Agreement between Sentinel-1 C-band backscatter change and Sentinel-2 burn severity indices across land-cover types in a low-biomass transitional eco-region

Les incendies de forêt ne sont plus seulement une menace estivale confinée aux denses forêts de pins. À mesure que le climat se réchauffe, les saisons des feux s'allongent et s'étendent vers de nouveaux territoires, y compris les plaines vallonnées et les broussailles du sud des États-Unis. Dans ces paysages de transition, où les herbes se mélangent à des chênes et des arbustes dispersés, mesurer les dégâts après un incendie est étonnamment difficile. Les méthodes traditionnelles reposent sur des satellites optiques qui prennent des photos de la terre en lumière visible et infrarouge. Ces images fonctionnent bien dans les forêts car elles peuvent distinguer les feuilles vertes et saines des feuilles noires et mortes. Cependant, dans les zones ouvertes à faible végétation, le sol lui-même est souvent brillant et réfléchissant, et les herbes peuvent repousser si vite que le satellite voit à nouveau du vert en quelques semaines, cachant ainsi l'étendue réelle de la destruction. Pour résoudre ce problème, les scientifiques se tournent vers un autre type d'œil : le radar. Contrairement aux caméras qui attendent la lumière du soleil, les satellites radar émettent leurs propres signaux micro-ondes qui rebondissent sur le sol et la végétation, leur permettant de voir à travers la fumée et les nuages et de détecter les changements de la structure physique du terrain, même lorsque les plantes sont encore vertes.

En mars 2022, un complexe d'incendies massifs a déferlé sur le centre du Texas, brûlant plus de 62 000 acres de terres comprenant quatre feux distincts : les feux Kidd, Wheatfield, Ramsey et Oak Mott. Cet événement a fourni une occasion parfaite de tester si le radar pouvait voir ce que les caméras optiques manquaient. Un chercheur de l'Université du Texas à Dallas s'est donné pour mission de comparer deux types de données satellitaires pour cet incendie spécifique : les cartes de brûlis optiques standards et une nouvelle analyse utilisant des signaux radar. L'objectif était de comprendre comment le radar pouvait suivre la perte de structure et d'humidité de la végétation dans un paysage dominé par des arbustes et des herbes plutôt que par de grands arbres. L'étude s'est concentrée sur une région où la végétation est courte et où le sol est souvent visible, un cadre où les cartes de dommages par incendie traditionnelles ont historiquement eu du mal à être précises.

Les chercheurs ont commencé par cartographier le périmètre de l'incendie, puis ont examiné les données provenant de deux systèmes satellitaires différents. L'un, Sentinel-2, capture des images dans des longueurs d'onde lumineuses sensibles à la santé des plantes. L'autre, Sentinel-1, utilise le radar pour mesurer la quantité d'énergie qui rebondit de la surface. Lorsqu'une végétation brûle, elle perd sa structure et sa teneur en eau. Dans une forêt, cela signifie généralement que le signal radar chute parce que les arbres qui dispersaient le signal ont disparu. Mais dans la brousse texane ouverte, l'histoire est plus complexe. L'analyse a révélé que le signal radar se comportait différemment selon le type de plante. Dans les zones avec des arbules ligneux plus hauts, le signal radar a chuté de manière significative, indiquant une perte de structure. Cependant, dans les zones herbeuses, le signal a parfois augmenté. Cela s'est produit parce que le feu a éliminé l'herbe qui amortissait les ondes radar, exposant le sol plus rugueux et plus sec en dessous, lequel réfléchissait plus d'énergie vers le satellite.

Lorsque les chercheurs ont comparé les changements radar aux cartes de brûlis optiques, ils ont constaté un décalage clair dans la façon dont les deux capteurs percevaient l'incendie. Les cartes optiques, qui reposent sur la différence de santé des plantes avant et après l'incendie, montraient qu'une grande partie du périmètre de l'incendie n'avait été que peu ou pas brûlée. En réalité, le feu avait sauté de nombreuses parcelles de terre, laissant un motif fragmenté de zones brûlées et non brûlées. Les cartes optiques peinaient à distinguer les zones véritablement endommagées de celles qui récupéraient simplement rapidement. Les données radar, en revanche, offraient une image plus nette des changements physiques. Elles montraient que le signal radar à polarisation croisée, particulièrement sensible à la structure tridimensionnelle des plantes, était un bien meilleur indicateur de la perte de structure que les cartes optiques standards. Le radar pouvait détecter l'élimination des arbustes ligneux et l'assèchement du sol même lorsque les capteurs optiques étaient confus par le retour rapide de l'herbe verte.

Une conclusion clé de l'étude est que la manière dont les scientifiques calculent la sévérité du brûlis importe énormément dans ces paysages à faible biomasse. La méthode standard pour les cartes optiques ajuste souvent le score de sévérité en fonction de la quantité de végétation présente avant l'incendie. Les chercheurs ont découvert que cet ajustement rendait en fait les données moins bonnes dans les broussailles du Texas. Parce que la végétation pré-incendie était déjà clairsemée, l'ajustement amplifiait le bruit aléatoire plutôt que de clarifier les dommages. Au lieu de cela, une mesure plus simple du changement absolu dans les données optiques fonctionnait mieux lorsqu'elle était couplée au radar. L'étude a confirmé que le signal radar et la mesure de changement optique simple étaient liés, mais seulement dans les zones possédant suffisamment de structure ligneuse pour disperser les ondes radar. Dans les prairies, la connexion était faible, suggérant que bien que le radar soit puissant, il ne peut pas remplacer totalement les données optiques dans toutes les situations.

L'étude a également examiné ce qui dictait l'intensité de l'incendie. Ils ont cherché à savoir si la pente du terrain ou le type de végétation jouait un rôle plus important dans l'ampleur du brûlis. Les résultats ont montré que la pente du terrain n'avait presque aucun effet sur la sévérité de l'incendie. Au lieu de cela, le type de combustible était le facteur décisif. Les zones couvertes d'arbustes et de plantes ligneuses ont brûlé avec une sévérité nettement plus élevée que les prairies ouvertes. Cela soutient l'idée que l'empiètement des plantes ligneuses comme le mesquite et le genévrier dans les prairies modifie le régime des incendies, rendant les feux plus intenses et destructeurs. Les données radar ont pu mettre en évidence ces différences de perte de structure, montrant que les zones ligneuses ont subi un changement plus profond que les zones herbeuses.

Peut-être la découverte la plus pratique fut la capacité du radar à créer une carte de la perte d'humidité. En combinant les signaux radar, les chercheurs ont généré un indice qui montrait où la terre s'était le plus asséchée après l'incendie. Cette carte concordait bien avec les zones où le feu avait brûlé, même dans les endroits où les cartes optiques étaient ambiguës. Ceci est crucial car le radar peut voir à travers la fumée et les nuages qui bloquent souvent les satellites optiques immédiatement après un incendie. Il voit également l'assèchement physique du sol et des plantes avant que l'herbe verte n'ait la chance de repousser et de cacher les dommages. Cela signifie que les gestionnaires d'urgence pourraient utiliser le radar pour obtenir une image fiable de l'impact de l'incendie et du déficit hydrique résultant dans le sol bien plus tôt qu'avec les méthodes traditionnelles.

Les chercheurs ont noté que leurs conclusions sont spécifiques à ce type d'environnement de transition à faible biomasse et ne doivent pas être considérées comme applicables aux forêts denses ou à d'autres écosystèmes sans tests supplémentaires. Ils ont également souligné que, bien que les données radar soient prometteuses, elles doivent encore être validées par des mesures au sol pour créer une échelle parfaite de mesure de la sévérité des incendies. Pour l'instant, l'étude démontre que la combinaison des données radar et optiques offre une vue plus complète des dommages causés par le feu dans les Grandes Plaines du Sud. Elle révèle que dans ces paysages semi-arides, où le sol est visible et où les plantes repoussent vite, la structure physique de la végétation raconte une histoire différente de celle de la couleur des feuilles. En écoutant l'écho du radar, les scientifiques peuvent enfin voir la véritable forme de la cicatrice de brûlis, même quand la terre semble redevenir verte.