Pourquoi utiliser les images satellitaires ?

Les satellites, en orbite permanente autour de la Terre, prennent régulièrement des images, offrant ainsi une surveillance étendue de n'importe quelle zone de la planète. Ces images servent aujourd'hui dans de nombreux domaines, tels que l'évaluation des catastrophes, la cartographie de l'utilisation des sols, ainsi que dans les secteurs de la défense et des infrastructures civiles. Avec des résolutions de plus en plus importantes, il est possible aujourd’hui d’atteindre une résolution proche de 1cm pour des satellites basses orbites et proche de 30 cm pour des satellites haute orbites. Une question légitime que l’on pourrait se poser est : à quel moment vais-je réellement avoir besoin d’une telle résolution ?

Prenons l'exemple des catastrophes naturelles : les séismes, les inondations et les glissements de terrain sont des événements extrêmes et de plus en plus fréquents à l'échelle mondiale. Après de tels incidents, l'envoi d'équipes sur le terrain pour évaluer les dégâts est souvent impossible en raison de l'accès limité, de l'isolement des zones touchées, ou des risques encourus. Heureusement, nos capacités à observer, surveiller, et même anticiper et réagir rapidement à ces phénomènes continuent de progresser. L'imagerie satellitaire et les cartes basées sur cette technologie sont devenues des outils essentiels pour la gestion des urgences et des catastrophes. Ces données permettent non seulement d'identifier les zones à risque, mais aussi de prévoir les événements et de prendre des mesures pendant les moments de crises. Si l'imagerie 2D a été largement utilisée jusqu'à présent, l'ajout d'une dimension supplémentaire est désormais possible grâce à ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.

Adressons maintenant un autre thème : le jumeau numérique du territoire. Nous cherchons aujourd’hui à représenter dans l’outil numérique le monde physique qui nous entoure afin de visualiser, gérer et planifier les opérations du quotidien. Un tel projet permet de centraliser les informations afin de construire l’avenir autour d’un socle commun. Grâce aux images satellites, ArcGIS Reality for ArcGIS Pro propose des solutions pour générer rapidement et efficacement des modèles numériques de surface (MNS) et des photomaillages 3D. Depuis la version 3.3 d'ArcGIS Pro, il est également possible de créer des "Orthophotos Vraies" à partir de ces images. Ces types d'orthophotos sont particulièrement utiles pour la cartographie et la surveillance, car elles offrent une vue aérienne parfaitement orthogonale, corrigé de toute distorsions et garantissant ainsi une précision pixel par pixel en 2D.

Ces dernières années, l'accès aux données satellitaires s'est considérablement démocratisé. Pendant des décennies, l'imagerie satellitaire était analysée de manière contextuelle, en extrayant des informations basées sur les valeurs des pixels. Aujourd'hui, grâce aux avancées des algorithmes et à la puissance accrue des ordinateurs, il est possible de réaliser des calculs géométriques (photogrammétrie) à partir de multiples vues satellitaires d'une même zone.

Localement, il est ensuite possible de compléter la production des données 2D et 3D produites à partir d’images satellites par des données aériennes traditionnelles ou des vols de drones.

Comment générer des résultats de qualité à partir d'images satellite ?

Les satellites de nombreux fabricants de capteurs renommés, tels qu'Airbus, Maxar, BlackSky, et autres, effectuent une surveillance périodique de la surface terrestre. Ces fournisseurs permettent de commander des données à la demande en programmant les satellites pour capturer des images d'une zone spécifique. Cela permet aux utilisateurs de personnaliser la collecte de données selon leurs besoins, tout en réduisant les écarts entre les images afin d'optimiser les résultats. Certains capteurs offrent même la possibilité de recueillir simultanément des paires ou triplets d'images stéréoscopiques.

Outre la possibilité de commander l’acquisition d’image, une autre option consiste à accéder aux catalogues d’archives des fournisseurs et à sélectionner les images disponibles les plus appropriées pour générer des résultats de haute qualité.

Afin de garantir un résultat optimal avec Reality for Pro, il est important de respecter certains critères :

1. Utiliser des images primaires/standard, non traitées, jusqu'à 4 canaux, accompagnées des RPC (Coefficients Polynomiaux Rationnels) respectifs en entrée.
2. S'assurer que la totalité de la zone d'intérêt est couverte par l’imagerie et qu'elle présente une redondance suffisante.
3. Choisir la meilleure résolution disponible, en fonction de vos besoins.
4. Sélectionner des images avec des différences radiométriques et temporelles minimales (jusqu'à 1-3 ans recommandés).
5. S'assurer que les images ne comportent pas de zones couvertes par des nuages.
6. Utiliser des masques pour les surfaces planes comme les zones d'eau.
7. Optez pour des valeurs d'élévation du soleil avec un angle supérieures à 60 degrés afin de minimiser les zones d’ombres dans vos résultats.
8. Sélectionnez à la fois des images de type nadir (1-5 degrés) et des images plus obliques (jusqu'à 20-25 degrés) pour garantir une qualité nette et éviter les occlusions et les lacunes dans les données.

Analysons chacune de ces exigences et les recommandations que nous proposons pour obtenir des résultats optimaux :

Type d'image

Reality Mapping prend en charge les données d'imagerie non traitées ainsi que les informations RPC qui les accompagnent. Bien que les fournisseurs d’imagerie soient capables de fournir des images déjà orthorectifiées ou projetées en tant que produit, ce type d'images traitées n'est pas approprié pour ArcGIS Reality for ArcGIS Pro. Il est important de plutôt opter pour de l’imagerie primaire / standard. Le format GeoTiff (8 ou 16 bits) est recommandé, bien que d'autres formats soient également supportés (JPEG2000). Reality Mapping peut fonctionner avec des images multispectrales (avec 3 ou même 4 bandes) et panchromatiques. Si les deux types d'images sont disponibles, il est possible de générer un produit Pansharpen afin de bénéficier de la résolution de l’image panchromatique et de la plage colorimétrique de l’image multispectrale. 

Outre les images unitaires, les fournisseurs d’imagerie offrent souvent la possibilité d'acheter des images stéréo ou tri-stéréo. Si ces images sont disponibles pour votre zone d'intérêt, elles peuvent être utilisées et sont d’ailleurs recommandé afin de limiter les erreurs de reconstruction.

Chevauchement et redondance

Une exigence fondamentale pour une reconstruction réussie est de garantir une couverture correcte de la zone d'intérêt et un chevauchement adéquat entre les images. La reconstruction photogrammétrique repose sur le principe géométrique selon lequel un point dans l'espace 3D doit être visible sur plusieurs images à partir de perspectives différentes pour être reconstruit. Le minimum absolu est de deux images (stéréo), mais il est toujours recommandé d'en avoir plus. En d'autres termes, il faut des images redondantes de la même zone et capturer la scène à partir de différents points de vue. En adaptant ce principe aux données satellitaires et en tenant compte de la disponibilité typique des données archivées, il est conseillé d'avoir au moins 5 à 10 images se chevauchant fortement. Il est certain qu'un plus grand nombre d'images réduit la probabilité de lacunes dans l'information. Le chevauchement recommandé entre les images doit être aussi élevé que possible. Idéalement, la zone d'intérêt devrait être entièrement couverte par chaque image.

 Empreintes des images et chevauchement au-dessus de notre zone d'intérêt. Capture de données avec le capteur
Pleiades Neo d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.

Résolution

La qualité des résultats est directement liée à la résolution des données d'entrée. La résolution d'entrée doit donc être choisie en fonction des exigences de chaque application. En règle générale, les capteurs commerciaux modernes de plusieurs fournisseurs ont une résolution de 30 à 50 cm.

Temps d'acquisition

Avec les constellations de satellites disponibles, des endroits à la surface de la Terre sont visités régulièrement et les images correspondantes peuvent être trouvées dans les archives du fournisseur. Cependant, il faut souvent des mois pour revisiter la même zone et il y a de fortes chances que la zone ait subi des changements entre deux captures consécutives (par exemple, en raison de chantiers de construction en cours, de modifications du paysage, de catastrophes naturelles, d'effets saisonniers). Pour obtenir des résultats optimaux, la période d'acquisition des données doit être aussi courte que possible, idéalement entre 1 et 3 ans. Il s'agit de minimiser les changements significatifs de la scène, à moins que le projet nécessite spécifiquement des données à des fins de détection des changements, par exemple à la suite d'une catastrophe naturelle. Pour réduire l'impact des effets saisonniers, il est conseillé de sélectionner des images de la même saison de l'année afin d'atténuer les changements radicaux tels que les variations de l'apparence de la canopée. Ceci est à prendre en compte en particulier dans les régions où ces changements sont plus prononcés et plus fréquents.

Couverture nuageuse

La couverture nuageuse est un autre facteur à prendre en compte lors de la sélection des images d'entrée. Idéalement, la couverture nuageuse devra être minimale (proche de 0%) afin d'éviter les manques d'information ou le bruit dans nos résultats.

Exemple d’artefacts lié à la présence de nuages dans les images. Ici le bruit généré dans le photomaillage 3D rend la zone
 inexploitable. Capture de données avec le capteur Pleiades Neo d'Airbus. Traitées avec ArcGIS Reality for ArcGIS Pro.

Gestion des masses d'eau

Les zones aquatiques (telles que les mers, les lacs, les rivières, etc.), en particulier les plus grandes, jouent un rôle crucial dans la qualité des résultats et les temps de traitement. Leur mouvement continu, combiné aux conditions de réflexion changeantes, peut introduire du bruit dans les résultats. Cependant, nous proposons une solution : en utilisant des polygones 3D qui attribuent une valeur d'élévation à ces zones d'eau (« Waterbody Features » dans Reality for Pro), nous pouvons améliorer les performances et éliminer le bruit potentiel.

Angle d'élévation du soleil

Il est recommandé d'utiliser des images avec un angle d'élévation du soleil de 60° ou plus afin de réduire les zones d'ombre dans les résultats.

Angle de visualisation

Pour maximiser la précision et l'exhaustivité des données et obtenir des résultats visuels attrayants, il est essentiel de sélectionner une combinaison appropriée d'angles d'incidence et de décadrage entre les images. Par définition, l'angle d'incidence/off-nadir est formé entre la normale au sol et la direction d'observation, souvent appelée « direction de visée ». Par conséquent, plus l'angle est faible, plus l'image est « nadir ». Les images « nadir » nous fournissent des informations sur la géométrie des objets vu d'en haut - par exemple, l'image d'un hangar d'aviation ressemblera à un rectangle – alors que des images avec une direction de visée plus oblique nous fournissent des informations importantes pour la reconstruction des éléments verticaux comme les façades de bâtiments ou encore les falaises ou pans de montagne abrupte. La sélection de la combinaison optimale d'angles d'incidence peut s'avérer complexe. D'une manière générale, nous recommandons une combinaison de plusieurs images de type nadir (angle d'incidence inférieur à 5 degrés) et de quelques images obliques (jusqu'à 20-25 degrés). Cela dit, les vues obliques extrêmes ne sont pas bénéfiques, car elles ne sont pas combinées de manière optimale avec les vues de type nadir dans le flux de travail photogrammétrique. Il est donc important de sélectionner soigneusement les images pour couvrir toutes les directions du regard lorsque cela est possible (par exemple, les quatre façades des bâtiments) afin d'éviter les zones sombres et les lacunes en matière d'information.

Exemples de résultats obtenus à l’aide de ArcGIS Reality for ArcGIS Pro en utilisant les produits Ortho Vraie et Photomaillage 3D !

Marseille

Voici la ville de Marseille en France, nous avons utilisé ici 9 scènes issue de trois images tri-stéréo avec leurs RPC respectifs. Les données ont été capturées par les capteurs Pléiades Neo d’Airbus entre mai et juin 2024.

Tokyo

Regardons à présent la ville de Chuo à Tokyo. Pour ce processus de Reality Mapping, nous avons utilisé 11 scènes avec leurs RPC respectifs. Les données ont été capturées par les capteurs Pleiades Neo d'Airbus entre 2021 et 2023 et téléchargées à partir des archives OneAtlas d'Airbus.

Depuis 2015, la mission Copernicus Sentinel-2 fournit des images optiques pour un large éventail d'applications, notamment la surveillance des terres, des eaux et de l'atmosphère. Elle repose sur une constellation de deux satellites identiques, phasés à 180 degrés, volant en tandem et couvrant l'ensemble des terres et des eaux côtières de la Terre tous les cinq jours.

Chaque satellite embarque un capteur multispectral qui génère des images optiques dans le visible, le proche infrarouge et l'infrarouge court du spectre électromagnétique. Ces images couvrent 13 bandes spectrales à des résolutions de 10, 20 et 60 mètres.

Avec son capteur multispectral et sa large couverture, la mission Sentinel-2 offre non seulement une continuité avec les missions Landsat, mais les élargit également en offrant une plus grande résolution spatiale et des capacités spectrales uniques pour la surveillance de l'agriculture et de la végétation dans le monde entier.

Sentinel-2 permet des applications opérationnelles principalement pour les services terrestres, notamment la surveillance de la végétation, des sols et de la couverture hydrique, ainsi que l'observation des voies navigables intérieures et des zones côtières. 

Pour vous aidez à explorer facilement ce type de données, Esri propose l'application "Sentinel-2 Explorer" que je vous propose de découvrir dans cet article sous la forme d'un tutoriel.