Calcul automatique de cartes d'occupation du sol sans données de terrain

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Avec la mise à disposition régulière d’images corrigées des effets atmosphériques et téléchargeables librement par le pôle Theia, il est possible d’imaginer la production de classifications de l’occupation du sol automatique et en continu au fil de la mise à disposition de nouvelles images.

 

Dans le cadre du projet SYRHIUS, un prototype a été développé au CESBIO pour tester les résultats de ce type de classification à l’échelle d’un bassin versant.  La zone d’étude retenue est le Fresquel, un bassin versant de 937 km², situé entre Castelnaudary (le cassoulet) et Carcassonne (la forteresse). Les principales cultures présentes sont : céréales, tournesol, vigne et dans une moindre mesure maïs et colza.

 

Le type de méthode de classification utilisée est une classification supervisée (SVM), pour laquelle les échantillons d’apprentissage ne sont pas des zones connues des images à classer (comme les méthodes supervisées classiques, par exemple celle qui sera utilisée dans le projet THEIA) mais sont issues d’une base de données d’apprentissage créée à partir d’années antérieures et de données de terrain acquises pour ces dates. Une telle méthode présente l’avantage de ne nécessiter aucune connaissance à priori sur l’année en cours (et donc aucune étape manuelle d’apprentissage si la base d’apprentissage est exhaustive) mais présente le défaut de nécessiter un très grand volume de données (les chroniques des années antérieures) et peut entraîner une forte confusion dans le cas d’années au climat exceptionnel.

Illustration de la chaîne de traitement mise en place pour la production des cartes d'occupation du sol.

 

Afin de tester cette approche, le RPG (référentiel parcellaire graphique) a été utilisé sur les années 2011 et 2012 pour le bassin du Fresquel apportant une connaissance spatialisée des cultures semées,  conjointement aux séries landsat5/7 qui permettent de suivre l'évolution temporelle de la réflectance des parcelles du RPG. L’association de ces deux types de données a permis de créer une base d’apprentissage, utilisée dans un second temps pour la classification des années 2013, 2014 et 2015 pour l’ensemble du bassin du Fresquel.

 

Les images de niveau 2A (corrigées des effets atmosphériques et accompagnées d'un masque de nuages) utilisées en entrée du traitement, sont mises à disposition par le centre de données THEIA.  La validation des classifications proposées ne sera possible que lorsque le RPG 2013 sera disponible, néanmoins, de précédentes campagnes ont fait état de résultats convenables avec un kappa autour de 0.65-0.7 pour la région Midi-Pyrénées.

 

Une approche de production en continu de ces classifications a été testée afin de fournir à l’utilisateur des résultats dès le début de la saison agricole. Une nomenclature évolutive a donc été proposée, celle-ci s'enrichissant à mesure de la mise à disposition des images satellite Landsat. Trois dates-clés ont été retenues : fin mars, fin juillet et fin de l’année d’étude : à chacune de ces dates la carte d'occupation est alors recalculée. Plus l'année en cours avance, plus la classification des diverses espèces végétales sera fine et précise. Le niveau de détail augmente donc au fur et à mesure pour atteindre son maximum lors de la production de la dernière carte, à la fin de l'année, comme illustré sur la figure suivante.

 

Production de trois cartes d'occupation durant l'année : la première (S1) en mars, la seconde (S2) en juillet et la dernière (S3) à la fin de l'année, avec des nomenclatures de plus en plus riches

 

Les résultats de cette étude sont disponibles via une interface Web.


On notera cependant l’importance d’une couverture régulière et les problèmes liés à l’ennuagement qui peuvent pour certaines années être très contraignants  comme dans le cas de l’année 2013, très pluvieuse (et dépourvue de données LANDSAT avant la mise en service de LANDSAT 8 en Avril).  En 2013, certaines zones n’ont été observées que trois fois durant l’ensemble de l’année. De très mauvais résultats sont donc obtenus en début de saison agricole, qui s'améliorent par la suite. Heureusement, l'arrivée de Sentinel-2 devrait permettre d'assurer une bien meilleure répétitivité dès 2016.

Le projet SIRHYUS

Le projet SIRHYUS a pour objectifs de concevoir,  de développer et de mettre en œuvre des services opérationnels dédiés à la gestion des ressources en eau douce continentale grâce à l'intégration, l'assimilation et à la valorisation des données satellitaires d’observation de la Terre. Ce projet est mené par un consortium de huit partenaires complémentaires : Veolia Environnement Recherche&Innovations, Veolia Eau, EDF, G2C environnement, Acri ST, l’UMR TETIS-IRSTEA, le CNES, VERI et le CESBIO. Il est financé dans le cadre du 12ème Fonds Unique Interministériel par le ministère en charge de l’eau, les régions Paca et Languedoc- Roussillon, ainsi que par la Fondation Sciences et Techniques pour l’Aéronautique et l’Espace. La finalité de ce projet est de pouvoir proposer de nouveaux services, s'appuyant sur des savoir-faire scientifiques et industriels reconnus. Dans ce cadre, le CESBIO a développé ou amélioré les algorithmes de création de quatre produits : le produit manteau neigeux, le produit occupation du sol, le produit évapotranspiration et le produit quantité d’eau dans le sol. Ces algorithmes sont principalement dédiés à l’exploitation des données Sentinel-2. Dans le cadre de ce projet, deux articles sont publiés sur ce blog : le premier (ci-dessus) concerne l'occupation du sol et le second l'estimation de l'évapotranspiration et du bilan hydrique à l'échelle d'un bassin versant (lien).

 

Yoann Moreau et Isabelle Soleihavoup

Voilà : all the SPOT5 (Take5) images are now available

 

=>  Voilà, it's over, the THEIA team completed the processing of SPOT5 (Take5) level 1C and level  2A data. The time series are now available for download on our server :

https://spot-take5.org

I have counted nearly 3000 level 2A products, and even more level 1C, as we only issue the Level 2A product when the cloud and snow cover is below 90%.

 

Globally, the L1C and L2A have a good quality, even if we spotted a few issues and are thinking of a reprocessing. It will correct defects that only affect a few sites, or some other minor defects :

  • to enhance results above 2 very bright desert sites (Libya 4, NeftaTozeurTunisia), and a few snowy sites
  • to enhance geometric accuracy above one site in England (Devon)
  • to enhance the cloud shadow masks defects related to shadows mostly hidden by the clouds.
  • to provide the data above Stitna in Czeck republic. This site is too close to another site and this prevented the processing. We have a bug to correct in the system to deliver the data.

But for most of the sites, it will be minor changes, and it is not a reason to wait. It is now your turn to work with the data ;-) .

 

 

Here is my preferred site, the one I kept to celebrate the end of the processing. It is in Russia, on the Lena delta. Even if we had to wait the month of June to start to have colors instead of white, and even if July was fully cloudy, August and September brought us beautiful images. Please click on the images, and observe the quickness of the vegetation colour change. The observation date is included in the name of each image.

Toutes les données SPOT5 (Take5) sont disponibles

 

=> Voilà, c'est terminé, l'équipe THEIA a fini de traiter toutes les données SPOT5 (Take5), au niveau 1C et au niveau 2A. Les données sont à mises à disposition sur notre serveur de distribution :

https://spot-take5.org

 

J'ai compté près de 3000 produits de Niveau 2A, et beaucoup plus de niveau 1C, puisque nous ne produisons pas les 2A quand il y a plus de 90% de nuages ou de neige;

 

Globalement, les produits sont de bonne qualité, que ce soit au niveau 1C ou au niveau 2A. Ceci dit, nous avons repéré un petit nombre de défauts et nous envisageons un retraitement.

Les défauts à corriger sont les suivants :

  • 2 sites désertiques très brillants (Libya4 and NeftaTozeurTunisia) ont été déclarés nuageux systématiquement, tout comme certains sites arctiques pour lesquels les produits de Niveau 2A n'ont été produits qu'à la font des neiges.
  • le site Devon, en Angleterre a une performance de superposition géométrique un peu moins bonne que les autres, nous allons le retraiter.
  • pour fournir les données sur le site Stitna, en république Tchèque. Ce site, situé à proximité d'un autre n'a pas pu être traité. Une modification de notre système est nécessaire.
  • Pour améliorer la détection des ombres de nuages, particulièrement dans les cas où les ombres sont partiellement masquées par le nuage lui-même.

Mais pour la plupart des sites, les changements seront minimes, c'est n'est donc pas une raison pour attendre. C'est maintenant à votre tour de travailler avec les données ;-) .

 

 

Et voici mon site préféré, celui que j'ai gardé pour fêter la fin de l'expérience. C'est en Russie, sur le delta de la Lena. Certes, il a fallu attendre la mi-juin pour qu'il commence à dégeler, certes, le mois de juillet a été complètement nuageux. Mais les images d'Aout et Septembre justifient cette attente ! N'hésitez pas à cliquer sur les imagettes. Observez aussi la rapidité des changements de teintes de la végétation !

Ice breaker

=>  Among the sites observed by SPOT5 (Take5), there was the Baffin Island, in the North of Canada. The cloud cover was very high on that site, but it still let us observe the snow melt over land, and the sea ice disappear. As you will see below, it is fascinating to see how the ice cover breaks into pieces. I guess specialits could tell us lots of things on this time series, but I am not a specialist.  If you happen to be a specialist, your comments will be welcome !

 

Summer is short at this lattitude, and as early as the first of September, the snow is back in the mountains, and ten days later, one of the inlets starts to freeze. A large Iceberg did not have time to melt during that summer, and if you look closely at the first images, it seems the iceberg was already stuck there all winter.

 

During summer, the slopes oriented towards South have taken a greenish tint, sign that a few mosses or weeds had time to grow.

Brise glaces

=> Parmi les sites observés par SPOT5 (Take5), il y avait l'île de Baffin au nord du Canada. La couverture nuageuse a été très importante sur ce site, mais elle nous a laissé observer la fonte de la neige sur terre, et le dégel de la banquise sur mer au cours du mois de juillet. Comme vous le verrez sur la série ci dessous, c'est étonnant d'assister au découpage en morceaux de cette couche de glace. J'imagine que des spécialistes pourraient nous expliquer beaucoup de choses, mais je n'en fais pas partie. Si vous êtes spécialiste, n'hésitez pas à commenter.

 

L'été est court à cette latitude, dès le mois de septembre, les premières chutes de neige ont eu lieur, et l'un des bras de mer commence à geler. Un gros Iceberg n'a pas eu le temps de fondre et est resté coincé dans la baie. En regardant bien, on remarque qu'il avait déjà dû y passer tout l'hiver.
En plein été, les versants exposés au sud ont pris une teinte verdâtre, quelques mousses ou brins d'herbe ont dû trouver le temps de pousser.