Thèse encadrée par Mme Thuy Le Toan et préparée au CESBIO Télédétection radar appliquée au suivi des rizières Méthodes utilisant le rapport des intensités de rétrodiffusion Alexandre Bouvet Thèse encadrée par Mme Thuy Le Toan et préparée au CESBIO 9 octobre 2009

Riz et sécurité alimentaire INTRODUCTION Riz et sécurité alimentaire Première céréale mondiale pour l’alimentation humaine Production mondiale : en augmentation sur les dernières années, mais tend à fléchir augmentation de la population mondiale jusqu’en 2050  Tensions Production par pays : variations interannuelles (conditions météorologiques, subventions)  Superficie cultivée non connue pour la saison et l’année en cours 1961-2007 1961-2050 ?  Besoin d’outils de suivi en temps réel de la production rizicole Source : FAO

Riz et changement climatique INTRODUCTION Riz et changement climatique Impact sur le changement climatique Méthane : entre 7% et 19% des émissions mondiales (incertitude) Superficie des zones inondées ? Durée d’inondation ? Impact du changement climatique Evolution des rendements ? Déplacement de la zone de culture ? Changement de pratiques agricoles nécessaires ? Schneising et al., ACP, 2009

Apports de la télédétection spatiale INTRODUCTION Apports de la télédétection spatiale Cartographie des rizières pour : estimer en temps réel les surfaces cultivées à chaque saison suivre l’évolution interannuelle des surfaces aider à calculer la production rizicole aider à calculer les émissions de méthane Besoin de méthodes opérationnelles : faciles à implémenter fiables (méthodes robustes et disponibilité des données assurée) avec une bonne couverture spatiale peu onéreuses

Culture traditionnelle INTRODUCTION Caractéristiques des zones rizicoles Riz inondé : 88% en surface, 96% en production Localisation : 53°N  40°S (90% en Asie)  forte couverture nuageuse  utilisation du radar (SAR) Caractéristiques Culture traditionnelle   Culture intensive Taille des champs (ha) 0,1 1,5 à 10 Durée du cycle de culture (jours) 150-250 80-120 Nombre de récoltes par an 1 2-4 Rendement (t/ha) 1,5-2,5 →9 Récents changements des pratiques culturales Calendrier inter-champs décalé (tropiques)  méthodes de classification usuelles non adaptées. SPOT HRG Delta du Mékong, 18 février 2004

Plan Introduction Bases physiques et méthodes Etude théorique de la performance des méthodes Sites d’étude et données La cartographie du riz à l’échelle locale La cartographie du riz à l’échelle régionale Conclusions & Perspectives

Bases physiques et méthodes

Les caractéristiques du signal radar BASES PHYSIQUES ET METHODES Les caractéristiques du signal radar SARs disponibles dans l’espace 1. Fréquence 3 5 25 2. Polarisation 3. Incidence v ˆ h k Horizontale h ˆ v k Verticale θ v Emission/Réception : HH, HV, VH, VV

Les mécanismes de rétrodiffusion BASES PHYSIQUES ET METHODES Les mécanismes de rétrodiffusion Interaction surface-volume Diffusion de volume Interaction surface-volume Diffusion de volume Réflexion spéculaire eau 1 2 3 La rétrodiffusion en HH et VV est dominée par l’interaction surface-volume et croît avec la plante (forte dynamique saisonnière : + de 6dB) HH/VV est élevé en raison des tiges verticales qui atténuent l’onde polarisée verticalement Signatures uniques 3 2 Bande C 1

Choix de la bande de fréquence BASES PHYSIQUES ET METHODES Choix de la bande de fréquence En bande L : diffraction de Bragg En bande X : faible couverture avec les instruments actuels (haute résolution), limité pour le rapport de polarisation  bande C Rosenqvist et al. 1999 Wang et al. 2005 Nom Agence Date Polarisation Résolution (m) Fauchée (km) Incidence (°) ERS-1 ESA 1991-2000 VV 30 100 23 ERS-2 1995- RADARSAT-1 CSA HH 8-100 45-500 20-49 ENVISAT/ASAR 2002- mono, double 30-1000 100-400 17-42 RADARSAT-2 2007- mono, double, polarimétrique 1-160 15-500 20-60 RISAT-1 ISRO 2010? 2-50 10-240 10-54 Sentinel-1 2011? double 5-80 80-400 20-45 Nom Agence Date Polarisation Résolution (m) Fauchée (km) Incidence (°) ERS-1 ESA 1991-2000 VV 30 100 23 ERS-2 1995- RADARSAT-1 CSA HH 8-100 45-500 20-49 ENVISAT/ASAR 2002- mono, double 30-1000 100-400 17-42 RADARSAT-2 2007- mono, double, polarimétrique 1-160 15-500 20-60 RISAT-1 ISRO 2010? 2-50 10-240 10-54 Sentinel-1 2011? double 5-80 80-400 20-45

Approches pour cartographier les rizières (1) BASES PHYSIQUES ET METHODES Approches pour cartographier les rizières (1) La rétrodiffusion en HH et VV croît dans le temps  Utiliser le changement temporel (CT) des co-polarisations Méthodes développées par le passé avec ERS et Radarsat Le Toan et al. 1997 Liew et al. 1998 Ribbes et al. 1999 Chen et McNairn 2006 Travaux proposés :  adapter la méthode au mode « Wide-Swath » de l’instrument ASAR  adapter la méthode aux cycles de croissance courts

Approches pour cartographier les rizières (2) BASES PHYSIQUES ET METHODES Approches pour cartographier les rizières (2) HH/VV est élevé  Utiliser le rapport de polarisation (RP) des co-polarisations Non implémentable sur les premiers SAR spatiaux (une seule polarisation) Travaux proposés :  développer une méthode applicable au mode « Alternating Polarisation » de l’instrument ASAR d’ENVISAT (disponible depuis 2002) Dans les deux approches (changement temporel et rapport de polarisation), un rapport d’intensité intervient.

Etude théorique de la performance des méthodes Bouvet A., Le Toan T., Floury N., Macklin T. "An end-to-end error model for classification methods based on temporal change or polarization ratio of SAR intensities“ en révision finale à IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing le 21 septembre 2009 Etude théorique de la performance des méthodes

Approche Rapport d’intensité : r=I2/I1 (CT ou RP) ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES Approche Rapport d’intensité : r=I2/I1 (CT ou RP) Deux classes A et B : et (rA<rB) (classe B : riz) Avantages du rapport : adapté aux statistiques des images SAR réduit les effets topographiques Méthode proposée : Seuil de classification : rt Algorithme : si r<rt, alors classe A, sinon classe B

Approche  Pertinence de l’approche ? ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES Approche  Pertinence de l’approche ?  Quelle est la valeur optimale de rt ?  Quelle est la robustesse de la méthode ? Influence des paramètres du système SAR (nombre de vues, erreurs d’étalonnage, durée entre orbites,…) ?  Besoin d’un modèle d’erreur explicite

Erreur de classification ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES Erreur de classification avec  PE dépend de 4 paramètres : ΔrdB=(rB)dB-(rA)dB, la séparabilité des classes L, le nombre de vues p(B), la probabilité a priori de la classe B d, le biais entre le seuil de classification retenu (rt) et r0. Δr=6dB L=8 p(B)=0,5 d=1 PE=8,9%

Nombre de vues équivalent Le ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES Effet des paramètres du système SAR Cross-talk δ En bleu : paramètres du système satellite Rapport d’ambiguité a En vert : paramètres du traitement des données En rouge : paramètres de la scène Fréquence d’observation f (jours) Δr Durée du cycle de culture c (jours) Nombre de vues initial Li Nombre de vues équivalent Le L Taille moyenne des champs F Taille de pixel initiale R Probabilité d’Erreur PE p(B) Proportion de riz dans la scène p(riz) Déséquilibre de gain entre canaux g (RP) d Stabilité radiométrique s (CT) Approche générique applicable à plusieurs thèmes

Durée entre deux orbites ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES Durée entre deux orbites Cycle de croissance du riz : c jours (80-150 jours) Durée entre deux orbites consécutives : f jours (6-12-35 jours) Paramètre Δr pour n’importe quelle combinaison (f,c) : ASAR c=120 jours RP Δr (dB) Sentinel-1 ASAR La fréquence de revisite est un paramètre critique, surtout pour la méthode du changement temporel. Δr (dB) CT 2% 7% 35%

Conclusions sur le rapport d’intensité ETUDE THEORIQUE DE LA PERFORMANCE DES METHODES Conclusions sur le rapport d’intensité Le modèle d’erreur permet de prévoir les performances de la méthode en fonction des paramètres de la scène et du système SAR Pour ASAR : paramètres adaptés pour la cartographie des rizières la durée entre deux orbites consécutives reste cependant élevée (35 jours)  besoin de stratégies d’acquisition des données et de méthodes adaptées Sentinel-1 (lancement prévu par l’ESA en 2011) est prometteur.

Sites d’étude et données

Site de Jiangsu, Chine Province de Jiangsu : 1 saison de riz: SITES D’ETUDE ET DONNEES Site de Jiangsu, Chine Province de Jiangsu : 1 saison de riz: repiquage en juin, récolte en octobre. cycle d’environ 120 jours. 2è province en production 3è province en surface cultivée

Site du Delta du Mékong, Vietnam SITES D’ETUDE ET DONNEES Site du Delta du Mékong, Vietnam Delta du Mékong : plus de la moitié du riz vietnamien, 3% de la production mondiale. Calendrier cultural : jusqu’à 3 saisons de riz Saison Semis/Repiquage Récolte 1 hiver-printemps novembre-décembre février-avril saison sèche 2 été-automne avril-début juin juillet-début août saison humide 3a automne-hiver août 3b "mua" septembre-novembre décembre-mars Provinces intérieures : 1-2-(3a) Provinces côtières : 2-(3b)

Nombre de vues azimutal SITES D’ETUDE ET DONNEES Données ENVISAT ASAR APP WSM Polarisations HH et VV HH Taille de pixel 12,5m 75m Largeur de fauchée 105 km 405 km Angle d’incidence 19,2°-26,7° 17°-42° Nombre de vues radial 1 7 Nombre de vues azimutal 2 3 Données acquises en 2007 : APP pour le rapport de polarisation WSM pour le changement temporel

Cartographie à l’échelle locale Bouvet A., Le Toan T., Lam Dao N. "Monitoring of the rice cropping system in the Mekong delta using ENVISAT/ASAR dual polarization data" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 47 n°2, pp.517-526, février 2009 Cartographie à l’échelle locale

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Développement de la méthode Analyse statistique Représentation des histogrammes des deux classes sur le comté de Cho Moi. SIG Calcul de rA, rB, Δr et r0 à chaque date

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Développement de la méthode Réduction du speckle Image originale Filtrage multi-canal des images : M : nombre d’images N : taille de la fenêtre L : nombre de vues initial Image filtrée

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Développement de la méthode Utilisation d’une série temporelle Rapport sur une série de données : Intérêt : Les champs ne sont pas tous à leur rapport de polarisation maximal en même temps Les champs sont parfois asséchés pour quelques jours en milieu de saison Seuil par défaut possible : 3dB

Résultat en Chine Image ASAR APP Carte des rizières CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Résultat en Chine Image ASAR APP Carte des rizières Bleu=HH, Jaune=VV 34km*38km 6 septembre 2004 Comté de Hongze, Province de Jiangsu Jaune=riz, Rouge=bâti, Noir=autre Cartographie utilisant APP à une seule date

Validation en Chine Précision : 86-88% CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Validation en Chine Collecte d’échantillons d’environ 1km x 1km Précision : 86-88%

Résultat au Vietnam Saison 1 Saison 2 60 km Saison 3a Saison 3b CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Résultat au Vietnam Saison 1 Saison 2 Cho Moi Riz Non-riz 60 km Saison 3a Saison 3b

Validation au Vietnam 89,9% des pixels en commun sur Cho Moi CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE LOCALE Validation au Vietnam 89,9% des pixels en commun sur Cho Moi Carte issue d’APP SIG Sur la province d’An Giang (milliers d'ha) Printemps Automne Hiver Total APP 224,3 294,8 5 524,1 Statistiques 230,6 282,7 7,3 520,6 Différence -6,3 12,1 -2,3 3,5 Différence en % -2,7% 4,3% -31,5% 0,67%

Cartographie à l’échelle régionale Bouvet A., Le Toan T. "Use of ENVISAT/ASAR wide-swath data for timely rice fields mapping in the Mekong river delta" soumis à Remote Sensing of Environment le 8 juin 2009 évaluation le 30 juillet 2009, deuxième soumission prévue en octobre 2009 Cartographie à l’échelle régionale

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Développement de la méthode Utilisation des données ENVISAT/ASAR Cartographie à large échelle : WSM Fréquence d’acquisition sur une même orbite : tous les 35 jours.  insuffisant pour le changement temporel  nécessité d’augmenter la fréquence d’observation en utilisant plusieurs orbites Effet de l’incidence : rétrodiffusion variable, mais dynamique saisonnière toujours forte

Images du changement temporel Images du changement temporel max CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Développement de la méthode Synthèses multi-orbites Images du changement temporel Images originales WSM Orbite 304 9 images Orbite 304 8 images Images du changement temporel max Orbite 412 10 images Orbite 412 9 images Toutes orbites 9 images Orbite 32 6 images Orbite 32 4 images 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Développement de la méthode Cartes des rizières tous les 35 jours changement temporel max > 3dB Pour chaque province, les dates des 3 saisons diffèrent légèrement.

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Développement de la méthode Sélection des dates par province Utilisation de profils annuels de NDVI issus de SPOT-VGT pour sélectionner les dates correspondant à chaque saison pour chaque province. Images CTM

Développement de la méthode CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Développement de la méthode Schéma récapitulatif Images du changement temporel Images originales WSM Orbite 304 9 images Orbite 304 8 images Images du changement temporel max Images du changement temporel saisonnier Orbite 412 10 images Orbite 412 9 images Toutes orbites 9 images Toutes orbites 3 images Orbite 32 6 images Orbite 32 4 images > 3dB Cartes des rizières aux 3 saisons Dates à retenir pour chaque province et chaque saison VGT-S10 36 images Images originales VGT Profils NDVI

Résultats et validation CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Résultats et validation An Giang Tien Giang R²=0.92 40000 km² (275 km x 260 km)

Comparaison APP-WSM APP WSM  plus robuste  plus de détails CARTOGRAPHIE A L’ECHELLE REGIONALE Comparaison APP-WSM APP WSM Accord entre les méthodes : Saison 2 : 81% Saison 3 : 89%  plus robuste  plus de détails  couverture réduite  après ENVISAT ?  grande couverture  continuité avec futurs systèmes  grande sensibilité à la fréquence d’observation

Conclusions & perspectives

Conclusions Méthodes génériques utilisant le rapport d’intensité : CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Conclusions Méthodes génériques utilisant le rapport d’intensité : Evaluation de la performance en fonction des paramètres du système et de la scène Résultats sur le riz : Méthodes simples non supervisées (seuil par défaut) Validation sur deux régions En cours d’implémentation au Vietnam et en Chine

CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES Utilisation de Sentinel-1 : solution du problème actuel avec ASAR sur la fréquence d’acquisition des données. Complémentarité radar et autres capteurs Vers des projets effectifs pour la production du riz (modèles de rendement) et les émissions de méthane (modèles biogéochimiques) Merci