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Télédétection de la surface terrestre par un radiomètre imageur à synthèse douverture : principes de mesure, traitements des données interférométriques.

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Présentation au sujet: "Télédétection de la surface terrestre par un radiomètre imageur à synthèse douverture : principes de mesure, traitements des données interférométriques."— Transcription de la présentation:

1 Télédétection de la surface terrestre par un radiomètre imageur à synthèse douverture : principes de mesure, traitements des données interférométriques et méthode de reconstructions régularisées Bruno PICARD Ecole doctorale des sciences de lenvironnement Méthodes Physiques en Télédétection Université de Versailles - S t Quentin

2 Bruno PICARD2Vendredi 19 Novembre 2004 I - Principe instrumental 1. Enjeux 2. Théorème de Van Cittert – Zernike 3. Configuration et maillage II - Fenêtrage 1. Apodisation 2. Multi-fenêtrage – Rééchantillonnage III - Méthodes de Reconstruction 1. Problème direct – Problème inverse 2. G nest pas un opérateur de TF 3. Méthodes Régularisées IV - Auto-caractérisation des paramètres instrumentaux V - Erreur systématique 1. Qualité de linstrument 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Le mode de polarisation totale PLAN

3 Salinité des océans Enjeux détermine la densité (+SST) circulation générale Humidité des sols Enjeux échange dénergie sol/atm développement des végétaux ressources en eau douce Salinité des océans Difficultés mesure de surface 20 psu SSS 40 psu précision 0.1 psu problème direct Humidité des sols Difficultés mesure de surface 0 m 3 /m 3 w s 0.5 m 3 /m 3 précision 0.04 m 3 /m 3 couverture végétale Humidité des sols [m 3 /m 3 ] Salinité des océans [psu = g (de sel) / kg] Température de brillance [K] Salinité des océans Contraintes instrumentales sensibilité stabilité étalonnage Humidité des sols Contraintes instrumentales mesure multi-angulaire sensibilité 1 K résolution 50 km V kl TF v out

4 Bruno PICARD4Vendredi 19 Novembre 2004 Théorème de Van Cittert - Zernike antennes k & l filtres des récepteurs scène observée cosinus directeurs ligne de base fonction de décorrélation visibilités I-Principe instrumental 1.Enjeux 2. Théorème de Van Cittert Zernike 3. Configuration et Maillage

5 Bruno PICARD5Vendredi 19 Novembre 2004 Domaine de Fourier Domaine spatial I-Principe instrumental 1.Enjeux 2. Théorème de Van Cittert Zernike 3. Configuration et Maillage

6 Bruno PICARD6Vendredi 19 Novembre 2004 Domaine de Fourier Domaine spatial Instrument à bande passante limitée apodisation apodisation sensibilité radiométrique dégradée sensibilité radiométrique améliorée résolution spatiale dégradée I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

7 Bruno PICARD7Vendredi 19 Novembre 2004 C AUCHY B ARTLETT W ELCH C ONNES 1 / ( 1 + ( ) 2 ) (1 - 2 ) 2 Généralisation à 2 dimensions I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

8 Bruno PICARD8Vendredi 19 Novembre 2004 largeur à mi-hauteur hauteur des lobes secondaires Distance de plus courte approche I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage Facteur de mérites

9 Bruno PICARD9Vendredi 19 Novembre 2004 valeurs non nulles avec, il subsiste des valeurs non nulles au bord de la bande passante avec, les valeurs sont nulles au bord de la bande passante I II adaptation progressive paramétrée par I : II : I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage Adaptation à la forme de la bande passante valeurs nulles

10 Bruno PICARD10Vendredi 19 Novembre 2004 Largeur à mi-hauteur Hauteur des lobes dégradation de la résolution spatiale dégradation de la résolution spatiale amélioration de la sensibilité radiométrique amélioration de la sensibilité radiométrique Dist. + courte approche Fenêtre de BLACKMAN lamélioration ne compense pas la dégradation I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

11 Bruno PICARD11Vendredi 19 Novembre 2004 I II avec, il subsiste des valeurs non nulles au bord de la bande passante avec, les valeurs sont nulles au bord de la bande passante avec, on souhaite limiter la dégradation de la résolution spatiale I : II : II I I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage Adaptation à la forme de la bande passante

12 Bruno PICARD12Vendredi 19 Novembre 2004 Dist. + courte approche Hauteur des lobes = 0 = 5 Fenêtre de BLACKMAN nouvelle amélioration de la sennsibilité radiométrique nouvelle amélioration de la sennsibilité radiométrique fenêtres « simples » : lamélioration ne compense pas la dégradation familles de fenêtres : compensation possible Fenêtre de KAISER I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

13 Bruno PICARD13Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage Adaptation à la forme de la bande passante : CONCLUSION bilan partagé : - dépendance angulaire de - amélioration de la sensibilité radiométrique - amélioration de la sensibilité radiométrique - dégradation de la résolution spatiale - dégradation de la résolution spatiale - dépendance angulaire ET radiale de - nouvelle amélioration de la sensibilité radiométrique - compensation possible - compensation possible perspectives : - en jouant sur le paramétrage de, on joue finement sur les caractéristiques de la fenêtre

14 Bruno PICARD14Vendredi 19 Novembre 2004 composition du champ de vue repliement : compromis entre résolution spatiale et étendue du champ de vue exploitable I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage =1/ 3

15 Bruno PICARD15Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage Cellule de reconstruction Cercle unité Horizon terrestre Ciel Repliements Zone non aliasée Zone non aliasée « étendue » composition du champ de vue passage au repère terrestre : grille irrégulière résolution anisotrope Repère des antennesRepère terrestre rééchantillonnage rmulti-fenêtrage

16 Bruno PICARD16Vendredi 19 Novembre 2004 Rééchantillonnage hexagonal cartésien interpolation « classique » interpolation de Fourier : FFT I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

17 Bruno PICARD17Vendredi 19 Novembre 2004 Apodisation : une fenêtre dapodisation pour lensemble de la scène reconstruite Multi-fenêtrage : une fenêtre dapodisation appliquée séparément à chacun pixel I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

18 Bruno PICARD18Vendredi 19 Novembre 2004 Pour une résolution D donnée, on minimise : I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage 0° ° 3 10

19 Bruno PICARD19Vendredi 19 Novembre 2004 Résolution isotrope 55 km Hauteur des lobes secondaires (Blackman = -13 dB) I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

20 Bruno PICARD20Vendredi 19 Novembre 2004 Rééchantillonnage / Multi-fenêtrage : CONCLUSION bilan : rapidité / efficacité - la propriété « à bande passante limitée » permet dutiliser linterpolation de Fourier : rapidité / efficacité une résolution uniforme - il est possible dobtenir une résolution uniforme dans le repère terrestre grâce au multi-fenêtrage - calcul chronophage - dégradation de la sensibilité radiométrique perspectives : - utilisation dune autre famille de fenêtre? I-Principe instrumental II-Fenêtrage 1.Apodisation 2. Multi-fenêtrage Rééchantillonnage

21 Bruno PICARD21Vendredi 19 Novembre 2004 Problème direct – Problème inverse Domaine de Fourier Domaine spatial nest pas un opérateur de transformée de Fourier I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

22 Bruno PICARD22Vendredi 19 Novembre 2004 scène haute résolution I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

23 Bruno PICARD23Vendredi 19 Novembre 2004 scène « basse fréquence » I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

24 Bruno PICARD24Vendredi 19 Novembre 2004 scène « haute fréquence » nest pas un opérateur de transformée de Fourier I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

25 Bruno PICARD25Vendredi 19 Novembre 2004 Problème direct – Problème inverse critères de HADAMARD : existence existence unicité unicité continuité continuité singulière infinité de solutions / Problème inverse mal posé infinité de solutions / Problème inverse mal posé Ici, problème sous-contraint : 4693 données 128x128 inconnues I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

26 Bruno PICARD26Vendredi 19 Novembre 2004 Solution de moindre norme où I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées Or lopérateur est mal conditionné : idéal : rang = réaliste : mal conditionnée

27 Bruno PICARD27Vendredi 19 Novembre 2004 Or lopérateur est mal conditionné : idéal : rang = réaliste : mal conditionnée existence existence unicité unicité continuité continuité régularisation : SVD tronquée I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées Solution de moindre norme où

28 Bruno PICARD28Vendredi 19 Novembre 2004 Régularisation « SVD tronquée » où I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

29 Bruno PICARD29Vendredi 19 Novembre 2004 Régularisation au sens de Tikhonov or singulière où I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

30 Bruno PICARD30Vendredi 19 Novembre 2004 problème inverse mal posé sous la contrainte Domaine de Fourier I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées Régularisation physique Domaine de Fourier Domaine spatial perte dinformation au-delà de la bande passante << régularisation : apport dinformation physique régularisation : apport dinformation physique >> =

31 Bruno PICARD31Vendredi 19 Novembre 2004 Régularisation physique sous la contrainte où I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

32 Bruno PICARD32Vendredi 19 Novembre solution idéale observation Tikhonov SVD tronquée reconstruction Physique I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

33 Bruno PICARD33Vendredi 19 Novembre 2004 Tikhonov lien entre les méthodes de régularisation variation continue du paramètre de régularisation variation continue du paramètre de régularisation opt (scène) et difficile à fixer opt (scène) et difficile à fixer SVD tronquée valeur optimale fixée par les redondances variation discrète du paramètre de régularisation variation discrète du paramètre de régularisation dimensions de lopérateur / apodisation ? dimensions de lopérateur / apodisation ? Physique dimension de lopérateur / résolution dans Fourier pas de paramètre de régularisation pas de paramètre de régularisation I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées

34 Bruno PICARD34Vendredi 19 Novembre 2004 DimensionsTailleMatriceOpérateurs100 reconstructions 590 Mo 100 Mo 15 s 10 min min min 3 min < 5 s reconstruction dans le domaine de Fourier : apodisation + rééchantillonnage I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction 1. Problème direct Problème inverse 2. G = TF ? 3. Méthodes Régularisées Mathématique VS Physique 4693x x2785

35 Bruno PICARD35Vendredi 19 Novembre 2004 Mission SMOS / Instrument MIRAS : antennes par bras = 69 antennes Modélisation de linstrument : 6 paramètres dantennes 4 paramètres pour les filtres 2 largeurs à mi hauteur + 4 erreurs dorientation fréquence centrale + largeur de bande + phase (retard et origine) 690 paramètres 4693 mesures instrumentales I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction IV – Auto- caractérisation

36 Bruno PICARD36Vendredi 19 Novembre 2004 Etude de faisabilité pour un instrument réaliste : I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction IV – Auto- caractérisation

37 Bruno PICARD37Vendredi 19 Novembre 2004 Amplitude Phase ErreurbiaisRMS largeur -3dB1.16/0.80 ° K1.134 K orient. trans1.0/1.1 mm K0.735 K orient. long.4.9/5.0 mm K0.613 K Amplitude2% K1.246 K Phase1.5° K1.087 K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction IV – Auto- caractérisation

38 Bruno PICARD38Vendredi 19 Novembre 2004 Auto-caractérisation CONCLUSION application à un instrument réaliste application à un instrument réaliste chronophage chronophage perspectives : amélioration des algorithmes pas de connaissance a priori de la scène I-Principe instrumental II-Fenêtrage III - Reconstruction IV – Auto- caractérisation

39 Bruno PICARD39Vendredi 19 Novembre 2004 Biais : K Erreur RMS : 0.11 K Biais : K Erreur RMS : 0.07 K Dépendance en : linstrument la méthode de reconstruction la scène la fenêtre I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement Erreur systématique -

40 Bruno PICARD40Vendredi 19 Novembre 2004 perturbée 56°-76° nominale 66° perturbée 76° Biais VS positionErreur RMS VS position Biais VS gain Erreur RMS VS gain Interféromètre imageur = 2 instruments : Hub, basse résolution proche des caractéristiques nominales +Bras, haute résolution I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

41 Bruno PICARD41Vendredi 19 Novembre Erreur RMS Moy 98%88%94% BF 1.33%8.60%6.29% HF % % % I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

42 Bruno PICARD42Vendredi 19 Novembre x10 -5 K / K K / K K / K K / K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

43 Bruno PICARD43Vendredi 19 Novembre 2004 T o V obs moy(T o ) = T unif V unif T ro - + T unif T r I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

44 Bruno PICARD44Vendredi 19 Novembre K / K K / K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

45 Bruno PICARD45Vendredi 19 Novembre K / K K / K K / K K / K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

46 Bruno PICARD46Vendredi 19 Novembre 2004 Erreur systématique CONCLUSION importance de la bonne connaissance de linstrument basse résolution dépendance en la nature de la scène amélioration de la qualité de la reconstruction en travaillant sur des visibilités modifiées autres sources derreurs : modélisation propagation du bruit radiométrique perspectives simulations 1D T unif ? I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique 1. Qualité instrumentale 2. Caractéristique de la scène 3. Repliement

47 Bruno PICARD47Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

48 Bruno PICARD48Vendredi 19 Novembre 2004 T obs = T géo + T soleil + T dif 1x10 5 K < T soleil < 7x10 5 K T géo : distribution en labsence de pollution T dif : diffusion par la surface V obs T r - T i + T -V soleil -V dif I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale fréquence doccurrence de pollution par les alias

49 Bruno PICARD49Vendredi 19 Novembre 2004 T obs = T géo + T soleil + T dif V obs + T -V soleil -V dif cas de référence : K / K K / K Erreur sur T dif : erreur sur le vent (1.5 m/s,±20°) K / K K / K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

50 Bruno PICARD50Vendredi 19 Novembre 2004 T obs = T géo + T soleil + T dif V obs + T -V soleil -V dif cas de référence : K / K K / K Erreur sur T soleil : T soleil K (10%) K / K K / K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

51 Bruno PICARD51Vendredi 19 Novembre composantes de Stokes de la scène observée 4 jeux de mesures instrumentales I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

52 Bruno PICARD52Vendredi 19 Novembre 2004 R x R y C x C y I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

53 Bruno PICARD53Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

54 Bruno PICARD54Vendredi 19 Novembre K K K K I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale K K K K

55 Bruno PICARD55Vendredi 19 Novembre 2004 R x R y C x C y I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale

56 Bruno PICARD56Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale K K K K K K K K

57 Bruno PICARD57Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications 1. Le rayonnement solaire 2. Polarisation totale Applications CONCLUSION Impact du rayonnement solaire pollution dues au repliement et au reflet première quantification des effets perspectives : caractérisation de létendue des zones polluées Mode de polarisation totale importance des éléments bloc-diagonaux robustesse des méthodes régularisées perspective : instrument aux dimensions réalistes

58 Bruno PICARD58Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications Conclusion Conclusion amélioration possible des performances des fenêtres amélioration possible des performances des fenêtres importance de la régularisation importance de la régularisation implémentation pour un instrument réaliste implémentation pour un instrument réaliste comparaison des méthodes comparaison des méthodes participation au groupe de travail ESA participation au groupe de travail ESA faisabilité pour un instrument réaliste faisabilité pour un instrument réaliste caractérisation de lerreur systématique caractérisation de lerreur systématique proposition dune méthode diminuant cette erreur proposition dune méthode diminuant cette erreur étude de limpact du rayonnement solaire étude de limpact du rayonnement solaire faisabilité de la reconstruction full-pol faisabilité de la reconstruction full-pol

59 Bruno PICARD59Vendredi 19 Novembre 2004 I-Principe instrumental II-Fenêtrage III- Reconstruction IV - Auto- caractérisation V- Erreur Systématique VI - Applications Conclusion Perspectives traitement de données réelles comparaison des méthodes lancement en 2007


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