Des images satellites aux cartes vectorielles

From satellite images to vector maps

• Auteur / Autrice : Onur Tasar
• Direction : Pierre Alliez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du Signal et des Images
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Geometric Modeling of 3D Environments
• Jury : Président / Présidente : Xavier Descombes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Alliez, Xavier Descombes, Bertrand Le Saux, Xiaoxiang Zhu, Yuliya Tarabalka, Devis Tuia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Bertrand Le Saux, Xiaoxiang Zhu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage profond

Imagerie satellitaire

Télédétection

Mots clés libres

Apprentissage profond

Segmentation sémantique

Images satellites

Adaptation de domaine

Apprentissage incrémental

Vectorisation d’images

Deep learning

Semantic segmentation

Satellite images

Domain adaptation

Incremental learning

Image vectorization

Résumé

Grâce à d'importants développements technologiques au fil des ans, il a été possible de collecter des quantités massives de données de télédétection. Par exemple, les constellations de divers satellites sont capables de capturer de grandes quantités d'images de télédétection à haute résolution spatiale ainsi que de riches informations spectrales sur tout le globe. La disponibilité de données aussi gigantesques a ouvert la porte à de nombreuses applications et a soulevé de nombreux défis scientifiques. Parmi ces défis, la génération automatique de cartes précises est devenue l'un des problèmes les plus intéressants et les plus anciens, car il s'agit d'un processus crucial pour un large éventail d'applications dans des domaines tels que la surveillance et l'aménagement urbains, l'agriculture de précision, la conduite autonome et la navigation.Cette thèse vise à développer de nouvelles approches pour générer des cartes vectorielles à partir d'images de télédétection. À cette fin, nous avons divisé la tâche en deux sous-étapes. La première étape consiste à générer des cartes matricielles à partir d'images de télédétection en effectuant une classification au niveau des pixels grâce à des techniques avancées d'apprentissage profond. La seconde étape vise à convertir les cartes matricielles en cartes vectorielles en utilisant des structures de données et des algorithmes de géométrie algorithmique. Cette thèse aborde les défis qui sont couramment rencontrés au cours de ces deux étapes. Bien que des recherches antérieures aient montré que les réseaux neuronaux convolutifs (CNN) sont capables de générer d'excellentes cartes lorsque les données d'entraînement sont représentatives des données d'essai, leurs performances diminuent considérablement lorsqu'il existe une grande différence de distribution entre les images d'entraînement et d'essai. Dans la première étape de notre traitement, nous visons principalement à surmonter les capacités de généralisation limitées des CNN pour effectuer une classification à grande échelle. Nous explorons également un moyen d'exploiter de multiples ensembles de données collectées à différentes époques avec des annotations pour des classes distinctes afin de former des CNN capables de générer des cartes pour toutes les classes.Dans la deuxième partie, nous décrivons une méthode qui vectorise les cartes matricielles pour les intégrer dans des applications de systèmes d'information géographique, ce qui complète notre chaîne de traitement. Tout au long de cette thèse, nous expérimentons sur un grand nombre d'images satellitaires et aériennes de très haute résolution. Nos expériences démontrent la robustesse et la capacité à généraliser des méthodes proposées.

With the help of significant technological developments over the years, it has been possible to collect massive amounts of remote sensing data. For example, the constellations of various satellites are able to capture large amounts of remote sensing images with high spatial resolution as well as rich spectral information over the globe. The availability of such huge volume of data has opened the door to numerous applications and raised many challenges. Among these challenges, automatically generating accurate maps has become one of the most interesting and long-standing problems, since it is a crucial process for a wide range of applications in domains such as urban monitoring and management, precise agriculture, autonomous driving, and navigation.This thesis seeks for developing novel approaches to generate vector maps from remote sensing images. To this end, we split the task into two sub-stages. The former stage consists in generating raster maps from remote sensing images by performing pixel-wise classification using advanced deep learning techniques. The latter stage aims at converting raster maps to vector ones by leveraging computational geometry approaches. This thesis addresses the challenges that are commonly encountered within both stages. Although previous research has shown that convolutional neural networks (CNNs) are able to generate excellent maps when training data are representative for test data, their performance significantly drops when there exists a large distribution difference between training and test images. In the first stage of our pipeline, we mainly aim at overcoming limited generalization abilities of CNNs to perform large-scale classification. We also explore a way of leveraging multiple data sets collected at different times with annotations for separate classes to train CNNs that can generate maps for all the classes.In the second part, we propose a method that vectorizes raster maps to integrate them into geographic information systems applications, which completes our processing pipeline. Throughout this thesis, we experiment on a large number of very high resolution satellite and aerial images. Our experiments demonstrate robustness and scalability of the proposed methods.