Les cinq articles précédents de cette série sur la segmentation d’images satellites portaient tous sur ce que l’on voit. Celui-ci porte sur une modalité où l’on ne voit pas, au sens ordinaire du terme.
Une image radar n’enregistre pas une lumière réfléchie mais l’écho d’un signal émis par le capteur lui-même. Elle ne montre donc pas les couleurs ni les nuances d’un paysage, mais sa rugosité, sa géométrie et ses propriétés électriques. Cet article expose ce que cela change. Il prolonge l’article consacré à la segmentation des réseaux routiers.
Pourquoi le radar est indispensable
Deux propriétés le justifient en segmentation d’images satellites. Elles n’ont aucun équivalent en optique. L’indépendance aux conditions météorologiques vient en premier. Le signal traverse les nuages, ce qui garantit une acquisition quelle que soit la couverture nuageuse, avantage décisif dans les régions tropicales et pendant les événements météorologiques. L’indépendance à l’éclairement vient ensuite. Le capteur émet son propre signal, ce qui rend l’acquisition nocturne aussi bonne que l’acquisition diurne. Ces deux propriétés se combinent pour produire la caractéristique la plus utile de cette modalité : une régularité d’acquisition que l’optique n’atteint jamais. Une série radar ne comporte pas les manques que l’article consacré à la végétation a décrits comme la difficulté dominante des séries optiques. Une troisième propriété mérite d’être signalée. Le signal est sensible à l’humidité et à la structure, ce qui donne accès à des informations que l’optique ne fournit pas du tout, humidité des sols et structure de couvert notamment.Ce que mesure une image radar
Cette compréhension précède toute discussion de méthode. Elle explique la totalité des difficultés qui suivent. Le capteur émet une impulsion et enregistre ce qui lui revient. L’intensité mesurée dépend de trois propriétés de la surface. La rugosité à l’échelle de la longueur d’onde détermine la dispersion du signal. Une surface lisse par rapport à cette échelle réfléchit loin du capteur et apparaît sombre ; une surface rugueuse renvoie dans toutes les directions et apparaît claire. La géométrie détermine la direction du renvoi. Une surface orientée vers le capteur apparaît claire, une surface orientée à l’opposé apparaît sombre, ce qui rend le relief très visible. Et les propriétés électriques déterminent l’absorption. L’humidité augmente considérablement le signal renvoyé, ce qui fait qu’un même sol paraît différent selon son état hydrique. Une conséquence importante en découle pour l’annotation. Un annotateur habitué à l’optique interprète spontanément une image radar comme une photographie en niveaux de gris, ce qui produit des erreurs systématiques, et cette réinterprétation demande une formation spécifique.Le chatoiement
Cette caractéristique constitue la difficulté première de la modalité radar. Elle domine l’apparence d’une image radar. Une surface homogène ne produit pas une valeur homogène mais un aspect granuleux, chaque pixel variant fortement de ses voisins. Ce phénomène résulte de l’interférence entre les échos multiples au sein d’un même pixel. Trois propriétés le distinguent nettement d’un bruit ordinaire. Il est multiplicatif plutôt qu’additif, son amplitude croissant avec l’intensité du signal. Il n’est pas aléatoire au sens strict, une même configuration produisant le même motif. Et il porte de l’information, sa statistique renseignant sur la nature de la surface. Deux réponses techniques sont employées. Le filtrage, qui réduit le chatoiement au prix d’une perte de résolution et d’un lissage des limites. Et le moyennage temporel, qui exploite plusieurs acquisitions et suppose une surface stable entre elles. Une conséquence pratique en découle pour un projet de segmentation d’images satellites radar. Le degré de filtrage doit être identique entre le corpus d’entraînement et la production, un modèle appris sur des images filtrées appliqué à des images brutes rencontrant une texture différente de celle qu’il connaît.Les distorsions géométriques
Trois déformations propres au radar affectent le relief. Elles n’ont aucun équivalent en optique. Le raccourcissement comprime les versants faisant face au capteur, une pente entière pouvant être ramenée à quelques pixels. Le recouvrement se produit lorsque le sommet d’un relief renvoie son écho avant sa base, ce qui inverse l’ordre des points dans l’image et rend la zone ininterprétable. Et l’ombre radar prive de signal les versants opposés au capteur, produisant des zones sans information. Ces trois distorsions ont une conséquence commune et particulièrement déterminante. Elles dépendent de l’angle d’incidence, ce qui fait qu’une même zone montagneuse apparaît différemment selon l’orbite ascendante ou descendante, et qu’un modèle entraîné sur une configuration fonctionne mal sur l’autre. Une recommandation en découle. Un corpus destiné à une zone de relief doit comporter les deux configurations d’orbite, exigence évidente et régulièrement omise.La polarimétrie
Cette richesse propre au radar est sous-employée et constitue une compétence différenciante. Le signal peut être émis et reçu selon différentes polarisations, et la combinaison choisie renseigne sur le mécanisme de diffusion. Trois mécanismes de diffusion se distinguent et leur identification permet une interprétation physique plutôt que statistique. La diffusion de surface caractérise les sols nus et les surfaces d’eau. La diffusion de volume caractérise les couverts végétaux, où le signal rebondit entre feuilles et branches. Et la double réflexion caractérise les structures verticales sur sol plat, bâtiments et troncs en zone inondée. Cette troisième signature mérite d’être soulignée. Elle permet de détecter une inondation sous couvert forestier, situation que l’article consacré à l’eau a signalée comme une limite du radar standard et que la polarimétrie lève partiellement. Une conséquence pour l’annotation en découle. Un corpus polarimétrique demande un annotateur capable d’interpréter ces mécanismes, compétence nettement plus rare que la lecture d’image optique et qui justifie un positionnement tarifaire distinct.L’interférométrie
Cette capacité sort du cadre de la segmentation d’images satellites tout en l’informant. La comparaison de la phase entre deux acquisitions du même lieu permet de mesurer des déplacements du sol de l’ordre du millimètre, ce qu’aucune autre technique satellitaire n’approche. Trois usages opérationnels en découlent : la surveillance de subsidence, le suivi de mouvements de terrain et la détection de déformation d’ouvrages. Une notion connexe intéresse directement la segmentation. La cohérence mesure la stabilité du signal entre deux acquisitions, et sa perte indique un changement de surface. Une cohérence élevée caractérise les surfaces stables, bâti et sol nu ; une cohérence faible caractérise la végétation et l’eau. Cette propriété fournit une information de classification à faible coût, complémentaire de l’intensité, et elle est sous-employée dans les projets de segmentation d’images satellites qui se limitent souvent à l’amplitude du signal.Ce qui se segmente bien en radar
Quatre classes se prêtent particulièrement à la segmentation d’images satellites radar et il vaut la peine de les identifier avant d’engager un projet. L’eau libre présente le contraste le plus fort, une surface calme apparaissant très sombre, ce que l’article consacré à l’eau a détaillé. Le bâti présente une signature forte par double réflexion, ce qui le rend nettement détectable, avec la réserve que sa géométrie apparaît déformée. Les surfaces agricoles se distinguent par leur évolution temporelle de rugosité, labour, croissance et récolte produisant des signatures successives distinctes. Et les grandes structures de couvert, forêt contre non-forêt, se distinguent par la diffusion de volume. Une observation importante traverse ces quatre classes. Le radar excelle sur les distinctions structurelles et il est faible sur les distinctions de composition, ce qui l’oppose exactement à l’optique et fonde leur complémentarité.Ce qui se segmente mal en radar
Une lecture honnête suppose d’exposer les limites de cette modalité. Les distinctions fines entre couverts végétaux sont difficiles, deux cultures de structure voisine produisant des signatures proches. Les surfaces lisses non aqueuses se confondent avec l’eau, difficulté que l’article consacré à l’eau a signalée. Les zones de relief accidenté sont partiellement ininterprétables, du fait des distorsions exposées plus haut. Et l’état sanitaire de la végétation échappe largement au radar, cette information relevant de la réponse spectrale que seule l’optique mesure. Ces quatre limites conduisent à une recommandation de cadrage simple. Établir au cadrage si l’information recherchée est de nature structurelle ou compositionnelle détermine la modalité appropriée, et cette question se pose en une minute.La complémentarité avec l’optique
Cette configuration combinée est la plus robuste et elle reste sous-employée. Les deux modalités mesurent des propriétés différentes de la même surface, ce qui fait que leurs erreurs ne se recouvrent pas. Trois montages différents sont employés en pratique. La fusion précoce combine les bandes des deux sources en entrée d’un modèle unique, ce qui est simple et suppose une coïncidence géométrique et temporelle stricte. La fusion tardive traite chaque source séparément puis combine les résultats, ce qui tolère mieux les écarts de date. Et l’usage séquentiel emploie une modalité pour compléter l’autre, le radar comblant les manques nuageux d’une série optique. Ce troisième montage est le plus accessible et le plus immédiatement utile. Il traite la difficulté dominante des séries optiques que l’article consacré à la végétation a exposée, sans exiger la coïncidence stricte que les deux premiers demandent. Une conséquence importante en découle pour l’annotation. Un corpus multimodal doit comporter des exemples annotés dans les deux modalités sur les mêmes zones, ressource que peu de projets possèdent et dont la constitution représente précisément le type de travail qu’un prestataire spécialisé peut fournir.Les conventions à fixer
Six décisions distinctes doivent être tranchées avant la production et elles diffèrent de celles d’un projet optique. Le niveau de traitement des images fournies aux annotateurs, brut ou filtré, et le paramétrage du filtrage le cas échéant. L’échelle de représentation, linéaire ou logarithmique, qui change radicalement l’apparence et donc la perception des limites. Le traitement des zones d’ombre et de recouvrement, qui doivent recevoir une classe propre plutôt qu’une attribution arbitraire. La configuration d’orbite retenue, et le traitement des zones couvertes par plusieurs configurations. Les polarisations employées et leur composition en cas de représentation colorée. Et le traitement des artefacts de capteur, échos parasites et réflecteurs ponctuels très brillants, fréquents en zone urbaine et industrielle.L’annotation radar comme compétence
C’est le point le plus exploitable commercialement de cet article. L’annotation radar est nettement moins répandue que l’annotation optique, pour trois raisons qui se cumulent. La lecture demande une formation spécifique, un annotateur optique compétent n’étant pas immédiatement opérationnel. Les corpus publics sont rares, ce que la recherche a documenté sous le nom de couverture restreinte des modalités de capteur. Et les outils sont moins matures, une part de l’outillage d’annotation ayant été conçue pour l’imagerie naturelle. Ces trois raisons produisent une rareté d’offre alors que la demande croît, portée par les usages de crise, de surveillance maritime et de suivi tropical que la série précédente a décrits. Une conséquence stratégique directe en découle. Former des annotateurs à cette modalité constitue un investissement dont la valeur est supérieure à celle du même effort porté sur l’optique, précisément parce que peu d’acteurs le consentent.L’évaluation d’un produit radar
Trois particularités distinguent l’évaluation d’un produit sur cette modalité. La référence pose une difficulté propre. Une photo-interprétation sur image radar est moins fiable qu’une photo-interprétation optique, ce qui conduit souvent à établir la référence sur une image optique acquise à une date proche, avec l’écart temporel que cela suppose. La configuration d’acquisition doit être documentée et l’évaluation conduite séparément par configuration, un score agrégé masquant des performances très inégales entre orbites. Et la variabilité d’humidité affecte la reproductibilité, une même zone acquise après une pluie et en période sèche produisant des signatures différentes sans que la surface ait changé. Cette troisième particularité est la moins anticipée. Elle impose de documenter les conditions d’acquisition et, pour un produit opérationnel, d’évaluer sur une gamme de conditions plutôt que sur une acquisition favorable.Les sources radar disponibles
Elles conditionnent la faisabilité économique d’un projet. Un panorama s’impose avant tout cadrage de segmentation d’images satellites radar. Trois régimes coexistent, comme en optique, avec une répartition sensiblement différente. Les programmes publics fournissent une imagerie radar libre et gratuite avec une répétitivité régulière et une archive de plusieurs années, ressource considérable et notablement moins exploitée que son équivalent optique. Les opérateurs commerciaux fournissent des résolutions supérieures et des acquisitions programmables, avec un marché en croissance rapide que la série précédente a documenté. Et les campagnes aéroportées fournissent des configurations que le satellite n’offre pas, polarimétrie complète et bandes de longueur d’onde différentes notamment. Une observation mérite d’être ajoutée sur la longueur d’onde, paramètre déterminant et souvent ignoré. Les bandes courtes interagissent avec le haut du couvert végétal et les bandes longues pénètrent davantage, jusqu’au sol sous forêt pour les plus longues, ce qui rend le choix de bande aussi structurant que le choix de résolution. Une conséquence pratique en découle. Un projet portant sur la structure forestière ou sur l’inondation sous couvert doit vérifier la disponibilité d’une bande longue sur sa zone, contrainte qui peut trancher la faisabilité avant toute considération de méthode.Les erreurs les plus fréquentes
- Interpréter une image radar comme une photographie en niveaux de gris.
- Employer des annotateurs optiques sans formation spécifique.
- Filtrer différemment le corpus et les données de production.
- Mélanger orbites ascendantes et descendantes sans les distinguer.
- Négliger les zones d’ombre et de recouvrement en relief.
- Attendre du radar des distinctions de composition.
- Ignorer l’effet de l’humidité sur la reproductibilité.
- Se limiter à l’amplitude en négligeant polarimétrie et cohérence.
- Établir une référence optique sans mesurer l’écart temporel.
- Évaluer un score agrégé sur plusieurs configurations d’acquisition.
- Ignorer la longueur d’onde, aussi structurante que la résolution.
- Supposer qu’un annotateur optique est immédiatement opérationnel en radar.
