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

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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  1. 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

  2. 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

  3. 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

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. Bases physiques et méthodes

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. 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

  12. 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.

  13. 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

  14. 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

  15. 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

  16. 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

  17. 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)

  18. 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%

  19. 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.

  20. Sites d’étude et données

  21. 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

  22. 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)

  23. SITES D’ETUDE ET DONNEES Données ENVISAT ASAR Données acquises en 2007 : APP pour le rapport de polarisation WSM pour le changement temporel

  24. 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

  25. 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

  26. 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

  27. 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

  28. 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

  29. CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Validation en Chine Collecte d’échantillons d’environ 1km x 1km Précision : 86-88%

  30. CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Résultat au Vietnam Saison 1 Saison 2 Cho Moi 60 km Saison 3a Saison 3b

  31. 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

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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.

  36. 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.

  37. 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

  38. CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Résultats et validation An Giang Tien Giang R²=0.92 40000 km² (275 km x 260 km)

  39. 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

  40. Conclusions & perspectives

  41. 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

  42. 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

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