Le jeu de données de l’instrument OMEGA

Installé à bord de la sonde Mars Express, l’instrument OMEGA opère en orbite martienne depuis janvier 2004. Les principaux résultats scientifiques de l’instrument ont déjà été abordés au chapitre 1 ainsi que dans le paragraphe précédent. Afin de donner les bases nécessaires à la compréhension du travail réalisé sur ces données (chapitre 7), revenons sur le fonctionnement de l’instrument, la structure du jeu de données et des données elles-mêmes et sur les méthodes employées et développées pour traiter et utiliser ces données.

Fonctionnement de l’instrument OMEGA

OMEGA, spectromètre imageur visible et proche infrarouge est un instrument composite qui opère dans deux canaux de longueurs d’onde : VNIR (Visible and Near-InfraRed), 0,38 - 1,05

µm et SWIR (Short Wavelength InfraRed), 0,93 - 5,1 µm. Le canal VNIR utilise une matrice CCD (384×288 pixels) dont les deux dimensions correspondent respectivement à l’une des deux dimensions spatiales et à la dimension spectrale du cube généré. La seconde dimension spatiale est obtenue par le mouvement du satellite. Le fonctionnement du canal SWIR est dif-férent. Le rayonnement réfléchi par la surface est partagé entre deux spectromètres à réseaux, chacun dispersant la lumière sur une barrette linéaire de 128 détecteurs. Ces sous-ensembles instrumentaux du canal SWIR sont appelés voie C et voie L. Ces deux voies couvrent respec-tivement les gammes spectrales : 0,93 - 2,73 µm et 2,55 – 5,1 µm. Le spectre SWIR complet comprend donc 128×2 = 256 éléments de longueur d’onde appelés « spectels ». Les dimen-sions spatiales sont obtenues d’une part par le déplacement du satellite au-dessus de la surface (« along track ») et d’autre part par le balayage d’un miroir à l’entrée de l’instrument, per-pendiculairement au mouvement de la sonde (« cross track »). Le nombre de pixels dans la direction « cross track » est 128, 64, 32 ou 16 selon l’altitude de la sonde et donc sa vitesse apparente au sol. Dans la direction « along track », le nombre de pixels ne dépend que des choix effectués par l’opérateur et varie entre quelques dizaines et quelques milliers. Lorsque l’instrument opère sur une même orbite, différentes « séquences » successives sont enregistrées avec un nombre de pixels en dimension « cross track » variant selon l’éloignement croissant ou décroissant de la sonde par rapport à la surface.

Structure et calibration du jeu de données

Les données brutes obtenues par l’instrument OMEGA sont stockées sur un serveur de l’IAS (Institut d’Astrophysique Spatiale) à Orsay. Des données annexes permettant la calibration et le référencement spatial des observations sont également fournies. Les données brutes sont rapatriées et calibrées sur un serveur au LPG. La procédure de calibration et de pré-analyse emploie aussi bien des routines et fichiers « publics » fournis par l’IAS (fonction de trans-fert, courant d’obscurité. . .) que des éléments développés au laboratoire comme la détection

automatique systématique des composés volatils (Schmidt, 2007), la correction des effets at-mosphériques ou de l’émission thermique de la surface. . . Les données calibrées sont organisées sous la forme d’une structure de dossiers et de fichiers rigoureuse facilitant par la suite le trai-tement automatisé d’un large volume d’observations. Les cubes hyperspectraux eux-mêmes sont enregistrés au format PDS (norme « Planetary Data System ») et sont très facilement utilisables avec les logiciels IDL et ENVI (ITTvis) grâce aux routines de traitement des don-nées PDS développées au laboratoire. Au fur et à mesure que de nouvelles observations sont calibrées et ajoutées, une liste des observations au format tableur Excel est actualisée. Cette liste contient en outre un certain nombre d’informations annexes sur les observations telles que la localisation spatiale, la géométrie de mesure, la date de l’observation en jours terrestres et degrés de longitude solaire, la présence éventuelle de substances volatiles. . .

Traitement des données par lots

Le logiciel de télédétection ENVI permet très facilement de visualiser et d’effectuer certains traitements simples sur des cubes hyperspectraux étudiés isolément. Le traitement des ob-servations par lots afin de réaliser des statistiques régionales ou temporelles ou des cartes régionales ou globales (chapitre 7) nécessite cependant le développement d’outils complémen-taires. Le logiciel IDL est particulièrement adapté à cet usage. Les cubes hyperspectraux PDS sont chargés en tant que tableaux à trois dimensions : [x, y, λ] où x et y sont les dimensions spatiales et λ la dimension spectrale. Il est alors aisé d’appliquer les opérations voulues : conversion d’unités, rapport entre bandes, intégrations sur une gamme spectrale donnée. . . en utilisant les fonctions de calcul performantes disponibles sous IDL. Grâce au classement hiérarchisé des données OMEGA, il est possible d’automatiser les calculs pour qu’ils soient réalisés successivement sur un grand nombre voire la totalité des observations. Il est ainsi fréquent de pouvoir traiter plusieurs centaines de giga-octets de données en quelques heures. L’utilisation de serveurs de calcul très puissants est nécessaire. Cependant, l’optimisation de la vitesse des calculs revêt une importance plus grande encore. La connaissance de certains principes simples sous IDL permet de gagner plusieurs ordres de grandeur dans les temps de calcul. Je ne détaillerai pas ici la totalité de ces principes. Néanmoins, on peut résumer la plupart de ces recommandations en quelques mots : utiliser les fonctions vectorielles et matricielles avancées d’IDL et ne jamais utiliser les boucles « FOR » et les conditions logiques « IF THEN » dans les programmes. En respectant ces principes, il est possible de réaliser pratiquement n’importe quel type de calcul simple sur la totalité du jeu de données OMEGA en seulement quelques heures. C’est alors le plus souvent l’espace de stockage des produits générés qui devient le facteur limitant.

Utilisation du jeu de données OMEGA avec la suite de logiciels ArcGIS

Les logiciels de type SIG, « Système d’Information Géographique » ou GIS en anglais, sont particulièrement adaptés à la gestion de jeux de données cartographiques complexes tels que

Etude des surfaces planétaires par spectroscopie en réflexion.

Fig.3.1: Capture d’écran d’une session de travail ArcMap (ESRI). Les observations OMEGA correspondant aux 500 premières orbites (en bleu) sont superposées à une carte globale d’al-bédo MOC (noir en blanc). La fenêtre « Identify » affiche les attributs correspondant à 4 observations OMEGA couvrant un point particulier choisi en cliquant sur la carte globale. celui de l’instrument OMEGA. Les avantages de ce type de logiciel concernent particulière-ment la gestion d’une « table attributaire » de métadonnées associées à chaque observation, la possibilité de recherche des observations répondant à des critères particuliers, géographiques ou autres, et les facilités de représentation cartographique. De plus, il s’agit de la plateforme logicielle la plus appropriée pour l’utilisation conjointe de plusieurs jeux de données. Une sta-tion SIG équipée de la suite logicielle ArcGIS (ESRI) a été installée fin 2007 au LPG en vue de développer un SIG martien qui comprendrait les jeux de données principalement utilisés au la-boratoire : MARSIS, OMEGA, SHARAD et SPICAM ainsi que des données complémentaires : imagerie, topographie. . . J’ai alors développé une procédure automatique : « omega2gis » qui permet de générer les fichiers nécessaires à l’utilisation des données OMEGA sur les logiciels ArcGIS. Ce travail a été réalisé avec Jérémie Mouginot, Pierre Beck et Cyril Grima. La procé-dure est écrite en langage IDL et permet de générer les fichiers de type « shapefile » définis par ESRI qui définissent l’extension spatiale de chaque séquence d’observation par un polygone défini point par point. La figure 3.1 présente un exemple de visualisation de ces fichiers. La difficulté principale a consisté à gérer au mieux possible le cas des orbites qui passent par les pôles. La définition des polygones représentant ces séquences nécessite l’utilisation de nombreuses astuces afin d’obtenir un affichage en carte et une réponse aux requêtes géogra-phiques corrects. La procédure établit également la table attributaire correspondant au jeu de données OMEGA en récupérant les informations contenus dans le fichier tableur utilisé

jus-qu’alors pour gérer la collection de données. Les informations obtenues par application de la méthode de classification Wavenglet (Schmidt, 2007) sont notamment incorporées. La totalité des informations de la base de données OMEGA du LPG sont ainsi rendues disponibles sous ArcGIS. Enfin, j’ai ajouté à la table attributaire des champs « météorologiques » (statistiques sur les températures, humidités relatives. . .) correspondant à chaque séquence d’observation OMEGA. Ces données sont issues des simulations GCM effectuée au LMD (voir Chapitre 1, section 3).

3.2 Analyse des spectres proche-IR en réflexion : modèles

numériques.