Propriétés et traitements des données SAR utilisées

Les données satellites radar ont été acquises dans le cadre de projets déposés auprès des agences spatiales allemande, canadienne, européenne et japonaise : SOAR, ID 6843 et HYD0611, PI : Frédéric Baup. L’accès aux données passe par la réalisation de plan d’acquisition, la zone d’étude n’étant pas couverte de manière systématique par ces capteurs.

Traitement des données SAR

Dans ces travaux de thèses, l’objectif est d’étudier la sensibilité des signaux satellites, à l’échelle de la parcelle. La forme de ces entités sert à l’extraction des données. Les statistiques (minimum, maximum, moyenne, médiane, et écart type) sont déduites de l’ensemble des pixels de chaque parcelle.

L’extraction des coefficients de rétrodiffusion suit les étapes de calibration radiométrique, et de géo-référencement des images. La calibration radiométrique des produits TerraSAR-X est basée sur la procédure décrite par Fritz et al., 2008 en utilisant l’Equation 16. Les images Radarsat-2 et Alos sont calibrées en utilisant le logiciel NEST, qui suit les Equations 17 et 18 (MDA, 2000; Lavalle and Wright, 2009).

0

i (dB) = 20 × log₁₀(DN_i) + 10 × log₁₀(K) + 10 × log₁₀(sin(θ_i)) Équation 16

0

i (dB) = 20 × log₁₀(DN_i/A2_i) + 10 × log₁₀(sin(θ_i)) Équation 17

0

i (dB) = 20 × log₁₀(DN_i) + K Équation 18

Dans le cas des produits délivrés par TerraSAR-X et Alos, la valeur du coefficient de rétrodiffusion ( °) au pixel i, est fonction du compte numérique (DN), de la constante de calibration (K) et de l’angle d’incidence (θ). Concernant les produits Radarsat-2, un gain (A2) est également pris en compte.

Les images sont géo-référencées sur la base d’ortho-photos délivrées par l’Institut Géographique National (IGN). La résolution des ortho-photos (50 cm) est dégradée pour correspondre à la résolution des différents produits satellites. Par la suite, l’image IGN sert de référence pour la localisation de 70 points de référence pour chacune des images SAR. La précision de géo-localisation est de 10 m en moyenne en considérant la taille des pixels des différents produits. A la vue de cette précision, les contours vectoriels des parcelles ont été rognés afin d’éviter les effets de mixels (mélange entre des valeurs radiométriques issues de la parcelle d’intérêt et de la parcelle voisine).

Propriétés d’acquisition des données SAR

Quel que soit le capteur satellitaire, les images sont acquises selon deux modes de fonctionnement :

- Mode Stripmap : il est présent sur les satellites opérant dans les micro-ondes depuis le satellite ERS-1. Il sert à l’acquisition des images TerraSAR-X, Radarsat-2 et Alos. Le faisceau d’antenne illumine une bande du sol, par une séquence d’impulsions. Le déplacement du satellite sur son orbite permet la formation des images (Figure 22a).

46 - Mode Spotlight : il est utilisé pour l’acquisition d’une série d’images TerraSAR-X, à haute résolution spatiale. Le temps d’illumination d’une zone fixe est prolongé, par visée stéréographique dans la direction azimutale. Les images sont caractérisées par une meilleure résolution spatiale au détriment de leur emprise (Figure 22b).

Figure 22 : Représentation des modes de fonctionnement Stripmap a) et Spotlight b).

Images TerraSAR-X

Le satellite allemand TerraSAR-X, lancé en Juin 2007, est dédié à l’observation de la Terre (Breit et al., 2010). Son cycle orbital est de 11 jours. Le capteur RSO embarqué fonctionne en bande X, à une fréquence de 9.65 GHz (λ=3.1 cm). L’instrument est programmable selon quatre modes d’acquisition exclusifs : Stripmap (SM), High Resolution Spotlight, Spotlight (SL), et ScanSAR.

Au cours de l’année 2010, 40 acquisitions ont été effectuées en co-polarisation, à l’aide des modes SM et SL, soit une image tous les 7 jours en moyenne (Figure 23). Les principales caractéristiques des séries d’image sont décrites ci-dessous.

Figure 23 : Chronogramme des acquisitions effectuées par TerraSAR-X (TS-X), avec les modes Stripmap (SM) et Spotlight (SL). Les valeurs numériques en gris correspondent aux angles d’incidence. Les orbites descendantes sont indiquées par les figurés blancs, les ascendantes en noir. Les polarisations HH et VV sont respectivement représentées par des triangles et des ronds.

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Figure 24 : Surfaces communes partagées par les images TerraSAR-X (en modes Stripmap, a), et Spotlight, b)) focalisées sur le super site.

Mode Stripmap (SM)

Ce mode de fonctionnement autorise l’acquisition d’images à des angles compris entre 20 et 45°. Les images délivrées avec un seul état de polarisation sont caractérisées par une couverture spatiale maximale de 30 × 50 km² (distances azimutale et radiale). La résolution azimutale est de 3.3 m, alors que la résolution radiale varie entre 1.70 m à 45° et 3.49 m à 20°.

Entre les mois de février et de novembre, 18 images ont été régulièrement acquises en mode StripMap (Figure 23). Le temps entre deux acquisitions est compris entre 5 et 44 jours. Les images ont été majoritairement acquises à 27.3° (~80%). Seules 4 images ont été acquises avec des angles d’incidence de 31.8° et 41.7°. Toutes les images sont délivrées avec le même état de polarisation (HH) en orbite descendante (excepté une acquisition effectuée en orbite ascendante). Une zone de superficie proche de 600 km² est couverte par l’intégralité des images (Figure 24). Le super-site (représenté par un rectangle blanc sur la Figure 24) est couvert à 70% par cette zone commune. Cette couverture avoisine les 100%, en exceptant la scène acquise en orbite ascendante.

Mode Spotlight (SL)

Ce mode de fonctionnement permet l’acquisition d’images à des angles compris entre 20 et 55°. Les scènes couvrent des distances azimutale et radiale identiques de 10 km. Les images acquises avec un seul état de polarisation ont une résolution azimutale de 1.7 m. La résolution radiale varie entre 1.48 m à 55°, et 3.49 m à 20°.

Entre les mois de mars et de novembre, 22 images ont été régulièrement acquises avec ce mode de fonctionnement (Figure 23). L’intervalle temporel entre deux acquisitions varie de 1 à 33 jours. La série a été acquise à des angles d’incidences compris entre 28,7° et 53,3° (14 images étant délivrées à cet angle d’incidence). Les images sont acquises avec un même état de co-polarisation (HH), excepté trois images acquises avec la co-polarisation verticale (représentées par des figurés ronds sur la Figure 23). Les orbites sont majoritairement descendantes (15 contre 7 ascendantes). Les images sont centrées sur la coordonnée : 43°29’36’’N, 01°14’14’’E, et délimitent une surface commune proche de 100 km², correspondant à 23% du super site (Figure 24).

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Images Radarsat-2

Le satellite canadien Radarsat-2, lancé en Décembre 2007 (Morena et al., 2004), transporte un radar RSO

opérant en bande C, à une fréquence de 5.405 GHz (λ=5.5 cm). Le cycle orbital est de 24 jours. L’instrument embarqué est programmable selon 17 modes d’acquisition.

En 2010, 26 acquisitions ont été effectuées à l’aide du mode Fine Quad-polarization, soit une image tous les 11 jours en moyenne (Figure 25). Les principales caractéristiques de ces produits sont présentées ci-dessous.

Figure 25 : Chronogramme des acquisitions RADARSAT-2 (RS-C) effectuées en mode Fine Quad-polarization. Les valeurs numériques en gris correspondent aux angles d’incidence. Les orbites descendantes et ascendantes sont respectivement indiquées par les figurés blancs et noirs.

Mode Fine Quad-polarization (FQ)

Ce mode de fonctionnement autorise l’acquisition d’images à des angles compris entre 20 et 41°. Les images sont caractérisées par une couverture spatiale identique dans les deux dimensions de 25 × 25 km². La résolution azimutale est de 4.73 m, alors que la résolution en distance varie entre 4.97 et 5.11 m. Les images acquises avec ce mode sont délivrées avec quatre états de polarisation simultanés (HH, VV, HV et VH).

Les images acquises entre les mois de février et de novembre sont séparées de 1 à 31 jours au maximum. Les acquisitions sont effectuées à angles d’incidences compris entre 24.3° et 40.9° (correspondant aux configurations FQ5, 6, 10, 11,

15, 16, 20 et 21). Les images ont été acquises en orbites ascendantes (14) et descendantes (12), couvrant une superficie de 442 km² (Figure 26). Seules les extrémités du super-site ne sont pas

couvertes par cette zone commune, 83% de la zone d’étude étant visibles sur l’ensemble des images.

Figure 26 : Surfaces communes partagées par les images Radarsat-2 (mode Fine Quad-polarization), focalisées sur le super site (pointillés blancs).

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Images ALOS

Le satellite japonais ALOS, lancé en Janvier 2006 (Rosenqvist et al., 2007), transportait deux capteurs optiques et un instrument qui opérait en bande L, à une fréquence de 1.27 GHz (λ=23.6 cm). Le capteur PALSAR (Phased Array L-band Synthetic Aperture Radar) fonctionnait selon cinq modes présélectionnés et mutuellement exclusifs : Fine Beam Single (FBS) et Dual (FBD), Polarimetric, ScanSAR et Direct Transmission. La période de revisite était égale au cycle orbital, soit 46 jours (aucun dépointage n’a été possible en pratique, contrairement aux spécifications théoriques du satellite).

En 2010, les modes FBS et FBD ont été utilisés afin de constituer une série de 7 images (Figure 27). Les principales caractéristiques de ces produits sont décrites ci-dessous. Une série de 26 images a également été acquise entre mars et novembre, en mode ScanSAR. Ces données, caractérisées par une résolution de 100 m, ne sont pas utilisées dans le cadre de cette thèse.

Figure 27 : Chronogramme des acquisitions ALOS (AP-L) effectuées en modes Fine Beam Single (FBS) et Dual (FBD) à 38.7° d’incidence

Modes Fine Beam Single (FBS) et Dual (FBD)

Les images acquises avec ces deux modes de fonctionnement ont en commun l’emprise (70 km de fauchée), l’orbite (ascendante), ainsi que l’angle d’incidence (38.7°). Le mode FBS est caractérisé par son état de polarisation simple (HH). La résolution spatiale est identique dans les directions radiales et azimutales (10 m). Les acquisitions avec le mode FBD sont délivrées avec deux états de polarisation (HH et HV). La résolution est de 10 m dans la direction azimutale, et de 20 m radialement.

Les premières images ont été acquises sur la première moitié de l’année, entre les mois de janvier et de juin. L’intervalle temporel maximum entre deux acquisitions est de 46 jours. Il est réduit à 17 jours au minimum, grâce au recouvrement de fauchées voisines. Concernant la couverture spatiale, une zone d’une superficie proche de 1333 km² est couverte par l’intégralité des images (Figure 28). La partie située à

l’Est du super-site est suivie par les 7 images, elle représente 62% de la surface de la zone d’étude. La partie ouest est seulement suivie par 3 images.

Figure 28 : Surfaces communes partagées par les images Alos (modes Fine Beam Single et Dual), focalisées sur le super site (pointillés blancs).

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