L’imagerie hyperspectrale aéroportée constitue un candidat potentiel pour la cartographie et le suivi des récifs coralliens à large échelle et à forte résolution spatiale. Dans cette thèse, nous présentons tout d’abord les traitements à appliquer au signal hyperspectral afin d’en extraire des informations sur la nature du fond marin, la bathymétrie et les propriétés optiques de l’eau, et nous les mettons en perspectives devant deux principaux verrous : (i) le faible rapport signal sur bruit du signal mesuré, (ii) le nombre et la variabilité des interactions onde-matière ayant lieu entre l’entrée des rayons lumineux dans l’atmosphère et leur mesure par le capteur hyperspectral. En considérant ces limitations, nous examinons les performances d’une des méthodes existantes de traitement de la colonne d’eau : l’inversion de modèle semi-analytique par optimisation. Nous évaluons d’abord la robustesse des estimations des types de fond et de la bathymétrie pour six paramétrisations du schéma d’inversion. Les résultats sur des images hyperspectrales acquises à l’île de La Réunion en 2009 montrent que la paramétrisation de l’inversion joue un rôle crucial sur la qualité des estimations et que la paramétrisation la plus communément utilisée ne présente pas toujours les meilleures performances. Nous évaluons par la suite l’importance de la précision de la paramétrisation du modèle semi-analytique direct à travers une analyse de sensibilité réalisée sur des données hyperspectrales synthétiques puis sur des données réelles que nous avons acquises en 2015 à La Réunion. L’analyse est en outre effectuée pour toutes les paramétrisations de l’inversion précédemment étudiées. Cette étude montre qu’en milieu récifal l’importance de la précision de la paramétrisation du modèle direct est faible devant le choix de la paramétrisation de l’inversion. Nous montrons en outre qu’il n’est pas possible d’identifier le(s) paramètre(s) du modèle direct le(s) plus influent(s) car cela dépend des concentrations relatives de chacun des éléments optiquement actifs de l’eau. / Airborne hyperspectral imaging is a potential candidate for mapping and monitoring coral reefs at large scale and with high spatial resolution. In this thesis, we first present the processing steps to be applied to hyperspectral signals for extracting information about seabed types, bathymetry and water optical properties, and we discuss their efficiency with respect to two main confounding factors: (i) low signal to noise ratio of the measured signals, and (ii) large number and variability of physical interactions occurring between the entrance of sunlight into the atmosphere and its measurement by the hyperspectral sensor. Considering these limitations, we examine the performance of an already existing water column processing method: semi-analytical model inversion by optimization. We first evaluate the robustness of seabed type and bathymetry estimation for six different inversion setups. The results on hyperspectral images acquired over Réunion Island reefs in 2009 show that the choice of the inversion setup plays an important role on the quality of the estimations and that the most widely used inversion setup does not always produce the best results. We then evaluate the importance of the accuracy of the parameterization of the direct semi-analytical model. This is done through a sensitivity analysis performed on both simulated and real hyperspectral data acquired in Réunion Island in 2015. The analysis is performed for each inversion setup previously studied. This study shows that in coral reef context the accuracy of the parameterization of the direct model is less important than the choice of the inversion setup. We also demonstrate that it is not possible to identify the most influent parameters of the direct model because it depends on the relative concentration of each optically active constituent.

Rezente Korallenriffe sind einer ganzen Reihe von Bedrohungen ausgesetzt. Das Pleistozän bietet die Gelegenheit Veränderungen an Korallenriffgemeinschaften durch Klimaschwankungen hinweg zu studieren und mit heutigen Riffen zu vergleichen. Am besten sind pleistozäne Riffe in der Karibik untersucht, während aus dem Indo-Pazifik, der über eine deutlich höhere Biodiversität verfügt, bisher nur wenige quantitative Studien vorliegen. Frühere Studien zeigen eine erstaunliche Stabilität und Langlebigkeit der Korallengemeinschaften hinsichtlich Diversität und taxonomischer Zusammensetzung trotz extremer Meeresspiegelschwankungen und starker klimatischer Veränderungen im Quartär. Die vorliegende Arbeit behandelt zwei Regionen, aus der quantitative Daten auf Artniveau über die Zusammensetzung der fossilen Korallengemeinschaften bisher weitestgehend fehlten: das tropische Vanuatu (Südpazifik) und der subtropische Sinai, Ägypten (nördliches Rotes Meer). In Vanuatu sind mindestens 5 fossile Riffterrassen mit einem Alter von etwa 5000 - 400.000 Jahren überliefert, von denen 4 detailliert untersucht werden konnten. Veränderungen in der Diversität wurden sowohl lateral als auch vertikal nur mit unterschiedlichen Riffhabitaten in Verbindung gebracht. Die Riffe waren insgesamt über die Interglaziale bin ins mittlere Holozän hinweg stabil. Nur die Gattung Acropora scheint erst in den letzten 96.000 Jahren häufiger zu werden. In Ägypten wurden Daten aus der jüngsten interglazialen Terrasse (MIS 5e, ~125.000 Jahre) mit rezenten Daten aus dem Roten Meer verglichen und eine Migration von Arten nach Norden während des letzten Interglazials belegt. Diese Beobachtung unterstützt frühere Arbeiten, die eine Verschiebung der Riffdiversität in höhere Breiten verbunden mit einer Abnahme der Diversität in niederen Breiten aufzeigten, sowie Studien, die das nördliche Rote Meer als mögliches Refugium für Korallen im Zuge der weiteren Klimaerwärmung sehen. / The Pleistocene provides the opportunity to study changes of coral reef communities through times of climate change, and to compare fossil to recent reefs. Whereas Pleistocene reefs from the Caribbean are well studied and understood, the much larger Indo-Pacific region with a greater coral diversity is represented by only a few quantitative studies on community ecology. Previous studies observed an astonishing persistence and stability in community composition and diversity throughout several interglacial episodes until today, which is contradictory to the claim that recent coral reefs are especially sensitive to climate change. The present study deals with two Indo-Pacific regions that so far lacked quantitative data of fossil reef communities: tropical Vanuatu (Coral Sea) and subtropical Sinai, Egypt (northern Red Sea). In Vanuatu at least seven fossil reef terraces with ages between 5,000 and 400,000 years are preserved, of which four could be studied in more detail. A great variability was observed among terraces and especially among sub-environments within terraces. Reefs remained stable in terms of diversity throughout the Pleistocene and Holocene but it seems that the dominance of the coral genus Acropora is a fairly recent phenomenon in Vanuatu, because this genus does not play a large role in terraces older than 96,000 years (MIS 5c). In Egypt quantitative and binary data from the last interglacial episode (MIS 5e) were compared with data from the recent Red Sea and adjacent regions. These show a northward migration of coral taxa during the last MIS5e. This observation confirms earlier studies that demonstrated a range expansion of tropical reef communities towards higher latitudes, and supports studies that suggest the northern Red Sea and especially the Gulf of Aqaba as future refuge for corals during climate warming. These results indicate that coral reefs were able to cope with dramatic environmental changes in the absence of anthropogenic impact.

Les changements environnementaux globaux (CEG) menacent les écosystèmes marins et les populations humaines qui en dépendent. Une recherche scientifique croissante tente d’évaluer les impacts des changements environnementaux sur les écosystèmes et les services écosystémiques, notamment pour guider les politiques publiques. Focalisée sur les systèmes socio-écologiques (SSE) des récifs coralliens, cette thèse analyse les approches proposées dans la littérature et conçoit de nouvelles méthodologies, évaluations et indicateurs pour guider la science et l’action publique. Nous montrons qu’une stratégie de recherche régionale doit prendre en compte la complexité et produire de meilleures projections des impacts des CEG sur les récifs coralliens et les services associés. Nous cartographions des indicateurs à l’échelle globale pour évaluer où la dépendance des sociétés aux récifs coralliens sera affectée par les menaces globales dues à un niveau de CO2 élevé. Nous analysons comment la science répond aux impacts des CEG sur les récifs coralliens et nous identifions des pistes pour la recherche. Enfin, nous opérationnalisons une facette de la vulnérabilité, la capacité d’adaptation écologique, pour servir d’outil pour évaluer l’effectivité des actions locales dans un contexte de CEG. Ce manuscrit contribue à des avancées théoriques et méthodologiques sur l’évaluation des impacts, de la vulnérabilité et de l’adaptation aux CEG. Il développe des approches interdisciplinaires pour l’étude des SSE et des services écosystémiques, ciblant les récifs coralliens comme étude de cas. Enfin, il analyse l’émergence d’un champ scientifique sur les solutions aux GEC pour les récifs coralliens. / Global environmental change (GEC) in the ocean threatens marine ecosystems and the people who depend on them. A growing scientific effort is attempting to evaluate the impacts of environmental changes on ecosystems and ecosystem services and guide policy-making to respond to this global issue. Focusing on social-ecological systems of coral reefs, this thesis critically reviews the approaches put forward in the literature to understand gaps and to design new methodologies, assessments, and indicators to guide science and policy. Our findings show that a regionally targeted strategy of research should address complexity and provide more realistic projections about the impacts of GEC on coral reefs ecosystems and ecosystem services. We map global-scale indicators to understand where human dependence on coral reef ecosystems will be affected by globally-driven threats expected in a high-CO2 world. We then analyze how science is responding to the challenge posed by GEC on coral reefs and to identify gaps in research.Finally, we attempt to operationalize an overlooked component of vulnerability assessments, ecological adaptive capacity, to serve as a tool to help assess where local actions can be effective in the context of climate change. This manuscript contributes to theoretical and methodological advances to evaluate impacts, vulnerability and adaptation to GEC. It develops interdisciplinary approaches for the study of social-ecological systems and ecosystem services, targeting coral reefs as a case study. Finally, it synthesizes critically the emergence of a scientific field on solutions to GEC for coral reef social-ecological systems.

Depuis le début de la période industrielle, les activités humaines ont généré une augmentation importante de la concentration atmosphérique en CO2. Une partie de ce CO2 s’accumule dans l’atmosphère, entraînant une augmentation de l’effet de serre naturel et de la température à la surface du globe. Ce processus est plus connu sous le terme réchauffement climatique ou global. De plus, environ 25 % du CO2 produit sont absorbés par les océans. La dissolution du CO2 dans l’eau de mer, entraîne une augmentation de la concentration en protons et en ions bicarbonates (HCO3-) et une diminution de la concentration en ions carbonates (CO32-). Il en résulte une diminution du pH et du taux de saturation de l’eau de mer vis-à-vis du carbonate de calcium. L’ensemble de ces processus est appelé acidification des océans (AO). Le pH des eaux de surface océaniques a déjà diminué de 0,1 unité depuis le début de l’ère industrielle. Ce phénomène devrait s’intensifier au cours du siècle. Selon les prévisions moyennes d’émissions futures de gaz à effet de serre de l’IPCC, la température moyenne des eaux de surface devrait augmenter de 2 à 4 °C et son pH devrait diminuer de 0,3 à 0,4 unité d’ici 2100.<p>Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études ont mis en évidence l’impact négatif de l’AO sur les organismes marins. Les premières études ont été menées principalement en milieu artificiel et ont mis en évidence des conséquences majeures sur la physiologie des organismes, principalement au niveau individuel. Cependant, les dernières études menées dans le domaine ont souligné l'importance de mettre en place des expériences à long terme, à l'échelle de l'écosystème, et dans des conditions plus proches du milieu naturel. Ce type d’étude permet de prendre en compte les interactions écosystémiques et les processus d’acclimatation afin de mieux prévoir les effets directs mais aussi indirects de la diminution du pH dans les océans. <p>L’existence des récifs coralliens tropicaux dépend de la vitesse de formation du socle récifal qui les façonnent (principalement via la calcification des coraux hermatypiques) qui doit rester supérieure à sa (bio)érosion. D’une part, plusieurs études ont montré que le taux de calcification des coraux hermatypiques diminue lorsque la pCO2 augmente. D’autre part, les oursins sont d’importants bioérodeurs des récifs et contribuent donc à la perte de masse calcaire récifale. Cependant, les oursins empêchent également, par leur broutage, le recouvrement des coraux par les algues favorisées par l’AO. Dès lors l’effet de l’élévation de la pCO2 sur les oursins et leur capacité bioérosive peut être déterminant pour l'avenir des récifs coralliens tropicaux au cours du siècle, particulièrement ceux où la densité de ces bioérodeurs est importante. Une telle prédiction est d’autant plus complexe si l’on prend en compte la possible acclimatation des différents acteurs à long terme.<p>Dès lors, le but du présent travail fut d'évaluer l'effet à long terme de l’élévation de la pCO2 prévue en 2100 sur la physiologie et l’activité érosive d’un oursin clé de certains récifs coralliens, Echinometra mathaei, dans un dispositif artificiel reproduisant l’écosystème corallien.<p>La première étape a été la mise en place un outil expérimental permettant de maintenir à long terme un écosystème de récifs coralliens simplifié en condition contrôle et au pH prévu en 2100 tout en maintenant les autres paramètres physico-chimiques identiques et proches du milieu naturel (y compris dans leurs variations journalières). Le système mis en place est composé de scléractiniaires hermatypiques comme constructeurs de récif, d’oursins (E. mathaei) comme bioérodeurs et brouteurs et un substrat calcaire de récif avec ses communautés d’algues, bactéries, archae, champignons et méiofaune. Les variations journalières de pH et de température reproduisent celles mesurées in situ dans le site de La Saline, Ile de La Réunion, d’où proviennent une partie des organismes. Le pH moyen des aquariums contrôles a été maintenu avec succès à une moyenne de 8,09 ± 0,04, celui des aquariums à pCO2 élevée à 7,63 ± 0,02. L’alcalinité totale du système a pu être maintenue entre 2350 et 2450 µmol.kg-1. <p>L’impact de l’AO prévue en 2100 (pH 7,7) sur la physiologie d’E. mathaei été étudié à court terme (sept semaines). La principale source de nourriture des oursins fut la communauté algale se développant sur le substrat, comme en conditions naturelles. Cette étude a permis de mettre en évidence, à court terme, la capacité de résistance de cet oursin à une AO modérée. En effet, la croissance et le métabolisme ne furent pas affectés significativement. Ces observations ont été associées au maintien de la balance acide-base du fluide extracellulaire, le liquide cœlomique, par accumulation de bicarbonates dans celui-ci.<p>Une même expérience a ensuite été réalisée à long terme. La diminution du pH a été induite progressivement durant six mois jusqu'à atteindre un pH moyen de 7,65 qui fut ensuite maintenu à cette valeur pendant sept mois supplémentaires. La capacité de régulation de la balance acide-base du liquide cœlomique et la résistance d’E. mathaei à l’AO a été confirmée à long terme. Tant la croissance que le métabolisme et les propriétés mécaniques du squelette ne furent pas affectés. Cette résistance apparaît liée aux capacités de régulation acide-base d’E. mathaei, un trait apparemment d’origine génétique. Cette résistance pourrait également dépendre de la quantité et de la qualité de la nourriture disponible (calcaire ou non). Il est suggéré que les ions bicarbonates impliqués dans la régulation acide-base proviendraient en partie de la nourriture. <p>Parallèlement à ces mesures physiologiques, l’activité érosive d’E. mathaei a été mesurée. Les résultats indiquent que le taux de bioérosion triple en conditions acidifiées (pH 7,65). Cette augmentation serait liée à l’augmentation de l'activité de broutage des oursins et à la dissolution biologique du substrat, les propriétés mécaniques des dents des oursins et du squelette des coraux ne semblant pas affectés significativement. Nous suggérons que cette activité érosive accrue pourrait avoir un impact sur l'équilibre dynamique entre bioerosion et bioaccrétion des coraux et pourrait déterminer l'avenir des récifs coralliens où E. mathaei est le principal bioérodeur. Il faut toutefois noter que l’activité érosive de cet oursin est liée à une consommation accrue des macro-algues en compétition avec les coraux et algues corallines, favorisant ainsi ces derniers.<p>Les résultats obtenus, associés à ceux provenant de la littérature, indiquent que les changements globaux pourraient provoquer un changement profond des écosystèmes coralliens tropicaux. En effet, l’ensemble des bioérodeurs principaux étudiés jusqu’à présent semblent résistants aux changements climatiques globaux et montrent une augmentation de leur activité érosive. Dans le cas des récifs ayant déjà à l’heure actuelle une faible calcification nette, l’augmentation de la bioérosion pourrait mener à l’érosion nette et à la réduction puis à la disparition du récif. La prédiction du devenir des récifs coralliens tropicaux à l’échelle planétaire doit toutefois prendre en compte de nombreux paramètres :acclimatation, résistance/sensibilité et interactions des différents acteurs des récifs. D’autres études comparables à celles menées dans le présent travail devraient être mises en place afin de tester ces différents facteurs. Les données obtenues pourraient dès lors être utilisées dans la construction d’un modèle mécanistique permettant de mettre en place localement des mesures de conservation du récif, en complément de l’indispensable réduction massive de l’émission de CO2 atmosphérique à l’échelle mondiale.<p><p><p><p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished