CNES - Rapport de Stage - dpi96

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Rapport de stage Mémoire de Fin d'Etudes Amélioration du prétraitement radiométrique et géométrique des images aéroportées PELICAN Stagiaire : ARNAL Etienne Promotion : ISEN Toulon 2007 Tuteur Industriel : FJØRTOFT Roger Tuteur Académique : INACIO Frédérique Mars à Août 2007
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Rapport de stage
Mémoire de Fin d'Etudes

Amélioration du prétraitement radiométrique et géométrique
des images aéroportées PELICAN
















Stagiaire : ARNAL Etienne
Promotion : ISEN Toulon 2007
Tuteur Industriel : FJØRTOFT Roger
Tuteur Académique : INACIO Frédérique Mars à Août 2007 RESUME ABSTRACT



Le système aéroporté PELICAN, développé The airborne camera PELICAN, developed
conjointement par l'IGN, l'ONERA et le CNES, jointly by IGN, ONERA and CNES, permits the
permet d'acquérir des images optiques de très acquisition of optical images of very high
haute résolution. Ces images sont utilisées par le resolution. These images are used by CNES to
CNES pour étudier la qualité image de futurs assess the image quality of future earth
satellites d'observation tels que Pléiades au observation satellites such as Pleiades. Before
travers de simulations. Avant d'être utilisées, les they are used, the PELICAN images undergo a
images PELICAN subissent un certain nombre de certain number of radiometric and geometric
prétraitements radiométriques et géométriques. preprocessing steps. The purpose of the training
Le but du stage était d'améliorer ces period was to improve the preprocessing
prétraitements à différents niveaux. software at different levels.
En ce qui concerne la radiométrie, Concerning the radiometry, the
l'égalisation des acquisitions peut être améliorée equalization of the acquisitions can be improved
par la prise en compte de l'évolution temporelle by taking the temporal evolution of the dark
des niveaux d'obscurité à l’aide de dix colonnes current into account, using the ten columns of
du capteur qui ne sont pas exposées à la lumière. the sensor that are not exposed to light. An
Un filtrage adaptatif des fichiers d’égalisation adaptive filtering of the equalization files allows
permet de mieux compenser les problèmes liés better compensation of the problems related to
aux poussières en tenant compte de la dust by taking the Time Delay Integration effect
compensation de filé. Une méthode pour into account. A method that permits to detect
détecter plus finement les pixels aberrants est abnormal pixels more finely is also proposed.
également proposée. As to the geometry, the estimation of line
Pour la partie géométrie, le calcul des and column shifts on weakly textured zones
décalages sur les zones peu texturées (mer, (water) leads to registration problems, because
champs agricoles…) pose des problèmes, car les the correlation coefficients are weak and the
coefficients de corrélation y sont faibles et absence of homologous points makes the
l'absence de points homologues perturbe le polynomial model diverge. The registration can
modèle polynomial. La registration peut être be made more robust with an adaptive filter
rendue bien plus robuste à l'aide un filtrage imposing average shifts in weakly textured zones.
adaptatif imposant les décalages moyens sur ces The average shifts are computed from well-
zones. Ces décalages moyens sont calculés à textured images of the same flight axis.
partir d'images bien texturées du même axe. Analysis of the acquisitions of the last
L'analyse de la dernière campagne airborne campaign (October 2006) has allowed
(octobre 2006) a permis de démontrer les us to validate the improvements brought by
améliorations obtenues grâce à ces méthodes. these methods.


Mots clés : Prétraitement d’image, Keywords: Image preprocessing, high
imagerie aéroportée haute résolution, correction resolution optic airborne camera, radiometric
radiométrique, co-registration d’images. correction, co-localization of images.






Mémoire de fin d’études
ARNAL Etienne Page 2
RESUME FHES

Pour mon mémoire de fin d’études, j’ai eu l’opportunité de travailler à Centre National
d’Etudes Spatiales. En plus d’un acquis scientifique pointu, je me suis intégré dans le monde du
travail et mes choix de carrière se sont affinés.

• Le monde du travail.

J’ai travaillé dans le domaine du traitement d’image au CNES, avec des ingénieurs et des
chercheurs du service Exploitation Image et Instrument. Ce stage m’a appris beaucoup sur les
relations entre les employés et sur la gestion de projets.
Au cours de mon stage, je devais mettre en place des améliorations sur le logiciel PELICAN.
Ce logiciel est utilisé pour traiter les images, juste après une campagne d’acquisition. Il a été
développé par une société de services et par conséquent ils sont les seuls à pouvoir faire des
modifications. Heureusement, j’ai pu installer le logiciel sur une autre machine et j’ai pu y intégrer
plusieurs améliorations. Mais ces modifications ne peuvent pas être utilisées, car elles devront
d’abord faire l’objet d’une validation par la société de services. J’ai ainsi découvert le fonctionnement
et les relations avec les sociétés de service, vu du coté client.
Durant mon stage, mon maître de stage était très occupé par la calibration et la validation
en vol des données de l’instrument IASI embarqué à bord du satellite METOP. Il n’a donc pas pu être
toujours derrière moi et j’ai appris à prendre des initiatives pour enrichir le contenu de mon stage.

• Mon avenir professionnel.

J’ai toujours été très attiré par le domaine de la recherche. En juin, l’ONERA m’a proposé une
thèse ayant attrait à la détection de l’humidité du sol à partir de données aéroportée optiques. Après
deux entretiens j’ai été obligé de refuser la thèse car le sujet ne me semblait pas assez porteur. C’est
une grande déception pour moi mais j’espère avoir une autre opportunité l’année prochaine.
Je garde toujours ma passion première pour l’acoustique mais j’ai acquis à travers mes stages
une bonne expérience en traitement des images satellites. J’ai découvert qu’il existe des entreprises
dans lesquels tous les employés sont liés par une passion commune (et transmissible !). C’est très
agréable et très motivant.


Mémoire de fin d’études
ARNAL Etienne Page 3
REMERCIEMENTS

Je tiens à remercier Roger FJØRTOFT pour m’avoir accueilli et soutenu au sein du service
DCT/SI/EI et pour l’ensemble des connaissances et expériences dont il a su me faire profiter.
Un grand merci à Jérôme RATIER, le principal utilisateur du logiciel PELICAN, pour avoir mis à
ma disposition les données brutes de la dernière campagne.
Je remercie Joël DUFFAUT du Département d’Optique Théorique et Appliquée (DOTA/POS)
de l’ONERA et Christian THOM du Laboratoire d’Opto-Electronique et de Micro-Informatique (LOEMI)
de l’IGN pour leurs aides sur l’instrument PELICAN et sur les méthodes d’égalisation des données.
Je remercie aussi Jean Marc DELVIT pour son explication à propos de l’aérotriangulation et
Christophe LATRY du service Qualité Image pour ses conseils.
Enfin, je remercie l’ensemble du personnel du service DCT/SI/EI pour leur accueil, leur
disponibilité et leur bonne humeur tout au long de mon stage.











DIFFUSION

NOM ADRESSE NB
ARNAL Etienne 1695 av de la Résistance, 83000 Toulon 1

FJØRTOFT Roger CNES DCT/SI/EI – bpi 901 1
18 av Édouard Belin, 31401 Toulouse Cedex 09
INACIO Frédérique L2MP ISEN Maison des Technologies 1
Place Georges Pompidou, 83000 Toulon

Mémoire de fin d’études
ARNAL Etienne Page 4
TABLE DES MATIERES

Table des illustrations…………………………………………………………………………………………………………………………7
Liste des abréviations…………………………………………………………………………………………………………………………9
I. Objectifs du stage ............................................................................................................. 11
A. Plan de travail .......................................................................................................... 11
B. Outils informatiques................................................................................................. 11
C. Gestion du temps ..................................................................................................... 12
D. Gestion des coûts..................................................................................................... 13
II. Présentation du CNES........................................................................................................ 14
A. Un pôle d’excellence ................................................................................................ 14
B. Les chiffres .............................................................................................................. 15
C. Les programmes ...................................................................................................... 15
D. Les centres .............................................................................................................. 16
E. Les établissements ................................................................................................... 17
1. Le CSG, c entre spatial guyanais ..........................................................................................................17
2. Le DLA, centre spatial d’Evry ...............................................................................................................18
3. Le CST, c entre spatial de Toulouse.....................................................................................................18
F. L’organigramme ....................................................................................................... 20
III. La division DCT/SI, service Exploitation Images & Instruments ........................................... 21
A. La sous-direction DCT/SI ........................................................................................... 21
1. Les missions du DCT/SI .........................................................................................................................21
2. L’organisation du DCT/SI......................................................................................................................21
B. Le service DCT/SI/EI, Exploitation Images & Instruments ............................................ 22
IV. Le système PELICAN .......................................................................................................... 23
A. L’instrument ............................................................................................................ 23
B. Le système d’acquisition........................................................................................... 24
C. Les données brutes .................................................................................................. 25
V. Le prétraitement PELICAN ................................................................................................. 26
A. L’import des données ............................................................................................... 26
B. La correction radiométrique ..................................................................................... 27
1. L’égalisation ...........................................................................................................................................28
2. La correction ..........................................................................................................................................28
C. La correction géométrique........................................................................................ 29
Mémoire de fin d’études
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1. La recherche des corrélations .............................................................................................................29
2. Le modèle polynomiale des décalages ..............................................................................................30
D. Le rééchantillonnage ................................................................................................ 30
E. Les produits PELICAN................................................................................................ 31
VI. Evaluation et amélioration du prétraitement PELICAN ....................................................... 32
A. Les problèmes rencontrés sur les images ................................................................... 32
1. Problèmes liés au capteur ...................................................................................................................32
2. Problèmes liés à la correction radiométrique..................................................................................35
3. Problèmes liés à la correction géométrique ....................................................................................35
B. Evaluation et amélioration du prétraitement radiométrique....................................... 36
1. La réalisation des données d’égalisation ..........................................................................................36
2. Les bandes d’obscurité.........................................................................................................................39
3. Filtrage des données d’égalisation.....................................................................................................41
C. Evaluation et amélioration du prétraitement géométrique ......................................... 49
1. La méthode de registration .................................................................................................................49
2. L’étude des décalages inter-bandes ..................................................................................................54
3. La registration sur les zones à faible radiométrie ...........................................................................57
VII. Les améliorations implémentées ....................................................................................... 60
A. Filtrage des coefficients d’égalisation ........................................................................ 60
1. Filtre anti-poussières ............................................................................................................................60
2. Filtre TDI..................................................................................................................................................61
B. Estimation des décalages d’une prise de vue ............................................................. 62
C. Recherche des pixels aberrants dans les données d’égalisation................................... 64
D. Prise en compte des valeurs de la bande d’obscurité.................................................. 65
E. Vérification de la cohérence des modèles de décalages .............................................. 66
F. Intégration des outils de visualisation de la registration ............................................. 67
VIII. Vue globale des améliorations du Prétraitement ............................................................... 69
Conclusion………………………………………………………………………………………………………………………………………..70
IX. Bibliographie .................................................................................................................... 71
X. Annexes............................ 72
A. Extrait PELICAN le 16/10/2006 Cannes 10cm ............................................................. 72
B. Les activités DCT/SI/EI .............................................................................................. 73


Mémoire de fin d’études
ARNAL Etienne Page 6
TABLE DES ILLUSTRATIONS

Figure 1: Logo du CNES ................................................................................................................ 14
Figure 2: Les lancements de Kourou ............................................................................................. 18
Figure 3: Organigramme du CNES (sept 2006) ............................................................................... 20
Figure 4: Simulation du viaduc de Millau par Pléiades.................................................................... 22
Figure 5: Les 4 caméras PELICAN .................................................................................................. 23
Figure 6: Profil des 5 filtres Pléiades pour PELICAN ........................................................................ 24
Figure 7: Le système PELICAN en vol............................................................................................. 24
Figure 8: Architecture du système PELICAN .................................................................................. 25
Figure 9: Format des données brutes ........................................................................................... 25
Figure 10: Description technique du système PELICAN .................................................................. 26
Figure 11: Import des données..................................................................................................... 27
Figure 12: Traitement de la radiométrie ....................................................................................... 27
Figure 13: Traitement de la géométrie.......................................................................................... 29
Figure 14: Composition RVB sans registration (à gauche) et composition RVB après application des
décalages déterminés par corrélation (à droite) ............................................................................ 30
Figure 15: Rééchantillonnage ....................................................................................................... 31
Figure 16: Colonne aberrante sur image brute .............................................................................. 32
Figure 18: Fantômes, dû aux réflexions hublot - filtre .................................................................... 33
Figure 17: Poussière sur l'image brute .......................................................................................... 33
Figure 19: Flou directionnel sur la bande bleue ............................................................................. 33
Figure 20: Saturation sur l'image brute ......................................................................................... 34
Figure 21: Variation du courant d'obscurité moyen pendant la chauffe des CCD ............................. 34
Figure 22: Poussières et colonne aberrante après le prétraitement radiométrique......................... 35
Figure 23: Mauvaise coregistration des bandes flagrante............................................................... 35
Figure 25: Formule d'égalisation .................................................................................................. 36
Figure 24: Mauvaise coregistration en bordure de l'image ............................................................. 36
Figure 26: Matrice d'obscurité et en éclairement .......................................................................... 37
Figure 27: Comparaison de l'évolution temporelle de la sensibilité en obscurité et en éclairement .. 38
Figure 28: Pollution de la bande d'obscurité par la dernière colonne de l'image.............................. 39
Figure 29: Effet du TDI sur les dernières lignes de l'image .............................................................. 40
Figure 30: Variation de la médiane des 4 pixels centraux de la dernière ligne de la bande d'obscurité
.................................................................................................................................................. 41
Figure 31: Mauvaise correction d'une poussière ........................................................................... 43
Figure 32: Vue des effets du filtre anti-poussières ......................................................................... 44
Figure 33: Comparaison des résultats du prétraitement avec des coefficients d'égalisation bruts et
filtrés anti-poussières .................................................................................................................. 45
Figure 34: Vue des effets du filtre estimateur du TDI ..................................................................... 47
Figure 35: Comparaison des résultats du prétraitement avec des coefficients d'égalisation bruts et
filtrés TDI .................................................................................................................................... 47
Figure 36: Limite du prétraitement avec des coefficients d'égalisation filtrés TDI ............................ 48
Figure 38: Formule de la corrélation d'image ................................................................................ 50
Figure 37: Principe de la corrélation MEDICIS................................................................................ 50
Mémoire de fin d’études
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Figure 39: Bandes (rouge, bleue) de deux images à radiométrie différente (ville, mer) .................... 52
Figure 40: Validité des résultats de corrélation (FLAG_VALID = 1) et coefficients de corrélation
(CRIT_PRECIS) ............................................................................................................................. 53
Figure 41: Points homologues utilisés pour générer le modèle polynomial ..................................... 54
Figure 42: Les mouvements de l'avion .......................................................................................... 55
Figure 43: Mosaïque PELICAN sur Amiens ..................................................................................... 55
Figure 44: Décalages moyen et variance (ligne et colonne) le long d'un axe pour les 3 bandes
secondaires (VBI) ........................................................................................................................ 56
Figure 45: Deux images structurellement différentes (mer, ville).................................................... 58
Figure 46: Points homologues utilisés pour calculer le modèle ....................................................... 58
Figure 47: Résultats du rééchantillonnage avec la grille de corrélation calculée et la grille de
corrélation estimé ....................................................................................................................... 59
Figure 48: Compositions colorées des images sur Cannes .............................................................. 68
Figure 49: Vérifications visuelles des images sur Cannes ................................................................ 68



Mémoire de fin d’études
ARNAL Etienne Page 8
LISTE DES ABREVIATIONS

CCD = Charge-Coupled Device,
CNES = Centre National d’Etudes Spatiales,
CSG = Centre Spatial Guyanais,
CST = Centre Spatial de Toulouse,
DLA = Direction des Lanceurs,
DOTA = Département d’Optique Théorique et Appliquée,
ENVI = ENvironment for Visualizing Image,
ESA = European Space Agency,
GMES = Global Monitoring for Environment and Security,
GPS = Global Positioning system,
IDL = Interactive Data Language,
IGN = Institut Géographique National,
ISEN = Institut Supérieur d’Electronique et du Numérique,
LOEMI = Laboratoire d’Opto-Electronique et de Micro-Informatique,
MATLAB = MAtrix LABoratory,
MCO = Maintien en Condition Opérationnelle,
MEDICIS = Moyen d'Evaluation de Décalages entre Images, Commun à l'Imagerie Spatiale,
ONERA = Office National d’Etudes et de Recherches Aérospatiales,
ORION = Outil de Rééchantillonnage d’Images Optimisé Numériquement,
PELICAN = Plate-forme Et Logiciel pour les Images des Caméras Aéroportées Numériques,
TDI = Time Delay Integration,
TIFF = Tagged Image File Format,
XML = eXtensible Markup Language.



Mémoire de fin d’études
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Tout au long de mon parcours scolaire, j’ai été fasciné par le domaine spatial et plus
particulièrement par l’observation de la Terre. Ce secteur est actuellement en plein essor est offre
une grande quantité d’outils (optiques, radars, spectraux…) aux scientifiques, applicables dans des
domaines très variés (géographie, météorologie, bathymétrie…). L’utilisation de ces outils permet
l’analyse des phénomènes sur l’ensemble de la Terre.
Au fil des années, je me suis spécialisé dans le traitement du signal numérique et plus
particulièrement dans le traitement d’image grâce à mes deux stages. Le premier, à l’ESA à Rome,
m’a fait découvrir les méthodes de traitement d’image satellite utilisées pour la génération d’un
modèle numérique de terrain 3D. Le deuxième, au CNES à Toulouse, qui fait l’objet de ce rapport,
m’a permis de comprendre les étapes du prétraitement des images telles que la correction
radiométrique et la registration d’images multi-spectrales.








“Le doute est père de la création.”
Galilée



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