Mise à niveau en télédétection Rémi de Matos Machado [email protected] Île de la Réunion, 1er juin 2016 (Image Sentinel 1-A) Le cours Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Objectifs L’objectif de ce cours est de (re)découvrir les notions clés en télédétection, principalement dans le domaine multispectral. Vous appliquerez sous le logiciel TERRSET l’ensemble de ces notions. Vous réaliserez une carte diachronique de l’extension de la ville du Caire entre 1984 et 2003. Plan Signification des images de télédétection Analyse d’une image LANDSAT 5 acquise à partir du capteur TM L’histogramme de l’image Distribution des valeurs de pixel La signature spectrale d’un objet Comportement des différents états de surface dans le visible et les infrarouges La composition colorée Synthèse de l’information contenue sur plusieurs images Les classifications Approches non supervisée (kmeans) et supervisée (par distance euclidienne) Diachronie Étudier un même site d’étude à plusieurs pas de temps 1. 1 LES SATELLITES 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Chronologie 1826 – Première photographie par Joseph Nicéphore Niépce 1858 – Première photographie aérienne du sud de Paris par Félix Nadar Première Guerre mondiale (1914-1918) – Essor de la photographie aérienne 1946 – Premier cliché spatial pris à 130 km d’altitude depuis un missile V2 1957 – Lancement du premier satellite par les Soviétiques (SPOUTNIK 1) 1972 – Lancement du premier satellite d’observation de la Terre (LANDSAT 1) Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Résolution spatiale C’est la taille du plus petit élément discernable. Taille du pixel. Très haute résolution < 4 m Ikonos Pleïades Geoeye Haute résolution 5 à 30 m Landsat Spot Moyenne résolution 250 m à 1 km Modis Spot-Vegetation Proba-V Basse résolution spatiale > 1 km Meteosat Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Résolution spatiale C’est la taille du plus petit élément discernable. Taille du pixel. Très haute résolution < 4 m Ikonos Pleïades Geoeye Haute résolution 5 à 30 m Landsat Spot Moyenne résolution 250 m à 1 km Modis Spot-Vegetation Proba-V Basse résolution spatiale > 1 km Meteosat 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Résolution spatiale Pleïades (CNES) est un couple de deux satellites. Pleïades 1A a été lancé le 17 décembre 2011 et Pleïades 1B le 2 décembre 2012, Résolution spatiale = 70 cm PLEÏADES 1A Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Résolution spatiale C’est la taille du plus petit élément discernable. Taille du pixel. Très haute résolution < 4 m Ikonos Pleïades Geoeye Haute résolution 5 à 30 m Landsat Spot Moyenne résolution 250 m à 1 km Modis Spot-Vegetation Proba-V Basse résolution spatiale > 1 km Meteosat 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Résolution spatiale LANDSAT (NASA) est le premier programme spatial d’observation de la Terre. Depuis 1972, 8 missions ont été programmées : 1972-1978 (L1), 1972-1982 (L2), 1978-1983 (L3), 1982-1993 (L4), 1984-2013 (L5), 1993 (L6), 1999-en service (L7), 2013-en service (L8). LANDSAT 5 Résolution spatiale = 30 m Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Résolution spatiale C’est la taille du plus petit élément discernable. Taille du pixel. Très haute résolution < 4 m Ikonos Pleïades Geoeye Haute résolution 5 à 30 m Landsat Spot Moyenne résolution 250 m à 1 km Modis Spot-Vegetation Proba-V Basse résolution spatiale > 1 km Meteosat 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Résolution spatiale MODIS (NASA) est une série d’instruments d’observation de la Terre. Il équipe les satellites Terra (lancé le 18 décembre 1999) et Aqua (lancé le 4 mai 2002). Résolution spatiale = 250 à 1 km Aqua Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Résolution spatiale C’est la taille du plus petit élément discernable. Taille du pixel. Très haute résolution < 4 m Ikonos Pleïades Geoeye Haute résolution 5 à 30 m Landsat Spot Moyenne résolution 250 m à 1 km Modis Spot-Vegetation Proba-V Basse résolution spatiale > 1 km Meteosat 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Résolution spatiale METEOSAT (EUMETSAT) est une série de satellites géostationnaires destinés au suivi météorologique du continent européen. Onze missions ont été programmées entre 1977 et 2015. Depuis 2002, on utilise les données METEOSAT seconde génération. Résolution spatiale = 1 à 3 km Meteosat 8 – MSG 1 Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Résolution spatiale Vue du même secteur à partir de différents capteurs Haute résolution Moyenne résolution Basse résolution 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Synthèse Beaucoup de satellites lancés pour l’observation de la Terre… 2011-2012 : Pleïades 1A et B, SPOT 6, etc. 2013 : Landsat 8, Proba-V, etc. 2014 : SPOT 7, Sentinel 1A, etc. 2015 : Sentinel 2A, MSG-4, etc. … et de longues archives. Landsat : images disponibles depuis 1973. AVHRR : images disponibles depuis 1982. SPOT : images disponibles depuis 1986. Donc de nombreuses applications… 1 – Les satellites Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Domaines d’application Géosciences : Géologie, pédologie, géomorphologie. Milieu marin et littoral : Qualité de l’eau, circulation océanique, végétation marine. Atmosphère et climat : Météorologie, bilans énergétiques et hydriques. Hydrologie : Comportements de l’eau à la surface du sol et dans le sol, cycles de l’eau. Glaciologie : Suivi des glaciers, de la banquise. Biosphère : Cartographie de la végétation, saisonnalité, échanges de carbone et d’eau. Espace aménagé : Statistiques agricoles, foresterie, croissance des villes. Archéologie : Cartographie de sites archéologiques. Catastrophes environnementales : Feux de forêts, inondations, sécheresses, marées noires, etc. Changements globaux : Désertification, variations climatiques, composition de l’atmosphère, etc. Cartographie de manière générale Défense Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 1 – Les satellites Plusieurs types de télédétection Télédétection optique (ou passive) Basée sur l’exploitation de la lumière solaire VS Télédétection active Fondée sur l’utilisation d’une lumière artificielle 2. 1 PRINCIPES DE LA TÉLÉDÉTECTION OPTIQUE Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Principe d’acquisition des données Plateforme Capteur Surface terrestre Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Le spectre éléctromagnétique Etape 4 – On en déduit une description de la surface (type de surface, humidité, contenu en chlorophylle, température, hauteur de la mer, type de roche …) Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Question : Quelle grandeur physique différencie les rayonnements bleu, vert et rouge? Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Question : Quelle grandeur physique différencie les rayonnements bleu, vert et rouge? LA LONGUEUR D’ONDE Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Le rayonnement éléctromagnétique : qu’est-ce que c’est ? Plus communément appelé lumière. Définition : vibration simultanée dans l’espace d’un champ électrique et d’un champ magnétique. Quelques propriétés : - - Le sens de la variation des champs (électrique et magnétique) est perpendiculaire à la direction de propagation. Se propage dans le vide. Se propage dans l’atmosphère mais subit des perturbations. Les interactions avec les objets modifient certaines de ses caractéristiques (direction de propagation, énergie). E : champ électrique M : champ magnétique C : célérité (vitesse de propagation des ondes) Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Quand y a-t-il un rayonnement électromagnétique ? …Quand tout corps de température est supérieure à 0°Kelvin (-273°C), Ainsi, une vache émet un rayonnement électromagnétique dans plusieurs longueurs d’onde. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique La longueur d’onde longueur d’onde (distance entre deux points homologues successifs) en m. Violet : 0.4 - 0.446 μm Bleu : 0.446 - 0.500 μm Vert : 0.500 - 0.578 μm Jaune : 0.578 - 0.592 μm Orange : 0.592 - 0.620 μm Rouge : 0.620 - 0.7 μm Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est petite. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Comment quantifier un rayonnement électromagnétique ? On va s’intéresser à la quantité d’énergie (en joules) transportée par un rayonnement et par unité de temps. Exemple : quelle quantité d’énergie émet le Soleil chaque seconde ? Le flux d’énergie ou le flux radiatif est mesuré en Watt En télédétection, les capteurs les plus fréquemment utilisés sont des radiomètres qui mesurent pour chaque longueur d’onde, ce flux d’énergie provenant de la surface terrestre. ? 1368 W/m² 342 W/m² Atmosphère 175 W/m² Mais terme et unité de mesure différents : Le radiomètre mesure une luminance en W.m-2.sr-1.μm-1 (Watt par mètre carré par stéradian et par micron) Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Plateforme Capteur Surface blanche Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Plateforme Capteur Surface verte Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Plateforme Capteur Surface rouge Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Plateforme Capteur Surface grise Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Plateforme Capteur Surface noire Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Et pour les surfaces jaune, cyan ou magenta ? Synthèse additive (RVB) Rouge Vert Bleu Source : Campbell (1996), p. 26 Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Interprétation d’une image satellite en contexte semi-aride Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Mesures et interprétation par le radiomètre Interprétation d’une image satellite en contexte semi-aride Le capteur mesure une énergie faible Luminance exprimée en valeur de pixels 255 Le capteur mesure une énergie élevée 0 Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Toutes les surfaces ne réfléchissent pas la lumière de la même manière. C’est pourquoi on peut les distinguer les unes des autres en analysant leur signature spectrale. Définition : mesure quantitative des propriétés spectrales d’un objet dans une ou plusieurs bandes spectrales. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales 100 90 80 Réflectance (%) 70 60 Végétation Neige 50 Sol sableux Eau 40 Béton 30 Macadam 20 10 0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Longueur d'onde (microns) Axe y s’exprime en réflectance Attention : le radiomètre mesure une luminance, pas une réflectance! Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales 100 Réflectance : représente le rapport entre l’énergie émise et/ou réfléchie 90 par80un objet et l’énergie incidente pour une longueur d’onde, un angle et une surface donnés. La réflectance s’exprime en pourcentages. Réflectance (%) 70 60 Végétation Neige 50 40 VS Sol sableux Eau Béton 30 Macadam 20 10 Luminance : représente l’énergie des radiations émises et/ou réfléchies par 0un objet pour une longueur d’onde et suivant un angle et une surface -2.sr-1.μm 0,4 0,6 0,8 1 1,2 W.m1,4 1,6 -1. 1,8 2 donnés. La luminance s’exprime en Longueur d'onde (microns) Axe y s’exprime en réflectance Attention : le radiomètre mesure une luminance, pas une réflectance! Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Eau 100 90 80 Réflectance (%) 70 60 50 Eau 40 30 20 10 0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Longueur d'onde (microns) L’eau pure a une signature spectrale caractéristique : sa réflectance est élevée dans le bleu, diminue dans le vert, devient très faibles dans le rouge et est quasi nulle dans le PIR. Les courtes longueurs d’onde diffusent davantage dans l’eau pure (diffusion de Rayleigh) que les grandes. D’où la couleur bleue de la masse. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Eau 100 90 80 Réflectance (%) 70 60 50 Eau 40 30 20 10 0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Longueur d'onde (microns) Cependant l’eau n’est jamais pure : les éléments qui interviennent le plus dans les propriétés optiques de l’eau sont la chlorophylle, associée au phytoplancton, les particules non chlorophyllienne comme les matières minérales en suspension et la matière organique dissoute appelée également substance jaune. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Végétation 100 90 Eau 80 Chlorophylle Réflectance (%) 70 60 50 Végétation 40 30 20 10 0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Longueur d'onde (microns) Celle-ci se caractérise par deux bandes d’absorption dans le bleu et dans le rouge ce qui se traduit par un maximum de réflectance dans le vert vers 550 nanomètres, d’où l’apparence verte des feuilles vivantes. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales L’analyse des signatures spectrales peut permettre de distinguer différents états de la végétation.... Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales …et différentes espèces. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Sols 100 90 80 Réflectance (%) 70 60 50 Sol sableux 40 30 20 10 0 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Longueur d'onde (microns) Le sol est un milieu hétérogène qui comprend une phase solide (éléments minéraux et organiques), une phase liquide et une phase gazeuse. Dans le visible et le PIR, les sols se caractérisent par une réflectance qui augmente du bleu (10 à 20%) au proche IR (40 à 50%). Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Carte géologique Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Les radiomètres multi-spectraux sont équipés de plusieurs bandes spectrales. Bande spectrale = gamme de longueurs d’onde Schéma LANDSAT 3 Satellite équipé d’un radiomètre MSS qui mesure le rayonnement dans 5 canaux à une résolution de 80 mètres. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Utilisation des données enregistrées par le radiomètre TM du satellite LANDSAT. Nom de la bande spectrale Domaine spectral auquel appartient la bande Longueur d’onde (nm) TM1 Bleu 450–515 TM2 Vert 525–605 TM3 Rouge 630–690 TM4 Proche Infrarouge 750–900 TM5 Moyen Infrarouge 1550–1750 TM6 (non utilisé dans le TD) Infrarouge thermique 10,400–12,500 TM7 Infrarouge lointain 2090–2350 Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Bande TM3 Bande TM4 Réflectance (%) 100 Végétation 80 TM3 60 TM4 Neige 40 Sol sableux 20 Eau 0 Béton 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Longueur d'onde (microns) 1,4 1,6 1,8 2 Macadam Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado DIACHRONIE 2 – Principes de la télédétection optique Les signatures spectrales Bande XS3 (0,79 – 0,89 μm) Bande XS2 (0,61 – 0,68 μm) Réflectance (%) 100 Végétation 80 XS2 60 XS3 Neige 40 Sol sableux 20 Eau 0 Béton 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Longueur d'onde (microns) 1,4 1,6 1,8 2 Macadam 3. 1 COMPOSITION COLORÉE 3 – Composition colorée Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Qu’est-ce qu’une composition colorée ? Les compositions colorées permettent de produire des images en couleurs en tenant compte de la signature spectrale des objets. Elles sont fréquemment utilisées pour faire ressortir les différents types de surface sur les images multispectrales ou mettre en évidence certains phénomènes environnementaux, comme les feux de forêts, les vents de sable, les glaces de mer, etc. 3 – Composition colorée Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Les compositions colorées en vraies couleurs On respecte l’ordre des bandes spectrales pour obtenir une composition colorée en vraies couleurs. R V B 3 – Composition colorée Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Les compositions colorées en fausses couleurs On « mixe » les bandes spectrales pour obtenir une composition colorée en fausses couleurs. 4. 1 LES CLASSIFICATIONS 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Objectif de la classification Traduire des informations spectrales en classes thématiques (d’occupation du sol par exemple) Qu’est-ce qu’une classe ? C’est un ensemble de pixels possédant des caractéristiques semblables. - Classes thématiques. Ex : classes d’occupation du sol : forêt, eau sol nu, etc. - Classes spectrales : sont constituées par des pixels possédant des valeurs de luminance semblables. 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Objectif de la classification TM1 : bande spectrale « bleue » TM2 : bande spectrale « verte » TM3 : bande spectrale « rouge » TM4 : bande spectrale « proche infrarouge » 4 – Les classifications Objectif de la classification Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Deux types de classification Classification non supervisée Classification supervisée 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado La classification non supervisée Pas de connaissances a priori, les classes spectrales sont créées automatiquement par le logiciel. Les classes sont interprétées (c’est-à-dire qu’on attribue une classe thématique à chaque classe spectrale) a posteriori à partir des propriétés radiométriques. L’appartenance d’un pixel à une classe est décidée en fonction de sa ressemblance avec chaque classe. Cette ressemblance est calculée selon différents algorithmes : - K-means (ou k-moyennes, nuées dynamiques, méthode des centres mobiles) méthode utilisée dans le TD - Descente hiérarchique (ou méthode des « clusters ») Démarche : on classe un ensemble de n individus (pixels) selon un certain nombre de variables p (nombre de bandes spectrales). 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Limitations de la méthode du k-means - - L’utilisateur doit choisir le nombre k de classes et il n’y a pas de critère unique pour déterminer le meilleur nombre de classes. Plusieurs initialisations peuvent conduire à plusieurs partitions différentes dans leur composition. 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Limitations de la méthode du k-means - - L’utilisateur doit choisir le nombre k de classes et il n’y a pas de critère unique pour déterminer le meilleur nombre de classes. Plusieurs initialisations peuvent conduire à plusieurs partitions différentes dans leur composition. 4 – Les classifications La classification supervisée La classification supervisée se base sur une connaissance préalable des thèmes présents sur la zone à cartographier. La démarche consiste à saisir des échantillons de pixels (digitalisation, vectorisation) pour chaque classe thématique, puis à classer l’image selon les propriétés radiométriques de ces zones d’entraînement (représentatifs des classes thématiques). Comment choisir les échantillons ? - Observations de terrain - Interprétation d’une partie des images en fonction des critères habituels. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado La classification supervisée Comment associer un pixel à une classe ? On va mesurer la distance entre… LE PIXEL L’ÉCHANTILLON SA SIGNATURE RADIOMÉTRIQUE SA SIGNATURE RADIOMÉTRIQUE MOYENNE 4 – Les classifications La classification supervisée La classification supervisée se base sur une connaissance préalable des thèmes présents sur la zone à cartographier. La démarche consiste à saisir des échantillons de pixels (digitalisation, vectorisation) pour chaque classe thématique, puis à classer l’image selon les propriétés radiométriques de ces zones d’entraînement (représentatifs des classes thématiques). Comment choisir les échantillons ? - Observations de terrain - Interprétation d’une partie des images en fonction des critères habituels. Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado La classification supervisée Exemple Réalisation d’une classification supervisée sur TERRSET Image classée en 11 thèmes 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado La classification supervisée On compare pixel à pixel le résultat de la classification avec les classes fournies par les échantillons d’entraînement. Autrement dit, on ne valide qu’une fraction du résultat et on considère qu’il doit être représentatif de l’ensemble. Image classée en 11 thèmes Zones d’entraînement 4 – Les classifications Mise à niveau en télédétection - Rémi de Matos Machado Avant et après la classification - Classification : facile à mettre en place avec un logiciel, méthode presse bouton (quelques étapes). - Travail important avant d’effectuer une classification : visualiser les images de télédétection : Que peut-on distinguer visuellement? Quelles sont les valeurs dans l’image? Problèmes potentiels dans les données : absence de données sur toute une image ou pour une partie de l’image, présence de nuage ou d’aérosols, de trainée d’avion. - Travail important après avoir effectué une classification : évaluer de manière critique le résultat. Eventuellement mener une validation statistique.