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Télédétection radar appliquée au suivi des rizières Méthodes utilisant le rapport des intensités de rétrodiffusion

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Télédétection radar appliquée au suivi des rizières Méthodes utilisant le rapport des intensités de rétrodiffusion. Alexandre Bouvet Thèse encadrée par Mme Thuy Le Toan et préparée au CESBIO 9 octobre 2009. INTRODUCTION. Riz et sécurité alimentaire. 1961-2007. 1961-2050.

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Télédétection radar appliquée au suivi des rizièresMéthodes utilisant le rapport des intensités de rétrodiffusion

Alexandre Bouvet

Thèse encadrée par Mme Thuy Le Toan et préparée au CESBIO

9 octobre 2009

slide2

INTRODUCTION

Riz et sécurité alimentaire

1961-2007

1961-2050

  • Première céréale mondiale pour l’alimentation humaine
  • Production mondiale :
    • en augmentation sur les dernières années, mais tend à fléchir
    • augmentation de la population mondiale jusqu’en 2050

Tensions

  • Production par pays :
    • variations interannuelles (conditions météorologiques, subventions)

Superficie cultivée non connue pour la saison et l’année en cours

?

Besoin d’outils de suivi en temps réel de la production rizicole

Source : FAO

slide3

INTRODUCTION

Riz et changement climatique

  • Impact sur le changement climatique
    • Méthane : entre 7% et 19% des émissions mondiales (incertitude)
    • Superficie des zones inondées ? Durée d’inondation ?
  • Impact du changement climatique
    • Evolution des rendements ?
    • Déplacement de la zone de culture ?
    • Changement de pratiques agricoles nécessaires ?

Schneising et al., ACP, 2009

slide4

INTRODUCTION

Apports de la télédétection spatiale

  • Cartographie des rizières pour :
    • estimer en temps réel les surfaces cultivées à chaque saison
    • suivre l’évolution interannuelle des surfaces
    • aider à calculer la production rizicole
    • aider à calculer les émissions de méthane
  • Besoin de méthodes opérationnelles :
    • faciles à implémenter
    • fiables (méthodes robustes et disponibilité des données assurée)
    • avec une bonne couverture spatiale
    • peu onéreuses
slide5

INTRODUCTION

Caractéristiques des zones rizicoles

  • Riz inondé : 88% en surface, 96% en production
  • Localisation : 53°N 40°S (90% en Asie)

 forte couverture nuageuse  utilisation du radar (SAR)

  • Récents changements des pratiques culturales
  • Calendrier inter-champs décalé (tropiques)

méthodes de classification usuelles non adaptées.

SPOT HRG

Delta du Mékong, 18 février 2004

slide6

Plan

  • Introduction
  • Bases physiques et méthodes
  • Etude théorique de la performance des méthodes
  • Sites d’étude et données
  • La cartographie du riz à l’échelle locale
  • La cartographie du riz à l’échelle régionale
  • Conclusions & Perspectives
slide8

BASES PHYSIQUES ET METHODES

ˆ

v

ˆ

v

ˆ

h

ˆ

h

ˆ

k

ˆ

k

v

θ

Les caractéristiques du signal radar

SARs disponibles dans l’espace

1. Fréquence

3

25

5

2. Polarisation

3. Incidence

Horizontale

Verticale

Emission/Réception :

HH, HV, VH, VV

slide9

BASES PHYSIQUES ET METHODES

Interaction surface-volume

Diffusion de volume

Interaction surface-volume

Réflexion spéculaire

Diffusion de volume

eau

Les mécanismes de rétrodiffusion

1

2

3

  • La rétrodiffusion en HH et VV est dominée par l’interaction surface-volume et croît avec la plante (forte dynamique saisonnière : + de 6dB)
  • HH/VV est élevé en raison des tiges verticales qui atténuent l’onde polarisée verticalement
  • Signatures uniques

3

2

Bande C

1

slide10

BASES PHYSIQUES ET METHODES

Choix de la bande de fréquence

  • En bande L : diffraction de Bragg
  • En bande X : faible couverture avec les instruments actuels (haute résolution), limité pour le rapport de polarisation

 bande C

Rosenqvist et al. 1999

Wang et al. 2005

slide11

BASES PHYSIQUES ET METHODES

Approches pour cartographier les rizières (1)

  • La rétrodiffusion en HH et VV croît dans le temps
  •  Utiliser le changement temporel(CT) des co-polarisations
  • Méthodes développées par le passé avec ERS et Radarsat
  • Le Toan et al. 1997 Liew et al. 1998
  • Ribbes et al. 1999 Chen et McNairn 2006

Travaux proposés :

 adapter la méthode au mode « Wide-Swath » de l’instrument ASAR

 adapter la méthode aux cycles de croissance courts

slide12

BASES PHYSIQUES ET METHODES

Approches pour cartographier les rizières (2)

  • HH/VV est élevé
  •  Utiliser le rapport de polarisation(RP)des co-polarisations
  • Non implémentable sur les premiers SAR spatiaux (une seule polarisation)

Travaux proposés :

développer une méthode applicable au mode

« Alternating Polarisation » de l’instrument ASAR d’ENVISAT (disponible depuis 2002)

Dans les deux approches (changement temporel et rapport de polarisation), un rapport d’intensité intervient.

slide13

Bouvet A., Le Toan T., Floury N., Macklin T.

"An end-to-end error model for classification methods based on temporal change or polarization ratio of SAR intensities“

en révision finale à IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing le 21 septembre 2009

Etude théorique de la performance des méthodes

slide14

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

Approche

  • Rapport d’intensité : r=I2/I1 (CT ou RP)
  • Deux classes A et B : et

(rA<rB)

(classe B : riz)

  • Avantages du rapport :
    • adapté aux statistiques des images SAR
    • réduit les effets topographiques
  • Méthode proposée :
    • Seuil de classification : rt
    • Algorithme : si r<rt, alors classe A, sinon classe B
slide15

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

Approche

 Pertinence de l’approche?

 Quelle est la valeur optimale de rt ?

 Quelle est la robustesse de la méthode ? Influence des paramètres du système SAR (nombre de vues, erreurs d’étalonnage, durée entre orbites,…) ?

Besoin d’un modèle d’erreur explicite

slide16

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

PE dépend de 4 paramètres :

ΔrdB=(rB)dB-(rA)dB, la séparabilité des classes

L, le nombre de vues

p(B), la probabilité a priori de la classe B

d, le biais entre le seuil de classification retenu (rt) et r0.

Δr=6dB L=8 p(B)=0,5 d=1

PE=8,9%

Erreur de classification

avec

slide17

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

Effet des paramètres du système SAR

Cross-talkδ

En bleu : paramètres du système satellite

Rapport d’ambiguitéa

En vert : paramètres du traitement des données

En rouge : paramètres de la scène

Fréquence d’observationf(jours)

Δr

Durée du cycle de culturec(jours)

Nombre de vues initialLi

L

Nombre de vues équivalentLe

Taille moyenne des champsF

Taille de pixel initialeR

Probabilité d’Erreur

PE

p(B)

Proportion de riz dans la scènep(riz)

Déséquilibre de gain entre canauxg(RP)

d

Approche générique applicable à plusieurs thèmes

Stabilité radiométriques(CT)

slide18

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

Durée entre deux orbites

  • Cycle de croissance du riz : c jours (80-150 jours)
  • Durée entre deux orbites consécutives : f jours (6-12-35 jours)
  • ParamètreΔr pour n’importe quelle combinaison (f,c) :

ASAR

c=120 jours

RP

Δr (dB)

Sentinel-1

ASAR

La fréquence de revisite est un paramètre critique, surtout pour la méthode du changement temporel.

Δr (dB)

CT

2%

7%

35%

slide19

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

Conclusions sur le rapport d’intensité

  • Le modèle d’erreur permet de prévoir les performances de la méthode en fonction des paramètres de la scène et du système SAR
  • Pour ASAR :
    • paramètres adaptés pour la cartographie des rizières
    • la durée entre deux orbites consécutives reste cependant élevée (35 jours)

 besoin de stratégies d’acquisition des données et de méthodes adaptées

  • Sentinel-1 (lancement prévu par l’ESA en 2011) est prometteur.
slide21

SITES D’ETUDE ET DONNEES

Province de Jiangsu :

1 saison de riz:

repiquage en juin, récolte en octobre.

cycle d’environ 120 jours.

Site de Jiangsu, Chine

2è province en production

3è province en surface cultivée

slide22

SITES D’ETUDE ET DONNEES

Delta du Mékong : plus de la moitié du riz vietnamien, 3% de la production mondiale.

Calendrier cultural : jusqu’à 3 saisons de riz

Site du Delta du Mékong, Vietnam

Provinces intérieures :

1-2-(3a)

Provinces côtières :

2-(3b)

slide23

SITES D’ETUDE ET DONNEES

Données

ENVISAT ASAR

Données acquises en 2007 :

APP pour le rapport de polarisation

WSM pour le changement temporel

slide24

Bouvet A., Le Toan T., Lam Dao N.

"Monitoring of the rice cropping system in the Mekong delta using ENVISAT/ASAR dual polarization data"

IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 47 n°2, pp.517-526, février 2009

Cartographie à l’échelle locale

slide25

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Représentation des histogrammes des deux classes sur le comté de Cho Moi.

Développement de la méthode

Analyse statistique

SIG

  • Calcul de rA, rB, Δr et r0 à chaque date
slide26

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

M : nombre d’images

N : taille de la fenêtre

L : nombre de vues initial

Développement de la méthode

Réduction du speckle

Image originale

Filtrage multi-canal des images :

Image filtrée

slide27

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Développement de la méthode

Utilisation d’une série temporelle

  • Rapport sur une série de données :
  • Intérêt :
    • Les champs ne sont pas tous à leur rapport de polarisation maximal en même temps
    • Les champs sont parfois asséchés pour quelques jours en milieu de saison
  • Seuil par défaut possible : 3dB
slide28

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

6 septembre 2004

Comté de Hongze,

Province de Jiangsu

Bleu=HH, Jaune=VV 34km*38km

Jaune=riz, Rouge=bâti, Noir=autre

Résultat en Chine

Image ASAR APP

Carte des rizières

Cartographie utilisant APP à une seule date

slide29

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Validation en Chine

Collecte d’échantillons d’environ 1km x 1km

Précision : 86-88%

slide30

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Résultat au Vietnam

Saison 1

Saison 2

Cho Moi

60 km

Saison 3a

Saison 3b

slide31

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Validation au Vietnam

89,9% des pixels en commun sur Cho Moi

Carte issue d’APP

SIG

Sur la province d’An Giang

slide32

Bouvet A., Le Toan T.

"Use of ENVISAT/ASAR wide-swath data for timely rice fields mapping in the Mekong river delta"

soumis à Remote Sensing of Environment le 8 juin 2009

évaluation le 30 juillet 2009, deuxième soumission prévue en octobre 2009

Cartographie à l’échelle régionale

slide33

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Développement de la méthode

Utilisation des données ENVISAT/ASAR

  • Cartographie à large échelle : WSM
  • Fréquence d’acquisition sur une même orbite : tous les 35 jours.

 insuffisant pour le changement temporel

 nécessité d’augmenter la fréquence d’observation en utilisant plusieurs orbites

  • Effet de l’incidence : rétrodiffusion variable, mais dynamique saisonnière toujours forte
slide34

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Développement de la méthode

Synthèses multi-orbites

Images du changement temporel

Images originales WSM

Orbite 304

9 images

Orbite 304

8 images

Images du changement temporel max

Orbite 412

10 images

Orbite 412

9 images

Toutes orbites

9 images

Orbite 32

6 images

Orbite 32

4 images

slide35

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Développement de la méthode

Cartes des rizières tous les 35 jours

changement temporel max > 3dB

Pour chaque province, les dates des 3 saisons diffèrent légèrement.

slide36

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Images CTM

Développement de la méthode

Sélection des dates par province

  • Utilisation de profils annuels de NDVI issus de SPOT-VGT pour sélectionner les dates correspondant à chaque saison pour chaque province.
slide37

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Développement de la méthode

Schéma récapitulatif

Images du changement temporel

Images originales WSM

Orbite 304

9 images

Orbite 304

8 images

Images du changement temporel max

Images du changement temporel saisonnier

Orbite 412

10 images

Orbite 412

9 images

Toutes orbites

9 images

Toutes orbites

3 images

Orbite 32

6 images

Orbite 32

4 images

> 3dB

Cartes des rizières aux 3 saisons

Dates à retenir pour chaque province et chaque saison

VGT-S10

36 images

Images originales VGT

Profils NDVI

slide38

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Résultats et validation

An Giang

Tien Giang

R²=0.92

40000 km² (275 km x 260 km)

slide39

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Comparaison APP-WSM

Accord entre les méthodes :

Saison 2 : 81%

Saison 3 : 89%

APP

WSM

plus robuste

plus de détails

 couverture réduite

 après ENVISAT ?

grande couverture

continuité avec futurs systèmes

 grande sensibilité à la fréquence d’observation

slide41

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Conclusions

  • Méthodes génériques utilisant le rapport d’intensité :
    • Evaluation de la performance en fonction des paramètres du système et de la scène
  • Résultats sur le riz :
    • Méthodes simples non supervisées (seuil par défaut)
    • Validation sur deux régions
    • En cours d’implémentation au Vietnam et en Chine
slide42

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Perspectives

  • Utilisation de Sentinel-1 : solution du problème actuel avec ASAR sur la fréquence d’acquisition des données.
  • Complémentarité radar et autres capteurs
  • Vers des projets effectifs pour la production du riz (modèles de rendement) et les émissions de méthane (modèles biogéochimiques)

Merci