Introduction à l’imagerie Radar d’Observation de la Terre · version 1.4 Traitement d’Images...

Université de Marne-la-ValléeInstitut Gaspard Monge

http://www-igm.univ-mlv.fr/~riazano/ Serge RIAZANOFFversion 1.4 Traitement d’Images Radar page 1

Introduction Introduction àà ll’’imagerie Radarimagerie Radardd’’Observation de la TerreObservation de la Terre

image ERS-SAR - Naples



Physique de l’acquisitionNiveaux de prétraitement des données radarDonnées radar disponiblesTraitement géométrique de l’image radarTraitement radiométrique de l’image radarTraitement multi-scènesBibliographie

Table des matières



Physique de l’acquisitionpositionnement en distancePositionnement en azimutMécanisme de rétrodiffusion (back-scattering)

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Physique de l’acquisition

S(t)sensor position

position du capteur

sensor velocityvitesse du capteur

azimuthazimut

swath fauchée

azimuth beamwidthlargeur du faisceau

haltitude

nadirtrace au sol

elevation beamwidthhauteur du faisceau

near rangeligne la plus

proche du nadir Boresight beamcentral axisaxe central du faisceau

rangedistance au capteur

pulse repetition period

far rangeligne la plus éloignée du nadir

RADAR ↔ RAdioDetection And Ranging



Positionnement en distance (range)

S(t)sensor position

position du capteur

azimuthazimut

swath fauchée

Slant range timetemps d’aller-retour du signal



Positionnement en azimut

déplacement relatif du satellite

nadir

zéro-doppler

fréquences plus élevées

fréquences plus basses

trajectoire du satellite

vitesse instantanée

rotation terrestre

repère inertiel

repère lié à la Terre



Fréquence du signal radar

0.53 – 0.3056.0 – 100.0W

0.65 – 0.5346.0 – 56.0V

0.83 – 0.6536.0 – 46.0Q

2.7 – 0.832.7 – 1.36

1.36 – 0.83

10.90 – 36.010.90 – 22.022.0 – 36.0

KKuKa

5.2 – 2.75.75 – 10.90X

7.1 – 5.24.20 – 5.75C

19.3 – 7.11.550 – 4.20S

76.9 – 19.30.390 – 1.550L

133 – 76.90.255 – 0.390P

Longueur d’onde (cm)

Fréquence (GHz)Bande

λ>

2 cm

-Pén

étra

tion

des

nuag

es

λ>

4 cm

-Pén

étra

tion

de la

plu

ieM

eille

ure

péné

tratio

n de

s so

ls s

ecs

Seasat – 1.3 GHz

ERS/SAR – 5.3 GHz

JERS-1/SAR – 1.2 GHz

Radarsat – 5.3 GHz

λcf =

(Hz)(m / s)

(m)

TerraSAR-X – 9.65 GHz



Mécanisme de rétrodiffusion (back-scattering)

trièdre (corn-reflector)

bièdre

http://smsc.cnes.fr/PLEIADES/Fr/PDF/methodo/presPolar_inglada.pdf



La polarisation de la lumière

filtre vertical (V) filtre horizontal (H)



Niveaux de prétraitement des données radarRAWSLCPRIGEC

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Niveaux de produits – RAW / SLC / PRI

N-100

M-1

azimut

rangeIn-phase (x)

Quadrature (y)

z = x + i.y

x

yl

p

l

p

RAW

N-100

M-1

azimut

rangeIn-phase (x)

Quadrature (y)

z = x + i.y

x

yl

p

l

p

SLC

l1

l3

la cible participeà la rétro-diffusion

dans la ligne l1ET dans la ligne l2

déconvolution 1. compression en azimuth(facteur 1/α)

2. projection slant-to-ground

3. Calcul d’amplitude

l2l2

N’-100

M’-1 (= M /α – 1)

azimut

range

l’ = l2/α

α

PRI



RAW scène ERS-SAR acquise le 27/02/1999orbit 20159 frame 2781 de Naples (Italie)

2550 31

In-phasepartie réelle

niveau de produit GEC

(pour comparaison)

Quadraturepartie imaginaire 5616

5-bits non signés

par pixel

7,904 m

3,97

8 m

28000



SLC

+4640-464


26477


16-bits signés

par pixel

7,904 m

3,97

8 m

+32767-32768 0



7,904 m

19,8

9 m

= 5

x 3

,978

m

SLC compressé en azimut

+4650-464


5295= 26477 / 2


16-bits signés

par pixel

+32767-32768 0



7,904 m

19,8

9 m

SLC module


5295


16-bits non-signés

par pixel

7163

655350



PRI

21070

8210

Image d’amplitude 8000

16-bits non-signés

par pixel

12,5 m

12,5

m

655350



Données radar disponiblesMissions radarRadar haute résolution

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Missions Radar

7-44 / ?40-708-60°HH, VV,HH+HV, VV+VH

L (1.27)6922006JAXA /Japon

ALOS /PALSAR

X: 50C: 225

X (9.6)C (5.3)

3002000NASA + DLR / D

SRTM /X-SAR

30-10015-60°HH, HV VH, VVL (1.28)C (5.3)

2151993, 1994NASA / USAShuttle / SIR-C

10-4515-60°VVX (9.6)2151993, 1994NASA / USAShuttle / X-SAR

5050°HHL (1.28)2591981NASA / USAShuttle / SIR-A

15-5015-60°HHL (1.28)2251984NASA / USAShuttle / SIR-B

25-100100-40020-50°VV / HHC (5.3)8002002ESA / EuropeEnvisat / ASAR

5-28 / 450-50020-50°HHC (5.3)7921995CanadaRadarsat

30 / 47535°HHL (1.2)7501992NASDA / Japon

JERS1 / SAR

25 / 310023°VVC ( 5.3)7851991ESA / EuropeERS-1 / SAR

23°

Angle d’incidence

100

Largeur de fauchée (km)

800

Altitude (km)

L (1.3)

Bande (fréquence en

GHz)

HH

Polarisation

1978

Date de lancement

23 / 4NASA / USASeasat

Résolution en azimut (m) / Nb. de looks

Agence / Pays

Satellite / Instrument



Radar haute résolution (RAMSES)

image optique (gauche) et radar (droite) de la même zone

http://smsc.cnes.fr/PLEIADES/Fr/PDF/methodo/Orfeo_radarX.pdf



Radar haute résolution (COSMO-Skimed)

Image de l’Etna acquise en juin 2007 – Mode « Spotlight » 1 mètre de résolutionhttp://www.telespazio.it/GalleryMatera.html

http://www.telespazio.it/GalleryMatera.html



Traitement géométrique de l’image radardéfauts de géométriegéocodageorthorectification

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Défauts de géométrie

ellipsoïde

plate-forme

surface topographique

α

A

B C

DE

F

G

B’ A’ C’ D’ E’ F’ G’

A’’ B’’ C’’ D’’ E’’ F’’ G’’

axe des distances

repliement (layover)

raccourcissement (foreshortening)

dilatation (dilation) ombre

(shadow)



Géocodage - Modèle géométrique - slant ↔ ground

S

G

V

z

y

x

P

b

a

On cherche à déterminer le point P de coordonnées (x,y,z) tel que :

1. Le point P appartient à l’ellipsoïde modélisant la Terre, centré au point G et défini par une ellipse de révolution autour de l’aze des z dont le demi-grand axe vaut a et le demi-petit axe vaut b :

2. Le point P est situé à une distance R du satellite S de coordonnées (xS,yS,zS) :

3. Le point P est situé dans un plan passant par S (zéro-Doppler) et perpendiculaire au vecteur :

12

2

2

22

=++

bz

ayx

(eq. 1)

( ) ( ) ( ) 2222 Rzzyyxx

RSP

SSS =−+−+−

=(eq. 2)

( ) ( ) ( ) 0...0

=−+−+−=•

VSVSVS zzzyyyxxxVSP

(eq. 3)



Orthorectification - Transformée directe (λ,ϕ) = f(l,p,aux)

ALGORITHME1. Calculer le temps de la ligne l → t2. Interpoler la position et la vitesse → S(t) et V(t)3. Déterminer l’équation du plan zéro-doppler → ∆(t)4. Calculer la distance en colonne p → R(l,p)5. Calculer le point Gi(l,h) intersectant l’ellipsoïde

surmonté de la hauteur hi-1 et converger→ P’’(λ, ϕ )

lignes

colonnes

l

pO

image sourceSLC ou PRI

LIGNES

COLONNES

image destinationGEO

L

PO

longitudes ou easting

latitudes ou northing

λO

ϕ

S(t)V(t)

ellipsoïde

h =

790

435

m

αNR20.355°

αFR25.9°

far range (FR) near range (NR)

axe des distances (range axis)NR’FR’ R(l,p)

G1(l,p)


P’’(λ,ϕ)

ERS SAR°

h

P(λ,ϕ)

h1

G2(l,p)

h2



Orthorectification - Transformée inverse (l,p) = f-1(λ,ϕ,aux)

ALGORITHME1. (L,P) → P’’(λ,ϕ) sur l’ellipsoïde2. Trouver le plan du zéro-doppler → t,l → S(t) et V(t)3. Hauteur h en P’’(λ,ϕ) → P(λ,ϕ)4. Projection sur l’axe des distances → R(l,p)5. Si l’image est PRI, reprojeter au sol → G(l,p)

lignes

colonnes

l

pO

image sourceSLC ou PRI

LIGNES

COLONNES

image destinationGEO

L

PO

longitudes ou easting

latitudes ou northing

λO

ϕ

S(t)V(t)

ellipsoïde

h =

790

435

m

αNR20.355°

αFR25.9°

far range (FR) near range (NR)

axe des distances (range axis)NR’FR’ R(l,p)

G(l,p)


P’’(λ,ϕ)

ERS SAR°

h

P(λ,ϕ)



Orthorectification – Exemple 1

Extrait d’une scène PRI des Alpes



Orthorectification – Exemple 2

Extrait d’une scène PRI de la région de Naples



Traitement radiométrique de l’image radarpassage de 16 bits à 8 bitsfiltrage du speckle

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Traitement multi-scènescontraintes d’acquisitionprétraitementsinterférométrieimage de cohérenceMosaïque radar

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Traitement multi-scènes

Couple de scènes « duales »• Acquise à des positions voisines

du satellite• Acquise à des dates proches

(J+1)• Conditions atmosphériques

semblables

Traitement préalable• Recalage fin• Extraction de la zone commune

yixz

yixz

222

111

×+=

×+= 12−=iavec N-100

M-1

azimut

rangeIn-phase (x)

Quadrature (y)

z1 = x1 + i.y1

x1

y1l1

p1

p1

SLCScène 1

l1

N-100

M-1

azimut

rangeIn-phase (x)

Quadrature (y)

z2 = x2 + i.y2

x2

y2l2

p2

p2

SLCScène 2

l2

Points homologues

Zone commune



Interférométrie

ϕϕϕ

ϕ

ϕ

21

2

21

2

1

11

1

tan

tan

−=

=

=

−

−

d

xy

xy

http://www.gamma-rs.ch/



Interférogramme ERS-1 du Vésuve et stéréo-restitution – Courtoisie EURIMAGE

Interférométrie (2)



Mesures des déplacements de l’Etna entre 1992 et 2006 à partir de données ERS/SAR et Envisat/ASAR (ESA)http://www.esa.int/esaCP/SEMQGHKTYRF_index_1.html


http://www.esa.int/esaCP/SEMQGHKTYRF_index_1.html



Déformation verticale au sud de la Gare Saint-Lazare. Chantier de la station Haussman St Lazare, RER EOL Projet RESUM (BRGM, CNES…)

http://160.92.130.199/espace/resum.pdf




Image de cohérence

22/

2/2

2/

2/

22/

2/1

2/

2/

2/

2/

*

21

2/

2/

),(),(

),(),(

),(∑∑∑∑

∑∑+

−=

+

−=

+

−=

+

−=

+

−=

+

−=

×

×

=n

nj

m

mi

n

nj

m

mi

n

nj

m

mi

plpl

plpl

zz

zzplc

yixz 22

*

2×−=

N-100

M-1

azimut

rangeIn-phase (x)

Quadrature (y)

z = x + i.y

x

yl

p

l

p

SLC

m

n fenêtre mxndes statistiques

Amplitude (left), coherence map (centre) and fringes (right)http://www.geo.unizh.ch/rsl/fringe96/papers/gatelli-et-al/



Mosaïque radar (1)

Mosaïque de 143 scènes Envisat ASAR mode WSM (Wide Swath Mode, 150m) – Janvier-mai 2006http://www.esa.int/esaEO/SEM9QLQ08ZE_index_0.html



Mosaïque radar (2)

Mosaïque de 21 segments ERS SAR basse résolutionhttp://www.eomd.esa.int/booklets/booklet179.asp



Bibliographie

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Henri MAÎTRE & al. – Traitement des images de RSO – Ed.Hermès – 2001ESA TM-17 – Spaceborne radar applications in Geology – ESA publications, ESTEC, 2005 Gunter SCHREIER (Ed) - SAR Geocoding : Data and Systems - Herbert WICMANN Verlag GmbH, Karlsruhe – 1993John C. CURLANDER, Robert N. McDONOUGH – Synthetic Aperture Radar, Signal and Signal Processing – Wiley&Sons - 1991Chris OLIVER, Shaun QUEGAN - Understanding Synthetic Aperture Radar Images - Artech House Ed. – 1998J.C. TOOMAY - Radar Principles for Non-specialist - Van NosprandReinhond Ed. – 1989Robert A. RYERSON - Principles & Applications of Imaging Radar, Manual of Remote Sensing, Third edition, Volume II - Wiley Ed. – 1998ER-IS-EPO-GS-5902.4 - Annex D – ERS SAR.PRI CCT and EXABYTE -ESA / ESRIN Issue 3.0 - 01/08/1998http://earth.esa.int/services/esa_doc/doc_sar.html

http://earth.esa.int/services/esa_doc/doc_sar.html

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