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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
N˚ d'ordre : 2265 THESE presentee pour obtenir le titre de DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE Ecole doctorale d'Informatique et Telecommunications Specialite en Signal, Image et Acoustique en cotutelle avec l'Institut d'Automatique, Academie des Sciences de Chine Par Timothee BAILLOEUL Contours actifs et information a priori pour l'analyse de changements : application a la mise a jour de cartes numeriques du bati urbain a partir d'images optiques de teledetection haute resolution Soutenue le 21 octobre 2005 devant le jury compose de : Long Quan Professeur Universite des Sciences et Technologies de Hong Kong, Chine. President Mihai Datcu Professeur Ecole Nationale Superieure des Telecommunications, France. Rapporteur ZhanYi Hu Professeur Institut d'Automatique, Academie des Sciences de Chine. Rapporteur Baogang Hu Professeur Institut d'Automatique, Academie des Sciences de Chine. Co-directeur Ian Jermyn Charge de recherche Institut National de Recherche en Informatique et en Au- tomatique, France. Examinateur Philippe Marthon Professeur Institut National Polytechnique de Toulouse, France. Co-directeur Veronique Prinet Professeur associe Institut d'Automatique, Academie des Sciences de Chine. Examinateur Bruno Serra Ingenieur, Docteur Alcatel Alenia Space, France. Examinateur PengFei Shi Professor Universite Jiao Tong de Shanghai, Chine. Invite Jixian Zhang Professeur Institut National de Releve Topologique et de Cartogra- phie, Chine.

  • questions d'ordre informatique

  • repondre au flux grandissant des donnees de teledetection

  • solutions nouvelles pour l'amelioration de la robustesse des contours actifs

  • revision efficace du resume

  • li en li

  • changement

  • milieu urbain


Publié le : samedi 1 octobre 2005
Lecture(s) : 40
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 230
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N˚d’ordre : 2265
`THESE
pr´esent´ee pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
´Ecole doctorale d’Informatique et T´el´ecommunications
Sp´ecialit´e en Signal, Image et Acoustique
en cotutelle avec l’Institut d’Automatique, Acad´emie des Sciences de Chine
Par
Timoth´ee BAILLOEUL
Contours actifs et information a priori pour l’analyse de changements :
application `a la mise `a jour de cartes num´eriques du bˆati urbain `a partir
d’images optiques de t´el´ed´etection haute r´esolution
Soutenue le 21 octobre 2005 devant le jury compos´e de :
Long Quan Professeur Universit´e des Sciences et Technologies de Hong Kong, Pr´esident
Chine.
Mihai Datcu Professeur Ecole Nationale Sup´erieure des T´el´ecommunications, Rapporteur
France.
ZhanYi Hu Professeur Institutd’Automatique,Acad´emiedesSciencesdeChine. Rapporteur
Baogang Hu Professeur Institutd’Automatique,Acad´emiedesSciencesdeChine. Co-directeur
Ian Jermyn Charg´e de recherche InstitutNationaldeRechercheenInformatiqueetenAu- Examinateur
tomatique, France.
Philippe Marthon Professeur Institut National Polytechnique de Toulouse, France. Co-directeur
V´eronique Prinet Professeur associ´e Institutd’Automatique,Acad´emiedesSciencesdeChine. Examinateur
Bruno Serra Ing´enieur, Docteur Alcatel Alenia Space, France. Examinateur
PengFei Shi Professor Universit´e Jiao Tong de Shanghai, Chine. Invit´e
Jixian Zhang Professeur Institut National de Relev´e Topologique et de Cartogra- Invit´e
phie, Chine.
12Remerciements
Jetienstoutd’abord`aremercierBaogangHuetMarcJaegerpourm’avoiraccueilliauLIAMA
et pour leur pr´evenance `a rendre mon s´ejour au laboratoire le plus agr´eable possible.
Je suis reconnaissant `a V´eronique Prinet et Jean-Guy Plan`es pour m’avoir propos´e ce sujet de
th`ese et pour la confiance qu’ils m’ont accord´ee. Merci `a V´eronique pour avoir encadr´e mes
recherches, pour les libert´es qu’elle m’a laiss´ees et pour avoir toujours ´et´e pr´esente lors des passages
d´elicats de ce long trajet de th`ese.
Mes remerciements vont ´egalement `a Bruno Serra et Philippe Marthon qui ont aussi suivi mes
travaux.Merci`aPhilippepoursesremarques,sescritiquesconstructivesetpourm’avoirre¸cudans
son unit´e de recherche. J’adresse toute ma sympathie `a Bruno pour avoir ´et´e un correspondant
actif, volontaire et efficace a` Alcatel Alenia Space. Je remercie son soutien et sa gentillesse.
Je remercie tr`es vivement les membres du jury pour le temps qu’ils ont pass´e `a la lecture de ce
document.
Je remercie Josiane Z´erubia et toute son ´equipe pour m’avoir accueilli pendant plusieurs mois
au sein du projet Ariana. Je tiens particuli`erement `a remercier Ian Jermyn et Marie Rochery pour
leur assistance et leurs conseils sur les mod`eles quadratiques. Merci `a Ian pour sa patience, nos
nombreuses discussions et l’int´erˆet qu’il a port´e a` mes travaux.
Je suis ´egalement reconnaissant `a Pinxiang Chen, Haitao Zhang et Lebing Sun de l’Institut de
Relev´e Topographique et de Cartographie de P´ekin pour nous avoir prˆet´e les cartes et les images
a´eriennes utilis´ees dans cette ´etude. Je tiens `a remercier tr`es sinc`erement Haitao Zhang pour sa
disponibilit´e et son aide diligente.
Merci`aV´eroniquePrinet,PhilippeMarthon,BaogangHu,FengfengTang,BizhenHong,Wenli
Lou, Li Li, Martine Lacoste et Serge Lefeuvre pour m’avoir aid´e `a surmonter les difficult´es de la
mise en place de la premi`ere cotutelle entre l’Acad´emie de Sciences de Chine et l’INPT. Mille
mercis `a Fengfeng Tang pour avoir ´et´e un secr´etaire exemplaire, efficace et enthousiaste.
Merci ´egalement `a Jean-Fran¸cois Barczi pour sa bonne humeur, et pour avoir r´epondu sans
relˆache a` mes questions d’ordre informatique.
Je remercie chaleureusement tous les ´etudiants et les stagiaires du LIAMA qui participent a`
l’ambiance sympathique du laboratoire. J’ai une pens´ee particuli`ere pour Jinghui Duan et
FengfengTangquionttoujours´et´eprompts`ar´esoudremesprobl`emesaveclalanguechinoise.J’adresse
toute mon amiti´e `a Wanlin Zhu pour nos discussions hebdomadaires sur les contours actifs et nos
parties de badminton endiabl´ees. Merci `a vous tous pour votre r´evision efficace du r´esum´e chinois
de la th`ese.
3Enfin, un grand merci `a ma famille francai¸ se et chinoise pour leur soutien inalt´erable. Merci a`
mesparentsquim’onttoujoursencourag´edeloin(ausenscartographiqueduterme):jeremerciema
m`ere pour ses nombreuses relectures du manuscrit et mon p`ere pour sa curiosit´e in´epuisable envers
mes activit´es scientifiques. Merci `a Jing, ma femme, pour son optimisme et ses encouragements qui
ont ´et´e d’un r´econfort essentiel durant ces ann´ees de th`ese.
4R´esum´e
La maintenance de donn´ees cartographiques est traditionnellement un processus de
photointerpr´etation d’images de t´el´ed´etection. Avec l’´emergence commerciale des images satellitaires
optiques de r´esolution sub-m´etrique (Ikonos, Quickbird) la mise `a jour fiable et r´eguli`ere de cartes
num´eriques a` grande ´echelle devient abordable. Cependant, l’actualisation manuelle des donn´ees
cartographiques, lente et couˆteuse, ne permet plus de r´epondre au flux grandissant des donn´ees de
t´el´ed´etection. De nombreux travaux en vision par ordinateur ont ´et´e d´edi´es `a l’automatisation de
cette tˆache, offrant des r´esultats satisfaisants sur des sc`enes rurales ou p´eri-urbaines. Les milieux
urbains restent n´eanmoins plus complexes `a analyser `a haute r´esolution : la pr´esence d’ombres,
d’occlusions et la profusion de d´etails rendent l’interpr´etation des images difficile.
Cette th`ese a pour objectif de proposer une m´ethodologie visant `a analyser les changements
entre une carte num´erique de batˆ iments et des donn´ees de t´el´ed´etection optiques haute r´esolution
plus r´ecentes. L’id´ee centrale de notre approche est d’utiliser l’information g´eom´etrique et
sp´ecifique des bˆatiments symbolis´es dans la carte afin de faciliter leur reconnaissance dans une image
satellitaire panchromatique et de s’affranchir des difficult´es du milieu urbain. Cette connaissance
a priori est incorpor´ee comme une contrainte de forme dans un mod`ele variationnel de recalage
fin carte-image par contours actifs. Nous proposons des solutions nouvelles pour l’am´elioration de
la robustesse des contours actifs contraints : la fusion de l’image avec un Mod`ele Num´erique de
Surface(MNS)permetdesurmonterleprobl`emedesminimalocaux;lavariationspatio-temporelle
de la contrainte de forme permet aussi d’accroˆıtre l’efficacit´e de la mise en correspondance tout en
r´eduisant les temps de convergence. Les variabilit´es locales de forme carte-image dues soit a` des
erreursdesaisielorsdelaphoto-interpr´etation,soitauxeffetsdesimplificationetdeg´en´eralisation
de la carte, sont aussi consid´er´ees. Nous proposons un nouveau crit`ere ´energ´etique de contrainte
de forme, alliant ´energie lin´eaire et quadratique, permettant aux contours actifs de s’affranchir
localement et parall`element de la forme a priori entach´ee d’erreur.
L’alignement des donn´ees par contours actifs permet ainsi d’accroˆıtre la coh´erence entre la
carte et l’image et am´eliore la position planim´etrique des objets cartographiques retrouv´es dans
l’image.Cerecalagefinr´esoutleprobl`emedesvariabilit´esexog`enescarte-imageind´ependantesd’un
changement effectif et rend ainsi l’analyse de changements subs´equente plus fiable. Des indices de
chant simplement calcul´es `a partir du MNS et d’une image satellitaire multispectrale sont
fusionn´es pour la d´etection de changements univoques du bˆati urbain. En l’absence de changement
univoque, une m´ethode bas´ee sur le vote de Hough quantifie la ressemblance entre le polygone
cartographique recal´e et des primitives segments extraites de l’image panchromatique. La fusion
du score de Hough avec la variation g´eom´etrique enregistr´ee par le recalage des contours actifs
permet la formulation d’une probabilit´e de non-changement visant `a assister un op´erateur dans sa
tacˆ he de r´evision de carte. Nous illustrons l’efficacit´e de l’approche propos´ee a` partir d’exp´eriences
men´ees avec une carte d’´echelle 1 :10,000 et une image satellitaire Quickbird (0.6 m/pixel) de la
ville de P´ekin qui connaˆıt actuellement un fort d´eveloppement de son tissu urbain.
56Abstract
The maintenance of cartographic data usually applies to the photo-interpretation of remote
sensing images. With the commercial advent of optical satellite images with sub-meter
resolution (Ikonos, Quickbird) a higher frequency of digital map revision and monitoring is affordable
and realistic at a large scale. However, manual map updating is slow and costly and it cannot
handle the increasing flow of available remote sensing data. Many works have been dedicated to
the automation of this task in Image Processing and Computer Vision, yielding remarkable results
over rural or suburban areas. Urban areas are however more difficult to analyze at a high
resolution:thepresenceofshadows,occlusionsanddetailsprofusionmaketheirinterpretationdifficult.
This thesis aims at proposing a methodology to analyze changes between a digital map of
buildings and more recent high resolution optical remote sensing data. The key idea of the proposed
approach is to use the specific geometrical information derived from the buildings symbolized in
the map in order to ease their recognition in a panchromatic satellite image while overcoming
urban difficulties. This prior knowledge is embedded in active contours models as a shape constraint
formulatedinavariationalapproach.Weproposenewsolutionstoimprovetherobustnessofshape
constrained active contours : the fusion of the image with a digital surface model (DSM) allows to
overcome the critical issue of local minima; the spatio-temporal variation of the shape constraint
alsoenablestoincreasetheefficiencyofmap-to-imagematchingwhiledecreasingthecomputational
workload.Localshapediscrepanciesbetweenthecartographicobjectsandtheimageareconsidered
(these variabilities are either due to delineation mistakes or simplification/generalization effects in
the map). We propose a new shape constraint energetic criterion, made of linear and quadratic
energies, to allow local and parallel discrepancies of the active contour from the mistaken
cartographic shape prior.
The fine map-to-image matching achieved by the active contours increases the consistency
between the map and the image and improves the planimetric localization of cartographic objects
foundintheimage.Thefinematchingattemptstosolvetheissueofexogenousvariabilitiesbetween
the map and the image; it therefore makes the subsequent change detection decision more reliable.
Change indicators simply calculated from the DSM and a multispectral satellite image are merged
to detect obvious changes of buildings. When no obvious change is detected, a method based
on Hough voting quantifies the similarity between the refined cartographic object and segment
primitives extracted from the panchromatic image. The fusion of the Hough voting score with
the geometric variation due to the active contours matching enables to formulate a“non-change”
probabilityaimingatassistingaphoto-interpreterperformingmapupdating.Weshowtheefficiency
of the proposed scheme with experiments carried out with a 1 :10,000 scale map and a Quickbird
satellite image (0.6 m/pixel) depicting Beijing city, which has nowadays a rapid urban growth.
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