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La rétrodiffusion associée aux effets de géométrie de surface à des angles d’incidence élevés (62°—76°) et pour quatres angles azimutaux (Q0, 3Q0, 60° et 90°) a été étudiée pour des champs de maïs du Québec (Canada) à l’aide de 3 images du ROS-C du Centre canadien de télédétection. Selon les conditions de drainage des champs, le couvert végétal apporte une plus ou moins grande contribution à la rétrodiffusion. L’effet de géométrie de surface est nettement plus prononcé (amplitude 3,2 dB) pour les champs de maïs sans drainage souterrain que ceux ayant un drainage souterrain (1,5 dB). Le contraste entre ces deux types de champ est rattaché aux différences de pente du couvert végétal ainsi qu’aux variations de biomasse.

Suite aux lancements successifs de satellites pour l'observation de la Terre dotés de capteur SAR (Synthetic Aperture Radar), la masse de données SAR disponible est considérable. Dans ce contexte, la fusion des mesures de déplacement issues de l'imagerie SAR est prometteuse à la fois dans la communauté de la télédétection et dans le domaine géophysique. Dans cette optique, cette thèse propose d'élargir les approches conventionnelles en combinant les techniques de traitement des images SAR, les méthodes de fusion d'informations et la connaissance géophysique. Dans un premier temps, cette thèse a pour objectif d'étudier plusieurs stratégies de fusion, l'inversion jointe, la pré-fusion et la post-fusion, afin de réduire l'incertitude associée d'une part à l'estimation du déplacement en 3 dimensions (3D) à la surface de la Terre, d'autre part à la modélisation physique qui décrit la source en profondeur du déplacement observé en surface. Nous évaluons les avantages et les inconvénients de chacune des stratégies en ce qui concerne la réduction de l'incertitude et la robustesse vis à vis du bruit. Dans un second temps, nous visons à prendre en compte les incertitudes épistémiques, en plus des incertitudes aléatoires, présentes dans les mesures et proposons les approches classiques et floues basées sur la théorie des probabilités et la théorie des possibilités pour modéliser ces incertitudes. Nous analysons et mettons en évidence l'efficacité de chaque approche dans le cadre de chaque stratégie de fusion. La première application consiste à estimer les champs du déplacement 3D à la surface de la Terre dus au séisme du Cachemire en octobre 2005 et à l'éruption du Piton de la Fournaise en janvier 2004 sur l'île de la Réunion. La deuxième application porte sur la modélisation de la rupture de la faille en profondeur liée au séisme du Cachemire. Les principales avancées sont évaluées d'un point de vue méthodologique en traitement de l'information et d'un point de vue géophysique. Au niveau méthodologique, afin de lever les principales difficultées rencontrées pour l'application de l'interférométrie différentielle à la mesure du déplacement induit par le séisme du Cachemire, une stratégie de multi-échelles basée sur l'information a priori en utilisant les fréquences locales de phase interférométrique est adoptée avec succès. En ce qui concerne la gestion de l'incertitude, les incertitudes aléatoires et épistémiques sont analysées et identifiées dans les mesures du déplacement. La théorie des probabilités et la théorie des possibilités sont utilisées afin de modéliser et de gérer les propagations des incertitudes au cours de la fusion. En outre, les comparaisons entre les distributions de possibilité enrichissent les comparaisons faites simplement entre les valeurs et indiquent la pertinence des distributions de possibilité dans le contexte étudié. Par ailleurs, la pré-fusion et la post-fusion, 2 stratégies de fusion différentes de la stratégie d'inversion jointe couramment utilisée, sont proposées afin de réduire autant que possible les incertitudes hétérogènes présentes en pratique dans les mesures et pour contourner les principales limitations de la stratégie d'inversion jointe. Les bons cadres d'application de chaque approche de la gestion de l'incertitude sont mis en évidence dans le contexte de ces stratégies de fusion. Au niveau géophysique, l'application de l'interférométrie différentielle à l'étude du séisme du Cachemire est réalisée pour la première fois et compléte les études antérieures basées sur les mesures issues de la corrélation des images SAR et optiques, les mesures télésismiques et les mesures de terrain. L'interférométrie différentielle apporte une information précise sur le déplacement en champ lointain par rapport à la position de la faille. Ceci permet d'une part de réduire les incertitudes associées aux mesures de déplacement en surface et aux paramètres du modèle, et d'autre part de détecter les déplacements post-sismiques qui existent potentiellement dans les mesures cosismiques qui couvrent la période de mouvement post-sismique. Par ailleurs, la prise en compte de l'incertitude épistémique et la proposition de l'approche floue pour gérer ce type d'incertitude, fournissent une vision différente de l'incertitude de mesure connue par la plupart des géophysiciens et complétent la connaissance de l'incertitude aléatoire et l'application de la théorie des probabilités dans ce domaine. En particulier, la gestion de l'incertitude par la théorie des possibilités permet de contourner le problème de sous-estimation d'incertitude par la théorie des probabilités. Enfin, la comparaison du déplacement mesuré par les images SAR avec le déplacement mesuré par les images optiques et le déplacement issu des mesures sur le terrain révèle toute la difficulté d'interpréter différentes sources de données plus ou moins compatibles entre elles. Les outils développés dans le cadre de cette thèse sont intégrés dans le package MDIFF (Methods of Displacement Information Fuzzy Fusion) dans l'ensemble des "EFIDIR Tools" distribués sous licence GPL. / Following the successive launches of satellites for Earth observation with SAR (Synthetic Aperture Radar) sensor, the volume of available radar data is increasing considerably. In this context, fusion of displacement measurements from SAR imagery is promising both in the community of remote sensing and in geophysics. With this in mind, this Ph.D thesis proposes to extend conventional approaches by combining SAR image processing techniques, information fusion methods and the knowledge on geophysics. First, this Ph.D thesis aims to explore several fusion strategies, joint inversion, pre-fusion and post-fusion, to reduce the uncertainty associated on the one hand to the estimation of the 3-dimensional (3D) displacement at the Earth's surface, on the other hand to physical modeling that describes the source in depth of the displacement observed at the Earth's surface. We evaluate advantages and disadvantages of each fusion strategy in terms of reducing uncertainty and of robustness against noise. Second, we aim to take account of epistemic uncertainty, in addition to the random uncertainty present in the measurements and propose the conventional and fuzzy approaches based on probability theory and possibility theory respectively to model these uncertainties. We analyze and highlight the efficiency of each approach in context of each fusion strategy. The first application consists of estimating the 3D displacement fields at the Earth's surface due to the Kashmir earthquake in October 2005 and the eruption of Piton de la Fournaise in January 2004 on Reunion Island. The second application involves the modeling of the fault rupture in depth related to the Kashmir earthquake. The main achievements and contributions are evaluated from a methodological point of view in information processing and from a geophysical point of view. In the methodological view, in order to address the major difficulties encountered in the application of differential interferometry for measuring the displacement induced by the Kashmir earthquake, a multi-scale strategy based on prior information issued from a deformation model using local frequencies of interferometric phase is adopted successfully. Regarding the measurement uncertainty management, both random and epistemic uncertainties are analyzed and identified in the displacement measurements. The conventional approach and a fuzzy approach based on respectively probability theory and possibility theory are proposed to model uncertainties and manage the uncertainty propagation in the fusion system. In addition, comparisons between possibility distributions enrich the comparisons made simply between displacement values ​​and indicate the relevance of possibility distributions in the considered context. Furthermore, pre-fusion and post-fusion, two fusion strategies different from the commonly used fusion strategy of joint inversion, are proposed to reduce heterogeous uncertainties present in practice in the measurements and to get around the main limitations of joint inversion. Appropriated conditions of the application of each uncertainty management approach are highlighted in the context of these fusion strategies. In the geophysical view, the application of differential interferometry to the Kashmir earthquake is performed successfully for the first time and it completes previous studies based on measurements from the correlation of SAR and optical images, teleseismic measurements and in situ field measurements. Differential interferometry provides accurate displacement information in the far field relative to the fault position. This allows on the one hand reducing uncertainties associated with surface displacement measurements and with model parameters, on the other hand detecting post-seismic movements that exist potentially in the used coseismic measurements covering the post-seismic period. Moreover, taking into consideration of epistemic uncertainty and the proposition of a fuzzy approach for its management, provide a different view of the measurement uncertainty known by most geophysicists and complete the knowledge of the random uncertainty and the application of probability theory in this domain. In particular, the management of uncertainty by possibility theory allows overcoming the problem of under-estimation of uncertainty by probability theory. Finally, comparisons of the displacement measured by SAR images with the displacement measured by optical images and the displacement from in situ field measurements reveal the difficulty to interpret different data sources more or less compatible among them. The tools developed during this Ph.D thesis are included in the MDIFF (Methods of Displacement Information Fuzzy Fusion) package in "EFIDIR Tools" distributed under the GPL lisence.

Made available in DSpace on 2014-06-12T18:02:43Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo4052_1.pdf: 1926198 bytes, checksum: a394edbf4f303fa7b25af920df83cf25 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2008 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Este trabalho propõe uma técnica não-paramétrica para detecção de bordas em imagens speckle. As imagens SAR ("Synthetic aperture Radar"), sonar, B-ultrasound e laser são corrompidas por um ruído não aditivo chamado speckle. Vários modelos estatísticos foram propostos para desrever este ruído, levando ao desenvolvimento de técnicas especiais para melhoramento e análise de imagens. A distribuição G0 é um modelo estatístico que consegue descrever uma ampla gama de áreas, como, por exemplo, em dados SAR, pastos (lisos), florestas (rugosos) e áreas urbanas (muito rugosos). O objetivo deste trabalho é estudar ténicas alternativas na detecção de imagens speckled, tomando como ponto de partida Gambini et al. (2006, 2008). Um novo detector de borda baseado no teste de Kruskal Wallis é proposto. Os nossos resultados numéricos mostram que esse detector é uma alternativa atraente ao detector de M. Gambini, que é baseado na função de verossimilhançaa. Neste trabalho fornecemos evidências de que a técnica de M. Gambini pode ser substituída om sucesso pelo método Kruskal Wallis. O ganho reside em ter um algoritmo 1000 vezes mais rápido, sem omprometer a qualidade dos resultados

It has long been known that ship wakes are observable by synthetic aperture radar. However, incomplete physical understanding has prevented the development of simulation tools that can predict both the structure and persistence of wakes in the ocean environment. It is the focus of this work to develop an end-to-end multi-scale modeling-and-simulation methodology that captures the known physics between the source of disturbance and the sensor. This includes turbulent hydrodynamics, free-surface effects, environmental forcing through Langmuir-type circulations, generation of surface currents and redistribution of surface-active substances, surface-roughness modification, and simulation of the signature generated by reflection and scattering of electromagnetic waves from the ocean surface. The end-to-end methodology is based upon several customized computational fluid dynamics solvers and empirical models which are linked together. The unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, including models for the Craik-Leibovich vortex force and near surface Reynolds-stress anisotropy, are solved at full-scale Reynolds and Froude numbers on domains that extend tens of kilometers behind the ship. A parametric study is undertaken to explore the effects of ship heading, ship propulsion, ocean-wave amplitude and wavelength, and the relative importance of Langmuir-type circulations vs. near-surface Reynolds-stress anisotropy on the generation of surface currents that are transverse to the wake centerline. Due to the vortex force, the structure of the persistent wake is shown to be a function of the relative angle between the ambient long-wavelength swell and the ship heading. Ships operating in head seas observe 1-3 streaks, while ships operating in following seas observe 2 symmetric streaks. Ships operating in calm seas generate similar wakes to those in following seas, but with reduced wake width and persistence. In addition to the structure of the persistent wake, the far wake is shown to be dominated by ship-induced turbulence and surface-current gradients generating a wide center wake. The redistribution of surface-active substances by surface currents is simulated using a scalar-transport model on the ocean surface. Simulation of surface-roughness modification is accomplished by solving a wave-action balance model which accounts for the relative change in the ambient wave-spectrum by the surface currents and the damping-effects of surface-active substances and turbulence. Simulated returns from synthetic aperture radar are generated with two methods implemented. The first method generates a perfect SAR image where the instrument and platform based errors are neglected, but the impact of a randomized ocean field on the radar cross section is considered. The second method simulates the full SAR process including signal detection and processing. Comparisons are made to full-scale field experiments with good agreement between the structure of the persistent wake and observed SAR imagery. / 1 / It has long been known that ship wakes are observable by synthetic aperture radar. However, incomplete physical understanding has prevented the development of simulation tools that can predict both the structure and persistence of wakes in the ocean environment, which is critical to understanding both the design and operation of maritime remote sensors as well as providing tactically relevant operational guidance and awareness of the maritime domain. It is the focus of this work to develop an end-to-end multi-scale modeling-and simulation methodology that captures the known physics between the source of disturbance and the sensor. This includes turbulent hydrodynamics, free-surface effects, environmental forcing, generation of surface currents and redistribution of surface-active substances, surface-roughness modification, and simulation of the signature from the ocean surface. The end-to-end methodology is based upon several customized computational fluid dynamics solvers and empirical models. The unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, including models to account for environmental effects and near-surface turbulence, are solved at full-scale on domains that extend tens of kilometers behind the ship. A parametric study is undertaken to explore the effects of ship heading, ship propulsion, ocean-wave amplitude and wavelength, and the relative importance of environmental forcing vs. near-surface turbulence on the generation of surface currents that are transverse to the wake centerline. Due to the environmental forcing, the structure of the persistent wake is shown to be a function of the relative angle between the ambient long-wavelength swell and the ship heading. Ships operating in head seas observe 1-3 streaks, while ships operating in following seas observe 2 symmetric streaks. Ships operating in calm seas generate similar wakes to those in following seas, but with reduced wake width and persistence. In addition to the structure of the persistent wake, the far wake is shown to be dominated by ship-induced turbulence and surface-current gradients generating a wide center wake. The redistribution of surface films by surface currents is simulated using a scalar-transport model on the ocean surface. Simulation of surface-roughness modification is accomplished by solving a wave-action-balance model which accounts for the relative change in the ambient surface profile by the surface currents and the damping-effects of surface-active substances and turbulence. Simulated returns from synthetic aperture radar are generated with two methods implemented. The first method generates a perfect SAR image where the instrument and platform based errors are neglected, but the impact of a randomized ocean field on the radar cross section is considered. The second method simulates the full SAR process including signal detection and processing. Comparisons are made to full-scale field experiments with good agreement between the structure of the persistent wake and observed SAR imagery.

Les systèmes radar à synthèse d’ouverture (RSO) sont utilisés depuis de nombreuses années pour des applications militaires telles que la détection des cibles cachées. L’amélioration constante de la résolution de ces capteurs permet aujourd’hui d’accéder à un niveau de détail élevé dans la scène imagée. Cependant, l’interprétation de ces images demeure particulièrement compliquée dans le cas des milieux urbains. En effet, ces milieux particuliers sont sièges de nombreux phénomènes physiques et d’interactions multiples qui rendent la tâche de détection difficile et parfois erronée. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse. L’objectif est d’étudier la faisabilité de détection d’une cible en non visée directe du capteur à l’intérieur d’une scène simple et représentative du milieu urbain: le canyon urbain. Une étude sur la phénoménologie de propagation électromagnétique à l’intérieur des canyons urbains est menée à l’aide de mesures en environnement contrôlé à échelle réduite. Ces mesures ont permis la validation d’un outil électromagnétique commercial pour l’étude de la propagation d’une configuration à échelle réelle. Se basant sur les résultats de simulation du code électromagnétique validé, un outil maison, dédié à la prédiction des zones de détection d’une cible à l’intérieur d’un canyon urbain et à l’analyse de la signature électromagnétique correspondante, a été développé et validé. En outre, ce code contribue à l’interprétation complète de données radiométriques et interférométriques d’une scène urbaine réelle. / Synthetic Aperture Radar (SAR) systems have been used since many years for military applications such as the detection of hidden targets. With improved resolutions of these systems, high level of details can be distinguished in the corresponding images. However, some difficulties are encountered when analyzing the SAR images of urban areas. In particular, in these areas, many physical phenomena and interactions occur that make the detection of a target a challenging task. In this framework, the goal of the thesis is to investigate the feasibility of detecting Non Line Of Sight targets inside a simple and representative scene: the urban canyon. A study of the electromagnetic (EM) phenomenology of propagation inside urban canyons has been performed using indoor data at a reduced scale. These data allowed the validation of an EM commercial tool that studies the EM propagation at a real scale. Based on the results of simulation of this code, an in-house code was developed dedicated to predict the detection of a target inside an urban canyon and to analyze the corresponding EM signature. Moreover, this code contributed to a full interpretation of InSAR data of a real complex urban scene with targets.

L’imagerie RSO circulaire aéroportée permet d’obtenir de nombreuses informations sur les zones imagées et sur les cibles mobiles. Les objets peuvent être observés sous plusieurs angles, et l’illumination continue d’une même scène permet de générer plusieurs images successives de la même zone. L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de reconstruction de trajectoire de cibles mobiles en imagerie RSO circulaire monovoie, et d’étudier les performances de la méthode proposée. Nous avons tout d’abord mesuré les coordonnées apparentes des cibles mobiles sur les images RSO et leur paramètre de défocalisation. Ceci permet d’obtenir des informations de mouvement des cibles, notamment de vitesse et d’accélération. Nous avons ensuite utilisé ces mesures pour définir un système d’équations non-linéaires permettant de faire le lien entre les trajectoires réelles des cibles mobiles et leurs trajectoires apparentes. Par une analyse mathématique et numérique de la stabilité de ce système, nous avons montré que seul un modèle de cible mobile avec une vitesse constante permet de reconstruire précisément les trajectoires des cibles mobiles, sous réserve d’une excursion angulaire suffisante. Par la suite, nous avons étudié l’influence de la résolution des images sur les performances de reconstruction des trajectoires, en calculant théoriquement les précisions de mesure et les précisions de reconstruction qui en découlent. Nous avons mis en évidence l’existence théorique d’une résolution azimutale optimale, dépendant de la radiométrie des cibles et de la validité des modèles étudiés. Finalement nous avons validé la méthode développée sur deux jeux de données réelles. / Circular SAR imagery brings a lot of information concerning the illuminated scenes and the moving targets. Objects may be seen from any angle, and the continuity of the illumination allows generating a lot of successive images from the same scene. In the scope of this thesis, we develop a moving target trajectory reconstruction methodology using circular SAR imagery, and we study the performances of this methodology. We have first measured the apparent coordinates of the moving targets on SAR images, and also the defocusing parameter of the targets. This enables us to obtain information concerning target movement, especially the velocity and the acceleration. We then used these measurements to develop a non-linear system that makes the link between the apparent trajectories of the moving targets and the real ones. We have shown, by a mathematical and numerical analysis of the robustness, that only a model of moving target with constant velocity enables us to obtain accurate trajectory reconstructions from a sufficient angular span. Then, we have studied the azimuth resolution influence on the reconstruction accuracy. In order to achieve this, we have theoretically estimated the measurement accuracy and the corresponding reconstruction accuracy. We have highlighted the existence of an optimal azimuth resolution, depending on the target radiometry and on the validity of the two target models. Finally, we have validated the method on two real data sets on X-Band acquired by SETHI and RAMSES NG, the ONERA radar systems, and confirmed the theoretical analyses of its performances.

Los Radares de Apertura Sintética, o sistemas SAR, representan el mejorejemplo de sistemas activos de teledetección por microondas. Debido a su naturaleza coherente, un sistema SAR es capaz de adquirir información dedispersión electromagnética con una alta resolución espacial, pero por otro lado, esta naturaleza coherente provoca también la aparición de speckle.A pesar de que el speckle es una medida electromagnética, sólo puede ser analizada como una componente de ruido debido a la complejidad asociadacon el proceso de dispersión electromagnética.Para eliminar los efectos del ruido speckle adecuadamente, es necesario un modelo de ruido, capaz de identificar las fuentes de ruido y como éstasdegradan la información útil. Mientras que este modelo existe para sistemasSAR unidimensionales, conocido como modelo de ruido speckle multiplicativo,éste no existe en el caso de sistemas SAR multidimensionales.El trabajo presentado en esta tesis presenta la definición y completa validación de nuevos modelos de ruido speckle para sistemas SAR multidimensionales,junto con su aplicación para la reducción de ruido speckle y la extracción de información.En esta tesis, los datos SAR multidimensionales, se consideran bajo una formulación basada en la matriz de covarianza, ya que permite el análisisde datos sobre la base del producto complejo Hermítico de pares de imágenesSAR. Debido a que el mantenimiento de la resolución especial es un aspectoimportante del procesado de imágenes SAR, la reducción de ruido speckleestá basada, en este trabajo, en la teoría de análisis wavelet.

L’observation de la Terre par des systèmes d’acquisition d’images permet de suivre l’évolution temporelle de phénomènes naturels tels que les séismes, les volcans ou les mouvements gravitaires. Différentes techniques existent dont l’imagerie satellitaire, la photogrammétrie terrestre et les mesures in-situ. Les séries temporelles d’images issues d’appareils photo automatiques (Time Lapse) sont une source d’informations en plein essor car elles offrent un compromis intéressant en termes de couverture spatiale et de fréquence d’observation pour mesurer les déplacements de surface de zones spécifiques. Cette thèse est consacrée à l’analyse de séries d’images issues de la photographie terrestre et de l’imagerie radar satellitaire pour la mesure du déplacement des glaciers Alpins. Nous nous intéressons en particulier aux problèmes du traitement de Time Lapse stéréo pour le suivi d’objets géophysiques dans des conditions terrain peu favorables à la photogrammétrie. Nous proposons une chaîne de traitement mono-caméra qui comprend les étapes de sélection automatique des images, de recalage et de calcul de champs de déplacement bidimensionnel (2D). L’information apportée par les couples stéréo est ensuite exploitée à l’aide du logiciel MICMAC pour reconstruire le relief et obtenir le déplacement tridimensionnel(3D). Plusieurs couples d’images radar à synthèse d’ouverture (SAR) ont également été traités à l’aide des outils EFIDIR pour obtenir des champs de déplacement 2D dans la géométrie radar sur des orbites ascendantes ou descendantes. La combinaison de mesures obtenues quasi-simultanément sur ces deux types d’orbites permet de reconstruire le déplacement 3D. Ces méthodes ont été mises en oeuvre sur des séries de couples stéréo acquis par deux appareils photo automatiques installés sur la rive droite du glacier d’Argentière et sur des images du satellite TerraSAR-X couvrant le massif du Mont-Blanc. Les résultats sont présentés sur des données acquises lors d’une expérimentation multi-instruments menée en collaboration avec l’IGN à l’automne 2013, incluant le déploiement d’un réseau de Géocubes qui ont fournit des mesures GPS. Elles sont utilisées pour évaluer la précision des résultats obtenus par télédétection proximale et spatiale sur ce type de glacier. / Earth observation by image acquisition systems allows the survey of temporal evolution of natural phenomena such as earthquakes, volcanoes or gravitational movements. Various techniques exist including satellite imagery, terrestrial photogrammetry and in-situ measurements. Image time series from automatic cameras (Time Lapse) are a growing source of information since they offer an interesting compromise in terms of spatial coverage and observation frequency in order to measure surface motion in specific areas. This PhD thesis is devoted to the analysis of image time series from terrestrial photography and satellite radar imagery to measure the displacement of Alpine glaciers. We are particularly interested in Time Lapse stereo processing problems for monitoring geophysical objects in unfavorable conditions for photogrammetry. We propose a single-camera processing chain that includes the steps of automatic photograph selection, coregistration and calculation of two-dimensional (2D) displacement field. The information provided by the stereo pairs is then processed using the MICMAC software to reconstruct the relief and get the three-dimensional (3D) displacement. Several pairs of synthetic aperture radar (SAR) images were also processed with the EFIDIR tools to obtain 2D displacement fields in the radar geometry in ascending or descending orbits. The combination of measurements obtained almost simultaneously on these two types of orbits allows the reconstruction of the 3D displacement. These methods have been implemented on time series of stereo pairs acquired by two automatic cameras installed on the right bank of the Argentière glacier and on TerraSAR-X satellite images covering the Mont-Blanc massif. The results are presented on data acquired during a multi-instrument experiment conducted in collaboration with the French Geographic National Institute (IGN) during the fall of 2013,with a network of Géocubes which provided GPS measurements. They are used to evaluate the accuracy of the results obtained by proximal and remote sensing on this type of glacier.