XII. Télédétection

XII.2 Extraction de l'information spectrale


Les objectifs de ce chapitre sont les suivants :

  • Extraire les signatures spectrales d’objets géographiques sur une image satellitaire
  • Interprétez vos signatures spectrales
  • Extraire et analyser des indices spectraux : NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) et NBR (Normalized Burn Ratio)

Extraction de signature spectrale

Ouvrez un nouveau projet QGIS. Ajoutez-y la couche raster Sentinel2_2021_08_17.tif.

Pour en savoir plus sur cette image, voir le chapitre précédent !

Nous allons ici digitaliser (dessiner) des polygones dans des zones avec différents types d'occupation du sol (eau, urbain, forêt...), afin de voir ensuite la signature spectrale de chacune de ces classes.

Ces polygones sont souvent nommés ROI en télédétection pour « Region Of Interest ».

Définition du jeu de bandes en entrée dans l'extension SCP

Il faut tout d'abord définir l'image satellite en entrée pour l'extension SCP.

icône jeu de bandes du plugin SCPMenu SCP → Jeu de bandes ou bien cliquez sur l'icône correspondante dans le panneau SCP :

Choix du jeu de bandes dans le plugin SCP
  • Sélectionnez l'image Sentinel2_2021_08_17.tif dans la liste déroulante en haut de la fenêtre (si vous ne la voyez pas, rafraîchissez la liste au moyen du bouton à droite)
  • En bas de la fenêtre, dans la liste Wavelength quick settings, sélectionnez Sentinel-2.

Il est inutile de cliquer sur le bouton Run. Vous pouvez maintenant fermer cette fenêtre.

L'extension SCP est maintenant paramétrée pour travailler sur notre image, qui est reconnue comme une image Sentinel-2. Nous allons pouvoir dessiner nos ROI !

Création des polygones d'entraînement (ROI)

Dans le panneau SCP (s'il n'est pas visible, menu Vue → Panneaux → Menu SCP), cliquez sur l'onglet vertical Training input :

onglet 'entrée données d'entrainement' du panneau SCP

icône ouvrir un jeu d'entrainement dans le panneau SCPCliquez sur l'icône Créer une nouvelle donnée d'entraînement en haut du panneau SCP. Choisir l'emplacement et le nom de la couche SCP qui sera créée et qui contiendra les ROIs.

Cette couche est ajoutée à QGIS (ici, elle se nomme signatures_spectrales) :

liste des couches dans QGIS, avec l'image sentinel-2 et la couche scp

Cette couche semble une couche temporaire (icône grise à côté de son nom), mais il s'agit bien d'une couche sauvegardée sur votre disque, comme vous pouvez vous en assurer dans votre explorateur de fichiers. Elle possède l'extension .scp propre à l'extension QGIS SCP.

Nous allons maintenant ajouter des polygones dans cette couche !

Tout d’abord, dans le bas du panneau SCP, écrire le type d’objet géographique que l’on souhaite digitaliser, par exemple :

  • Nom de MC : Surface en eau
  • Nom de C : Eau
Nom de MC et Nom de C remplis par 'Surface en eau' et 'Eau'

MC signifie Macro-Classe, et C Classe : une macro-classe peut regrouper plusieurs classes.

Il ne reste plus maintenant qu'à digitaliser un polygone correspondant à cette classe.

icône de création de ROICliquez sur l'icône Create a ROI polygon dans la barre d'outil SCP working toolbar.

Si vous ne voyez pas cette barre d'outils, menu Vue → Barres d'outils → SCP Working Toolbar.

SCP working toolbar avec l'outil de création de ROIs entouré en rouge

Le curseur est maintenant une croix. Dans QGIS, zoomez sur une zone avec de l'eau et dessinez un polygone contenant uniquement de l'eau, en faisant un clic droit pour terminer :

ROI temporaire eau, orange transparent

Ce ROI est temporaire ; s'il ne vous convient pas, dessinez-en simplement un autre et le premier sera supprimé.

bas du panneau SCP avec l'icône pour sauver les ROIs entourée en rouge

Une fois satisfait-e de votre ROI, cliquez sur le bouton en bas à droite du panneau SCP Sauvez les ROI temporaires dans les données d'entraînement.

Patientez... Le ROI est ajouté dans le haut du panneau SCP :

haut du panneau SCP avec le 1er ROI visible

Il a aussi changé d'aspect dans la fenêtre de QGIS :

fenêtre de QGIS : ROI sauvegardé, en noir avec contour en pointillés blancs

Une couleur par défaut lui est attribuée. Cependant, dans la fenêtre de QGIS, il est représenté en noir avec un contour en pointillés blanc. En fait, il est représenté suivant le style de la couche de signatures spectrales, que vous pouvez modifier comme pour n'importe quelle couche (double clic sur son nom → Symbologie). Les couleurs du panneau SCP seront quant à elles utilisées pour les graphiques, comme nous allons le voir très bientôt !

De la même manière, digitalisez un polygone pour chacune des macro-classes suivantes :

  • Surface bâtie
  • Surface en forêt
  • Surface en culture
  • Surface brulée
  • Feux

N'oubliez pas d'incrémenter l'ID de la macro-classe (MC ID) à chaque nouveau polygone ! Sinon, il est possible de le faire par la suite en double-cliquant sur la case à modifier, puis en tapant un chiffre.

Pensez à sauvegarder après chaque polygone, si vous décochez "signature" la sauvegarde sera plus rapide !

Au final, votre panneau SCP doit ressembler à ceci :

panneau SCP avec les 6 ROIs correspondant aux 6 classes définies + haut

Nous allons maintenant afficher les signatures spectrales de nos ROIs.

Affichage des signatures spectrales

icône d'ajout des singatures spectrales au graphique Sélectionnez par exemple un polygone par classe, puis cliquez sur l'icône Ajouter les signatures spectrales surlignées au graphique dans la partie gauche du panneau :

panneau SCP avec les 6 classes sélectionnées et le bouton de signature spectrale entouré en rouge

La fenêtre suivante s'ouvre (cliquez si vous voulez la voir en plus grand) :

Fenêtre du graphique des signatures spectrales, pour chacune des 6 classes

La signature spectrale de chacune des 6 classes est représentée sous forme d'un graphique, de la couleur spécifiée dans le panneau SCP. Testez les différentes possibilités, par exemple :

  • cochez/décochez une ligne dans le tableau en haut de la fenêtre pour afficher/masquer une courbe
  • cochez/décochez la case étendue des valeurs du graphique en bas de la fenêtre pour voir l'amplitude des signatures spectrales

Tous vos polygones sont sauvegardés dans la couche au format SCP signatures_spectrales (ou le nom que vous lui avez donné). Il est possible de charger une couche SCP au moyen du bouton Ouvrir un fichier de données d'entraînement.

haut du panneau SCP, onglet 'entrée données d'entraînement', avec le bouton 'ouvrir un fichier de données d'entraînement' entouré en rouge

Vous pouvez par exemple charger la couche de polygones d'entraînement roi_sentinel2_2021_08_17.scp.

TODO : préparer la couche et la mettre en téléchargement

Interprétation de signature spectrale

TODO

Extraction et analyse d'indices spectraux

Indice de végétation NDVI

L'indice de végétation ou NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) permet de mesurer et spatialiser le taux de couverture de la végétation au sol ainsi que son activité chlorophyllienne.

Il se calcule à partire des bandes Proche Infra-Rouge (PIR) et Rouge (R) de la manière suivante :

NDVI = (PIR - R) / (PIR + R)

Ici, nous allons calculer cet indice de 2 manières différentes : avec l'extension SCP, et avec la calculatrice raster de QGIS.

Voici tout d'abord comment calculer le NDVI avec SCP :

Ouvrez un nouveau projet QGIS, ajoutez-y la couche Sentinel2_2021_08_17.tif.

Il faut d'abord si ça n'est pas déjà fait définir le jeu de bandes pour SCP : Menu SCP → Jeu de bande :

SCP, jeu de bandes
  • Cliquez éventuellement sur le bouton actualiser la liste pour voir apparaître le nom de l'image dans la liste déroulante
  • Sélectionnez l'image dans la liste déroulante
  • En bas de la fenêtre, choisissez Sentinel-2 pour le paramétrage rapide des longueurs d'onde

Vous pouvez maintenant aller dans la partie Calcul de bande de SCP, les bandes de notre raster seront listées dans le tableau en haut de la fenêtre.

SCP, calcul de bandes, liste des bandes en haut de la fenêtre entourée de rouge

Contrairement à ce qu'on aurait pu penser, il n'y a pas 13 bandes dans ce tableau mais 40 ! Pourquoi ? Sont listées dans cet outil :

  • Les 13 bandes du jeu de bandes actuel, sous la forme bandset#b1, bandset#b2 etc. (raster1 à raster13)
  • Les 13 bandes du jeu de bande 1 (donc identiques à celles ci-dessus), sous la forme bandset1b1, bandset2b2 etc. (raster14 à raster26)
  • bandset1b* (raster27) : toutes les bandes du jeu de bande 1 (toutes les bandes de l'image Sentinel-2)
  • bandset*b1, bandset*b2 etc. (raster28 à raster40) : toutes les bandes 1 de tous les jeux de bandes, toutes les bandes 2 de tous les jeux de bandes etc. (ici nous n'avons qu'un seul jeu de bandes, donc il s'agit encore des 13 mêmes bandes)

Certaines de ces « bandes » sont donc en réalité des listes de bandes et pourront être utilisées dans des expressions acceptant ces listes.

Ici, nous utiliserons uniquement les 13 premiers éléments de la liste correspondant aux 13 bandes de notre image !

SCP, calcul de bandes, partie Fonctions : NDVI

Dans la partie Fonctions à droite de la fenêtre, descendez pour arriver jusqu'à la rubrique Indices et double-cliquez sur NDVI.

La formule suivante s'affiche dans la partie Expression :

( "#NIR#" - "#RED#" ) / ( "#NIR#" + "#RED#" ) @NDVI

Dans cette formule, @NDVI sera le nom de la couche qui sera créée.

Vous pouvez également choisir de taper la formule du NDVI « à la main » en double-cliquant sur les bandes dans la partie haute de la fenêtre :

("raster8" - "raster4") / ("raster8" + "raster4") @NDVI

Le résultat sera le même en utilisant bandset#b8 et bandset#b4, ou bien bandset1b8 et bandset1b4...

bouton Lancer en bas à droite du panneau SCPPour lancer le calcul du NDVI, cliquez sur le bouton Lancer en bas à droite de la fenêtre.

Une nouvelle fenêtre s'ouvre pour vous demander l'emplacement où enregistrer la couche qui sera créee (son nom est défini par le texte à droite de l'arobase dans la formule, ici ce sera NDVI).

Patientez... Le nouveau raster est ajouté à QGIS :

image NDVI

Bravo, vous venez de calculer un indice de végétation avec l'extension SCP !

On peut également calculer le NDVI sans utiliser l'extension SCP, directement dans QGIS, à l'aide de la calculatrice raster.

Dans la boîte à outils → Analyse raster → Raster Calculator :

calcul du NDVI dans la calculatrice raster
  • Dans Expressions prédéfinies, sélectionnez NDVI puis cliquez sur Ajouter... pour sélectionner les bandes rouges et proche infra-rouges
  • Dans la case Expression, la formule est maintenant la suivante : (Sentinel2_2021_08_17@8 - Sentinel2_2021_08_17@4) / (Sentinel2_2021_08_17@8 + Sentinel2_2021_08_17@4)
  • Dans Reference layer(s), cliquez sur les ... à droite et sélectionnez l'image Sentinel, pour que la couche NDVI en sortie aie la même emprise, résolution et SCR
  • Dans Output en bas de la fenêtre, laissez la valeur par défaut Enregistrer dans un fichier temporaire

Exécutez... La couche temporaire est ajoutée à QGIS, elle est similaire à celle créée avec SCP.

TODO : interprétation NDVI

TODO : calcul NDVI pour les surfaces en eau, forêt etc.

Normalized Burn Ratio (NBR)

L'indice normalisé des surfaces brûlées (Normalized Burn Ratio ou NBR) est utilisé pour identifier les surfaces brûlées et donner une mesure de l'intensité des feux.

De la même manière que le NDVI, c'est un ratio basé sur 2 bandes, mais cette fois il s'agit des bandes Proche Infra-Rouge (PIR) et Infra-Rouge Court (SWIR) :

NBR = (NIR - SWIR) / (NIR + SWIR)

graphique NBR, réflectance en fonction de la longueur d'onde
Source: U.S. Forest service.

Comme indiqué sur le site UN-SPIDER Knowledge Portal :

Cet indice est basé sur le fait que la végétation saine a une forte réflectance dans le PIR et une faible réflectance dans le SWIR, à l'inverse de la végétation brûlée.

Comme pour le NDVI, les valeurs du NBR varient de -1 à 1. Une valeur élevée indique une végétation saine, une valeur faible indique du sol nu et des zones récemment brûlées.

De la même manière que vous avez calculé le NDVI, à vous de calculer le NBR, avec l'extension SCP et/ou avec la calculatrice raster !

Vous devez obtenir un résultat similaire à ceci :

image NBR
Ici, les valeurs élevées sont représentées en blanc et les valeurs faibles en noir.

TODO : analyse et interprétation NBR


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