Quantifying landscape anthropisation patterns: concepts, methods and limits

environment has kept on growing so that little or no ecosystem in the world is now

considered as untouched. This induces pressures on ecosystem health and land scarcity.

Africa is of particular concern because it still presents broad undisturbed zones and

key ecosystem services, despite being submitted to increasing anthropogenic pressures.

Landscape ecology appears suitable for the study of such phenomena, thanks to its spacebased

integrative nature and geographical level of focus. It studies the impact of spatial

pattern transformation — especially heterogeneity and its components — on ecological

processes and provides powerful analytical tools of landscape anthropisation.

The main objective of this thesis is to organise the concepts and methods, from

landscape ecology and related disciplines, into a consistent logic, to pinpoint missing

analytical frameworks for response-oriented anthropisation assessment, and to apply them

to African cases to explore the spatial patterns of anthropisation. In order to address

landscape anthropisation, we assemble diverse disciplines into a logical network (DPSIR).

The new theoretical framework is tested on Lubumbashi (DRC). In order to address

spatial patterns, we first evaluate the thermodynamic connection of the term entropy in

landscape ecology: spatial heterogeneity, unpredictability and scale influence. Then, based

on 20 landscapes, we highlight the complex relationship between spatial heterogeneity

and landscape anthropisation. We finally use the modelled relationships to test the

anthropogenic origin of the spatial pattern of a land cover class in Lubumbashi.

The main results of this research show that several concepts are used to describe different

aspects of anthropisation and that its quantification strongly depends on the reference states.

Data formats can be combined into a new assessment method ensuring more precision

and comparability, but a good field knowledge is required. As for heterogeneity, the

existing definitions of landscape entropy follow the logic of thermodynamics or information

theory, that are not compatible. Only unpredictability could be properly interpreted in

thermodynamic terms if energy transfer measurements were performed at the appropriate

level. The anthropogenic effects on heterogeneity completely diverge depending on the

amount of already anthropised surface, on the land cover type (natural or anthropogenic),

and on the heterogeneity components.

The aforementioned findings could be adapted to include functional aspects and

better address the relationship between spatial pattern and ecological processes. Such

integration would help designing response actions that can recommend human activities

and spatial patterns that could optimise the use of land to ensure ecological functioning

while supporting human development. /

L’influence croissante de l’homme sur son environnement affecte désormais le monde

entier, ce qui induit des pressions sur la santé des écosystèmes et raréfie les ressources

en terres. L’Afrique présente un intérêt particulier à cet égard car elle contient de vastes

zones quasi vierges et fournit des services écosystémiques importants mais est soumise

à des pressions anthropiques croissantes. L’écologie du paysage étudie ces phénomènes

de façon intégrative au moyen de sa composante spatiale et de son échelle d’intérêt. Elle

étudie l’impact des transformations de la structure spatiale — en particulier l’hétérogénéité

et ses différentes composantes—sur les processus écologiques et fournit de puissants outils

analytiques de l’anthropisation.

L’objectif de cette thèse est d’organiser les concepts et méthodes de différentes disciplines

de façon à mettre en évidence leurs forces et faiblesses pour proposer une nouvelle

quantification de l’anthropisation, orientée vers la gestion, et de la tester sur des paysages

africains pour examiner la structure spatiale de l’anthropisation. Le DPSIR est utilisé pour

assembler les différents concepts. La nouvelle méthodologie est testée sur Lubumbashi

(RDC). Ensuite, le lien entre la thermodynamique et l’utilisation du terme entropie en

écologie du paysage est examiné. Vingt paysages servent alors à mettre en évidence la

complexité de l’impact de l’anthropisation sur l’hétérogénéité du paysage. Enfin, cette

modélisation sert à mettre en évidence l’origine anthropique de la structure spatiale d’une

classe d’occupation du sol à Lubumbashi.

Les résultats principaux de cette recherche sont que pléthore de termes sont utilisés

pour représenter différents aspects de l’anthropisation et que sa quantification dépend de

la définition d’états de référence. Cependant, la combinaison de différents formats de

données peut aboutir à une nouvelle méthodologie plus précise et adaptable, mais cela

nécessite une bonne connaissance de terrain. Les définitions de l’entropie dépendent soit de

la thermodynamique soit de la théorie de l’information, qui ne sont pas compatibles. Seule

l’imprévisibilité pourrait être interprétée thermodynamiquement, si les mesures de transfert

d’énergie étaient effectuées à l’échelle appropriée. L’impact humain sur l’hétérogénéité

diverge selon la quantité de surface déjà anthropisée, le type de couverture du sol pris en

compte ainsi que les composantes de l’hétérogénéité mesurées.

Ces découvertes peuvent être adaptées pour intégrer des aspects fonctionnels de la

structure spatiale et mieux cerner le lien entre celle-ci et le fonctionnement écologique, ce qui

permettrait de proposer des activités humaines et des structures spatiales qui optimiseraient

l’utilisation des ressources en sol pour assurer tant le fonctionnement écologique que le

développement humain.