= problème de calibrage d'un des 6 détecteurs du vieux Landsat MSS
fig. 1 - Rayures et lignages
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
V.1.4 - Dernière mise à jour : 18/02/2022
Le traitement d'images
nécessitent des données numériques
Que ce soit pour :
- les analyses visuelles
- les analyses automatisées
Objectif de l'analyse des données télédétectées :
identifier et mesurer différentes cibles* pour en extraire l'information utile
- visuellement ;
ou
- automatiquement.
- Qu'est-ce qu'une cible ?
En télédétection, c'est un objet qui:
- est ponctuel, linéaire ou zonal ;
- contraste avec son environnement.
- Pourquoi améliorer les données ?
Pour extraire une information significatives des données télédétectées, car elles sont :
- bruitées ;
- peu contrastées ;
- dans une géométrie difficilement exploitable ...
Interviennent avant l'analyse principale et l'extraction de l'information
- Corrections radiométriques
Comprennent la correction des :
- irrégularités du capteur (lignages, données manquantes, ...) ;
- bruits du capteur ou de l'atmosphère (diffusion, absorption, ...).
Permettent d'exprimer le rayonnement réfléchis ou émis vers le capteur en :
- luminances* vraies
- réflectances*
CàD : des grandeurs physiques
- Corrections géométriques
Permettent de recaler l'image sur :
- un référentiel géographique (carte) ;
- une autre image.
Donc :
- de s'affranchir des variations Terre-capteur.
A pour but de favoriser la lisibilité des images
=> aide à l'interprétation et à l'analyse visuelle
Les fonctions de rehaussement permettent :
- l'étalement de la dynamique
=> contrastage des niveaux de gris
- le filtrage spatiale
=> contrastage des limites et ruptures
Création de canaux thématiques
=> combinaison de plusieurs bandes spectrales
Les fonctions de transformation font appel à :
- des opérations arithmétiques simples
addition, soustraction, multiplication, division de bandes spectrales
- des opérations arithmétiques complexes
analyse en composantes principales
Pour extraire automatiquement l'information contenue dans les pixels
Deux types de classifications sont possibles :
- classifications supervisées
- classifications non supervisées
Synonyme : Restauration et rectification d'images
Les "bruits" peuvent être :
- dus à des interférences mécaniques ;
- systématiques ;
=> dysfonctionnement périodique d'un détecteur
- aléatoires ;
=> effet poivre et sel
- dus à des interférences entre les ondes radar et des limites d'objets ou de bâtiments.
=> speckle
- Élimination des bandes et rayures de l'image
Dysfonctionnement systématique
= problème de calibrage d'un des 6 détecteurs du vieux Landsat MSS
fig. 1 - Rayures et lignages
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
- Les rayures sont :
- horizontales pour MSS et TM
- verticales pour le HRV de SPOT
- Dans TerrSet (ex. IDRISI) utilisation la fonction DESTRIPE
La procédure de correction calcule :
- la moyenne et l'écart-type de l'image entière
- la moyenne et l'écart-type de chaque détecteur
Ceux qui s'écartent des paramètres standards sont recalibrés
- Élimination des données manquantes.
Dysfonctionnement temporaire
=> perte d'une partie de ligne
fig. 2 - Lignes échappées
Source : Tutoriel du Centre Canadien de TélédétectionRemède : remplacer par la moyenne de la ligne du dessus et du dessous
- Dans TerrSet (ex. IDRISI) utilisation d'un enchaînement de fonctions
1) Créer un masque booléen avec RECLASS
- les "trous" valent 1
- le reste à 0
2) Créer un filtre avec FILTER
- En cas de lignes perdues, le filtre 3*3 est le suivant :
0 0,5 0 0 0 0 0 0,5 0 Il sert à filtrer l'image originale :
la ligne trouée est remplacée par la valeur moyenne de la ligne du dessus et du dessous.
- Exemple dans Excel : télécharger le fichier exemple (secteur NE des canaux htm87tm3 et htm87tm4 d'une image Landsat sur les HowHills, MA)
- En cas de colonnes perdues, le filtre 3*3 est le suivant :
0 0 0 0,5 0 0,5 0 0 0 3) Multiplication du masque et de l'image filtrée par OVERLAY
=> seules restent les ex valeurs manquantes filtrées
4) Elles sont additionnées à l'image d'origine avec OVERLAY
- Élimination des effets "poivre et sel"
Dysfonctionnement aléatoire
=> produit des valeurs anormalement hautes et basses
- Dans TerrSet (ex. IDRISI) utilisation de la fonction FILTER
La procédure propose plusieurs options de filtres.
Le filtre médian 3*3 ou 5*5 est couramment utilisé.
- Le pixel bruité est remplacée par la valeur médiane calculée sur la fenêtre ;
mais,
- certains détails peuvent disparaître !
C'est particulièrement vrai pour des images radar.
=> on utilisera alors l'Adaptative box qui permet des plafonnements par min/max ou écart-type défini par l'utilisateur.
Lorsque l'on :
- étudie des données de différentes époques ;
- étudie des données de différents capteurs ;
- réalise une mosaïque d'images
Il faut :
- calibrer les capteurs entre eux ;
- normaliser l'angle solaire ;
- normaliser la distance Terre-Soleil.
Les corrections radiométriques sont indispensables pour mosaïquer des scènes entre elles
=> nécessité de maintenir des conditions d'illumination uniformes d'une scène à l'autre
fig. 3 - Mosaïquage de scènes contiguës
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
- Calibration des luminances*
Le pixel livré par le diffuseur est un Compte Numérique (CN) ou Luminance apparente* (La)
=> grandeur sans unité
- généralement codé de 0 à 255 (format octal sur 8 bit, soit 2^8)
- Landsat 8 livre ses produits en 16 bit (2^16 soit 65 536 niveaux de gris potentiels par canal => http://landsat.usgs.gov/landsat8.php
- Transformation en luminances vraies* (Lv)
Application d'un coefficient de correction qui tient compte :
- de la sensibilité du capteur ;
- de la dynamique de l'image, ...
Le résultat est en W / (m2 . sr)
Cette étape a rendu les capteurs comparables
- Passage aux réflectances exo-atmosphériques*
Permet de comparer des images prises à des dates différentes
Tient compte de :
- la distance Terre-Soleil ;
- l'angle d'éclairement.
- En général, le résultat est en % de réflectance
mais il ne tient pas encore compte des perturbations atmosphériques
Dans TerrSet (ex. IDRISI) utilisation de la fonction RADIANCE pour traiter automatiquement les données Landsat 1 à 5 ou ATMOSC pour les autres en rentrant les paramètres à la main (cf. TP 3.3)
Les particules et molécules atmosphériques dispersent l'énergie du rayonnement
surtout sur les plus courtes longueurs d'ondes
- Pour éviter que les brumes et autres aérosols ne causent des traînées et halos sur les images
Diverses méthodes de corrections atmosphériques sont utilisées.
- Les plus complexes prennent en compte les conditions atmosphériques
pendant l'acquisition des données
=> modèles 5S ou 6S de TANRÉ et al. 1986 par exemple
On consultera aussi avec profit l'article suivant de Claude KERGOMARD, « Pratique des corrections atmosphériques en télédétection : utilisation du logiciel 5S-PC », Cybergeo, Actes des Journées de Télédétection en Sciences humaines, article 181, mis en ligne le 05 mai 2000, modifié le 07 mars 2007. URL : http://cybergeo.revues.org/index1679.html. Consulté le 19 février 2010.
- Les plus simples prennent uniquement en compte les données de l'image !
- par simple soustraction
Les brumes ont pour effet d'élever uniformément les niveaux radiométriques dans le visible.
Le niveau radiométrique (B) atteint au dessus des lacs (objet A = eau profonde => absorption) permet de soustraire l'effet brume du reste de l'image.
fig. 4 - Absorption des eaux profondes
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection- par Analyse en composante principale (fonction PCA)
Cette méthode d'analyse multivariée concentre :
- l'information utile sur les premiers axes ;
- le bruit (et les brumes) sur les derniers.
L'effet topographique* est produit par :
- l'azimut et l'élévation solaire ;
- l'orientation et la pente de la surface éclairée.
- Fréquent en télédétection car, les prises de vues ont lieu :
- en général, tôt le matin ;
- parfois, tard le soir.
- Effets d'ombre très marqués en montagne
- Selon les différences d'illumination, un même état de surface aura :
- une
ou
- plusieurs signatures spectrales
- Deux techniques simples permettent de s'affranchir des effets topographiques :
- Le partitionnement
- Les ratios
- Le partitionnement
Utilisation d'un Modèle numérique de terrain (MNT) pour calculer :
- les pentes ;
- les éclairements, ...
Puis traitement par types identiques
des strates*
(face nord avec face nord, ...)
- Les ratios
Consistent à diviser une bande par une autre :
bande A / bande B
ou plus souvent on normalise les ratios
(bande A - bande B) / (bande A + bande B)
Le deuxième évite les divisions par 0
Les ratios interbandes partent du principe qu'une part de la réflectance de chaque bande est fonction d'un effet angulaire.
Ils doivent "éclairer" les zones d'ombre.
Note : Il est préférable d'avoir effectué l'ensemble de ces corrections radiométriques avant de passer aux corrections géométriques.
Les données télédétectées ne sont pas directement superposables aux cartes topographiques.
Objectif de ces corrections, faire correspondre :
- la géométrie d'une image à un système de référence cartographique ;
ou
- la géométrie de deux images que l'on veut superposer.
Pour cela, il faut rechercher des points de contrôle*
Synonyme : points amers
fig. 5 - Sélection des points amers
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
On repère sur :
- l'image A des points visibles (A1, A2, A3, ...) ;
sur
- la carte B (B1, B2, B3, ...), l'image de référence.
Leur répartition doit être le plus homogène possible.
On note leur coordonnées respectives pour "alimenter" la fonction de transformation* qui permet de passer de l'une à l'autre.
Il s'agit d'une transformation géométrique par ajustement
en général, par la méthode des moindre carrés
Les fonctions sont de type polynomial
- du 1er degré : linéaire
x' = a0 + a1x + a2y
y' = b0 + b1x + b2y
Ce sont des fonctions affines où :
x' et y' sont les coordonnées d'un point de l'image de référence ;
x et y sont les coordonnées d'un point de l'image à transformer ;
a et b des coefficients.
Cet ajustement polynomial permet des :
- rotations ;
- translations ;
- changements d'échelle.
Lorsqu'il y a :
- des distorsions géométriques irrégulières dans l'image originelle (voussure, étirements locaux, ...) ;
- un changement de projection cartographique.
Alors, il faut une fonction polynomiale du 2e ou 3e degré.
- du 2e degré : quadratique
x' = a0 + a1x + a2y + a3xy + a4x2 + a5y2
y' = b0 + b1x + b2y + b3xy + b4x2 + b5y2
- du 3e degré : cubique
- Cependant,
- l'accroissement du degré du polynôme
entraîne
- l'accroissement du nombre de points amers.
En théorie, il faut autant de :
- points amers ;
que
- de coefficients.
En pratique, en raison de l'ajustement par les moindre carrés on double les points amers :
- transformation linéaire => 6 points amers ;
- transformation quadratique => 12 points amers ;
- transformation cubique => 20 points amers ;
- La qualité de l'ajustement passe par l'analyse des résidus de la transformation des points amers (les seuls connus).
- Analyse de l'erreur quadratique moyenne (RMSerror)
- Analyse des résidus de chaque amers
Un exemple de calcul est développé dans COLLET 1992, pp. 70-73
Lorsque,
- pour chaque point amers ;
et
- pour l'ensemble des points amers.
les distorsions sont faibles
On lance le rééchantillonnage sur l'ensemble du fichier
c'est une transformation par étirement
Mais avant cela, il faut indiquer la valeur de remplissage dans les trous de la grille.
Il existe trois principales méthodes de rééchantillonnage :
- Méthode de rééchantillonnage du plus proche voisin
C'est l'unique solution si l'image contient :
- des valeurs nominales (catégories) ;
- des valeurs ordinales (classes).
- n'altère pas la valeur originale
- produit des "marches d'escaliers"
fig. 6 - Plus proche voisin
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
- Méthode de rééchantillonnage par interpolation bilinéaire
Prend la moyenne pondérée par la distance des 4 pixels les plus proches sur l'image originale.
- pixel résultant altéré ;
- effet plus lissé que le plus proche voisin ;
- ne convient que pour des données quantitatives.
fig. 7 - Interpolation bilinéaire
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
- Méthode de rééchantillonnage par convolution cubique
Prend la moyenne pondérée par la distance des 16 pixels les plus proches sur l'image originale.
- pixel résultant altéré ;
- effet plus lissé que l'interpolation bilinéaire ;
- ne convient que pour des données quantitatives.
fig. 8 - Convolution cubique
Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection
Ces deux dernières méthodes sont très gourmandes en temps de calcul (surtout la convolution cubique).
Communiquez-moi sur la plateforme Moodle, à la rubrique travaux, les réponses aux questions suivantes :
Question n°4.1.1. La luminance apparente est une grandeur exprimée en :
a) comptes numériques
c) W / (m2 . sr)
b) nanomètres
d) %
Question n°4.1.2. La recherche des points amers va permettre de trouver :
a) les radiométries
c) l'unité de la grandeur exprimée
b) la fonction de transformation
d) les valeurs d'interpolation
NB : les mots suivis de "*" font partie du vocabulaire géographique, donc leur définition doit être connue. Faites-vous un glossaire.
