Journées de la Topographie
du 2 au 4 octobre 2006

 

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.

 

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