Tutoriel classification d’images avec ArcMap: 2- Prétraitement et exploration des données

On appelle fonctions de pré-traitement les opérations qui sont normalement requises avant l’analyse principale et l’extraction de l’information. Les opérations de pré-traitement se divisent en corrections radiométriques et en corrections géométriques. Les corrections radiométriques comprennent entre autres, la correction des données à cause des irrégularités du capteur, des bruits dus au capteur ou à l’atmosphère, et de la conversion des données afin qu’elles puissent représenter précisément le rayonnement réfléchi ou émis mesuré par le capteur. Les corrections géométriques comprennent la correction pour les distorsions géométriques dues aux variations de la géométrie Terre-capteur, et la transformation des données en vraies coordonnées (par exemple en latitude et longitude) sur la surface de la Terre.

Les fonctions de rehaussement ont pour but d’améliorer l’apparence de l’imagerie pour aider l’interprétation et l’analyse visuelles. Les fonctions de rehaussement permettent l’étirement des contrastes pour augmenter la distinction des tons entre les différents éléments d’une scène, et le filtrage spatial pour rehausser (ou éliminer) les patrons spatiaux spécifiques sur une image.



Les transformations d’images sont des opérations similaires à ceux de rehaussement de l’image. Cependant, alors que le rehaussement de l’image qui est normalement appliqué à une seule bande de données à la fois, la transformation de l’image combine le traitement des données de plusieurs bandes spectrales. Des opérations arithmétiques (c’est-à-dire addition, soustraction, multiplication, division) sont faites pour combiner et transformer les bandes originales en de « nouvelles » images qui montrent plus clairement certains éléments de la scène. Nous allons examiner certaines de ces opérations incluant les diverses méthodes de rapport de bande aussi appelé rapport spectral et un procédé appelé analyse des composantes principales qui est utilisée pour mieux représenter l’information en imagerie multispectrale.

Corrections radiométriques

Les corrections radiométriques peuvent être nécessaires à cause des variations dans l’illumination et dans la géométrie de visée d’une scène, des conditions atmosphériques, du bruit et de la réponse du capteur. Chacun de ces facteurs variera selon le capteur et la plate-forme utilisés, et selon les conditions d’acquisition des données. Aussi, il peut être souhaitable de convertir et de calibrer les données avec une unité de rayonnement ou réflexion connue (absolue) pour faciliter la comparaison entre les données.

Diverses méthodes de corrections atmosphériques peuvent être appliquées, allant de modèles très détaillés des conditions atmosphériques durant l’acquisition des données, jusqu’à un simple calcul basé seulement sur les données de l’image.

Quelle est la différence entre la radiance et la réflectance?

La radiance est la variable directement mesurée par les instruments de télédétection. Fondamentalement, vous pouvez considérer la radiance comme la quantité de lumière que l’instrument « voit » à partir de l’objet observé. Lorsque vous regardez à travers l’atmosphère, une partie de la lumière diffusée par celle-ci sera vue par l’instrument et incluse dans la radiance observée de la cible. L’atmosphère absorbera également la lumière, ce qui diminuera la luminosité observée.

La réflectance est le rapport entre la quantité de lumière quittant une cible et la quantité de lumière atteignant la cible. Il n’y a pas d’unités. Si toute la lumière quittant la cible est interceptée pour la mesure de la réflectance, le résultat est appelé « réflectance hémisphérique ».

La réflectance (ou plus spécifiquement la réflectance hémisphérique) est une propriété du matériau observé. La radiance, en revanche, dépend de l’éclairement (à la fois de l’intensité et de la direction), de l’orientation et de la position de la cible et du trajet de la lumière à travers l’atmosphère. Avec des efforts, de nombreux effets atmosphériques et l’éclairage solaire peuvent être compensés dans les données de télédétection. Cela donne ce qu’on appelle une « réflectance apparente » et elle diffère de la réflectance vraie en ce que les ombres et les effets directionnels sur la réflectance n’ont pas été traités. Beaucoup de gens parlent simplement de « réflectance ».

Pour de nombreuses applications, la luminance énergétique, la réflectance et la réflectance apparente peuvent être utilisées de manière interchangeable. Cependant, la réflectance étant une propriété du matériau cible lui-même, vous obtiendrez les valeurs d’indice de végétation les plus fiables (et répétables) à l’aide de la réflectance. La réflectance apparente est adéquate dans de nombreux cas.

Pour une description détaillée des méthodes de correction atmosphériques des images Landsat 8, vous pouvez suivre ce lien: http://www.gisagmaps.com/landsat-8-atco-guide/

La question que l’on se pose régulièrement est : est-ce nécessaire de réaliser une correction atmosphérique pour mon projet?

Par exemple, une des applications courantes de l’imagerie satellitaire est le calcul du NDVI (normalized difference vegetation index).  

 

{\displaystyle {\mbox{NDVI}}={\frac {({\mbox{NIR}}-{\mbox{Red}})}{({\mbox{NIR}}+{\mbox{Red}})}}}

NIR est la valeur de la bande du proche infrarouge et Red est la valeur de la bande du rouge visible.

Les valeurs du NDVI sont comprises en théorie entre -1 et +1, les valeurs négatives correspondant aux surfaces autres que les couverts végétaux, comme la neige, l’eau ou les nuages, pour lesquelles la réflectance dans le rouge est supérieure à celle du proche infrarouge. Pour les sols nus, les réflectances étant à peu près du même ordre de grandeur dans le rouge et le proche infrarouge, le NDVI présente des valeurs proches de 0. Les formations végétales quant à elles, ont des valeurs de NDVI positives, généralement comprises entre 0,1 et 0,7 – les valeurs les plus élevées correspondant aux couverts les plus denses.

Quand vous téléchargez une image Landsat 8, les valeurs de ces bandes sont données en unités de radiance.

La radiance est la quantité physique mesurée par le capteur. Elle se mesure en Watts (W), et dépend de la longueur d’onde (nm), de la surface de la cible (pixel) (m2) et de l’angle du cône de mesure (sr: stéradian). L’unité est donc W / (nm. m2. sr ).
La réflectance est le ratio de la radiance de la cible à la radiance d’une cible idéale qui réfléchirait 100% de la lumière incidente. Elle n’a donc pas d’unité, ou est donnée en pourcentage.
Ces deux quantités peuvent être mesurées/calculées aussi bien avec (au niveau du capteur) ou sans (au niveau de la surface) l’atmosphère .

La correction atmosphérique permet d’obtenir des données de réflectances qui (en théorie) ne dépendent pas des conditions atmosphériques. La correction atmosphérique permet donc de comparer les caractéristiques spectrales d’une cible au cours du temps ou à différents endroits. Pour notre exemple de classification, en théorie, nous pouvons aussi bien la faire sur les données de radiances délivrées par le fournisseur que sur les données de réflectance après correction atmosphérique. En pratique, la plupart des utilisateurs préfèrent travailler avec les données de réflectance, mais c’est surtout un question d’habitude. Cependant, une bonne raison d’utiliser les données de réflectance, est si l’on dispose de mesures de signatures spectrales sur le terrain et que l’on souhaite les utiliser comme références pour la classification.

En pratique

Prenons un exemple concret. Dans l’article Utiliser les images Landsat dans votre SIG  vous trouverez comment télécharger une image Landsat 8 à partir du site Earth Explorer. Téléchargez une image d’une zone à votre convenance, en prenant soin de choisir le téléchargement de l’image complète (l’option Level-1 GeoTIFF Data Product).

Une fois décompressée vous aurez un répertoire contenant une série de fichiers:

Les images dont le nom se termine par B1 à B11 correspondent aux onze bandes du satellite. Elles contiennent des valeurs de radiance. Pour le NDVI on utilise les bandes 4 (rouge) et 5 (proche infrarouge).

Les données nécessaires aux différentes corrections sont contenues dans le fichier dont le nom se termine par MLT.

Pour le calcul du NDVI on utilise généralement une correction en TOA (Top-of-Atmosphere) en réflectance.

Pour convertir les données d’une bande (radiances) en TOA réflectances on utilise la méthode suivante:

pA’ =Mp*Qcal + Ap

Où:

pA’ = réflectance TOA, non corrigée de l’angle d’incidence solaire;

Mp = Facteur de redimensionnement multiplicatif spécifique à la bande à partir des métadonnées : REFLECTANCE_MULT_BAND_x,  où X est le numéro de bande.

Ap = Facteur de redimensionnement additif spécifique à la bande à partir des métadonnées : REFLECTANCE_ADD_BAND_x, où X est le numéro de bande.

Qcal = valeur fourni dans la bande X du pixel.

Pour avoir une correction de la réflectance en fonction de l’angle d’incidence solaire, on utilise la formule suivante:

pA = pA’/sin(theta_se)

pA est la réflectance TOA corrigée de l’incidence solaire

theta_se= angle d’élévation du soleil au centre de l’image, fourni dans les métadonnées : SUN_ELEVATION.

Exemple de calcul avec ArcMap

Tout d’abord, si nous voulons, par exemple, calculer la correction atmosphérique de la Bande rouge (B4), nous aurons besoin des deux valeurs correspondantes à cette bande: REFLECTANCE_MULT_BAND_4 et REFLECTANCE_ADD_BAND_4

et la valeur de SUN_ELEVATION pour la correction finale

Nous chargeons la bande n°4 dans ArcMap

On ouvre la calculatrice raster (à partir de la Toolbox Spatial Analyst Tools -> Map Algebra -> Raster calculator)

On rentre la formule de calcul suivante, qui correspond aux formules décrites plus haut avec les valeurs obtenues du fichier de métadonnées:

((0.00002 * « LC08_L1TP_203026_20181102_20181102_01_RT_B4.TIF »)-0.1)/0.42631886

Comme la calculatrice utilise des radians pour les fonctions trigonométriques, nous avons calculé le sinus de 25.23417171 (0.426318) de manière à simplifier la formule.

Une fois exécutée la commande, nous retrouvons une nouvelle image avec des valeurs de réflectance au lieu de radiances.

Nous répétons l’opération pour la bande 5. Une fois les deux bandes corrigées en TOA, on calcule le NDVI avec la calculatrice raster:

Le résultat une fois appliqué un gradient de couleurs (du vert au rouge en passant par le jaune), est le suivant:

Les valeurs négatives, dans le vert, correspondent aux surfaces autres que les couverts végétaux, comme l’eau ou les nuages, pour lesquelles la réflectance dans le rouge est supérieure à celle du proche infrarouge. Pour les sols nus, les réflectances étant à peu près du même ordre de grandeur dans le rouge et le proche infrarouge, le NDVI présente des valeurs proches de 0, en jaune. Les formations végétales quant à elles, ont des valeurs de NDVI positives, dans les tons rouges, généralement comprises entre 0,1 et 0,7 – les valeurs les plus élevées correspondant aux couverts les plus denses.

 

 

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