Mise à jour d’une base de données d’occupation du sol à grande échelle en milieux naturels à partir d’une image satellite THR

Updating large-scale land-use database on natural environments from a VHR satellite image

• Auteur / Autrice : Adrien Gressin
• Direction : Nicole Vincent, Nicolas Paparoditis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 12/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 5
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique Paris Descartes / LIPADE - MATIS
• Jury : Président / Présidente : Florence Tupin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicole Vincent, Nicolas Paparoditis, Florence Tupin, Sébastien Lefèvre, Jordi Inglada, Jocelyn Chanussot, Devis Tuia, Clément Mallet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Lefèvre, Jordi Inglada

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie satellitaire

Bases de données

Télédétection

Utilisation du sol

Mots clés libres

Télédétection

Classification

Apprentissage

Mise à jour de BD

Occupation du sol

Images satellite THR

Pléiades

Remote sensing

Classification

Learning

DB updating

Land cover

VHR satellite images

Pléiades

Résumé

Les base de données (BD) d'Occupation du Sol (OCS) sont d'une grande utilité, dans divers domaines. Les utilisateurs recherchent des niveaux de détails tant géométriques que sémantiques très fins. Ainsi, une telle BD d'OCS à Grande Échelle (OCS-GE) est en cours de constitution à l'IGN. Cependant, pour répondre aux besoins des utilisateurs, cette BD doit être mise à jour le plus régulièrement possible, avec une notion de millésime. Ainsi, des méthodes automatiques de mise à jour doivent être mises en place, afin de traiter rapidement des zones étendues. Par ailleurs, les satellites d'observation de la terre ont fait leurs preuves dans l'aide à la constitution de BD d'OCS à des échelles comparables à celle de CLC. Avec l'arrivée de nouveaux capteurs THR, comme celle du satellite Pléiades, la question de la pertinence de ces images pour la mise à jour de BD d'OCS-GE se pose naturellement. Ainsi, l'objet de cette thèse est de développer une méthode automatique de mise à jour de BDs d'OCS-GE, à partir d'une image satellite THR monoscopique (afin de réduire les coûts d'acquisition), tout en garantissant la robustesse des changements détectés. Le cœur de la méthode est un algorithme d'apprentissage supervisés multi-niveaux appelé MLMOL, qui permet de prendre en compte au mieux les apparences, éventuellement multiples, de chaque thème de la BD. Cet algorithme, complètement indépendant du choix du classifieur et des attributs extraits de l'image, peut être appliqué sur des jeux de données très variés. De plus, la multiplication de classifications permet d'améliorer la robustesse de la méthode, en particulier sur des thèmes ayant des apparences multiples (e,g,. champs labourés ou non, bâtiments de type maison ou hangar industriel, ...). De plus, l'algorithme d'apprentissage est intégré dans une chaîne de traitements (LUPIN) capable, d'une part de s'adapter automatiquement aux différents thèmes de la BD pouvant exister et, d'autre part, d'être robuste à l'existence de thèmes in-homogènes. Par suite, la méthode est appliquée avec succès à une image Pléiades, sur une zone à proximité de Tarbes (65) couverte par la BD OCS-GE constituée par IGN. Les résultats obtenus montrent l'apport des images Pléiades tant en terme de résolution sub-métrique que de dynamique spectrale. D'autre part, la méthode proposée permet de fournir des indicateurs pertinents de changements sur la zone. Nous montrons par ailleurs que notre méthode peut fournir une aide précieuse à la constitution de BD d'OCS issues de la fusion de différentes BDs. En effet, notre méthode a la capacité de prise de décisions lorsque la fusion de BDs génère des zones de recouvrement, phénomène courant notamment lorsque les données proviennent de différentes sources, avec leur propre spécification. De plus, notre méthode permet également de compléter d'éventuels lacunes dans la zone de couverture de la BD générée, mais aussi d'étendre cette couverture sur l'emprise d'une image couvrant une étendue plus large. Enfin, la chaîne de traitements LUPIN est appliquée à différents jeux de données de télédétection afin de valider sa polyvalence et de juger de la pertinence de ces données. Les résultats montrent sa capacité d'adaptation aux données de différentes résolutions utilisées (Pléiades à 0,5m, SPOT 6 à 1,5m et RapidEye à 5m), ainsi que sa capacité à utiliser les points forts des différents capteurs, comme par exemple le canal red-edge de RapidEye pour la discrimination du thème forêts, le bon compromis de résolution que fournit SPOT 6 pour le thème zones bâties et l'apport de la THR de Pléiades pour discriminer des thèmes précis comme les routes ou les haies.

Land-Cover geospatial databases (LC-BDs) are mandatory inputs for various purposes such as for natural resources monitoring land planning, and public policies management. To improve this monitoring, users look for both better geometric, and better semantic levels of detail. To fulfill such requirements, a large-scale LC-DB is being established at the French National Mapping Agency (IGN). However, to meet the users needs, this DB must be updated as regularly as possible while keeping the initial accuracies. Consequently, automatic updating methods should be set up in order to allow such large-scale computation. Furthermore, Earth observation satellites have been successfully used to the constitution of LC-DB at various scales such as Corine Land Cover (CLC). Nowadays, very high resolution (VHR) sensors, such as Pléiades satellite, allow to product large-scale LC-DB. Consequently, the purpose of this thesis is to propose an automatic updating method of such large-scale LC-DB from VHR monoscopic satellite image (to limit acquisition costs) while ensuring the robustness of the detected changes. Our proposed method is based on a multilevel supervised learning algorithm MLMOL, which allows to best take into account the possibly multiple appearances of each DB classes. This algorithm can be applied to various images and DB data sets, independently of the classifier, and the attributes extracted from the input image. Moreover, the classifications stacking improves the robustness of the method, especially on classes having multiple appearances (e.g., plowed or not plowed fields, stand-alone houses or industrial warehouse buildings, ...). In addition, the learning algorithm is integrated into a processing chain (LUPIN) allowing, first to automatically fit to the different existing DB themes and, secondly, to be robust to in-homogeneous areas. As a result, the method is successfully applied to a Pleiades image on an area near Tarbes (southern France) covered by the IGN large-scale LC-DB. Results show the contribution of Pleiades images (in terms of sub-meter resolution and spectral dynamics). Indeed, thanks to the texture and shape attributes (morphological profiles, SFS, ...), VHR satellite images give good classification results, even on classes such as roads, and buildings that usually require specific methods. Moreover, the proposed method provides relevant change indicators in the area. In addition, our method provides a significant support for the creation of LC-DB obtain by merging several existing DBs. Indeed, our method allows to take a decision when the fusion of initials DBs generates overlapping areas, particularly when such DBs come from different sources with their own specification. In addition, our method allows to fill potential gaps in the coverage of such generating DB, but also to extend the data to the coverage of a larger image. Finally, the proposed workflow is applied to different remote sensing data sets in order to assess its versatility and the relevance of such data. Results show that our method is able to deal with such different spatial resolutions data sets (Pléiades at 0.5 m, SPOT 6 at 1.5 m and RapidEye at 5 m), and to take into account the strengths of each sensor, e.g., the RapidEye red-edge channel for discrimination theme forest, the good balance of the SPOT~6 resolution for built-up areas classes and the capability of VHR of Pléiades images to discriminate objects of small spatial extent such as roads or hedge.