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TRAITEMENTS DE DONNEES SPATIALISEES POUR LA MISE À
DISPOSITION DES UTILISATEURS
DE L ’INFORMATION ENVIRONNEMENTALE OBTENUE PAR
TELEDETECTION .
Société d’accueil : CESBIO
PFE présenté par : Sébastien MORETEAU
Directeur (directrice) du PFE : M. Richard ESCADAFAL
Correcteurs : Mme LANDES et M KOEHL
Introduction :
Mon PFE s’est déroulé au sein du CESBIO, une unité mixte de recherche basée à Toulouse. Ce laboratoire a pour vocation de développer les connaissances sur le fonctionnement et la dynamique de la biosphère continentale à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour cela les données satellitales prennent une place importante dans la démarche écologique. Le travail est mené par trois équipes différentes qui travaillent sur trois projets majeurs.
Mon travail s’insère dans le cadre du projet SUDMED dont l’objectif principal est l’étude intégrée des ressources hydro-agricoles de la région de Marrakechen vue d’une meilleure utilisation. J’ai finalement aussi travaillé sur le projet Irrimed en Jordanie qui poursuit les mêmes objectifs.
L’objectif du PFE est de concevoir et réaliser à partir du large jeu de données disponibles, d’autres produits plus simples pour un public élargi.
Etat de l’art :
Les données disponibles :
Les données utilisées sont donc principalement constituées par les deux séries d’images satellites sur le Maroc (par FORMOSAT 2, 34 dates) et sur la Jordanie (par SPOT 5, 12 dates). Ces deux satellites sont exploités par la société SPOT IMAGE, ils sont récents et les séries étaient en cours d’acquisition lors de mon stage. Les images sont fournies avec des niveaux de correction géométrique et radiométrique variables qui nécessite des traitements appropriés à l’utilisation.
Je dispose également de couches vectorielles, routes parcelles, blocs d’irrigation, etc…, les formats disponibles sont shp, dbf, et shx.
En vue de la conversion en réflectance de la série d’images sur la Jordanie, des séries de mesures on été effectuées par une équipe sur le terrain. L’instrument utilisé est un radiomètre portable de marque Cropscan qui mesure la réflectance au sol en pourcents pour les bandes du capteur TM de Landsat qui s’avèrent très proches de celles de SPOT.
Les prétraitements :
Ceux-ci sont essentiellement constitués par le géoréférencement de toutes les images satellite des séries et de la normalisation radio métrique pour la série sur la Jordanie.
Le géoréférencement a pour but de rendre les images superposables entre elles et exprimées dans un même système de projection. Ceci est nécessaire pour des traitements ultérieurs, radio métriques par exemple, ou l’interaction avec des vecteurs dans un SIG. Il s’effectue à l’aide de points d’appuis dont les coordonnés sont obtenues soit sur le terrain (GPS, tachéométrie) soit à partir d’autres images.
La normalisation radio métrique a pour objectif de corriger la valeur radio métrique des pixels
pour qu’elle représente physiquement les propriétés de l’élément considéré sans influences d’éléments extérieurs (capteur, atmosphère). Cette normalisation est soit absolue et les pixels ont des valeurs en réflectance au sol ou en haut de l’atmosphère (utilisation de modèles physiques et de mesures), soit relative et dans une série la radiométrie des images est cohérente et les évolutions radio métriques constatées correspondent à une réalité terrain. On utilise alors une image de référence sur laquelle on va repérer des zones que l’on considère invariantes ou du moins pseudo invariantes et qui vont servir à la normalisation des autres images de la série.
La cartographie sur le Web :
Au cours des dernière années (à partir du milieu des années 90), la diffusion d’information et
de produits à caractère géographique ou cartographique via Internet de manière large et en Intranet pour des publics restreints a connu son plein essor. C’est donc par l’intermédiaire de son navigateur Internet que l’utilisateur peut accéder à des cartes et données ou encore des services géographiques interactifs mis à disposition par des méthodes et outils divers qui doivent répondre à des besoins spécifiques tant du côté de la mise en oeuvre que de la consultation.
Il s’agit ici d’apporter un éclairement sur la publication d’éléments à caractère géographique sur Internet, et par là même aider au choix d’une solution suivant l’attente.
Il faut d’abord se demander qui sera le public utilisateur, puis la manière dont on veut que l’information soit distribuée et traitée. Soit les opérations sont réalisées au niveau du client (plug-in, applets) soit c’est au niveau du serveur que la solution cartographique est présente.
Ensuite, le choix de la solution technique à retenir dépend de la nature des informations à publier, de leur vitesse d’évolution et de la liberté d’interaction à offrir à l’utilisateur. On peut proposer des cartes statiques ou alors des cartes interactives (zoom, déplacement, sélection d’entités). Si les données sont plus lourdes et l’utilisation plus pointue, le choix d’un serveur cartographique permet d’obtenir de véritables SIG en ligne.
Le navigateur (ou explorateur) est l’interface unique qui permet la consultation de tous types
de données (textes, images, graphiques, sons, animations). Cependant les possibilités de visualisation et d’interaction sont souvent limitées pour les besoins cartographiques. Dans le traitement local on dispose de deux solutions : ceux qui nécessitent une installation préalable sur le poste du visiteur (plug-in) et ceux qui sont transférés et installés automatiquement lors de la consultation (applet). Lorsque le traitement est effectué du côté serveur, les possibilités offertes par ce dernier ne sont pas non plus satisfaisantes. Pour dépasser ces limites, les sites web sont aujourd’hui couplés à des serveurs d’applications qui permettent d’exécuter des opérations à la demande et d’adapter leur réponse aux besoins d’un visiteur donné : ce sont les serveurs cartographiques.
La transmission d’une carte peut se faire en mode vectoriel ou image. Au final, seule l’image peut être affichée par les navigateurs. Les formats gérés sont limités, les plus utilisés sont le GIF, le JPEG et le PNG. Les formats vectoriels nécessitent tous des logiciels complémentaires. Les plus répandus sont les formats propriétaires flash (SWF) et ouverts SVG normalisés par le W3C.
Ensuite, la carte statique est la méthode la plus facile pour la diffusion qui se fait sous forme d’image. Exporter une carte dans un format vectoriel permet au mieux de pouvoir effectuer toutes les opérations de visualisation ou d’analyse prévues par les concepteurs en local.
Les formats les plus courants sont les suivants : PDF, flash (SWF), SVG, GML, les formats natif des SIG, la solution Java.
Les travaux réalisés :
Le géoréférencement :
Les images de SPOT 5 sur la Jordanie ont été géoréférencées grâce à une images SPOT 5 à 2,5 m de résolution elle-même géoréférencée grâce à des points GPS mesurés au sol. C’est l’équipe jordanienne qui a effectué cette tâche. Une image intermédiaire couvrant l’ensemble de la scène des images de la série (contrairement à l’image de départ) a été géoréférencée en choisissant des points d’image à image. A partir de cette image, le module de reconnaissance automatique de points d’amers a été utilisé avec toutes les images de la série. Les points sur les bords de l’image ainsi que les points faux ont été éliminés. La transformation utilise un polynôme d’ordre un et le rééchantillonage est réalisé par convolution bi cubique.
Pour les images FORMOSAT sur le Maroc, une image résultant d’une fusion panchromatique
et multi spectrale a alors été géoréférencée grâce à 51 points GPS par un modèle polynomiale de degré deux, l’emq est de 3 pixels, ce qui correspond à 6 m.
Les images ont préalablement été superposées entre elles par Olivier Hagolle toujours grâce
au module de reconnaissance automatique. Les 34 images de la série ont donc été géoréférencées en utilisant un unique fichier de points homologues entre l’image de référence et une image de la série. Des lignes de code ont été écrites pour permettre un traitement automatisé plus rapide. Le polynôme utilisé est d’ordre deux portant l’emq à ± 0,28 pixels soit 2,25 m.
La normalisation :
Plusieurs tentatives ont été nécessaires pour arriver à un résultat satisfaisant. Les premiers essais ont été effectués alors que la série ne comportait que sept images. Dans tous les cas, on considère que la correction à apporter est linéaire.
La première approche a utilisé les scattergrams avec en ordonnée la bande de l’image de référence et en abscisse les bandes à normaliser. Sur le graphique, les pixels situés sur un axe principal étaient sélectionnés en considérant que ce sont ceux variant le moins d’une image à l’autre. Ces pixels étaient extraits pour trouver dans Excel une droite de tendance et ceci pour chaque bande. Les coefficients trouvés (le coefficient directeur étant le gain et l’ordonnée à l’origine l’ « offset ») sont ensuite appliqués.
Dans la deuxième approche, les pixels servant a tracer les scattergrams sont constitués par
des régions dont on pense que leur valeur radio métrique n’évolue pas. Ces pseudo invariants ont été sélectionnés à l’œil en considérant les images de la série. Si en traçant les scattergrams des pixels s’écartaient de l’axe principal, ils étaient éliminés. Cette méthode est plus correcte que la précédente car sur l’ensemble des images utilisées leur radiométrie varie peu. En revanche, lorsqu’il a fallu ajouter les nouvelles images de la série, beaucoup de pseudo invariants n’étaient plus valides et trouver visuellement de nouveaux pseudo invariants qui soient corrects pour toutes les images s’averrait difficile.
La troisième approche a donc constitué à trouver ces invariants par une méthode statistique. La variance a été calculée sur chaque bande et le NDVI des images corrigés par la méthode précédente. Un masque a ainsi été construit en appliquant des seuils. Les régions restantes ont servi à la normalisation avec la même méthode que précédemment (régression linéaire).
Il s’est avéré après cette correction que les invariants n’étaient pas toujours radiométriquement constant surtout pour les images de la fin de la série qui n’avaient pas servi à la construction du masque. Un nouveau masque a donc été réalisé à partir de toutes les images corrigées par la méthode précédente et une dernière correction appliquée.
Une fois cette normalisation relative effectuée, le passage en réflectance a pu être envisagé. Les mesures de réflectance au sol ont été utilisées. Les zones de mesure ont été repérées par des polygones sous forme vecteur qui ont permis d’extraire les valeurs radio métriques. Les moyennes des réflectances et des comptes numériques ont été calculées par zones puis un graphique par bande a été tracé avec en ordonnées les valeurs en réflectance et en abscisse les comptes numériques. Finalement toutes les zones de mesure n’ont pas été utilisées, celles sortant du découpage de l’image ainsi que les points s’écartant de l’axe n’ont pas servis.
Affichage, présentation de données sur le Web :
La première opération a eu pour but d’obtenir à partir des images SPOT normalisées des compositions colorées s’approchant des couleurs naturelles, ce qui n’est pas direct compte tenu du fait que les capteurs SPOT ne mesurent pas dans le bleu visible. Après plusieurs essais, la composition retenue utilise le rouge dans le canal rouge, une moyenne entre le vert et le proche infrarouge dans le canal vert pour renforcer les verts et le vert dans le canal du bleu puisque c’est la bande la plus proche disponible et que le résultat est satisfaisant. Grâce à la normalisation, un même ajustement radio métrique a pu être appliqué pour l’ensemble des images de la série.
Suite à l’étude sur l’état de l’art de la cartographie sur Internet, la solution choisie a été de développer une application sous Mapserver.
Il s’agit d’un serveur cartographique libre développé par l’Université du Minesota, le département des ressources naturelles du Minesota et la NASA. C’est un CGI (Common Gateway Interface) et permet de créer du code HTML de façon dynamique. L’utilisateur peut donc afficher, créer, faire des requêtes sur des données géographiques. Contrairement à des logiciels propriétaires, le développement d’une application Mapserver re
quiert beaucoup d’investissement humain pour le développement, les tests et la validation. Il faut donc être motivé et capable de s’auto former. Le recours aux communautés d’utilisateurs peut pallier un certain manque d’information, de documentation ou de difficulté d’installation.
La pièce maîtresse d’une application Mapserver réside dans lemapfile. C’est un fichier texte avec l’extension.map dans lequel sont décrites les propriétés d’affichage des éléments qui pourront être affichés. Ce document a une structure bien précise avec des objets imbriqués les uns dans les autres. L’objet principal est la map, puis à l’intérieur sont décrites les différentes couches disponibles (LAYER), ces couches ont des classes (CLASS) définies puis un style. A l’intérieur de la map on décrit également la légende, l’échelle, la carte de référence.
Ce document peut suffire pour permettre l’affichage d’une carte sur Internet mais la carte ne peut pas être interactive. Les éléments à afficher sont appelés dans l’adresse URL qui correspond à a page, puis Mapserver interprète cette requête en relation avec la mapfile. Le mode browse permet à l’utilisateur la navigation, le zoom, le choix des couches à afficher. Ceci est possible grâce à l’utilisation d’un template html additionnel associé à la mapfile. On peut alors créer l’habillage souhaité pour la page à afficher. Enfin, le mode requête permet par le clic sur des objets de la carte d’obtenir des informations de la base de données.
Enfin, une animation flash sous forme de diaporama a été réalisée avec les images de la Jordanie dans la composition colorée. Dans la première version, ce diaporama était un simple enchaînement des images, puis par interpolation d’une image à l’autre, l’enchaînement s’est fait par fondus en jouant sur la transparence des images. Une barre d’évolution a été intégrée pour permettre de repérer les images dans le temps. Cette animation peut être visualisée à l’adresse suivante : http://www.irrimed.org/overview/jordan/JordanSpotanimation.htm
Conclusion :
En conclusion, les objectifs fixés au départ n’ont pas entièrement été remplis, en particulier les études de changement n’ont pas été abordées. Certaines tâches ont pris un temps beaucoup plus important qu’escompté (la normalisation en particulier). Le traitement des images n’a pas été facilité par le fait que les séries étaient en cours d’acquisition et mener de front les aspects de télédétection et de cartographie sur le Web n’a pas toujours été évident. Mais ces difficultés ont également été sources de motivation en permettant de travailler sur des images récentes en provenance de satellites de dernière génération. Le fait de travailler sur des images dans le but de soi-même réaliser des applications de cartographie sur Internet a également été intéressant même si l’application Mapserver n’a pas pu être mise en ligne dans la version développée.
Plus généralement, l’utilisation de la télédétection telle qu’elle en est faite au CESBIO me paraît intéressante en essayant de tirer le meilleure partie de cet outils tout en mettant cela en relation avec des travaux et mesures sur le terrain dans le but de mieux comprendre le fonctionnement de l’écosystème, des activités humaines et ainsi permettre une meilleure gestion des ressources naturelles.Enfin ce projet de fin d’études m’a permis d’aborder des problématiques de la télédétection encore inconnues et d’avoir désormais une vision globale de la cartographie sur le Web, un domaine en plein développement. Le travail au sein de ce laboratoire m’a permis de côtoyer des personnes de formation différente qui collaborent sur des projets intéressants.