Contributions à l'analyse de séries temporelles d'images SAR

Contributions to SAR Image Time Series Analysis

• Auteur / Autrice : Ammar Mian
• Direction : Jean-Philippe Ovarlez, Guillaume Ginolhac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 26/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SONDRA (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : CentraleSupélec (2015-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Pascal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Philippe Ovarlez, Guillaume Ginolhac, Frédéric Pascal, André Ferrari, Jean-Yves Tourneret, Abdourrahmane Mahamane Atto, Maria Greco
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : André Ferrari, Jean-Yves Tourneret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondelettes

Séries chronologiques

Radar à antenne synthétique

Mots clés libres

Imagerie SAR

Séries temporelles

Détection robuste

Détection de changements

Ondelettes

Télédétection

SAR imaging

Time series

Change detection

Robust detection

Wavelet

Remote Sensing

Résumé

La télédétection par Radar à Synthèse d’Ouverture (RSO) offre une opportunité unique d’enregistrer, d’analyser et de prédire l’évolution de la surface de la Terre. La dernière décennie a permis l’avènement de nombreuses missions spatiales équipées de capteurs RSO (Sentinel-1, UAVSAR, TerraSAR X, etc.), ce qui a engendré une rapide amélioration des capacités d’acquisition d’images de la surface de la Terre. Le nombre croissant d’observations permet maintenant de construire des bases de données caractérisant l’évolution temporelle d’images, augmentant considérablement l’intérêt de l’analyse de séries temporelles pour caractériser des changements qui ont lieu à une échelle globale. Cependant, le développement de nouveaux algorithmes pour traiter ces données très volumineuses est un défi qui reste à relever. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse consiste ainsi à proposer et à développer des méthodologies relatives à la détection de changements dans les séries d’images ROS à très haute résolution spatiale.Le traitement de ces séries pose deux problèmes notables. En premier lieu, les méthodes d’analyse statistique performantes se basent souvent sur des données multivariées caractérisant, dans le cas des images RSO, une diversité polarimétrique, interférométrique, par exemple. Lorsque cette diversité n’est pas disponible et que les images RSO sont monocanal, de nouvelles méthodologies basées sur la décomposition en ondelettes ont été développées. Celles-ci permettent d’ajouter une diversité supplémentaire spectrale et angulaire représentant le comportement physique de rétrodiffusion des diffuseurs présents la scène de l’image. Dans un second temps, l’amélioration de la résolution spatiale sur les dernières générations de capteurs engendre une augmentation de l’hétérogénéité des données obtenues. Dans ce cas, l’hypothèse gaussienne, traditionnellement considérée pour développer les méthodologies standards de détection de changements, n’est plus valide. En conséquence, des méthodologies d’estimation robuste basée sur la famille des distributions elliptiques, mieux adaptée aux données, ont été développées.L’association de ces deux aspects a montré des résultats prometteurs pour la détection de changements.Le traitement de ces séries pose deux problèmes notables. En premier lieu, les méthodes d’analyse statistique performantes se basent souvent sur des données multivariées caractérisant, dans le cas des images RSO, une diversité polarimétrique ou interférométrique, par exemple. Lorsque cette diversité n’est pas disponible et que les images RSO sont monocanal, de nouvelles méthodologies basées sur la décomposition en ondelettes ont été développées. Celles-ci permettent d’ajouter une diversité spectrale et angulaire supplémentaire représentant le comportement physique de rétrodiffusion des diffuseurs présents la scène de l’image. Dans un second temps, l’amélioration de la résolution spatiale sur les dernières générations de capteurs engendre une augmentation de l’hétérogénéité des données obtenues. Dans ce cas, l’hypothèse gaussienne, traditionnellement considérée pour développer les méthodologies standards de détection de changements, n’est plus valide. En conséquence, des méthodologies d’estimation robuste basée sur la famille des distributions elliptiques, mieux adaptée aux données, ont été développées.L’association de ces deux aspects a montré des résultats prometteurs pour la détection de changements.

Remote sensing data from Synthetic Aperture Radar (SAR) sensors offer a unique opportunity to record, to analyze, and to predict the evolution of the Earth. In the last decade, numerous satellite remote sensing missions have been launched (Sentinel-1, UAVSAR, TerraSAR X, etc.). This resulted in a dramatic improvement in the Earth image acquisition capability and accessibility. The growing number of observation systems allows now to build high temporal/spatial-resolution Earth surface images data-sets. This new scenario significantly raises the interest in time-series processing to monitor changes occurring over large areas. However, developing new algorithms to process such a huge volume of data represents a current challenge. In this context, the present thesis aims at developing methodologies for change detection in high-resolution SAR image time series.These series raise two notable challenges that have to be overcome:On the one hand, standard statistical methods rely on multivariate data to infer a result which is often superior to a monovariate approach. Such multivariate data is however not always available when it concerns SAR images. To tackle this issue, new methodologies based on wavelet decomposition theory have been developed to fetch information based on the physical behavior of the scatterers present in the scene.On the other hand, the improvement in resolution obtained from the latest generation of sensors comes with an increased heterogeneity of the data obtained. For this setup, the standard Gaussian assumption used to develop classic change detection methodologies is no longer valid. As a consequence, new robust methodologies have been developed considering the family of elliptical distributions which have been shown to better fit the observed data.The association of both aspects has shown promising results in change detection applications.