Orthomosaïque Landsat 7 complète de l'archipel arctique du Canada

Jack Gibson, Stefan Nedelcu, Goran Pavlic et Paul Budkewitsch, Centre canadien de télédétection, Secteur des sciences de la Terre, Ressources naturelles Canada

Figure 1. Mosaïque Landsat-7 de larchipel arctique canadien. Paramètres de projection cartographique :  Conique conforme de Lambert (LCC); Méridien central : 95 °O; Origine de la projection : 0 °N; Premier parallèle de référence : 49 °N; Deuxième parallèle de référence : 77 °N; Modèle de lellipsoïde : WGS84

Figure 1. Mosaïque Landsat-7 de l’archipel arctique canadien. Paramètres de projection cartographique :
Conique conforme de Lambert (LCC)
Méridien central : 95 °O
Origine de la projection : 0 °N
Premier parallèle de référence : 49 °N
Deuxième parallèle de référence : 77 °N
Modèle de l’ellipsoïde : WGS84

Image agrandie

 

Cette nouvelle mosaïque a été réalisée à partir des meilleures données disponibles pour l’Arctique canadien acquises dans des conditions sans neige entre 1999 et 2002 et est maintenant disponible pour téléchargement gratuit via l'outil de recherche du Gouvernement ouvert du Canada. En utilisant plus de 9 000 points de contrôle au sol et 1 500 points de rattachement conjugués, l’équivalent d’environ 280 images a été assemblé pour créer la mosaïque en utilisant une méthode conçue au CCT [1]. Toutes les bandes multispectrales sont superposées à la bande panchromatique et la précision de localisation de chaque pixel est d’environ 7,5 m (valeur efficace) par rapport aux points de contrôles. Cela représente une marge d’erreur maximale d’environ 20 m (à un niveau de confiance de 90 %) n’importe où dans la mosaïque.

La mosaïque Landsat des îles de l’Arctique est un produit géographique continu à une précision supérieure à l’échelle au 1/50 000 pour le nord. Les données traitées comprennent toutes les bandes multispectrales à une résolution de 30 m. Cette compilation régionale fournit une information de terrain thématique d’appui pour répondre aux besoins de base en géographique, aux efforts de cartographie des ressources et aux applications environnementales.

Sélection des données

Les meilleures données exemptes de nuages pour la création de la mosaïque ont été sélectionnées parmi les données acquises pendant les périodes sans neige au cours des étés 1999 à 2002. Contrairement à l’« image carrée » standard qui représente les données Landsat en une matrice de 185 km x 185 km, on a employé pour le processus d’ajustement photogrammétrique de longues série de données le long d’une trajectoire orbitale. En tout, 115 série de données ont été utilisées, chacune ayant une longueur équivalente de 1 à 7 scènes standard (généralement 3).

Figure 2. : Dans la paire dimages ci-dessus, le produit de niveau 1G à gauche présente une non-conformité de limage avec le contour vectoriel de lemplacement connu dun lac figurant en rouge. À la droite, on voit le résultat de la procédure dorthorectification. La localisation de limage du lac correspond bien au contour vectoriel en rouge dans ce produit.

Figure 2. : Dans la paire d’images ci-dessus, le produit de niveau 1G à gauche présente une non-conformité de l’image avec le contour vectoriel de l’emplacement connu d’un lac figurant en rouge. À la droite, on voit le résultat de la procédure d’orthorectification. La localisation de l’image du lac correspond bien au contour vectoriel en rouge dans ce produit.

 
Figure 3.: Vue complète à une résolution de 30 m de la matrice Landsat de 500 x 500 pixels de la péninsule Kanguk, île Axel Heiberg (Nunavut).

Figure 3.: Vue complète à une résolution de 30 m de la matrice Landsat de 500 x 500 pixels de la péninsule Kanguk, île Axel Heiberg (Nunavut).

 

Méthode de traitement des données

La distribution d’erreur uniforme dans toute la mosaïque a été obtenue par l’application d’un ajustement par blocs simultanés de plusieurs pistes d’acquisition, chacune contenant plusieurs scènes. Par rapport à ces résultats, on a constaté que l’approche classique d’ajustement de chaque scène produisait une précision positionnelle variable pour chaque scène en fonction des points de contrôles [1]. De plus, en ajustant les données d’attitude et d’éphémérides du satellite avant le rééchantillonnage des données, le résultat final parvient aussi à préserver l’intégrité des données radiométriques.

La nouvelle procédure minimise l’accumulation des erreurs planimétriques qui accompagne les étapes classiques de rééchantillonnage, d’orthorectification et de superposition géographique. Ce procédé permet de conserver l’intégrité radiométrique des données spectrales. La technique employée donne des produits qui sont basés sur une étape de rééchantillonnage unique : valeurs dans la matrice des données d’origine → emplacement de pixel final en coordonnées géographiques.

Procédure

Une correction pour les paramètres d’attitude et d’éphémérides du satellite (p. ex., roulis, tangage, lacet, position et vitesse) est calculée pour minimiser les erreurs résiduelles pour l’ensemble des points de contrôle au sol (GCP) et les points conjugués (CNJ). La méthode de résolution pour la correction des valeurs d’éphémérides et d’attitude consiste à utiliser la condition de colinéarité pour les mesures des GCP et la condition de coplanarité pour les mesures des CNJ afin de produire une équation des moindres carrés. Les résultats de la solution de l’équation des moindres carrés servent à actualiser les valeurs d’éphémérides et d’attitude de chaque trajectoire orbitale.

Les mesures des GCP et des CNJ ont été déterminés par la technique de « corrélation de phase » qui emploie des routines de transformée de Fourier rapides en deux dimensions (FFT2D) pour déterminer la différence de phase spatiale entre les images comparées. La comparaison d’une image GCP et de l’image satellitaire débute avec un bloc image de 512 lignes par 512 pixels; chaque dimension de bloc est réduite d’un facteur de deux à chaque étape. Le processus se termine lorsque la taille des blocs atteint 16 lignes par 16 pixels. A ce niveau, les  positions géographiques relatives sont calculées pour une évaluation plus poussée. Les erreurs résiduelles pour la mosaïque de l’Arctique sont indiquées dans le tableau ci-dessous.

Type de mesure

Nombre de mesures

Erreur-type suivant X (m)

Erreur-type suivant Y (m)

Erreur type sur l'incertitude d'intersection (m)

PAS

9,100

7,5

7,6

 

PC

1,500

 

 

3,8

Sommaire

Une nouvelle procédure d’orthorectification a été appliquée avec succès aux données Landsat 7 pour créer une mosaïque de grande étendue de l’archipel Arctique. Les résultats indiquent que les erreurs positionnelles planimétriques efficaces sont de l’ordre de 7 à 8 m pour les GCP et de 3 à 4 m pour les CNJ. Avec des GCP limités à une précision connue de 5 m,  on peut considérer ces produits cartographiques continus offrent une précision à environ 20 m près, soit moins d’un pixel. Une première version de cette mosaïque a été décrite [2], et toutes les données numériques de la version finale, y compris certaines images composites à trois bandes, sont maintenant disponibles pour téléchargement gratuit via  l'outil de recherche du Gouvernement ouvert du Canada. C’est actuellement le produit Landsat offrant la plus grande précision spatiale et radiométrique pour l’Arctique canadien.

Remerciements :

Ce projet a été réalisé pour le Projet de potentiel en hydrocarbures de l’archipel Arctique, dans le cadre du programme Sécurité de l'approvisionnement énergétique du Canada de RNCan, avec un appui supplémentaire du Programme d'initiatives gouvernementales en observation de la Terre (IGOT) de l’Agence spatiale canadienne.

Références :

[1] Gibson, J.R. and S. Nedelcu. 2008.  An improved approach for the production of satellite-based geospatial reference imagery.  International Journal of Digital Earth. vol. 1, no. 2, pp.221-239.

[2] Budkewitsch, P., Nedelcu, S., Gibson, J., MacGregor, R., Dewing, K. and D. James. 2007.  A Complete Ortho-rectified Landsat-7 Mosaic of Arctic Canada. First International Circumpolar Conference on Geospatial Sciences and Applications, Yellowknife, NT, 21-24 August, CDROM Proceedings, 1p. <BudkewitschP_North2007_A.pdf>