GENLIB: Des bibilothèques spectrales pour mieux lire les villes

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Publié le 26 août 2022

Dans un contexte de modification constante de nos villes, la cartographie urbaine et les applications qui y sont liées se veulent de plus en plus précises, rapides et faciles. Le projet STEREO III GENLIB prône un concept qui devrait contribuer à rendre la cartographie des environnements urbains à l’aide de données de télédétection à la fois plus efficace et plus accessible.

Les villes explosent, les bases de données aussi

Les villes se développent plus rapidement que jamais, tout comme l’énorme quantité de données d'observation de la Terre couvrant les zones urbaines. Aujourd’hui, ces données s’enrichissent encore grâce à l’imagerie hyperspectrale satellitaire et aérienne, ce qui offre des perspectives très intéressantes pour la surveillance des zones urbaines.

Les villes se caractérisent par une très grande variété de couvertures du sol (bâtiments, routes, végétation…), souvent de très petite taille et très proches les unes des autres. Elles peuvent même se chevaucher, sans parler des nombreuses zones d’ombres créées par les immeubles. Dans ces conditions, il est très difficile de faire la distinction entre les différentes couvertures du sol uniquement sur base de leurs signatures spectrales. La transformation des données d'observation de la Terre en informations utiles nécessite donc souvent l’élaboration de modèles numériques spécifiques pour chaque thématique étudiée. Mais ces modèles ne peuvent être développés sans données spectrales de référence (ou données de vérité terrain) de qualité pour les différents types de couverts urbains. L'acquisition de ces données se fait généralement au cas par cas et demande malheureusement beaucoup de temps et d'efforts, en partie à cause de l'absence d'une approche standardisée.

Une GUSL est définie comme une collection multisite de bibliothèques spectrales urbaines richement étiquetées, équipée des outils nécessaires pour interroger, transformer et appliquer ces bibliothèques à diverses applications cartographiques.

L’objectif du projet STEREO III GENLIB (Developing a generic framework for library based multi-site mapping of urban areas) est de faciliter, rationnaliser et rendre plus accessible la cartographie des environnements urbains à l'aide de données de télédétection. Pour cela, l’équipe du projet, composée de membres de la VUB, de la KULeuven et du DLR, propose le concept de bibliothèque spectrale urbaine générique (GUSL : Generic Urban Spectral Library).

L'hypothèse principale du projet est qu'une telle bibliothèque, une fois devenue suffisamment représentative, peut être utilisée pour réaliser une cartographie précise avec n'importe quel capteur optique, sur n'importe quel site et pour n'importe quelle application, en supposant que les données d'image utilisées soient raisonnablement adaptées à la tâche.

Cette bibliothèque GUSL serait distribuée par l'intermédiaire du système de données en libre accès SPECCHIO et se développerait de façon dynamique grâce aux contributions de nouvelles bibliothèques spectrales provenant de la communauté d'utilisateurs. La GUSL deviendra ainsi spectralement représentative d'une diversité croissante de zones urbaines.

Une bibliothèque spectrale est une collection de spectres généralement accompagnée de quelques métadonnées (p.ex sur la manière, le moment et le lieu où ces spectres ont été acquis). Les spectres ou profils spectraux décrivent la quantité de lumière solaire qui est réfléchie/absorbée par différentes surfaces. La réflectance peut varier selon les longueurs d'onde en fonction des propriétés (bio)physiques ou chimiques de la surface mesurée, ce qui donne lieu à des signatures uniques qui permettent d'identifier ces surfaces (et parfois même leur état).

Les bibliothèques spectrales ne contiennent généralement que des spectres de matériaux ou types de surfaces purs étiquetés avec le type de couverture correspondant. Ces spectres peuvent être mesurés à l'aide de spectromètres de laboratoire ou de terrain (près ou sur le sol) ou échantillonnés à partir d'images de télédétection (depuis le ciel). Si les mesures au sol sont généralement plus précises, elles sont aussi plus coûteuses.

Une bibliothèque expérimentale...

Pour mettre en évidence la faisabilité d’une telle bibliothèque et illustrer son fonctionnement, l’équipe a d'abord produit une GUSL expérimentale contenant près de 9000 spectres issus de 8 bibliothèques sources et couvrant 10 villes en Belgique, en Allemagne, au Royaume-Uni et aux États-Unis. Elle contient plus de 50 types de couvertures artificielles et naturelles (voir illustration ci-dessous).

Composition et variabilité spectrale de la bibliothèque spectrale VUB-KUL de Bruxelles, une des bibliothèques sources du GUSL expérimental. Cette bibliothèque spectrale peut être téléchargée librement à partir de la plateforme Open Access Zenodo.

Pour gérer les données issues de ces 8 bibliothèques sources présentant toutes des sets de bandes différents (voir illustration ci-dessous), l’équipe a développé un module Python appelé GSL-tools. En plus de fournir des fonctionnalités pour le rééchantillonnage et le ré-étiquetage automatiques des spectres GUSL, le module permet également la construction, l'optimisation et le mélange synthétique des bibliothèques spectrales.

Les définitions des sets de bandes des différentes bibliothèques spectrales sources incluses dans la GUSL expérimentale, illustrées ici au moyen de la densité de bande sur 100 intervalles de longueur d'onde de taille égale. La largeur de bande moyenne à mi-hauteur est représentée en haut pour chaque bibliothèque sources.

…mise à l’épreuve

L’équipe a ensuite mis sa bibliothèque expérimentale à l’épreuve via 3 expériences portant sur des scénarios d'utilisation fréquents de GUSL.

Le premier cas concerne la production de bibliothèques spectrales, qui reste une tâche difficile nécessitant des connaissances spécialisées. L’équipe souligne le potentiel, jusqu'à présent sous-exploité, des bibliothèques spectrales dérivées d’images et a pu démontrer que la bibliothèque GUSL facilite la production de telles bibliothèques.

Le deuxième cas d'utilisation de la GUSL a porté sur son application à la classification de l'occupation du sol à haute résolution en l'absence d'informations spectrales locales sur l'image à cartographier.

Représentation d'une image hyperspectrale sous forme de "datacube" (cube de données 3D dont chaque pixel fournit des informations spectrales locales sur un grand nombre de bandes contiguës sur une scène d'intérêt) du parc du Cinquantenaire à Bruxelles.

Le troisième cas d'utilisation concerne l'application de la GUSL à la cartographie urbaine sub-pixels à moyenne résolution. Alors que celle-ci s'appuie généralement sur le canevas Végétation-Surface imperméable-Sol ou des canevas similaires, l’équipe a tenté de déterminer si le GUSL peut être exploité en ciblant un canevas de mélange thématiquement amélioré avec 6 classes de matériaux génériques : Céramique-Minéraux, Métaux, Plastiques, Semiconducteurs, Végétation et Eau. À cette fin, une image satellitaire hyperspectrale simulée EnMAP de Bruxelles a été utilisée.

La classification par pixel alloue à chaque pixel de l’image une et une seule classe d’occupation du sol. La classification sub-pixel quant à elle permet à chaque pixel d'avoir des appartenances multiples et partielles à des classes identifiées (par exemple dans le cas d’un pixel présentant de la végétation et du bitume lorsqu’un arbre couvre partiellement une route).

Les résultats favorables de ces expériences de validation de concept indiquent que la GUSL peut aider à produire des bibliothèques spectrales et à produire des cartes détaillées et précises avec une faible contribution de l'utilisateur, même dans des conditions difficiles, par exemple lorsque les informations spectrales locales sont partiellement absentes.

Le projet GENLIB a donc mis en lumière le potentiel des collections de bibliothèques spectrales multisites pour une cartographie urbaine plus efficace. Les différents développements réalisés durant le projet ont permis de démontrer la faisabilité d’une telle bibliothèque spectrale GUSL ainsi que son utilité pour différents types d'utilisateurs de télédétection urbaine.