Extraction d'informations de changement à partir des séries temporelles d'images radar à synthèse d'ouverture

A large number of successfully launched and operated Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites has regularly provided multitemporal SAR and polarimetric SAR (PolSAR) images with high and very high spatial resolution over immense areas of the Earth surface. SAR system is appropriate for monitoring tasks thanks to the advantage of operating in all-time and all-weather conditions. With multitemporal data, both spatial and temporal information can simultaneously be exploited to improve the results of researche works. Change detection of specific features within a certain time interval has to deal with a complex processing of SAR data and the so-called speckle which affects the backscattered signal as multiplicative noise.The aim of this thesis is to provide a methodology for simplifying the analysis of multitemporal SAR data. Such methodology can benefit from the advantages of repetitive SAR acquisitions and be able to process different kinds of SAR data (i.e. single, multipolarization SAR, etc.) for various applications. In this thesis, we first propose a general framework based on a spatio-temporal information matrix called emph{Change Detection Matrix} (CDM). This matrix contains temporal neighborhoods which are adaptive to changed and unchanged areas thanks to similarity cross tests. Then, the proposed method is used to perform three different tasks:1) multitemporal change detection with different kinds of changes, which allows the combination of multitemporal pair-wise change maps to improve the performance of change detection result;2) analysis of change dynamics in the observed area, which allows the investigation of temporal evolution of objects of interest;3) nonlocal temporal mean filtering of SAR/PolSAR image time series, which allows us to avoid smoothing change information in the time series during the filtering process.In order to illustrate the relevancy of the proposed method, the experimental works of the thesis is performed on four datasets over two test-sites: Chamonix Mont-Blanc, France and Merapi volcano, Indonesia, with different types of changes (i.e., seasonal evolution, glaciers, volcanic eruption, etc.). Observations of these test-sites are performed on four SAR images time series from single polarization to full polarization, from medium to high, very high spatial resolution: Sentinel-1, ALOS-PALSAR, RADARSAT-2 and TerraSAR-X time series.La réussite du lancement d'un grand nombre des satellites Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO - SAR) de nouvelle génération a fourni régulièrement des images SAR et SAR polarimétrique (PolSAR) multitemporelles à haute et très haute résolution spatiale sur de larges régions de la surface de la Terre. Le système SAR est approprié pour des tâches de surveillance continue ou il offre l'avantage d'être indépendant de l'éclairement solaire et de la couverture nuageuse. Avec des données multitemporelles, l'information spatiale et temporelle peut être exploitée simultanément pour rendre plus concise, l'extraction d'information à partir des données. La détection de changement de structures spécifiques dans un certain intervalle de temps nécessite un traitement complexe des données SAR et la présence du chatoiement (speckle) qui affecte la rétrodiffusion comme un bruit multiplicatif. Le but de cette thèse est de fournir une méthodologie pour simplifier l'analyse des données multitemporelles SAR. Cette méthodologie doit bénéficier des avantages d'acquisitions SAR répétitives et être capable de traiter différents types de données SAR (images SAR mono-, multi- composantes, etc.) pour diverses applications. Au cours de cette thèse, nous proposons tout d'abord une méthode générale basée sur une matrice d'information spatio-temporelle appelée Matrice de détection de changement (CDM). Cette matrice contient des informations de changements obtenus à partir de tests croisés de similarité sur des voisinages adaptatifs. La méthode proposée est ensuite exploitée pour réaliser trois tâches différentes: 1) la détection de changement multitemporel avec différents types de changements, ce qui permet la combinaison des cartes de changement entre des paires d'images pour améliorer la performance de résultat de détection de changement; 2) l'analyse de la dynamicité de changement de la zone observée, ce qui permet l'étude de l'évolution temporelle des objets d'intérêt; 3) le filtrage nonlocal temporel des séries temporelles d'images SAR/PolSAR, ce qui permet d'éviter le lissage des informations de changement dans des séries pendant le processus de filtrage.Afin d'illustrer la pertinence de la méthode proposée, la partie expérimentale de la thèse est effectuée sur deux sites d'étude: Chamonix Mont-Blanc, France et le volcan Merapi, Indonésie, avec différents types de changements (i.e. évolution saisonnière, glaciers, éruption volcanique, etc.). Les observations de ces sites d'étude sont acquises sur quatre séries temporelles d'images SAR monocomposantes et multicomposantes de moyenne à haute et très haute résolution: des séries temporelles d'images Sentinel-1, ALOS-PALSAR, RADARSAT-2 et TerraSAR-X

Wavelet Operators and Multiplicative Observation Models -Application to SAR Image Time Series Analysis

International audienceThis paper first provides statistical properties of wavelet operators when the observation model can be seen as the product of a deterministic piece-wise regular function (signal) and a stationary random field (noise). This multiplicative observation model is analyzed in two standard frameworks by considering either (1) a direct wavelet transform of the model or (2) a log-transform of the model prior to wavelet decomposition. The paper shows that, in Framework (1), wavelet coefficients of the time series are affected by intricate correlation structures which blur signal singularities. Framework (2) is shown to be associated with a multiplicative (or geometric) wavelet transform and the multiplicative interactions between wavelets and the model highlight both sparsity of signal changes near singularities (dominant coefficients) and decorre-lation of speckle wavelet coefficients. The paper then derives that, for time series of synthetic aperture radar data, geometric wavelets represent a more intuitive and relevant framework for the analysis of smooth earth fields observed in the presence of speckle. From this analysis, the paper proposes a fast-and-concise geometric wavelet based method for joint change detection and regularization of synthetic aperture radar image time series. In this method, geometric wavelet details are first computed with respect to the temporal axis in order to derive generalized-ratio change-images from the time series. The changes are then enhanced and speckle is attenuated by using spatial block sigmoid shrinkage. Finally, a regularized time series is reconstructed from the sigmoid shrunken change-images. Some applications highlight relevancy of the method for the analysis of SENTINEL-1A and TerraSAR-X image time series over Chamonix-Mont-Blanc

Change information extraction from Synthetic Aperture Radar Image Time Series

La réussite du lancement d'un grand nombre des satellites Radar à Synthèse d'Ouverture (RSO - SAR) de nouvelle génération a fourni régulièrement des images SAR et SAR polarimétrique (PolSAR) multitemporelles à haute et très haute résolution spatiale sur de larges régions de la surface de la Terre. Le système SAR est approprié pour des tâches de surveillance continue ou il offre l'avantage d'être indépendant de l'éclairement solaire et de la couverture nuageuse. Avec des données multitemporelles, l'information spatiale et temporelle peut être exploitée simultanément pour rendre plus concise, l'extraction d'information à partir des données. La détection de changement de structures spécifiques dans un certain intervalle de temps nécessite un traitement complexe des données SAR et la présence du chatoiement (speckle) qui affecte la rétrodiffusion comme un bruit multiplicatif. Le but de cette thèse est de fournir une méthodologie pour simplifier l'analyse des données multitemporelles SAR. Cette méthodologie doit bénéficier des avantages d'acquisitions SAR répétitives et être capable de traiter différents types de données SAR (images SAR mono-, multi- composantes, etc.) pour diverses applications. Au cours de cette thèse, nous proposons tout d'abord une méthode générale basée sur une matrice d'information spatio-temporelle appelée Matrice de détection de changement (CDM). Cette matrice contient des informations de changements obtenus à partir de tests croisés de similarité sur des voisinages adaptatifs. La méthode proposée est ensuite exploitée pour réaliser trois tâches différentes: 1) la détection de changement multitemporel avec différents types de changements, ce qui permet la combinaison des cartes de changement entre des paires d'images pour améliorer la performance de résultat de détection de changement; 2) l'analyse de la dynamicité de changement de la zone observée, ce qui permet l'étude de l'évolution temporelle des objets d'intérêt; 3) le filtrage nonlocal temporel des séries temporelles d'images SAR/PolSAR, ce qui permet d'éviter le lissage des informations de changement dans des séries pendant le processus de filtrage.Afin d'illustrer la pertinence de la méthode proposée, la partie expérimentale de la thèse est effectuée sur deux sites d'étude: Chamonix Mont-Blanc, France et le volcan Merapi, Indonésie, avec différents types de changements (i.e. évolution saisonnière, glaciers, éruption volcanique, etc.). Les observations de ces sites d'étude sont acquises sur quatre séries temporelles d'images SAR monocomposantes et multicomposantes de moyenne à haute et très haute résolution: des séries temporelles d'images Sentinel-1, ALOS-PALSAR, RADARSAT-2 et TerraSAR-X.A large number of successfully launched and operated Synthetic Aperture Radar (SAR) satellites has regularly provided multitemporal SAR and polarimetric SAR (PolSAR) images with high and very high spatial resolution over immense areas of the Earth surface. SAR system is appropriate for monitoring tasks thanks to the advantage of operating in all-time and all-weather conditions. With multitemporal data, both spatial and temporal information can simultaneously be exploited to improve the results of researche works. Change detection of specific features within a certain time interval has to deal with a complex processing of SAR data and the so-called speckle which affects the backscattered signal as multiplicative noise.The aim of this thesis is to provide a methodology for simplifying the analysis of multitemporal SAR data. Such methodology can benefit from the advantages of repetitive SAR acquisitions and be able to process different kinds of SAR data (i.e. single, multipolarization SAR, etc.) for various applications. In this thesis, we first propose a general framework based on a spatio-temporal information matrix called emph{Change Detection Matrix} (CDM). This matrix contains temporal neighborhoods which are adaptive to changed and unchanged areas thanks to similarity cross tests. Then, the proposed method is used to perform three different tasks:1) multitemporal change detection with different kinds of changes, which allows the combination of multitemporal pair-wise change maps to improve the performance of change detection result;2) analysis of change dynamics in the observed area, which allows the investigation of temporal evolution of objects of interest;3) nonlocal temporal mean filtering of SAR/PolSAR image time series, which allows us to avoid smoothing change information in the time series during the filtering process.In order to illustrate the relevancy of the proposed method, the experimental works of the thesis is performed on four datasets over two test-sites: Chamonix Mont-Blanc, France and Merapi volcano, Indonesia, with different types of changes (i.e., seasonal evolution, glaciers, volcanic eruption, etc.). Observations of these test-sites are performed on four SAR images time series from single polarization to full polarization, from medium to high, very high spatial resolution: Sentinel-1, ALOS-PALSAR, RADARSAT-2 and TerraSAR-X time series

Multitemporal InSAR Coherence Change Analysis: Application to Volcanic Eruption Monitoring

International audienceInterferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) coherence time series provides potential information used for temporal change monitoring of regions of interest on the Earth surface. This paper addresses the change analysis of multitemporal InSAR coherence images for volcanic eruption monitoring using Change Detection Matrix (CDM) approach. The Piton de la Fournaise volcano (French island La Réunion) with four eruptions in 2018 was selected as a case study. From InSAR image time series (ITS) included 28 Sentinel-1 images acquired during 2018 over the study area, sorted by acquisition date, 27 coherence images were computed between each two adjacent dates. Changes on the ground related to volcanic eruptions were analyzed through the obtained coherence ITS using CDM framework. The preliminary results on lava extent mapping have demonstrated the relevancy of this study