Recherches sur les vieux pins à cônes épineux avec Google Earth

  • Organisation University of California's White Mountain Research Station (Station de recherche des Montagnes Blanches de l'Université de Californie)
  • URL du site Web principal bio.research.ucsc.edu/people/doaklab/adelia.html
  • Auteur Adelia Barber, chercheur
  • Outils utilisés Google Earth
"On dit que les arbres sont des hommes imparfaits et qu'ils pleurent leur enracinement qui leur semble être une prison. Mais ils ne m'ont jamais paru ainsi. Je n'ai jamais vu un arbre mécontent."

– John Muir

Depuis l'époque de Charles Darwin, les biologistes ont tenté de représenter l'incroyable diversité biologique de notre planète sur des cartes qui véhiculent à la fois des informations pertinentes et une échelle réaliste. Au cours de ces dernières années, ce défi s'est converti en une quête de plates-formes de cartographie qui visent à informer le public, qui sont facilement accessibles aux scientifiques débutants et chevronnés et qui sont assez puissantes pour afficher des données biologiques et effectuer leur suivi. Notre recherche se concentre sur l'écologie de la population des vieux pins à cônes épineux de la chaîne des Montagnes Blanches, en Californie. Nous avons découvert que Google Earth était un outil important, à la fois pour accélérer le travail quotidien sur le terrain et pour informer le public de nos projets. Depuis 2004, Google Earth a facilité le partage des données spatiales au sein de notre équipe, ainsi que la visualisation rapide de ces données sur une vue aérienne. De plus, Google Earth nous a permis de découvrir les principaux modèles écologiques des forêts de pins à cônes épineux.

La chaîne des Montagnes Blanches dans l'Est californien suscite moins d'attention et attire moins de visiteurs que la chaîne Sierra Nevada toute proche. Pourtant, ce sont des montagnes aussi spectaculaires, dominées par des sommets de plus de 4 200 mètres. Seules quelques chemins de terre traversent ce terrain accidenté, où les collines vallonnées et recouvertes d'armoise sont tapissées de fleurs sauvages et où les vallées accueillent des troupeaux de mouflons d'Amérique. C'est cet environnement qui abrite les plus vieux arbres de la planète, les pins à cônes épineux (Pinus longaeva) et il s'agit également de la station de recherche la plus élevée en altitude de toute l'Amérique du Nord, la Station de recherche des Montagnes Blanches de l'Université de Californie.

En 1953, plusieurs arbres de plus de 4 500 ans ont été découverts dans la zone du "Methuselah Grove" par le biologiste Edmund Schulman. D'autres arbres encore plus vieux, non repérés, existent probablement dans la chaîne. Pour de nombreux scientifiques, l'attribut le plus intéressant des pins à cônes épineux n'est pas leur grand âge mais la persistance de leur bois mort. Grâce à une croissance lente dans une chaîne de hautes montagnes à climat sec, le bois du pin à cônes épineux est extrêmement dense et rempli de résine. Il peut donc rester au sol sans se décomposer jusqu'à 10 000 ans après sa mort. Depuis plus de 50 ans, des chercheurs du Laboratoire de recherche Tree-Ring de l'Université d'Arizona, entre autres, se servent des anneaux de ces troncs d'arbres pour étudier les changements climatiques présents et passés. En 2004, nous avons démarré un projet (basé au Département d'écologie et de biologie évolutionniste de l'UC Santa Cruz) visant à mieux comprendre l'écologie de la population des pins à cônes épineux. Ce projet vise plus précisément à étudier comment certains vieux bosquets de pins à cônes épineux ont grandi ou rétréci au cours de ces derniers millénaires et comment ces populations peuvent réagir face à un changement climatique. À cette fin, nous étudions plusieurs bosquets de pins à cônes épineux d'âges variés dans la chaîne des Montagnes Blanches ; nous étudions aussi tous les aspects de la production de cônes et du développement du bois.

L'un des plus grands défis de la recherche scientifique sur le terrain dans un environnement de montagnes accidentées est de repérer les sites intéressants, trouver comment s'y rendre et communiquer ces informations à une équipe. Avant la mise à jour des images des Montagnes Blanches sur Google Earth, obtenir une vue aérienne montrant clairement des pins à cônes épineux individuels sur une grande région était difficile et coûteux. Cependant, grâce aux images à jour de Google Earth, nous pouvons distinguer les arbres les uns des autres, identifier clairement les principaux types de roches et savoir si les arbres se situent plutôt dans des bosquets touffus ou clairsemés.

Mode opératoire

Google Earth est devenu un précieux outil de recherche à plusieurs niveaux. Au départ, nous nous en servions comme outil d'affichage des massifs d'arbres afin d'étudier les caractéristiques de différents groupes avant de nous rendre sur le terrain. Grâce à la fonctionnalité Polygone de Google Earth, nous avons délimité les groupes d'arbres constitués de grands pins à cônes épineux ou de pins souples et les buissons de pins pignons ou de cercocarpus (voir la vidéo). À notre connaissance, il s'agit de la première carte exhaustive qui ait été créée sur les bosquets de pins à cônes épineux dans les Montagnes Blanches. Des caractéristiques générales importantes sont tout de suite apparues, telles que la plus haute densité des arbres exposés au nord et les emplacements des rares groupes qui poussaient sur du quartzite ou des substrats granitiques, par opposition à la dolomite habituelle. Cette cartographie préliminaire nous a permis d'identifier des sites prometteurs se trouvant à un jour de marche de la route la plus proche.

À mesure que notre projet prenait forme, nous avons commencé à utiliser Google Earth tous les jours pendant la saison des recherches. Notre stratégie de base est de conserver un fichier KML "maître" de tous les points ou sentiers que nous suivons, avec des milliers d'arbres particuliers. Tous les membres de notre équipe, ainsi que d'autres personnes de la station de recherche, peuvent y accéder. Une amélioration récente a consisté à relier chaque point à une photo de l'arbre pour faciliter son identification. Pour ce faire, nous créons d'abord un fichier texte avec une liste de noms d'arbres, les coordonnées satellite, les noms des images et les données associées à chaque arbre (comme son âge, le nombre de cônes, etc.). Nous utilisons ensuite un script PHP qui crée un fichier KML avec des repères sur l'emplacement de chaque arbre. Chaque repère contient une bulle avec la photo et les données associées à l'arbre.

Le matin, avant de partir sur le terrain, nous pouvons utiliser ce fichier KML maître pour imprimer la carte des points d'étude représentant un jour de travail pour plusieurs personnes, tout en téléchargeant en même temps les coordonnées d'un transect sur les GPS pour une autre équipe. Le soir, toutes les nouvelles données qui ont été recueillies peuvent être téléchargées et saisies dans ce KML pour que nous puissions organiser le travail du lendemain.

Disposition des transects

L'un des curieux aspects de la biologie du pin à cônes épineux est qu'il y a très peu d'arbres jeunes dans les bosquets constitués de vieux arbres ou d'arbres morts. Les graines du pin à cônes épineux peuvent uniquement germer et survivre une année tous les cinquante ans et ce, uniquement dans certaines régions. Par conséquent, une partie de notre projet consiste à faire des "marches de collecte botanique" (transect) dans des forêts de pins à cônes épineux à différentes altitudes, sur différents versants et substrats, ainsi qu'à mesurer tous les petits arbres situés à 20 mètres de l'endroit où l'observateur marche. Cette méthode d'échantillonnage des jeunes arbres nous permettra de déterminer les conditions requises pour la germination et la survie des cônes épineux.

Nous avons d'abord utilisé Google Earth dans cette partie du projet pour identifier des régions intéressantes. La vidéo ci-après montre un exemple de transect à une altitude de 3 160 à 3 260 mètres, traversant des types de roches en granit et en dolomite (d'autres transects ont été faits à différentes altitudes, sur d'autres versants et sur des types de roches variés). Ce chemin faisait environ 1,5 kilomètre sur Google Earth, ce qui représente à peu près la distance que notre équipe pouvait couvrir sur une journée de 8 heures. Avant de nous rendre dans cette zone, nous avons d'abord étudié le chemin à l'aide de la fonctionnalité d'inclinaison de Google Earth pour nous assurer qu'il ne traversait pas des zones instables et trop raides pour être sûres. Nous avons également imprimé plusieurs vues aériennes pour que les différents membres de l'équipe puissent localiser la zone. Nous avons ensuite enregistré le fichier au format KML et utilisé MacGPS Pro pour exporter ce chemin vers plusieurs unités GPS Garmin. Sur le terrain, nous pouvions suivre grossièrement ce chemin sur les GPS, tout en effectuant des recherches et en prenant des mesures de tous les petits arbres à 20 mètres de la ligne médiane. Pendant le recueil des données de la journée, nous avons enregistré la localisation de chaque arbre et nous avons utilisé la fonctionnalité de suivi du GPS pour enregistrer le transect sur lequel nous marchions (qui varie légèrement de celui affiché sur Google Earth). À notre retour, nous avons directement téléchargé dans Google Earth le chemin sur lequel nous avions marché et nous nous sommes servis de notre script PHP pour associer les repères aux photos et aux données. Par conséquent, nous pouvons cliquer sur chaque repère pour avoir l'image de l'arbre et voir les données correspondantes (par ex. : âge estimé, hauteur, diamètre à la base et état de reproduction). Ainsi, si nous voulons revenir sur un arbre particulier de ce transect, les membres de l'équipe peuvent cliquer sur le point, obtenir l'image de l'arbre et retourner à cet endroit.

Recherche d'arbres isolés

Une autre partie du projet consiste à étudier les modèles de croissance et la production de cônes sur des arbres qui poussent au moins à 50 mètres de tous les autres pins à cônes épineux, par opposition à ceux situés dans des bosquets touffus. Nous avons d'abord utilisé Google Earth pour découvrir des arbres isolés, puis pour mesurer la distance entre ces arbres et les autres. Ces derniers sont suivis dans notre fichier KML maître et reliés à des photos et à des données sur notre base de données en ligne.

Suivi d'arbres individuels dans un groupe

L'un des points essentiels de notre projet implique le vieillissement d'un ensemble d'environ 100 arbres vivants et morts au sein d'un groupe. Nous devons documenter plusieurs centaines de points sur une petite zone et faire en sorte que chaque point soit associé à un nombre et à une photo d'identification unique. À mesure que nous continuons d'étudier chaque région, le nombre de points augmente quotidiennement. Nous gardons la liste des points sur notre fichier KML maître et, de la même manière, les points sont reliés à une image de notre base de données en ligne. Si une question concernant les données ou l'âge d'un arbre en particulier survient, nous pouvons cliquer sur le point pour obtenir l'image de l'arbre, charger ce point vers notre GPS et revenir sur le site.

Création d'un fichier KML

Nous avons créé un KML contenant différents types d'informations destinées aux autres scientifiques, aux éducateurs et au grand public. La première rubrique, intitulée "For Travelers" (Pour les voyageurs), contient des repères sur des sites de visite clés comme le terrain de camping et l'office du tourisme. La deuxième rubrique, "Learn About the Bristlecone Pine" (En savoir plus sur le pin à cônes épineux), est une visite pédagogique de l'écosystème des pins à cônes épineux. Ici, les personnes intéressées peuvent en savoir plus sur la découverte des pins à cônes épineux et sur la dendrochronologie. Elles peuvent également étudier les différences entre les bosquets de pins à cônes épineux et explorer la limite forestière supérieure. Il s'agit d'un bon exemple d'utilisation d'un fichier KML pour transmettre de nombreuses informations sur l'histoire naturelle d'une espèce. La troisième rubrique, "A Week of Field Research" (Une semaine de recherches sur le terrain) détaille une semaine entièrement consacrée à des travaux sur le terrain avec notre équipe et montre l'importance de Google Earth dans notre activité quotidienne. Ici, nous fournissons des calques avec des liens vers plusieurs images de nos arbres, nous montrons le trajet d'une collecte botanique et nous donnons un descriptif de la chaîne des pins à cônes épineux en Californie, au Nevada et dans l'Utah. Enfin, la dernière section traite de la Station de recherche des Montagnes Blanches. Les utilisateurs peuvent explorer les quatre sous-stations et trouver des liens vers certains des nombreux projets étudiés.

L'application Google Earth a facilité le travail quotidien de notre équipe sur le terrain. Elle permet de suivre une quantité importante de données spatiales, de telle sorte que celles-ci soient accessibles par un grand nombre de personnes d'horizons différents. Voici quelques-unes des leçons que nous avons apprises :

  • Utilisez plusieurs niveaux de dossiers pour organiser vos données. Si vous avez des centaines de points, de chemins et de polygones à suivre, cela vous permettra de tout organiser et de raccourcir la barre de défilement de la fenêtre lorsque vous développerez des dossiers.
  • Importez des icônes personnalisées pour repérer les points proches les uns des autres si les icônes Google Earth standard sont trop grandes et trop nombreuses.
  • Google Earth Pro dispose d'excellentes fonctionnalités, comme la possibilité de dessiner des polygones et d'importer des "shapefiles", mais la version gratuite permet également d'effectuer nombre des points décrits ci-dessus.
  • Explorez les programmes tiers qui importent et exportent des fichiers KML. Les programmes MacGPS Pro et KMLer sont simples et peu coûteux. Ils nous permettent de gérer les données, mais il en existe de nombreux autres.
  • Ne craignez pas de marquer des points, de les enregistrer au format KML et d'envoyer le fichier par e-mail à vos collègues lorsque vous essayez de décrire des sites.

Pour résumer, si vous êtes novice dans les programmes de cartographie sur ordinateur, vous ne trouverez pas de méthode de gestion et de partage de vos données spatiales plus simple que celle-ci. Autrement, pour ceux qui connaissent les plates-formes SIG plus traditionnelles, je recommande d'essayer Google Earth pour accélérer l'affichage et le partage de vos données.

Consultez une vidéo de démonstration décrivant comment le groupe de recherche a utilisé Google Earth pour documenter les transects.

Impact

Google Earth a été réellement inestimable dans nos recherches et nous l'avons utilisé au quotidien. Le principal avantage que nous avons trouvé à Google Earth est sa facilité d'utilisation par plusieurs personnes, y compris les étudiants de premier cycle et les bénévoles. De plus, l'utilisation de fichiers KML a permis à l'équipe d'échanger facilement des données entre les systèmes d'exploitation Mac et PC. Ce système offre également une certaine souplesse, car il permet d'imprimer rapidement des cartes et des photos et de transférer le nombre croissant de points de cheminement depuis et vers les différents GPS.


Le fichier KML de recherche sur les pins à cônes épineux permet au public d'explorer les Montagnes Blanches et ces arbres uniques.