1 Télédétection radar appliquée au suivi des rizières Méthodes utilisant le rapport des...

1

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

2/42

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

1961

1964

1967

1970

1973

1976

1979

1982

1985

1988

1991

1994

1997

2000

2003

2006

Mill

iard

s d

'hab

itan

ts

200

300

400

500

600

700

800

Mill

ion

s d

e to

nn

es

Population mondiale

Production de riz 1961-2007

3

4

5

6

7

8

9

10

1961

1967

1973

1979

1985

1991

1997

2003

2009

2015

2021

2027

2033

2039

2045

Mill

iard

s d

'hab

itan

ts

200

400

600

800

1000

1200

Mill

ion

s d

e to

nn

es

Population mondiale

Production de riz

• 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

Riz et sécurité alimentaire

Source : FAO

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

INTRODUCTION

?

0

50

100

150

200

250

1961

1965

1969

1973

1977

1981

1985

1989

1993

1997

2001

2005

Mill

ion

s d

e to

nn

es

Chine

Inde

Indonésie

Bangladesh

Vietnam

Myanmar

Thaïlande

1961-2050

3/42

• 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 ?

Riz et changement climatique

Schneising et al., ACP, 2009

INTRODUCTION

4/42

• 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

Apports de la télédétection spatiale

INTRODUCTION

5/42

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

forte couverture nuageuse utilisation du radar (SAR)

Caractéristiques des zones rizicoles

CaractéristiquesCulture

traditionnelle

Culture intensiv

e

Taille des champs (ha) 0,1 1,5 à 10

Durée du cycle de culture (jours)

150-250 80-120

Nombre de récoltes par an 1 2-4

Rendement (t/ha) 1,5-2,5 →9

SPOT HRGDelta du Mékong, 18 février 2004

• Récents changements des pratiques culturales

• Calendrier inter-champs décalé (tropiques) méthodes de classification usuelles non adaptées.

INTRODUCTION

6/42

• 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

Plan

7

Bases physiques et

méthodes

8/42

1. Fréquence

Horizontale

Verticale

v

hk

h

v

k

Les caractéristiques du signal radar

2. Polarisation 3. Incidence

Emission/Réception : HH, HV, VH, VV

SARs disponibles dans l’espace

BASES PHYSIQUES ET METHODES

θ

v

3 5 25

9/42

0 20 40 60 80 100 120-20

-15

-10

-5

0

5

Jours après repiquage

0 (

dB)

HH

VV

Les mécanismes de rétrodiffusion

Interaction surface-volume Diffusion

de volumeRéflexion spéculaire

eau

Interaction surface-volume

Diffusion de volume

• 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

Bande C


1 2 3

1

2

3

10/42

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

NomAgen

ceDate Polarisation

Résolution (m)

Fauchée (km)

Incidence (°)

ERS-1 ESA1991-2000

VV 30 100 23

ERS-2 ESA 1995- VV 30 100 23

RADARSAT-1 CSA 1995- HH 8-100 45-500 20-49

ENVISAT/ASAR ESA 2002- mono, double 30-1000 100-400 17-42

RADARSAT-2 CSA 2007-

mono, double,

polarimétrique

1-160 15-500 20-60

RISAT-1 ISRO 2010?

mono, double,

polarimétrique

2-50 10-240 10-54

Sentinel-1 ESA 2011? double 5-80 80-400 20-45


Rosenqvist et al. 1999Wang et al. 2005

NomAgen

ceDate Polarisation

Résolution (m)

Fauchée (km)

Incidence (°)

ERS-1 ESA1991-2000

VV 30 100 23

ERS-2 ESA 1995- VV 30 100 23

RADARSAT-1 CSA 1995- HH 8-100 45-500 20-49

ENVISAT/ASAR ESA 2002- mono, double 30-1000 100-400 17-42

RADARSAT-2 CSA 2007-

mono, double,

polarimétrique

1-160 15-500 20-60

RISAT-1 ISRO 2010?

mono, double,

polarimétrique

2-50 10-240 10-54

Sentinel-1 ESA 2011? double 5-80 80-400 20-45

11/42

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

1

2

1

2

date

date

date

date

VV

VVou

HH

HH

Travaux proposés : adapter la méthode au mode « Wide-Swath

» de l’instrument ASAR adapter la méthode aux cycles de

croissance courts


12/42

• HH/VV est élevé Utiliser le rapport de polarisation (RP) des co-polarisations

• Non implémentable sur les premiers SAR spatiaux (une seule polarisation)

VV

HH

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

Approches pour cartographier les rizières (2)

Travaux proposés : développer une méthode applicable au

mode « Alternating Polarisation » de l’instrument

ASAR d’ENVISAT (disponible depuis 2002)


13

Etude théorique de la

performance des méthodes

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

14/42

• 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

Approche

ArA

A

I

I

,1

,2 BrB

B

I

I

,1

,2

ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

15/42

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

ApprocheETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES

16/42

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.

2

21d

rhBprdhBpPE LL

Erreur de classification

BArrr 0

0

21

1112

kkL

k

LrkLk

L

L

Lrhavec

0rrd tAB rrr


Δr=6dB

L=8 p(B)=0,5

d=1

PE=8,9%

17/42

Effet des paramètres du système SAR

Fréquence d’observation f (jours)Durée du cycle de culture c (jours)

Probabilité d’ErreurPE

p(B)

d

Nombre de vues initial Li

Déséquilibre de gain entre canaux g (RP)Stabilité radiométrique s (CT)

Rapport d’ambiguité a

Proportion de riz dans la scène p(riz)

Δr

En bleu : paramètres du système satelliteEn vert : paramètres du traitement

des donnéesEn rouge : paramètres de la scène

Taille moyenne des champs FTaille de pixel initiale R

LNombre de vues équivalent Le

Cross-talk δ


Approche générique applicable à plusieurs thèmes

18/42

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)• Paramètre Δr pour n’importe quelle combinaison (f,c) :

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

RP

CT

0 50 100-20

-15

-10

-5


VV

(dB

)

0 50 1000

5

10


HH

/VV

(dB

)

c=120 jours

0 10 20 30 406.5

7

7.5

8

8.5

Durée entre les orbites (jours)

90

% (

dB)

c=80 jours

90 jours100 jours

110 jours

120 jours

130 jours140 jours

150 jours

0 10 20 30 40-2

0

2

4

6

8

10

90

% (

dB)

Durée entre les orbites (jours)

ASAR

Sentinel-1


ASAR

Δr

(dB

)Δ

r (d

B)

2% 7% 35%

19/42

• 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.

Conclusions sur le rapport d’intensité


20

Sites d’étude et données

21/42

• 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 production3è province en surface cultivée

SITES D’ETUDE ET DONNEES

22/42

• 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

> 300m

100-300m

5-100m

< 5m

> 300m

100-300m

5-100m

< 5m

SaisonSemis/

Repiquage Récolte

1hiver-

printempsnovembre-décembre février-avril saison sèche

2 été-automne avril-début juin juillet-début aoûtsaison humide

3aautomne-

hiver aoûtnovembre-décembre

saison humide

3b "mua"septembre-novembre décembre-mars

saison humide

Provinces intérieures : 1-2-(3a)

Provinces côtières : 2-(3b)


23/42

Données

APP WSM

Polarisations HH et VV HH

Taille de pixel 12,5m 75m

Largeur de fauchée 105 km 405 km

Angle d’incidence 19,2°-26,7° 17°-42°

Nombre de vues radial 1 7

Nombre de vues azimutal 2 3

ENVISAT ASAR

APP pour le rapport de polarisation WSM pour le changement temporel

J F M A M J J A S O N D J

Saison 1

Saison 2

Saison 3a

Saison 3b

orbite 140

orbite 369


Saison 1

Saison 2

Saison 3a

Saison 3b

orbite 304

orbite 412orbite 032


Données acquises en 2007 :

24

Cartographie à l’échelle locale

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

25/42

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

Développement de la méthode

J F M A M J J A S O N D J-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

<H

H>

/<V

V>

(dB

)

rB

rA r

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070113

r = 3.49 dBr0 = 1.04 dB

rice: rB = 2.78 dB

non-rice: rA

= -0.71 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070217

r = 4.91 dBr0 = 1.84 dB

rice: rB = 4.29 dB

non-rice: rA

= -0.62 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070324

r = 1.76 dB

rice: rB = 0.82 dB

non-rice: rA

= -0.94 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070428

r = 0.55 dB

rice: rB = -0.64 dB

non-rice: rA

= -1.19 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070602

r = 4.79 dBr0 = 1.88 dB

rice: rB = 4.27 dB

non-rice: rA

= -0.52 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070707

r = 3.35 dBr0 = 1.14 dB

rice: rB = 2.82 dB

non-rice: rA

= -0.54 dB

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

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Analyse statistique

SIG

26/42

Développement de la méthode-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070113

r = 3.49 dBr0 = 1.04 dB

rice: rB = 2.78 dB

non-rice: rA

= -0.71 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070217

r = 4.91 dBr0 = 1.84 dB

rice: rB = 4.29 dB

non-rice: rA

= -0.62 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070324

r = 1.76 dB

rice: rB = 0.82 dB

non-rice: rA

= -0.94 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070428

r = 0.55 dB

rice: rB = -0.64 dB

non-rice: rA

= -1.19 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070602

r = 4.79 dBr0 = 1.88 dB

rice: rB = 4.27 dB

non-rice: rA

= -0.52 dB

-20 -10 0 10 200

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

HH/VV (dB)

20070707

r = 3.35 dBr0 = 1.14 dB

rice: rB = 2.82 dB

non-rice: rA

= -0.54 dB

-20 -10 0 10 200

0.5

1

1.5

HH/VV (dB)

20070113

r = 5.41 dBr0 = 2.49 dB

rice: rB = 5.19 dB

non-rice: rA

= -0.21 dB

-20 -10 0 10 200

0.5

1

1.5

HH/VV (dB)

20070217

r = 7.02 dBr0 = 2.99 dB

rice: rB = 6.49 dB

non-rice: rA

= -0.52 dB

-20 -10 0 10 200

0.5

1

1.5

HH/VV (dB)

20070324

r = 0.98 dB

rice: rB = 1.04 dB

non-rice: rA

= 0.06 dB

-20 -10 0 10 200

0.5

1

1.5

HH/VV (dB)

20070428

r = 0.39 dB

rice: rB = -0.10 dB

non-rice: rA

= -0.48 dB

-20 -10 0 10 200

0.5

1

1.5

HH/VV (dB)

20070602

r = 6.73 dBr0 = 3.07 dB

rice: rB = 6.44 dB

non-rice: rA

= -0.29 dB

-20 -10 0 10 200

0.5

1

1.5

HH/VV (dB)

20070707

r = 8.05 dBr0 = 3.49 dB

rice: rB = 7.52 dB

non-rice: rA

= -0.53 dB

Filtrage multi-canal des images :

J F M A M J J A S O N D J-2

0

2

4

6

8

10

<H

H>

/<V

V>

(dB

)

rB

rA r

M

i i

ikk I

I

M

IJ

1

1 NMMNLENL

M : nombre d’images

N : taille de la fenêtre

L : nombre de vues initial


Réduction du speckle

Image originale

Image filtrée

27/42

• 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


-20 -10 0 10 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

HH/VV (dB)

Winter-Spring

r = 6.07 dB

r0 = 3.40 dB

rice: rB = 6.43 dB

non-rice: rA

= 0.36 dB

-20 -10 0 10 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

HH/VV (dB)

Summer-Autumn

r = 7.03 dB

r0 = 3.61 dB

rice: rB = 7.13 dB

non-rice: rA

= 0.10 dB

-20 -10 0 10 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

HH/VV (dB)

Autumn-Winter

r = 6.59 dB

r0 = 3.26 dB

rice: rB = 6.55 dB

non-rice: rA

= -0.04 dB

dii VV

HHr max


Utilisation d’une série temporelle

28/42

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

6 septembre 2004

Comté de Hongze,

Province de Jiangsu

Jaune=riz, Rouge=bâti, Noir=autre

Image ASAR APP Carte des rizières

Résultat en ChineCARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

Cartographie utilisant APP à une seule date

29/42

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

Précision : 86-88%

Validation en ChineCARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE

30/42

Résultat au VietnamSaison 1

Saison 2

Saison 3a

Saison 3b

Cho Moi Riz

Non-riz


60 km

31/42

Validation au Vietnam

(milliers d'ha)Printem

psAutomn

eHiver Total

APP 224,3 294,8 5 524,1

Statistiques 230,6 282,7 7,3 520,6

Différence -6,3 12,1 -2,3 3,5

Différence en %

-2,7% 4,3%-

31,5%0,67%

1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 20080

100

200

300

400

500

600

Mill

iers

d'h

ecta

res

Printemps Automne Hiver Total

89,9% des pixels en commun sur Cho Moi

Sur la province d’An Giang

Carte issue d’APP SIG


32

Cartographie à l’échelle régionale

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

33/42

• 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

CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE


Utilisation des données ENVISAT/ASAR

34/42

Orbite 3049 images

Orbite 41210 images

Orbite 326 images

Orbite 3048 images

Orbite 4129 images

Orbite 324 images

Toutes orbites9 images

Images originales WSM

Images du changement

temporel


temporel max


Saison 1

Saison 2

Saison 3a

Saison 3b

orbite 140

orbite 369


Saison 1

Saison 2

Saison 3a

Saison 3b

orbite 304

orbite 412orbite 032

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Développement de la méthodeCARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

Synthèses multi-orbites

35/42


Cartes des rizières tous les 35 jours


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

changement temporel max > 3dB

36/42

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


Tien Giang

MTC imagesImages CTM



Sélection des dates par province

37/42

Orbite 3049 images

Orbite 41210 images

Orbite 326 images

Orbite 3048 images

Orbite 4129 images

Orbite 324 images



> 3dB

VGT-S1036 images


Bac Lieu - Triple


Bac Lieu - Double


Bac Lieu - Double


Soc Trang - Double


Bac Lieu - Triple


Bac Lieu - Double


Bac Lieu - Double


Soc Trang - Double

Dates à retenir pour chaque

province et chaque saison

Cartes des rizières aux 3 saisons

Images originales WSM


temporel

Images originales VGT

Profils NDVI


Développement de la méthodeSchéma récapitulatif


temporel max


temporel saisonnier

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R²=0.92

Résultats et validationCARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE

0 100 200 3000

50

100

150

200

250

300

350

SurfWSM

= 1.041*SurfStat

- 10466

R²=0.92

RMSE=26433 ha

Surfaces issues des statistiques (milliers d'ha)

Sur

face

s is

sues

de

WS

M (

mill

iers

d'h

a)

Provinces côtières

Provinces intérieures

Tien Giang

An Giang

40000 km² (275 km x 260 km)

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Comparaison APP-WSM

plus robuste plus de détails couverture réduite après ENVISAT ?

APP

WSM

grande couverture continuité avec futurs systèmes grande sensibilité à la fréquence d’observation


Accord entre les méthodes :

Saison 2 : 81%

Saison 3 : 89%

40

Conclusions & perspectives

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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

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

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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)

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Merci

1 Télédétection radar appliquée au suivi des rizières Méthodes utilisant le rapport des...

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