Segmenter les réseaux routiers et infrastructures linéaires

Les objets linéaires constituent le quatrième cas de figure de cette série sur la segmentation d’images satellites, et ils posent un problème que les trois précédents ne rencontraient pas : leur forme même est incompatible avec la façon dont un modèle de segmentation traite une image. Une route est étroite, très longue, connectée à d’autres routes, et son intérêt tient autant à sa connectivité qu’à son emprise. Cet article expose ces difficultés et les conventions qu’un projet doit fixer. Il prolonge l’article consacré à la segmentation de la végétation.

Ce qui rend les objets linéaires différents

Cinq propriétés distinguent cette famille en segmentation d’images satellites. Elles expliquent pourquoi les méthodes des articles précédents s’y appliquent mal. Le rapport entre longueur et largeur y est extrême. Une route de sept mètres de large s’étend sur des kilomètres, ce qui produit un objet dont la surface est faible et l’étendue considérable. La proportion de pixels de bordure y est maximale. Une route de trois pixels de large ne comporte quasiment aucun pixel intérieur, ce qui pousse à l’extrême la difficulté que l’article d’ouverture a identifiée comme centrale. La connectivité constitue en soi une propriété de l’objet. Un réseau routier interrompu est fonctionnellement inutilisable, alors qu’une parcelle fragmentée reste exploitable. Cette classe est fortement minoritaire. Les routes couvrent une très faible proportion d’un territoire, ce qui accentue le déséquilibre déjà signalé pour l’eau. Et l’occlusion est structurelle. Une route passe sous des arbres, sous des ponts et entre des bâtiments, ce qui interrompt son observation sans interrompre l’objet.

Pourquoi la métrique usuelle trompe

Une conséquence de ces propriétés mérite d’être exposée en premier car elle invalide l’évaluation habituelle en segmentation d’images satellites. Une métrique de recouvrement mesure la proportion de pixels correctement attribués. Sur un objet linéaire étroit, un décalage d’un seul pixel réduit ce recouvrement de façon considérable, alors que la route est parfaitement détectée et positionnée à un pixel près. Inversement, une coupure d’un mètre dans une route de dix kilomètres affecte imperceptiblement le recouvrement, alors qu’elle rend le réseau inutilisable pour tout calcul d’itinéraire. Ces deux effets se combinent et produisent une situation absurde : la métrique pénalise lourdement ce qui n’a pas d’importance et ignore ce qui compte. Trois métriques complémentaires répondent à cette difficulté. Une mesure tolérante à un décalage, qui accepte un écart de quelques mètres et évalue la présence plutôt que la coïncidence exacte. Une mesure de connectivité, qui compare la structure du réseau prédit à celle du réseau de référence. Et un décompte des ruptures, qui mesure directement le mode d’échec le plus coûteux.

Surface ou axe

Cette décision précède toutes les autres. Elle détermine la nature du livrable. Une route peut être représentée par son emprise, c’est-à-dire la surface qu’elle occupe, ou par son axe, c’est-à-dire une ligne suivant son centre. L’emprise convient au calcul d’artificialisation, à l’analyse de ruissellement et à toute mesure de surface. Elle se produit naturellement par segmentation et elle demande une convention sur ce qui est inclus, chaussée seule ou emprise complète avec accotements. L’axe convient au calcul d’itinéraire, à l’analyse d’accessibilité et à l’intégration dans un système de navigation. Il ne se produit pas directement par segmentation et il s’obtient par squelettisation d’une emprise, opération qui introduit ses propres artefacts. Trois difficultés accompagnent nécessairement cette conversion. Les intersections produisent des motifs parasites, la squelettisation créant des branches courtes sans réalité. Les variations de largeur déplacent l’axe, un élargissement local décalant le centre. Et les routes à chaussées séparées produisent soit deux axes soit un axe médian, selon une convention à fixer. Une recommandation pratique en découle. Établir au cadrage si le client veut mesurer des surfaces ou calculer des trajets, question qui détermine le format, la méthode et l’essentiel du travail de post-traitement.

La question de la résolution

Cette contrainte est plus sévère ici que sur toute autre classe. Elle tranche la faisabilité d’un projet. Une route doit couvrir plusieurs pixels dans sa largeur pour être délimitée de façon fiable, ce qui reprend la règle générale mais s’y applique à la dimension la plus contraignante. Trois plages de résolution se distinguent. À dix mètres, seules les infrastructures majeures sont détectables et encore de façon approximative, une route départementale occupant moins d’un pixel de large. À quelques mètres, le réseau principal est détectable et les voies secondaires restent incertaines. Et en dessous du mètre, l’ensemble du réseau devient délimitable. Une conséquence économique en découle, identique à celle exposée pour le bâti. Un projet de cartographie routière complète suppose une imagerie commerciale ou aérienne, ce qui déplace le coût vers l’acquisition. Une nuance importante mérite toutefois d’être apportée. Une route étroite reste souvent détectable à une résolution où elle n’est pas délimitable, sa signature linéaire se distinguant même sur des pixels mixtes, ce qui permet une cartographie de tracé sans cartographie d’emprise.

L’occlusion et la continuité

Cette difficulté appelle une réponse propre à la segmentation d’images satellites linéaire. Les autres classes ne la rencontrent pas. Une route disparaît sous un couvert arboré, sous un pont, dans un tunnel, sous l’ombre d’un immeuble. L’objet continue et son observation s’interrompt. Trois attitudes sont possibles et le choix entre elles doit être explicite. Annoter ce qui est visible produit un réseau interrompu, fidèle à l’observation et inutilisable pour un calcul d’itinéraire. Annoter la continuité produit un réseau fonctionnel, en interpolant sous les occlusions, et introduit une part d’inférence dans une donnée présentée comme observée. Et annoter les deux, en distinguant les segments observés des segments inférés, produit la donnée la plus honnête et coûte davantage. Une conséquence importante en découle pour la constitution d’un corpus. La convention retenue doit être identique entre l’entraînement et l’évaluation, un modèle entraîné à interpoler et évalué sur une référence strictement observée étant pénalisé pour avoir fait ce qu’on lui a appris.

Les autres infrastructures linéaires

Quatre familles partagent ces propriétés. Elles présentent des difficultés propres qu’il vaut la peine de distinguer. Les voies ferrées sont plus étroites que les routes et plus régulières géométriquement, ce qui facilite leur détection par leur rectitude et leurs courbes de grand rayon. Les cours d’eau, traités partiellement dans l’article consacré à l’eau, partagent la géométrie linéaire et présentent une signature spectrale différente, avec la difficulté de leur végétation riveraine qui les masque. Les lignes électriques ne sont pratiquement pas détectables directement, leur largeur étant nulle à toute résolution satellitaire, et elles se repèrent par leur emprise déboisée et par leurs pylônes. Et les canalisations enterrées ne sont pas observables du tout, sauf par la trace de végétation ou de sol qu’elles laissent parfois en surface. Ces deux dernières familles méritent une précision d’ordre commercial. Un client demandant une cartographie de réseaux enterrés à partir d’imagerie demande quelque chose que l’imagerie ne fournit pas, et cette précision se pose au cadrage.

La hiérarchie du réseau

Cette nomenclature mêle observable et non observable. Une nomenclature spécifique s’impose et elle mêle observable et non observable, ce qui reprend la difficulté que l’article consacré à la nomenclature a exposée. Trois critères de classification coexistent et ils ne se recouvrent pas du tout. Le critère physique repose sur la largeur, le nombre de voies et le revêtement. Il s’observe directement et il constitue le niveau le plus fiable. Le critère fonctionnel repose sur le rôle dans le réseau, autoroute, voie principale, desserte locale. Il s’observe partiellement, la largeur et la connectivité en donnant des indices sans le déterminer. Et le critère administratif repose sur le statut juridique et le gestionnaire. Il ne s’observe pas du tout. Une recommandation en découle, identique à celle formulée pour la classe végétation. Établir à quel critère se rattache la demande évite un projet impossible, un client demandant fréquemment une classification administrative en supposant qu’elle se déduit de l’image.

Les références existantes

Cette particularité change l’économie d’un projet. Les réseaux routiers font l’objet de bases de données parmi les plus complètes et les plus accessibles du domaine géospatial, produites par des administrations et par des projets collaboratifs. Trois usages en découlent directement pour un projet de segmentation d’images satellites. Ces bases servent de référence pour l’évaluation, avec les précautions habituelles sur la date et la convention géométrique. Elles servent de point de départ pour une mise à jour, ce qui transforme la production en détection de changement. Et elles servent de source d’entraînement, un alignement automatique entre base et imagerie produisant un corpus à faible coût. Ce troisième usage appelle toutefois une réserve importante. L’alignement entre une base vectorielle et une image comporte des écarts, de géoréférence comme de date, ce qui produit un corpus bruité dont la qualité doit être mesurée avant emploi plutôt que supposée. Une observation importante complète ce constat. La couverture de ces bases est très inégale, excellente dans les pays où l’administration ou la communauté est active et lacunaire ailleurs, ce qui recoupe la disparité géographique documentée par la recherche.

Les usages et leurs exigences

Cinq usages emploient cette classe en segmentation d’images satellites, avec des exigences nettement différentes. La mise à jour cartographique demande une détection de changement et une bonne précision géométrique, l’objectif étant de compléter une base existante. L’analyse d’accessibilité demande une connectivité correcte et tolère une imprécision de tracé, le calcul de trajet important davantage que la position exacte. L’évaluation de l’artificialisation demande une emprise et non un axe, la surface étant l’objet de la mesure. La réponse à catastrophe demande une détection rapide des coupures, exercice de comparaison plutôt que de cartographie et qui rejoint les usages décrits dans la série précédente. Et le suivi de développement d’infrastructure demande une série temporelle et une capacité à détecter des tracés en construction, dont l’apparence diffère d’une route achevée.

Le post-traitement, part majeure du travail

Il modifie la répartition de l’effort dans un projet de segmentation d’images satellites. La sortie brute d’un modèle est rarement livrable pour un objet linéaire, alors qu’elle l’est souvent pour une surface. Cinq opérations la séparent d’un produit exploitable. La suppression du bruit, qui élimine les petites régions détectées à tort et qui doit épargner les segments courts légitimes. Le comblement des ruptures, qui reconnecte des segments interrompus selon un critère de distance et d’alignement, opération délicate puisqu’une reconnexion abusive crée une route inexistante. L’amincissement, qui produit un axe à partir d’une emprise avec les difficultés exposées plus haut. La simplification, qui réduit le nombre de points d’une ligne sans en modifier la forme au delà d’une tolérance documentée. Et la construction topologique, qui établit les nœuds aux intersections et produit un graphe exploitable pour un calcul d’itinéraire. Une conséquence pratique en découle. Sur cette classe, le post-traitement peut représenter autant d’effort que la segmentation elle-même, ce qui doit apparaître dans un devis plutôt que rester implicite.

Les conventions à fixer

Sept décisions doivent être tranchées avant la production, et leur omission produit une variabilité importante. L’objet représenté, emprise ou axe, décision la plus déterminante. Le périmètre de l’emprise, chaussée seule, chaussée et accotements, ou emprise foncière complète. Le traitement des occlusions, selon les trois attitudes exposées plus haut. Le traitement des intersections, carrefours et échangeurs, dont la représentation en surface et en axe diffère profondément. Le seuil de largeur ou d’importance en deçà duquel une voie n’est pas représentée. Le traitement des chemins non revêtus et des pistes, dont l’inclusion dépend de la finalité et dont la détection est nettement plus difficile. Et le traitement des chaussées séparées, représentées par un ou deux objets.

Le coût d’annotation d’un réseau

Il diffère nettement des autres classes de segmentation d’images satellites. Trois caractéristiques la distinguent. L’annotation est longue par nature. Tracer une route de plusieurs kilomètres demande de suivre un tracé sur toute sa longueur, ce qui prend un temps proportionnel à la distance et non à la surface. La précision demandée est faible en largeur et forte en continuité. Un annotateur peut être approximatif sur les bords et doit être rigoureux sur le suivi, ce qui inverse les priorités habituelles. Et la fatigue produit des erreurs caractéristiques. Le suivi d’un tracé long est une tâche répétitive où l’attention baisse, ce qui produit des ruptures et des sauts en fin de session plutôt qu’au début. Trois leviers réduisent efficacement ce coût d’annotation. La pré-annotation à partir d’une base existante, qui transforme le tracé en vérification. Les outils de suivi assisté, qui prolongent automatiquement un tracé et que l’annotateur corrige. Et le découpage du travail en sessions courtes, qui traite la difficulté de fatigue exposée plus haut. Une conséquence pour le contrôle qualité en découle. Un contrôle par échantillonnage aléatoire de zones convient mal à cette classe, un contrôle par parcours du réseau détectant mieux les ruptures qui constituent le mode d’échec dominant.

Les modes d’échec à suivre

Un score global de segmentation d’images satellites n’en distingue aucun. Cinq méritent d’être suivis séparément. La rupture, un segment détecté en deux morceaux, mode d’échec le plus coûteux fonctionnellement. L’omission complète, une voie entière non détectée, fréquente sur les voies étroites et les chemins non revêtus. La fausse détection linéaire, un objet allongé pris pour une route, les limites de parcelles, les canaux et les ombres de haies produisant ce type d’erreur. Le décalage de tracé, un axe systématiquement décalé, qui signale un problème de géoréférence ou une convention d’emprise différente entre référence et production. Et l’erreur d’intersection, un carrefour mal reconstruit, qui affecte peu la surface et rend un calcul d’itinéraire faux. Une conséquence pratique en découle. Rapporter ces cinq modes séparément est plus informative qu’un chiffre unique, et cette décomposition oriente la correction là où un score global n’indique rien.

Les erreurs les plus fréquentes

• Évaluer un réseau linéaire par une simple métrique de recouvrement.
• Négliger la connectivité, qui constitue le mode d’échec le plus coûteux.
• Livrer une emprise à un client qui veut calculer des itinéraires.
• Squelettiser sans traiter les artefacts d’intersection.
• Viser un réseau complet à une résolution qui ne le distingue pas.
• Employer des conventions d’occlusion différentes entre entraînement et évaluation.
• Demander une classification administrative à partir de l’image.
• Aligner une base vectorielle sur l’imagerie sans mesurer le bruit produit.
• Promettre une cartographie de réseaux enterrés à partir d’imagerie.
• Traiter les chemins non revêtus avec les moyens conçus pour les routes.
• Contrôler la qualité par échantillonnage de zones plutôt que par parcours du réseau.
• Omettre le post-traitement d’un devis alors qu’il représente une part majeure du travail.

Les approches spécifiques aux objets linéaires

La recherche en segmentation d’images satellites a développé des méthodes propres à cette famille. Il vaut la peine d’en connaître le principe. Trois familles se distinguent et elles répondent aux difficultés exposées plus haut. Les fonctions de coût pondérées accordent un poids supérieur aux pixels de bordure et aux pixels de connexion, ce qui compense le déséquilibre décrit et oriente l’apprentissage vers ce qui compte. Les approches topologiques ajoutent à l’apprentissage un terme mesurant la préservation de la structure du réseau, ce qui pénalise explicitement une rupture indépendamment de son coût en pixels. Et les approches par graphe abandonnent la segmentation par pixel et construisent directement un réseau de nœuds et d’arêtes, ce qui garantit une topologie correcte par construction et complique la gestion des géométries irrégulières. Une observation traverse ces trois familles et elle importe pour un fournisseur de données. Toutes exigent une référence dont la topologie est correcte, ce qui élève l’exigence sur le corpus : une annotation comportant des ruptures involontaires apprend au modèle à en produire. Cette exigence justifie le contrôle par parcours du réseau recommandé plus haut, plutôt qu’un contrôle par échantillonnage de zones.

Ce que ce cas d’usage enseigne

Cette observation complète les trois précédentes. Quatre classes ont été examinées et elles illustrent quatre difficultés distinctes. L’eau pose une difficulté de définition. Le bâti pose une difficulté de géométrie. La végétation pose une difficulté d’observabilité. Et les objets linéaires posent une difficulté de mesure : ce qui compte n’est pas ce que la métrique usuelle mesure. Cette quatrième difficulté mérite d’être généralisée car elle vaut au delà de cette classe. Une métrique standard encode une définition implicite de la qualité, et cette définition peut ne pas correspondre à celle du client. Trois questions permettent de le vérifier sur n’importe quelle classe. Quel écart le client remarquerait-il. Quel écart lui coûterait-il quelque chose. Et la métrique employée les pénalise-t-elle proportionnellement à ce coût. Sur les objets linéaires, la réponse est manifestement non, ce qui rend le problème visible. Sur d’autres classes, l’écart existe aussi et il est plus discret, ce qui le rend plus dangereux.

Aborder un projet de réseau

Quatre questions cadrent un projet de segmentation d’images satellites sur objets linéaires et elles se posent en une réunion. Le client veut-il mesurer des surfaces ou calculer des trajets. Cette question tranche entre emprise et axe, et avec elle le format de livraison et l’essentiel du post-traitement. Existe-t-il une base de référence sur la zone. Sa présence transforme une production en mise à jour, ce qui divise le coût, et son absence signale une région où la valeur du travail sera d’autant plus élevée. Quelle est la plus petite voie qui doit apparaître. Cette réponse détermine la résolution nécessaire et donc la source, décision qui pèse davantage sur le budget que l’annotation elle-même. Et que doit-il se passer sous les occlusions. Cette question paraît technique et elle est fonctionnelle, un client calculant des itinéraires ayant besoin d’une continuité qu’un client mesurant des surfaces ne veut pas. Ces quatre réponses déterminent la source, la convention, la métrique d’évaluation et le volume de post-traitement. Les poser avant de rédiger une proposition produit un document qui décrit le bon produit.

Ce qu’il faut retenir

Les objets linéaires posent un problème que les autres classes ne rencontrent pas, leur forme étant incompatible avec la façon dont un modèle de segmentation traite une image. Trois lectures se dégagent. Une métrique de recouvrement pénalise lourdement un décalage d’un pixel qui n’a pas d’importance et ignore une coupure d’un mètre qui rend le réseau inutilisable, ce qui impose des métriques tolérantes au décalage et sensibles à la connectivité. Le choix entre emprise et axe détermine la nature du livrable et l’essentiel du post-traitement, la conversion de l’une vers l’autre introduisant des artefacts aux intersections et aux variations de largeur. Et l’occlusion étant structurelle, la convention retenue, annoter le visible ou annoter la continuité, doit être identique entre entraînement et évaluation sous peine de pénaliser un modèle pour avoir fait ce qu’on lui a appris. Pour une difficulté d’un autre ordre, l’article consacré à la segmentation sur imagerie radar examine une modalité différente. Pour le cas des objets aux limites nettes, l’article sur la segmentation du bâti traite la géométrie. Pour approfondir les modalités d’exécution, les formats pris en charge et les dispositifs de contrôle applicables, vous pouvez consulter notre page dédiée au traitement de données géospatiales. Et si vous devez constituer un corpus de réseaux routiers, échangeons sur votre projet.