Publié le 12 mai 2023
L’objectif du projet STEREO III ECTIC était d’évaluer l'imagerie ICEYE, en ciblant plus particulièrement leur aptitude à fournir des informations pour deux applications principales :
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la détection des variations de hauteur pour la surveillance des lacs de lave grâce à des séries temporelles, avec focalisation sur le lac de lave du volcan Nyiragongo à l'est de la République démocratique du Congo (RDC);
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la détection, par mesure de la cohérence spectrale, de changements environnementaux comme la déforestation dans la région de Goma et de changements d'origine anthropique comme le suivi des navires sur le lac Kivu .
ICEYE est une constellation finlandaise de plus de 20 petits satellites radar à synthèse d'ouverture (SAR) positionnés en orbite basse (LEO), travaillant en bande X (~3 cm de longueur d'onde) et conçus pour observer la Terre avec une résolution fine.
Un quota de données ICEYE a été accordé par l’ESA pour la réalisation du projet. Sept images ont ainsi pu être étudiées dans le cadre de la première application : cinq images à haute résolution (résolution de 1 mètre, mode d'acquisition "Spotlight") du cratère du Nyiragongo et deux images à une résolution de 3 mètres (mode d'acquisition "Stripmap") de la région de Goma, prises à un an d'intervalle pour l’analyse de la cohérence spectrale.
Indicateur de l’activité volcanique
La première application, la détection des variations de hauteur du lac de lave, se fait en mesurant les changements observés d'ombres portées par les structures verticales du cratère, par traitement d'images d'amplitude permettant de détecter les variations de hauteur.
Les variations du niveau des lacs de lave sont des indicateurs de l'activité du volcan, utilisés en conjonction avec d'autres indicateurs. Leurs mesures servent à détecter les changements de pression dans le système magmatique du volcan. Pendant les périodes de forte activité, le lac de lave déborde, recouvrant le fond du cratère subhorizontal d'une nouvelle couche de lave et réduisant ainsi la profondeur du cratère après solidification.
L’équipe du projet, composée de membres du Centre spatial de Liège et de l'European Center for Geodynamics and Seismology (Luxembourg) a testé la détection des changements de hauteur du lac de lave du volcan Nyiragongo dans la province volcanique des Virunga, en RDC.
Les mesures du niveau du lac de lave sont effectuées en évaluant la longueur de l'ombre SAR projetée par le bord sub-vertical entourant le cratère. Le niveau du lac de lave est ensuite évalué grâce à un simple calcul trigonométrique basé sur cette longueur d'ombre. Cette technique avait déjà été utilisée avec succès à partir d'images des satellites CosmoSkyMed et Radarsat et elle est maintenant utilisée pour la surveillance de routine à l'aide de Sentinel-1.
Cratère et lac de lave du Nyiragongo - Résultats de l'analyse de la profondeur du cratère du volcan Nyiragongo (RDC); sur base de 7 images ICEYE acquises avant, pendant et après l'éruption de mai 2021 et de 41 images provenant d'autres capteurs SAR.
L’équipe a pu démontrer que les images ICEYE fournissent des mesures de la profondeur et du diamètre des cratères similaires à celles obtenues avec les autres capteurs. Tous les résultats obtenus avec les mesures ICEYE prises pendant les phases pré-éruptives, éruptives et post-éruptives (acquisitions entre décembre 2019 et mai 2021) ont confirmé ce qui avait déjà été observé avec les autres types de données satellitaires SAR disponibles (plus de 40 images ALOS2, CSK, Capella, RCM, SAOCOM, Sentinel-1 et TerraSAR-X). Cependant, la résolution sub-métrique, offerte par les nouvelles données ICEYE Spotlight, permet maintenant d'imager les caractéristiques géomorphologiques avec une meilleure résolution. Les mesures ICEYE ont donc ensuite été intégrées aux séries temporelles existantes obtenues à l'aide d'autres capteurs.
Suivre les navires et la déforestation
La seconde application devait permettre d'appliquer un traitement interférométrique développé par les partenaires du projet (et déjà adapté au traitement d’images provenant de nombreux autres capteurs) à des paires d'images prises dans un intervalle de temps court. L’équipe a d'abord testé le traitement sur des images librement disponibles sur le site web ICEYE. Le traitement d’une paire d'acquisitions à haute résolution (Spotlight) du port de Rotterdam avec un échantillonnage au sol de 2x2 mètres (voir ci-dessous), a permis de démontrer que les données ICEYE sont bien gérées par le processeur d’images adapté par l'équipe au cours du projet.
Composition couleurs HSV de l'interférogramme (H), de l'image de cohérence (S) et de l'image d'amplitude (V) du set de données InSAR ICEYE du port de Rotterdam.
L’équipe a ensuite généré des produits interférométriques à partir d’un ensemble de 4 images acquises au-dessus de la forêt amazonienne au Brésil, qui ont permis de mettre en évidence les zones déboisées (voir image ci-dessous).
Forêt amazonienne au Brésil - Composition couleurs HSV de la cohérence géoprojetée, de l'interférogramme et de l'amplitude de la paire d'images ICEYE acquises le 27/07/2021 et le 29/07/2021 montrant la luminosité sur les zones déboisées et les franges colorées où la cohérence est suffisamment préservée. Teinte (H pour Hue) : interférogramme ; Saturation (S) : canal de cohérence multiplié par l'inverse de l'amplitude ; Valeur (V pour value) : inverse de l'amplitude.
Enfin, les résultats pour la détection des navires avec les données fournies par l'ESA (acquises en mars 2020 et mai 2021) ont été moins convaincants. En effet, comme le montre la figure ci-dessous, le bruit présent sur certaines images rend la détection de navires sur le lac Kivu très compliquée.
Image ICEYE du 2 mars 2020. À gauche : canal de cohérence spectrale utilisant un schéma de division en 21 sous-bandes de 30 MHz de largeur de bande chacune, montrant les cibles détectées dans les cercles rouges. À droite : image d'amplitude avec des cercles rouges montrant l'emplacement des cibles correspondantes. Les cercles jaunes en pointillé localisent les navires qui sont faiblement visibles dans l'image d'amplitude mais clairement détectés dans le canal de cohérence spectrale.
En conclusion, le projet ECTIC a permis de démontrer que l'imagerie ICEYE offre des atouts indéniables comme la haute résolution et les différentes géométries d'observation. Leur utilisation s'est avérée efficace pour la mesure des variations de hauteur des lacs de lave et pour la mise en évidence de zones déboisées. Pour le suivi des navires, seules les comparaisons entre des images acquises dans la même géométrie de visualisation ont permis de révéler des changements. Pour les suivi de changement dans le temps, il est donc important de créer des séries temporelles d'images acquises dans la même géométrie d'observation.
Plus d'infos
Projet STEREO ECTIC (Environmental change tracking using ICEYE constellation)
Pour plus d'informations concernant la suite CSL InSAR, veuillez contacter les auteurs du projet, Anne Orban et Dominique Derauw.