir comment un paysage a changé dans le passé, mais aussi simuler son apparence future. Cette capacité est vitale pour les communautés qui doivent planifier la sécurité de l'eau, la production alimentaire et la protection de leur environnement naturel.

Dans les hautes terres d'Éthiopie, une région connue sous le nom de bassin versant du Gilgel Gibe I, ces changements se produisent avec une rapidité frappante. Cette zone, qui alimente le vaste système fluvial Omo-Gibe, est une source d'eau critique pour l'irrigation, la consommation et la production d'électricité pour le pays. Cependant, la terre ici subit une pression intense. Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de comprendre exactement ce qui est arrivé à la terre au cours des deux dernières décennies et de prévoir ce qui pourrait arriver dans les décennies à venir. Ils se sont concentrés sur une question spécifique : à mesure que la population croît et que les besoins en nourriture et en logements augmentent, comment l'équilibre entre les forêts, les prairies et les terres agricoles se modifie-t-il, et qu'est-ce que cela signifie pour l'avenir du bassin versant ?

Pour répondre à cela, les scientifiques se sont tournés vers une boîte à outils numérique qui mélange l'imagerie satellite avancée et l'intelligence artificielle. Ils ont rassemblé des images de l'espace prises en 2004, 2014 et 2024, couvrant une période de vingt ans. Ces images proviennent de différents satellites, certains capturant la Terre avec une grande précision et d'autres offrant une vue plus large. En utilisant un système basé sur le cloud appelé Google Earth Engine, les chercheurs ont injecté ces images dans un algorithme d'apprentissage automatique appelé Forêt Aléatoire (Random Forest). Considérez cet algorithme comme un étudiant à l'œil très aiguisé qui a été exposé à des milliers d'exemples de ce à quoi ressemblent les forêts, les fermes et les villes vues de l'espace. En apprenant de ces exemples, l'ordinateur a pu classer automatiquement chaque pixel des images dans l'une des six catégories suivantes : forêt, eau, zones bâties, terres nues, prairie ou agriculture. L'ordinateur a fait cela avec une précision remarquable, identifiant correctement l'occupation des sols plus de 93 % du temps lors de la dernière année, offrant à l'équipe une image claire et précise du paysage à trois moments distincts.

Les résultats de cet examen historique ont révélé une transformation spectaculaire. En 2004, près de 20 % du bassin versant était couvert par la forêt. En 2024, ce chiffre avait chuté à un peu plus de 8 %, soit une perte de près de 50 000 hectares d'arbres. En remplacement, l'agriculture a bondi. Les terres agricoles sont passées d'une couverture d'environ 60 % de la zone en 2004 à près de 79 % en 2024. Ce changement n'était pas une dérive lente, mais une conversion rapide, où les forêts naturelles et les prairies ont été systématiquement transformées en champs pour nourrir une population croissante. Parallèlement, la zone couverte par les établissements humains, ou terres bâties, a explosé. Ce qui était autrefois une infime fraction du paysage, moins de 1 %, est passé à plus de 3 % en seulement vingt ans, représentant une augmentation massive de l'empreinte des villes et des villages. Les prairies, qui couvraient autrefois près de 13 % du bassin versant, ont été réduites de moitié, disparaissant pour faire place aux cultures et aux habitations.

Mais l'histoire ne s'arrête pas avec le passé. Les chercheurs voulaient savoir vers quelle trajectoire cela se dirigeait. Pour ce faire, ils ont utilisé un modèle de simulation sophistiqué qui combine deux concepts puissants : les automates cellulaires et les réseaux de neurones artificiels. En termes simples, ce modèle agit comme une boule de cristal numérique. Il observe les règles qui ont régi les changements de terrain entre 2004 et 2014 — comme la proximité d'une route, la pente du terrain ou la distance par rapport à une ville — et applique ces mêmes règles pour prédire l'aspect du terrain en 2034 et 2044. Avant de faire confiance au modèle pour le futur, l'équipe l'a testé en lui demandant de prédire le paysage de 2024 à partir de données antérieures. Le modèle a réussi, correspondant à la carte réelle de 2024 avec une grande précision, ce qui leur a donné la confiance nécessaire pour regarder plus loin dans l'avenir.

Les projections pour les décennies à venir dressent un tableau sombre d'un changement continu. Si les tendances actuelles persistent, la couverture forestière du bassin versant devrait encore diminuer, tombant à seulement 6,5 % de la surface totale d'ici 2044. Cela signifierait que plus des trois quarts de la forêt existante en 2004 auraient disparu. Inversement, les terres agricoles devraient s'étendre pour couvrir plus de 81 % du bassin versant, approchant un point où il reste très peu de terres naturelles à convertir. Les zones bâties devraient également croître rapidement, doublant de taille au cours des vingt prochaines années à mesure que l'urbanisation s'accélère. Les prairies, déjà diminuées, devraient presque entièrement disparaître, laissant derrière elles un paysage dominé par les cultures et le béton.

Ces changements comportent des implications profondes pour la santé du bassin versant et pour les populations qui en dépendent. Les forêts et les prairies agissent comme des éponges naturelles, absorbant la pluie et la libérant lentement dans les rivières, ce qui aide à prévenir les inondations lors des fortes pluies et maintient le débit d'eau pendant les saisons sèches. À mesure que ces zones naturelles sont remplacées par des surfaces dures et une agriculture intensive, la terre perd cette capacité de régulation de l'eau. Cela peut entraîner un ruissellement plus rapide, une érosion accrue des sols et un risque plus élevé tant d'inondations que de sécheresses. De plus, les sédiments emportés par l'érosion des champs peuvent obstruer les réservoirs qui alimentent les barrages hydroélectriques de la région, menaçant l'approvisionnement à long terme en électricité. La perte des prairies menace également les moyens de subsistance des communautés pastorales qui dépendent des espaces de pâturage ouverts pour leur bétail.

L'étude ne prétend pas que ces résultats futurs sont inévitables, mais plutôt qu'ils sont le résultat probable si les modèles de développement actuels se poursuivent sans contrôle. Les chercheurs soulignent que ces simulations sont basées sur des tendances historiques et ne tiennent pas compte des changements potentiels de politique, des nouveaux efforts de conservation ou des changements de comportement économique. Cependant, la clarté des données constitue un avertissement puissant. Elle suggère que sans intervention significative pour protéger les forêts restantes et gérer l'expansion agricole de manière plus durable, le bassin versant pourrait faire face à de graves défis environnementaux. Les conclusions offrent un outil critique pour les planificateurs et les décideurs politiques, fournissant une base visuelle et quantitative claire pour la prise de décisions concernant l'utilisation des terres. En comprenant exactement comment le paysage change et vers quoi il se dirige, la région a la possibilité d'orienter son développement vers un avenir qui équilibre les besoins humains avec la préservation des systèmes naturels vitaux qui les soutiennent.