ISSN 0850-1602 JL BERGES REDRESSEMENTS NOAA...
ISSN 0850-1602
JL BERGES
REDRESSEMENTS NOAA AVHRR
J,
CITEAU
H,
DEMARCP
J
f@
C.R.O.D.T.
DOCUMENT
C E N T R E D E R E C H E R C H E S O C É A N O G R A P H I Q U E S IIE DAKAR - TIAROYE
SCIENTIFIQUE
1
NUMÉRO 11 o
4 I N S T I T U T S É N É G A L A I S D E R E C H E R C H E S A G R I C O L E S 4
1
.I II T ?d
1988
REDRESSEMENTS NOAA AVHRR
J.C.:, BERGES (l), J. ('LTEAU et H. DEMARCB (2)
RESUME
Ce teste décrit les algorithmes utilisés par le
logiciel de
redressement
NOAA
développé au
laboratoire
de télédétection du Centre de Recherche
Océanographique
de Dakar Thiaroye
(CRODT), et
operationnel
depuis Septembre 1986.
Il insiste sur
les problémes d"implantation
de ce type de programme
sur un petit calculateur et indique les performances
o b t e n u e s .
ABSTRACT
This
t e s t
describes algorithmes used in
the
spatial
registration
software developped by
the .
remote sensing laboratory of the Centre de Recherche
Océanographique
de Dakar
Thiaroye (CRODT), These
programs
are operational since September
1986. We
emphasize on implementation technics of this kind of
program
on a small computer, and we give indications
about performances reached.
il)
Assistant technique en poste etu CRODT (Centre de
Rec::herche
c‘Jcéémo.grrzphiyue de Dakar Thiaroye m- BP 2241 - Dakar)
(2) Océanographes ORSTOM en service au CRODT
INTRODUCTION
Les
images
produites
par les
satellites d'etudes de
l'environnement
sont tr8s déformées,
et leur utilisation
exige
l'emploi de logiciels de rectification géometrique différants
notablement de ceux utilises pour les satellites
d'observations
terrestres. L'intérêt du capteur NOAA/AVHRR, tant en applications
océanographiques de restitution de températures de surface, qu'en
SUiVi
de l'hivernage par la production d'un index de vegétation,
IIOUS
a amen& & entreprendre un effort de programmation
sur les
logiciels de redressements NOAA.
Depuis Septembre 1986 une chaine
de
pr&t,raitement
compléte
est
opérationelle
i3U
Centre de
Recherche Océanographique de Dakar Thiaroye.
Les algorithmes mis
e n
oeuvre
dans
cette
chaîne
sont
également
applicables
aux
localisations d'images provenant de systemes
similaires
Par
l'orbite et le type de capteurs comme Nimbus/CZCS ou MOS/VTIR.
1 CARACTERISTIQUES DES SATELLITES ET RAPPELS D'ORBITOGRAPHIE
Les
satellites de la serie TIROS 03 sont des satellites
météorologiques
à orbite polaire gérés par la NOM,
aussi
sont
ils désignes en NOAAs.
Le premier a &té
lance
en 1978, et
actuellement
les satellites NOAAS et gOAA sont
operationnels,
Ils emportent principalement un imageur AVHRR fonctionnant dans
cinq canaux,
un sondeur vertical destiné à restituer les profils
d'atmosphéres et le systéme de localisation Argos, Leurs missions
sont
complémentaires
de celles des géostationnaires,
la moins
grande
repétivite
étant Compens&e par une
résolution
spatiale
plus fine,
une
plus grande précision radiométrique e,t la
possibilite d'observer les pôles.
Ces
satellites sont hélios.ynchrones
et conçus pour
fournir
une image quotidienne compléte de la planéte, à la fois en orbite
diurne et
en orbite nocturne,
Leurs
trajectoires
sont
quasi
circulaires &
une altitude de 870 km de maniére à
réduire
les
perturbations liées à l'atmosphére.
Si le
champ d'attraction terrestre ktait uniforme le
plan
d'orbite serait ne serait en rotation par rapport
repere
terrestre,
que du fait de la rotation de la terre sur elle même,
Le mouvement de la terre autour su soleil aménerait un décalage,
de période anuelle,
de 1"heure locale de passage du satellite au
noeud
ascendant (l'intersection de la trace au sol du
satellite
dans un
passage Sud Nord aneç l'équateur est
désignée par le
terme de noeud ascendant). Mais l'het&rogénéité
du potentiel, lié
à l'aplatissement aux poles du globe,
produit une rotation du
plan d'orbite autour de l'axe des poles,
appellée précession, et
une rotation du perigee dans le plan d'orbite,
2
La vitesse de prkcession s'exprime par
ou:
R est le rayon terrestre
h l'altitude du satellite
J et p sont des caracteristiques
du champ de gravitation
fresp second harmonique zona1 et constante de gravitation)
i est l'angle d'inclinaison du plan d'orbite sur l'équateur
Sur NOAA, comme sur la plupart des satellites d'observation,
l'inclinaison est
calculée de telle sorte que le
mouvement de
précession
qu'elle
provoque rompense le mouvement annuel de la
terre autour du soleil,
De la sorte Ie passage au noeud ascendant
se
fera
toujours à la même heure locale.
Les deux
satellites
opérationnels
simultan&ment
permettent donc une
couverture
globale de la terre toutes les six heures.
La période nodale du satellite (102 minutes),
imposée
par
son
altitude,
améne
un décalage entre les
positions de deux
noeuds
ascendants successifs de 35" de longitude.
Afin que
les
images correspondants à deux orbites successives se recouvrent à
l'bquateur,
l'angle
de balayage du radiometre AVHRR doit
être
particuliérement
large (110" ).
Aussi la taille d'un pixel va
varier suivant sa position sur l'image,
de 1.1 Km au nadir â 4.5
Km en bord d'image,
Ceci se traduira par une anamorphose d'autant
plus
accentuée
que
la zone considéree est proche du bord de
l'image.
Les
produits de ce type d'imageur possédent un aspect
-plLlS
deroutant
que
ceux d'un géostationnaire OU la projection du
satellite
est
proche
d'une
projection
stéorographique
équatoriale,
Par ailleurs les caractéristiques orbitales
créent
un decalage quotidien de 2.7" du noeud ascendant,
et à un
jour
d'intervalle
un meme zone subira un d&alage équivalent dans la
projection du satellite.
Aussi les études multitemporelles
exigent
que
les images soient ramenées à un référentiel unique
par un programme de redressement.
Dans la mesure où un des intkrêts de NOAI1. et de permettre la
production
d'images
de synthése sur plusieurs
jours,
afin de
minimiser les effets atmosphériques, la qualité des localisations
influera directement
sur la finesse de
l'image
finale.
Une
correction
géomktrique
insuffisamment
précise
degrade l a
résolution spatiale des synthéses et peut amener des
difficultés
de calibration {Prince, 1986). Aussi le programme de redressement
constitue
la
partie
la plus délicate d'une
chaine
d e
prétraitement
NCMA ,
qui
comporte
également un
programme de
décompactage
e t
un
programme
de calibration
des
canaux
thermiques,
3
Il faut
signaler
un systéme primitif
de correction est
réalisé
à bord du satellite pour les images transmises en APT
fmode de transmission à
faible debit ne nécessitant qu'un
équipement de reception leger),
La ligne APT
est
obtenue en
moyennant
la ligne AVHRR sur un nombre de pixel variant suivant
leur
position,
de quatre au centre à un â l'extrt5mit.é.
Re la
sorte
la surface prise en compte par un pixel APT est à peu pres
constante.
(Extrait de Schwalb,1978)
Mais'
s i.
ce procedé permet d'améliorer avec un
minimum de
calcul l'aspect de l'image,
il ne permet pas de mise en relation
avec
des donnees
esogénes ni meme la superposition de deus
orbites NOAA,
2 ALGORITHMES DE REDRESSEMENT
Un redressement peut être VII comme la composition
de deus
transformations;
une
opération de passage de la projection du
satellite aux coordonnées géographiques, et une transformation de
ces
coordonnées en
points de l'image finale suivant
u n e
projection
géographique
donnée
(Mercator,
Lambert,
Stéréopolaire),
Les
Qquations de ces projections
géographiques
sont connues aussi,
par la suite nous ne nous intéresserons yu'â
la premiére transformation,
Par
ailleurs il ne
nous
parait
pas
toujours
justifie
d'intégrer
des
projections
cartographiques
autres
que la
projection
triviale
(ou
projection
équatoriale
équidistante
directe) si
l'on n'effectue pas de superposition à un produit
cartographique
préexistant,
Dans cette projection méridiens et
4
paralelles
etant représentés équidistants,
les
coordonnées en
Latitude
et longitude d'un point de l'image s'obtiennent par un
changement
d'échelle,
Toutes
les
chaines
de
traitement se
simplifient
sensiblement, et
les
syst&mes de reperages et
d'archivages
sont beaucoup moins complexes.
De plus ce type de
projection diffkre peu de la projection Mercator dans les
zones
équatoriales,
Une
procédure générale de redressement consiste à
calculer
POU3?
tous les points de l'image brute leurs coordonnées dans le
repére
terrestre.
Chaque
pixel sera localisé en
fonction de
l'heure de la mesure et des parametres orbitaux décrivant
l'orbite
et la position du satellite (quatre paraméres en orbite
circulaire et
six en orbite elliptique).
Le probléme
du ré-
échentilfonage se
posera de maniére encore plus aigue que
pour
les satellites d'observations terrestres.
En effet il n'y a, a
priori,
aucune
contrainte lice à la résolution du satellite sur
la taille
de la maille de l'image redressée.
Selon
que
cette
maille
est
plus grossiere ou plus fine que la résolution
initiale, il y a dégradation ou redondance de l'information. Four
des
satellites comme NOAA OY la taille du pixel,
pour une
zone
donnée,
depend de l'orbite, il ne sera pas possible de maintenir
sur l'image redressée la taille initiale du pixel.
5
La localisation
revient à composer les trois mouvements
suivants:
- Le mouvement de rotation du plan d'orbite dans le
référentiel
terrestre. Ce mouvement est la composition de la précession et de
la rotation quotidienne de la terre sur elle même.
- Le déplacement du satellite sur son orbite elliptique.
- Le balayage
du radiométre qui vise successi-ement
tous
les
points
d'une
ligne, On
fait
usuellement
l'hypothese
simplificatrice
d'un
balayage
instantané,
les
lignes
d'acquisition sont
alors considérées comme perpendiculaires au
déplacement
d u
satellite.
L'erreur ainsi
introduite
sera de
l'ordre d'une centaine de métres sur le radiométre AVHRR,
La navigation
se raméne alors à la résolution d'une
serie
d'équations
trigonmetriques,
particuliérement
simples pour
une
orbite
circulaire.
On trouvera un exposé sur les
méthodes de
calcul chez Brune1 et Marsouin, ou Duck et King.
Si
ces parametres orbitaus étaient parfaitement
connus il
serait
donc
possible de localiser exactement un
pixel,
Malheureusement un
certain
nombre de
forces
pertubatrices
s'exercent sur le satellite.
L'aXtitude n'est
pas
suffisante pour que
les
phénomenes
aérodynamiques puassent être totalement négligés.
Il existe
une
formule
d'approximation exprimant
la vitesse de
variation
d'altitude liée aux frottements atmosphériques,
(Extrait de Manual of remote sensing 1983)
0-h
CAfm caractérise la g&om,trie du satellite
A est la surface frontale
C est un coefficient aerodynamique
m
est la masse du satellite
e est la densité atmosphérique, usuellement exprimée
par une loi de la forme
p= Kt?-4h
En utilisant
cette formule on obtient une décroissance de
0.3 m/jour pour l.es satellites NOAX.
Cette variation est du même
ordre
que celle déduite des messages orbitaux qui indiquent
une
decroissance moyenne de 0,6 m/jour pendant l'&té 1986,
D'autres
phenoménes parasites interviennent.
Ainsi il
est
apparu d'une analyse sur les dérivations d'orbite TIROS et Nimbus
6
que
l'attraction solaire amenait une vibration du plan d'orbite
et donc une modification de l'inclinaison (Duck 1975).
Enfin,
bien
que la plate forme soit dotée d'un systéme de
stabilisation
trois
axes,
des
variations
d'attitude peuvent
perturber les visées, La NOAA indique que ces variation seront en
général inférieures à 0.12" >
ce qui correspond à un décalage de
un ou deux pixels,
Sous l'effet de ces forces pertubatrices ie
satellite va
decrire une
courbe gauc.he qui pourra toujours être
approximée,
pour
une
portion de trajectoire donnee,
par
une
ellipse. La
connaissance des parametres osculateurs, définissant cette orbite
elliptique instantanée,
est donc indispensable pour naviguer les
images NOAA.
Des
messages
TEWS ,
contenant
ces
informations,
sont
r6guli6rement diffusés sur le rkseau telex,
Mais si la précision
d e c e s
informations
est suffisante pour piloter
l'antenne de
reception lors de
l'acquisition,
elle ne
permet
pas
une
navigation
fine et
entrainerait
des
erreurs
importantes de
localisation,
La méthode mise au point au Centre de Meteorologie
Spatiale de Lannion (CMS) par P Brune1 et A Marsouin consiste à
utiliser les messages de localisation ARGOS, reput&s de meilleure
qualité
que les messages TBUS, et à appliquer un modéle
d'extrapolation
d'orbite
pour
déterminer
les
paramétres
osculateurs de la période d'acquisition. Cette méthode fournirait
une erreur moyenne de 5 Km.
Pour
notre part nous disposions dans les en tête des bandes
HRPT (mode de transmission ou l'intégralité de
l'information
collectée
est reçue par la station) fournies par Maspalomas
des
paramétres orbitaux de la NOAA,
Sans même discuter la qualité de
ces
parametres,
la précision avec laquelle ils etaient exprimés
ne nous permettait pas une localisation avec le degr4 de
finesse
que
nous souhaitions.
Aussi avons nous mis en oeuvre une methode
d'approximation
de parametre inspiree d'un algorithme développé
au Centre Scientifique IBM France (,Diem Ho et Adel
Asem),
Cette
methode consiste a fixer un certain nombre d'amer puis à modifier
les
paramétres
osculateurs à
chaque
étape d'une procedure
itérative.
La procédure
s'arrétera lorsque
les
latitudes et
longitudes
des
amers
Calcul&es par le modéle orbital et
leur
coordonnées g4ographiques réelles seront suffisamment proches.
L'implantation de cette proc6dure suppose que l'on choisisse
le nombre d'amers à repérer et les parametres orbitaux à
modifier.
Le choix de ces paramétres orbitaux n'est,
bien sur,
pas indifférent,
l'approximation devra porter sur des parambtres
susceptibles
d'une évolution relativement rapide et d'un
impact
sensible sur le positionnement du satellite,
La procedure,
développée au CRODT,
fonctionne de la mani4re
suivante:
7
-.--
---111--
. _
__...
.
.
. .
.----..
Nous selectionnons un amer, de preférence proche de la trace
d u
satellite,
puis
nous
établissons
par
approximations
successives
l*heure au noeud ascendant.
Outre une meilleure
définition la selection d'un amer 'en zone centrale permet
d'atthnuer l'effet d'une erreur de l'altitude,
Si la convergence
n'est
pas
atteinte
rapidement
une
erreur
grossiére
sur la
longitude du noeud ascendant est à suspecter.
Il est
ensuite possible d'améliorer les
localisations
e n
approximant
l'altitude du satellite à partir d'un deuxiéme amer.
Dans la mesure
où les portions d'orbite
sur lesquelles nous
sommes
amenes à travailler ne représentent qu'une faible
partie
d'une orbite totale (quelques minutes pour une pkriode nodale de
102 minutes) et que l'excentricité des orbites NOAA reste faible,
il
sera tout à fait legitimk d'approximer cette portion d'orbite
elliptique
par
une
orbite
circulaire.
Aussi
la correction
apportée
à l'altitude du satellite nous permettra non
seulement
d'éliminer les erreurs liées à une inexactitude sur ce parametre,
mais
également d'utiliser un modkle d'orbite ne
faisant pas
intervenir
les
paramétres d'excentricité et d'argument du
périgee,
Il serait aussi envisageable de faire porter cette deuxieme
approximation sur la longitude du noeud ascendant,
ce qui revient
à utiliser le premier amer pour un décalage vertical et le second
pour un décalage horizontal,
Cet algorithme
de redressement différe notablement des
algorithmes de redressement sur amers usuellement employés. D'une
part le nombre de points d'appui est notablement moins important,
deux
au plus alors que,
compte tenu des déformations
NOAA, un
modéle
n'integrant pas les calculs orbitaux en nécessiterait une
dizaine,
D'autre
part les amers ne figurent pas
nécessairement
sur l'image à redresser,
ce qui est un avantage
notable
pour
travailler sur un domaine marin. Il s'agit de points remarquables
situés en un quelconque endroit de l'image brute, ils seront donc
beaucoup
plus faciles à reperer.
Enfin les calculs seront plus
rapides,
U n
autre
type de procédure
utilise
les
recalages
automatiques d'image.
Ce procédé allie le caractere systématique
des
navigations
purement orbitales à la précision des
methodes
sur
points
d'appui, au
prix de logiciels
plus
complexes et
surtout d'un besoin en puissance de calcul beaucoup
plus
important.
Ainsi,
dans le cadre de la lutte antiacridienne,
1'ERUS data tenter diffuse un produit d'index de végétation qui
serait
elaboré en utilisant une procédé de recherche automatique
d'amers.
3 MISE EN OEUVRE
L'algorithme de redressement le plus simple
calculerait
Paint par point de l'image résultante les coordonnées en ligne et
colonne des pixels.
Mais le temps de calcul qu'impliquerait cette
8
procédure directe risquerait de la rendre inapplicable.
En effet
chacun des
points de l'image produite va nécessiter un
calcul
complexe
faisant intervenir des fonctions intrinséques.
Il est
bien sur possible d'optimiser le calcul de ces
fonctions,
Elles
sont, en géneral,
determinées par des convergences de série et il
est facile de procéder par un systéme de scrutation de table et
d'interpolation. Le
gain
de rapidité compense
amplement
l'encombrement
mémoire supplémentaire,
faible en regard de la
capacité des
calculateurs actuels.
Signalons qu'avec ce
type
d'algorithme
les fonctions trigonométriques n'occupent que 5 Ko
pour une précisio'n de l'ordre de 10"!
Mais
cette
optimisation ne sera pas toujours nécessaire à
réaliser.
En effet, les calculs orbitaux ne seront effectués que
pour les noeuds d'une grille de localisation,
la fonction de
redressement sera ensuite calculée par interpolation,
Ce procédé
apporte evidemment un gain important en temps machine.
De nombreux
travaux ont été effectués sur les procédures
d'interpolation
dans
le cadre des
redressements
LANDSAT,
Bernstein dans sa contribution au manuel de telédétection fournit
un aperçu bibliographique sur ce sujet,
Plusieurs méthodes
sont
couramment utilisees plus proche voisin,interpolation bilinéaire,
convolution
cubique,
Il s'agit de préserver au mieux
les
discontinuités et en
particulier les structures
linéaires en
passant de l'image brute à l'image redressée.
Dans cette optique
la convolution cubique,
qui calcule une valeur à
partir d"une
matrice de 4x4 points, est présentée comme optimale, Toutefois le
cadre dans lequel nous nous situons,
est sensiblement différent,
Tout
d'abord l'interpolation ne se,fera pas directement entre
valeurs
des
comptes
numériques
mais
sur un
champ
calcule
possédant des propriétés de monotonie.
De plus les valeurs de la
maille initiale étant déterminées par calcul, il est possible, si
fa precision de l'approximation est insuffisante' de sélectionner
une maille plus fine,
Aussi afin d'optimiser les temps de calcul
nous avons utilise une méthode d'interpolation surfacique.
La
forme de la grille dépendra étroitement du
Mi=
d'application.
Lorsqu'il s'agit d'un produit complémentaire aux
données brutes et fourni par la station de réception,
la grille
est
constituée
par les coordonnées géographiques d'un certain
nombre de points de l'image brute.
Ainsi le CMS les indique pour
une ligne d'acquisition sur 32,
et pour un
pixel
sur
32 2%
l'intérieur d'une
ligne.
P a r
contre lorsque
les
calculs de
trajectoire
sont destinés à redresser une zone géographique
donnée, il
sera à la fois plus simple algorithmiquement et plus
rapide de déterminer
avec un pas constant en
latitude et en
longitude les numéros de ligne et de colonne des
pixels
correspondants. Le
pas dépendra
de l'étendue de la zone
géographique choisie et non,
bien sur,
de la taille de l'image,
En général
la charge liée au calcul de la grille
sera faible
devant les autres étapes,
il convient donc de dimentionner
largement
la grille,
Mais dans tous les cas' il n'y a pas
d'avantage à calculer plus de 8 points de grille par degré.
9
La grille
déterminee le redressement se raménera à une
interpolation bidimensionelle. Bien qu'elle soit conceptuellement
simple
cette
partie
est d'une
implémentation
délicate, et
justifiera des efforts d'optimisation,
le volume d'operations de
cette derniére étape
étant trés supérieur à
ceus des étapes
précédentes.
Un premier
procédé consiste à calculer
préalablement
une
matrice
de déformation formée par les coefficients pour tous les
points
compris
entre
quatre noeuds,
Ce procédé
exige
que la
dimension de la grille soit un diviseur entier de
la dimension
redressée.
Le nombre d'opérations élémentaires impliquées par
chaque itération peut ainsi être considérablement reduit,
Mais la principale difficulté provient de fa gestion de la
mémaire,
à cause de la taille importante des images (surtout de
l'image brute) qui interdit de les faire résider en mémoire. On
pourrait envisager de les stocker sous forme de fichiers à
accés
direct,
Mais
comme
tous les points d'une ligne de l'image
redressee ne
correspondront pas a une seule
ligne de l'image
brute,
le volume d'entrée sortie qu'impliquerait un redressement
rendrait
cette
opération
irréalisable.
Sur un
ordinateur à
mémoire
virtuelle on
peut déclarer l'image brute comme un
tableau,
le gestionnaire de pagination se chargeant de réaliser
les
transferts effectifs entre disque et mémoire.
Sur d'autres
machines
IL incombera au programmeur de developper
l'équivalent
d'un gestionnaire de mémoire paginée pour traiter l'image brute,
Dans la mesure ou,
pour chaque point de l'image
redressée,
il
n'est
réalisé qu'une seule operation de lecture
de l'image
brute,
la réalisation par logiciel d'un gestionnaire de ce type
n'a pas d'effet négatif sur les performances.
Eien au
contraire
il
est même intéressant à réaliser sur une machine
paginée, le
programmeur
étant
plus
capable d'exploiter les
propriétés de
L'image brute qu'un gestionnaire tablé à usage général,
L'algorithme de pagination,
mis au point au CRODT, est tres
simple,
Le gestionnaire s'alloue toute la memoire disponible et
charge le maximum de lignes AVHRR à partir de la premiére ligne
figurant dans la grille.
Le chargement d'une ligne s'effectue en
ne
retenant
que
les pixels dont les numéros de colonnes
sont
compris
entre les numéros estrémes de
la grille, et en
échantillonant s i
la résolution de l'image redressée
est
notablement
inférieure
à celle de l'image brute. Le
programme
constitue ensuite l'image redressée ligne par
ligne.
Lorsqu'une
ligne qui ne reside pas en memoire est demandée,
le gestionnaire
de pagination remplace la ligne la plus anciennement chargée par
cette
1 igne,
Formellement
tout se
passe
comme si
l'image
redressée
était
un fichier et l'image brute
contenue
dans un
tableau en mémoire.
Bien que
rudimentaire ce gestionnaire nous a paru
tout à
fait
satisfaisant la
plupart des
lignes
n'étant
transférées
qu'une seule fois du disque vers la mémoire,
Dans quelques rares
cas un phénoméne de dégradation des performances analogue à celui
10
des défauts de pages intempestifs s'est produit. Nous avons alors
redresse l'image par parties, Il serait possible d'automatiser ce
procédé
par un gestionnaire plus élaboré qui parcourrait l'image
finale differemment suivant la mémoire disponible.
Lors du
redressement d'un canal visible ou
proche
infrarouge,
il e'st intéressant de calculer pour chaque point de
la grille, non seulement ses coordonnees dans l'image brute, mais
aussi le coefficient de correction d'angle zénithal.
La quantité
d'energie
réfléchie dépend
de l'albédo et de la position du
soleil
p a r
rapport au
point
visé L
Pour
rendre
comparables
différentes
images il importe de corriger l'effet lié a
l'heure
locale et à la saison.
Cette correction se realise simplement en
divisant la mesure
satellitaire
par le cosinus de l'angle
zénithal
solaire,
Une fois
encore il ne sera
pas
nécessaire
d'effectuer ce calcul
trigonométrique
pour
chaque
point de
l'image redressée,
la valeur du coefficient étant déterminée par
interpolation,
Bien que
plus simples,
les
algorithmes
de redressement
METEOSAT sont
mis en oeuvre de maniere analogue,
La partie de
constitution de la grille est notablement plus rapide puisque,
par définition,
les paramétres de navigation sont fixes. D'autre
part les images ne proviennent pas directement de
l'imageur du
satellite,
mais
sont
traitées
par le centre de
réception de
Darmstad
et eorrkgées des dérivations
d'orbite,
puis
*'
reemises
vers
le satellite.
Par contre les difficultés de réalisation
informatiques
soht
identiques, et
les modules de pagination
peuvent 2tre communs.
Nous
avons
testés ces logic,i.els en n'utilisant qu'un
seul
amer
afin de nous situer dans la situation la plus
défavorable,
Les resultats apparaissent déja comme trés satisfaisants pour nos
applications.
En'effectuant des redressements sur une zone de 6
degres
centrée
sur le Sénégal pour des images de 512 lignes et
colonnes,
l'erretir de localisation est ,au maximum,
de deux
points sur l'imag& produite,
ce qui ramené à la résolution AVHRR
correspond à une erreur de l'ordre du pixel,
Seules les orbites
où
notre zone est péripherique prgsentent des &carts supérieurs,
dus pour partie à l'accroissement de
la taille des pixels
(approximativement de 4.5Km par 2 Km en bord d'orbite), mais à
cause
des
phéno&nes atmosphériques ces
orbites
sont
souvent
ecartées des synthéses multitemporelles,
A titre d'+llustration,
le tableau suivant donnent les
coordonnées de deux points remarquables sur l'image redressee
pour différentes 4rbites.
Orbite
Katchi
Banjuls
87191
373 74
9674
*
X15*388
9tioz
**
120 386
9G30
371 74
120 386
9li44
372 74
121 386
9$j8
**
121 386
9P72
373 73
121 387
93/13
372 74
121 386
9427
371 71
120 386
93i56
%SI
118 387
94112
372 74
121 388
95j96
373 75
121 388
* hors de l'orbite
** couvert nuageux
*** vent de sable'
La superposition d'un index de végetation en synthése
multitemporelle à'un fond de carte de cote et de frontiéres
peut
également
fournir un
indicateur de
l a
précision
des
localisations.
Oiz observe par endroit un décalage qui
pourrait
être
éliminé en prenant un deuxieme amer ou,
dans ce cas précis
qui
comporte
plusieurs points aisément
identifiables en
déterminant une tkanslation rotation,
Ce logiciel est implanté sur un ordinateur 16 bits
MINI6/43
et
inclue
les primitives de navigation fournies par l'équipe
SATMOS (CMS). Les'limitations
du compilateur nous ont contraint à
avoir
recours
à l'assembleur pour les fonctions
de base,
Les
temps de calcul d&pendent essentiellement de la taille de l'image
redressée,
Une image 512x512 demande actuellement 5 minutes pour
l'ensemble du redressement.
Compte tenu de l'évolution du
matériel
il est tout à fait envisageable de porter ce
programme
sur
micro ordinateur,
à condition d'adapter le gestionnaire de
pagination,
qui depend étroitement du systéme d'exploitation, et
de programmer
sbigneusement afin d'eviter une
dégradation des
temps de réponse.
BIBLIOGRAPHIE
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19'78.- The TIROS N/NOAA A-G satellite serie.
MOAA
technical memora&um NESS 95.
13
Ces trois
imag s
brutes
d'un canal NOAA, montrent
$t
le décalage ver4 l'Ouest
d'une
zone
9ans
l a
projection du latellite,
ainsi
que d'i+portantes
déformations +n
bord
d'image.
.__-. ..- -- -.x-- -..
L'image redress& (ici une synthése sur plusieurs jours) a été
superposée
B un'fond de carte.
L'importance des distorsions
géom$triques pobr une procbdure à
un point de rbférence
apparait
clairebent.
Une translation-rotation suffirait B
perfectionner la/superposition.
. -
- -- -------..-." _ _ _
-
JL BERGES
REDRESSEMENTS NOAA AVHRR
J,
CITEAU
H,
DEMARCP
J
f@
C.R.O.D.T.
DOCUMENT
C E N T R E D E R E C H E R C H E S O C É A N O G R A P H I Q U E S IIE DAKAR - TIAROYE
SCIENTIFIQUE
1
NUMÉRO 11 o
4 I N S T I T U T S É N É G A L A I S D E R E C H E R C H E S A G R I C O L E S 4
1
.I II T ?d
1988
REDRESSEMENTS NOAA AVHRR
J.C.:, BERGES (l), J. ('LTEAU et H. DEMARCB (2)
RESUME
Ce teste décrit les algorithmes utilisés par le
logiciel de
redressement
NOAA
développé au
laboratoire
de télédétection du Centre de Recherche
Océanographique
de Dakar Thiaroye
(CRODT), et
operationnel
depuis Septembre 1986.
Il insiste sur
les problémes d"implantation
de ce type de programme
sur un petit calculateur et indique les performances
o b t e n u e s .
ABSTRACT
This
t e s t
describes algorithmes used in
the
spatial
registration
software developped by
the .
remote sensing laboratory of the Centre de Recherche
Océanographique
de Dakar
Thiaroye (CRODT), These
programs
are operational since September
1986. We
emphasize on implementation technics of this kind of
program
on a small computer, and we give indications
about performances reached.
il)
Assistant technique en poste etu CRODT (Centre de
Rec::herche
c‘Jcéémo.grrzphiyue de Dakar Thiaroye m- BP 2241 - Dakar)
(2) Océanographes ORSTOM en service au CRODT
INTRODUCTION
Les
images
produites
par les
satellites d'etudes de
l'environnement
sont tr8s déformées,
et leur utilisation
exige
l'emploi de logiciels de rectification géometrique différants
notablement de ceux utilises pour les satellites
d'observations
terrestres. L'intérêt du capteur NOAA/AVHRR, tant en applications
océanographiques de restitution de températures de surface, qu'en
SUiVi
de l'hivernage par la production d'un index de vegétation,
IIOUS
a amen& & entreprendre un effort de programmation
sur les
logiciels de redressements NOAA.
Depuis Septembre 1986 une chaine
de
pr&t,raitement
compléte
est
opérationelle
i3U
Centre de
Recherche Océanographique de Dakar Thiaroye.
Les algorithmes mis
e n
oeuvre
dans
cette
chaîne
sont
également
applicables
aux
localisations d'images provenant de systemes
similaires
Par
l'orbite et le type de capteurs comme Nimbus/CZCS ou MOS/VTIR.
1 CARACTERISTIQUES DES SATELLITES ET RAPPELS D'ORBITOGRAPHIE
Les
satellites de la serie TIROS 03 sont des satellites
météorologiques
à orbite polaire gérés par la NOM,
aussi
sont
ils désignes en NOAAs.
Le premier a &té
lance
en 1978, et
actuellement
les satellites NOAAS et gOAA sont
operationnels,
Ils emportent principalement un imageur AVHRR fonctionnant dans
cinq canaux,
un sondeur vertical destiné à restituer les profils
d'atmosphéres et le systéme de localisation Argos, Leurs missions
sont
complémentaires
de celles des géostationnaires,
la moins
grande
repétivite
étant Compens&e par une
résolution
spatiale
plus fine,
une
plus grande précision radiométrique e,t la
possibilite d'observer les pôles.
Ces
satellites sont hélios.ynchrones
et conçus pour
fournir
une image quotidienne compléte de la planéte, à la fois en orbite
diurne et
en orbite nocturne,
Leurs
trajectoires
sont
quasi
circulaires &
une altitude de 870 km de maniére à
réduire
les
perturbations liées à l'atmosphére.
Si le
champ d'attraction terrestre ktait uniforme le
plan
d'orbite serait ne serait en rotation par rapport
repere
terrestre,
que du fait de la rotation de la terre sur elle même,
Le mouvement de la terre autour su soleil aménerait un décalage,
de période anuelle,
de 1"heure locale de passage du satellite au
noeud
ascendant (l'intersection de la trace au sol du
satellite
dans un
passage Sud Nord aneç l'équateur est
désignée par le
terme de noeud ascendant). Mais l'het&rogénéité
du potentiel, lié
à l'aplatissement aux poles du globe,
produit une rotation du
plan d'orbite autour de l'axe des poles,
appellée précession, et
une rotation du perigee dans le plan d'orbite,
2
La vitesse de prkcession s'exprime par
ou:
R est le rayon terrestre
h l'altitude du satellite
J et p sont des caracteristiques
du champ de gravitation
fresp second harmonique zona1 et constante de gravitation)
i est l'angle d'inclinaison du plan d'orbite sur l'équateur
Sur NOAA, comme sur la plupart des satellites d'observation,
l'inclinaison est
calculée de telle sorte que le
mouvement de
précession
qu'elle
provoque rompense le mouvement annuel de la
terre autour du soleil,
De la sorte Ie passage au noeud ascendant
se
fera
toujours à la même heure locale.
Les deux
satellites
opérationnels
simultan&ment
permettent donc une
couverture
globale de la terre toutes les six heures.
La période nodale du satellite (102 minutes),
imposée
par
son
altitude,
améne
un décalage entre les
positions de deux
noeuds
ascendants successifs de 35" de longitude.
Afin que
les
images correspondants à deux orbites successives se recouvrent à
l'bquateur,
l'angle
de balayage du radiometre AVHRR doit
être
particuliérement
large (110" ).
Aussi la taille d'un pixel va
varier suivant sa position sur l'image,
de 1.1 Km au nadir â 4.5
Km en bord d'image,
Ceci se traduira par une anamorphose d'autant
plus
accentuée
que
la zone considéree est proche du bord de
l'image.
Les
produits de ce type d'imageur possédent un aspect
-plLlS
deroutant
que
ceux d'un géostationnaire OU la projection du
satellite
est
proche
d'une
projection
stéorographique
équatoriale,
Par ailleurs les caractéristiques orbitales
créent
un decalage quotidien de 2.7" du noeud ascendant,
et à un
jour
d'intervalle
un meme zone subira un d&alage équivalent dans la
projection du satellite.
Aussi les études multitemporelles
exigent
que
les images soient ramenées à un référentiel unique
par un programme de redressement.
Dans la mesure où un des intkrêts de NOAI1. et de permettre la
production
d'images
de synthése sur plusieurs
jours,
afin de
minimiser les effets atmosphériques, la qualité des localisations
influera directement
sur la finesse de
l'image
finale.
Une
correction
géomktrique
insuffisamment
précise
degrade l a
résolution spatiale des synthéses et peut amener des
difficultés
de calibration {Prince, 1986). Aussi le programme de redressement
constitue
la
partie
la plus délicate d'une
chaine
d e
prétraitement
NCMA ,
qui
comporte
également un
programme de
décompactage
e t
un
programme
de calibration
des
canaux
thermiques,
3
Il faut
signaler
un systéme primitif
de correction est
réalisé
à bord du satellite pour les images transmises en APT
fmode de transmission à
faible debit ne nécessitant qu'un
équipement de reception leger),
La ligne APT
est
obtenue en
moyennant
la ligne AVHRR sur un nombre de pixel variant suivant
leur
position,
de quatre au centre à un â l'extrt5mit.é.
Re la
sorte
la surface prise en compte par un pixel APT est à peu pres
constante.
(Extrait de Schwalb,1978)
Mais'
s i.
ce procedé permet d'améliorer avec un
minimum de
calcul l'aspect de l'image,
il ne permet pas de mise en relation
avec
des donnees
esogénes ni meme la superposition de deus
orbites NOAA,
2 ALGORITHMES DE REDRESSEMENT
Un redressement peut être VII comme la composition
de deus
transformations;
une
opération de passage de la projection du
satellite aux coordonnées géographiques, et une transformation de
ces
coordonnées en
points de l'image finale suivant
u n e
projection
géographique
donnée
(Mercator,
Lambert,
Stéréopolaire),
Les
Qquations de ces projections
géographiques
sont connues aussi,
par la suite nous ne nous intéresserons yu'â
la premiére transformation,
Par
ailleurs il ne
nous
parait
pas
toujours
justifie
d'intégrer
des
projections
cartographiques
autres
que la
projection
triviale
(ou
projection
équatoriale
équidistante
directe) si
l'on n'effectue pas de superposition à un produit
cartographique
préexistant,
Dans cette projection méridiens et
4
paralelles
etant représentés équidistants,
les
coordonnées en
Latitude
et longitude d'un point de l'image s'obtiennent par un
changement
d'échelle,
Toutes
les
chaines
de
traitement se
simplifient
sensiblement, et
les
syst&mes de reperages et
d'archivages
sont beaucoup moins complexes.
De plus ce type de
projection diffkre peu de la projection Mercator dans les
zones
équatoriales,
Une
procédure générale de redressement consiste à
calculer
POU3?
tous les points de l'image brute leurs coordonnées dans le
repére
terrestre.
Chaque
pixel sera localisé en
fonction de
l'heure de la mesure et des parametres orbitaux décrivant
l'orbite
et la position du satellite (quatre paraméres en orbite
circulaire et
six en orbite elliptique).
Le probléme
du ré-
échentilfonage se
posera de maniére encore plus aigue que
pour
les satellites d'observations terrestres.
En effet il n'y a, a
priori,
aucune
contrainte lice à la résolution du satellite sur
la taille
de la maille de l'image redressée.
Selon
que
cette
maille
est
plus grossiere ou plus fine que la résolution
initiale, il y a dégradation ou redondance de l'information. Four
des
satellites comme NOAA OY la taille du pixel,
pour une
zone
donnée,
depend de l'orbite, il ne sera pas possible de maintenir
sur l'image redressée la taille initiale du pixel.
5
La localisation
revient à composer les trois mouvements
suivants:
- Le mouvement de rotation du plan d'orbite dans le
référentiel
terrestre. Ce mouvement est la composition de la précession et de
la rotation quotidienne de la terre sur elle même.
- Le déplacement du satellite sur son orbite elliptique.
- Le balayage
du radiométre qui vise successi-ement
tous
les
points
d'une
ligne, On
fait
usuellement
l'hypothese
simplificatrice
d'un
balayage
instantané,
les
lignes
d'acquisition sont
alors considérées comme perpendiculaires au
déplacement
d u
satellite.
L'erreur ainsi
introduite
sera de
l'ordre d'une centaine de métres sur le radiométre AVHRR,
La navigation
se raméne alors à la résolution d'une
serie
d'équations
trigonmetriques,
particuliérement
simples pour
une
orbite
circulaire.
On trouvera un exposé sur les
méthodes de
calcul chez Brune1 et Marsouin, ou Duck et King.
Si
ces parametres orbitaus étaient parfaitement
connus il
serait
donc
possible de localiser exactement un
pixel,
Malheureusement un
certain
nombre de
forces
pertubatrices
s'exercent sur le satellite.
L'aXtitude n'est
pas
suffisante pour que
les
phénomenes
aérodynamiques puassent être totalement négligés.
Il existe
une
formule
d'approximation exprimant
la vitesse de
variation
d'altitude liée aux frottements atmosphériques,
(Extrait de Manual of remote sensing 1983)
0-h
CAfm caractérise la g&om,trie du satellite
A est la surface frontale
C est un coefficient aerodynamique
m
est la masse du satellite
e est la densité atmosphérique, usuellement exprimée
par une loi de la forme
p= Kt?-4h
En utilisant
cette formule on obtient une décroissance de
0.3 m/jour pour l.es satellites NOAX.
Cette variation est du même
ordre
que celle déduite des messages orbitaux qui indiquent
une
decroissance moyenne de 0,6 m/jour pendant l'&té 1986,
D'autres
phenoménes parasites interviennent.
Ainsi il
est
apparu d'une analyse sur les dérivations d'orbite TIROS et Nimbus
6
que
l'attraction solaire amenait une vibration du plan d'orbite
et donc une modification de l'inclinaison (Duck 1975).
Enfin,
bien
que la plate forme soit dotée d'un systéme de
stabilisation
trois
axes,
des
variations
d'attitude peuvent
perturber les visées, La NOAA indique que ces variation seront en
général inférieures à 0.12" >
ce qui correspond à un décalage de
un ou deux pixels,
Sous l'effet de ces forces pertubatrices ie
satellite va
decrire une
courbe gauc.he qui pourra toujours être
approximée,
pour
une
portion de trajectoire donnee,
par
une
ellipse. La
connaissance des parametres osculateurs, définissant cette orbite
elliptique instantanée,
est donc indispensable pour naviguer les
images NOAA.
Des
messages
TEWS ,
contenant
ces
informations,
sont
r6guli6rement diffusés sur le rkseau telex,
Mais si la précision
d e c e s
informations
est suffisante pour piloter
l'antenne de
reception lors de
l'acquisition,
elle ne
permet
pas
une
navigation
fine et
entrainerait
des
erreurs
importantes de
localisation,
La méthode mise au point au Centre de Meteorologie
Spatiale de Lannion (CMS) par P Brune1 et A Marsouin consiste à
utiliser les messages de localisation ARGOS, reput&s de meilleure
qualité
que les messages TBUS, et à appliquer un modéle
d'extrapolation
d'orbite
pour
déterminer
les
paramétres
osculateurs de la période d'acquisition. Cette méthode fournirait
une erreur moyenne de 5 Km.
Pour
notre part nous disposions dans les en tête des bandes
HRPT (mode de transmission ou l'intégralité de
l'information
collectée
est reçue par la station) fournies par Maspalomas
des
paramétres orbitaux de la NOAA,
Sans même discuter la qualité de
ces
parametres,
la précision avec laquelle ils etaient exprimés
ne nous permettait pas une localisation avec le degr4 de
finesse
que
nous souhaitions.
Aussi avons nous mis en oeuvre une methode
d'approximation
de parametre inspiree d'un algorithme développé
au Centre Scientifique IBM France (,Diem Ho et Adel
Asem),
Cette
methode consiste a fixer un certain nombre d'amer puis à modifier
les
paramétres
osculateurs à
chaque
étape d'une procedure
itérative.
La procédure
s'arrétera lorsque
les
latitudes et
longitudes
des
amers
Calcul&es par le modéle orbital et
leur
coordonnées g4ographiques réelles seront suffisamment proches.
L'implantation de cette proc6dure suppose que l'on choisisse
le nombre d'amers à repérer et les parametres orbitaux à
modifier.
Le choix de ces paramétres orbitaux n'est,
bien sur,
pas indifférent,
l'approximation devra porter sur des parambtres
susceptibles
d'une évolution relativement rapide et d'un
impact
sensible sur le positionnement du satellite,
La procedure,
développée au CRODT,
fonctionne de la mani4re
suivante:
7
-.--
---111--
. _
__...
.
.
. .
.----..
Nous selectionnons un amer, de preférence proche de la trace
d u
satellite,
puis
nous
établissons
par
approximations
successives
l*heure au noeud ascendant.
Outre une meilleure
définition la selection d'un amer 'en zone centrale permet
d'atthnuer l'effet d'une erreur de l'altitude,
Si la convergence
n'est
pas
atteinte
rapidement
une
erreur
grossiére
sur la
longitude du noeud ascendant est à suspecter.
Il est
ensuite possible d'améliorer les
localisations
e n
approximant
l'altitude du satellite à partir d'un deuxiéme amer.
Dans la mesure
où les portions d'orbite
sur lesquelles nous
sommes
amenes à travailler ne représentent qu'une faible
partie
d'une orbite totale (quelques minutes pour une pkriode nodale de
102 minutes) et que l'excentricité des orbites NOAA reste faible,
il
sera tout à fait legitimk d'approximer cette portion d'orbite
elliptique
par
une
orbite
circulaire.
Aussi
la correction
apportée
à l'altitude du satellite nous permettra non
seulement
d'éliminer les erreurs liées à une inexactitude sur ce parametre,
mais
également d'utiliser un modkle d'orbite ne
faisant pas
intervenir
les
paramétres d'excentricité et d'argument du
périgee,
Il serait aussi envisageable de faire porter cette deuxieme
approximation sur la longitude du noeud ascendant,
ce qui revient
à utiliser le premier amer pour un décalage vertical et le second
pour un décalage horizontal,
Cet algorithme
de redressement différe notablement des
algorithmes de redressement sur amers usuellement employés. D'une
part le nombre de points d'appui est notablement moins important,
deux
au plus alors que,
compte tenu des déformations
NOAA, un
modéle
n'integrant pas les calculs orbitaux en nécessiterait une
dizaine,
D'autre
part les amers ne figurent pas
nécessairement
sur l'image à redresser,
ce qui est un avantage
notable
pour
travailler sur un domaine marin. Il s'agit de points remarquables
situés en un quelconque endroit de l'image brute, ils seront donc
beaucoup
plus faciles à reperer.
Enfin les calculs seront plus
rapides,
U n
autre
type de procédure
utilise
les
recalages
automatiques d'image.
Ce procédé allie le caractere systématique
des
navigations
purement orbitales à la précision des
methodes
sur
points
d'appui, au
prix de logiciels
plus
complexes et
surtout d'un besoin en puissance de calcul beaucoup
plus
important.
Ainsi,
dans le cadre de la lutte antiacridienne,
1'ERUS data tenter diffuse un produit d'index de végétation qui
serait
elaboré en utilisant une procédé de recherche automatique
d'amers.
3 MISE EN OEUVRE
L'algorithme de redressement le plus simple
calculerait
Paint par point de l'image résultante les coordonnées en ligne et
colonne des pixels.
Mais le temps de calcul qu'impliquerait cette
8
procédure directe risquerait de la rendre inapplicable.
En effet
chacun des
points de l'image produite va nécessiter un
calcul
complexe
faisant intervenir des fonctions intrinséques.
Il est
bien sur possible d'optimiser le calcul de ces
fonctions,
Elles
sont, en géneral,
determinées par des convergences de série et il
est facile de procéder par un systéme de scrutation de table et
d'interpolation. Le
gain
de rapidité compense
amplement
l'encombrement
mémoire supplémentaire,
faible en regard de la
capacité des
calculateurs actuels.
Signalons qu'avec ce
type
d'algorithme
les fonctions trigonométriques n'occupent que 5 Ko
pour une précisio'n de l'ordre de 10"!
Mais
cette
optimisation ne sera pas toujours nécessaire à
réaliser.
En effet, les calculs orbitaux ne seront effectués que
pour les noeuds d'une grille de localisation,
la fonction de
redressement sera ensuite calculée par interpolation,
Ce procédé
apporte evidemment un gain important en temps machine.
De nombreux
travaux ont été effectués sur les procédures
d'interpolation
dans
le cadre des
redressements
LANDSAT,
Bernstein dans sa contribution au manuel de telédétection fournit
un aperçu bibliographique sur ce sujet,
Plusieurs méthodes
sont
couramment utilisees plus proche voisin,interpolation bilinéaire,
convolution
cubique,
Il s'agit de préserver au mieux
les
discontinuités et en
particulier les structures
linéaires en
passant de l'image brute à l'image redressée.
Dans cette optique
la convolution cubique,
qui calcule une valeur à
partir d"une
matrice de 4x4 points, est présentée comme optimale, Toutefois le
cadre dans lequel nous nous situons,
est sensiblement différent,
Tout
d'abord l'interpolation ne se,fera pas directement entre
valeurs
des
comptes
numériques
mais
sur un
champ
calcule
possédant des propriétés de monotonie.
De plus les valeurs de la
maille initiale étant déterminées par calcul, il est possible, si
fa precision de l'approximation est insuffisante' de sélectionner
une maille plus fine,
Aussi afin d'optimiser les temps de calcul
nous avons utilise une méthode d'interpolation surfacique.
La
forme de la grille dépendra étroitement du
Mi=
d'application.
Lorsqu'il s'agit d'un produit complémentaire aux
données brutes et fourni par la station de réception,
la grille
est
constituée
par les coordonnées géographiques d'un certain
nombre de points de l'image brute.
Ainsi le CMS les indique pour
une ligne d'acquisition sur 32,
et pour un
pixel
sur
32 2%
l'intérieur d'une
ligne.
P a r
contre lorsque
les
calculs de
trajectoire
sont destinés à redresser une zone géographique
donnée, il
sera à la fois plus simple algorithmiquement et plus
rapide de déterminer
avec un pas constant en
latitude et en
longitude les numéros de ligne et de colonne des
pixels
correspondants. Le
pas dépendra
de l'étendue de la zone
géographique choisie et non,
bien sur,
de la taille de l'image,
En général
la charge liée au calcul de la grille
sera faible
devant les autres étapes,
il convient donc de dimentionner
largement
la grille,
Mais dans tous les cas' il n'y a pas
d'avantage à calculer plus de 8 points de grille par degré.
9
La grille
déterminee le redressement se raménera à une
interpolation bidimensionelle. Bien qu'elle soit conceptuellement
simple
cette
partie
est d'une
implémentation
délicate, et
justifiera des efforts d'optimisation,
le volume d'operations de
cette derniére étape
étant trés supérieur à
ceus des étapes
précédentes.
Un premier
procédé consiste à calculer
préalablement
une
matrice
de déformation formée par les coefficients pour tous les
points
compris
entre
quatre noeuds,
Ce procédé
exige
que la
dimension de la grille soit un diviseur entier de
la dimension
redressée.
Le nombre d'opérations élémentaires impliquées par
chaque itération peut ainsi être considérablement reduit,
Mais la principale difficulté provient de fa gestion de la
mémaire,
à cause de la taille importante des images (surtout de
l'image brute) qui interdit de les faire résider en mémoire. On
pourrait envisager de les stocker sous forme de fichiers à
accés
direct,
Mais
comme
tous les points d'une ligne de l'image
redressee ne
correspondront pas a une seule
ligne de l'image
brute,
le volume d'entrée sortie qu'impliquerait un redressement
rendrait
cette
opération
irréalisable.
Sur un
ordinateur à
mémoire
virtuelle on
peut déclarer l'image brute comme un
tableau,
le gestionnaire de pagination se chargeant de réaliser
les
transferts effectifs entre disque et mémoire.
Sur d'autres
machines
IL incombera au programmeur de developper
l'équivalent
d'un gestionnaire de mémoire paginée pour traiter l'image brute,
Dans la mesure ou,
pour chaque point de l'image
redressée,
il
n'est
réalisé qu'une seule operation de lecture
de l'image
brute,
la réalisation par logiciel d'un gestionnaire de ce type
n'a pas d'effet négatif sur les performances.
Eien au
contraire
il
est même intéressant à réaliser sur une machine
paginée, le
programmeur
étant
plus
capable d'exploiter les
propriétés de
L'image brute qu'un gestionnaire tablé à usage général,
L'algorithme de pagination,
mis au point au CRODT, est tres
simple,
Le gestionnaire s'alloue toute la memoire disponible et
charge le maximum de lignes AVHRR à partir de la premiére ligne
figurant dans la grille.
Le chargement d'une ligne s'effectue en
ne
retenant
que
les pixels dont les numéros de colonnes
sont
compris
entre les numéros estrémes de
la grille, et en
échantillonant s i
la résolution de l'image redressée
est
notablement
inférieure
à celle de l'image brute. Le
programme
constitue ensuite l'image redressée ligne par
ligne.
Lorsqu'une
ligne qui ne reside pas en memoire est demandée,
le gestionnaire
de pagination remplace la ligne la plus anciennement chargée par
cette
1 igne,
Formellement
tout se
passe
comme si
l'image
redressée
était
un fichier et l'image brute
contenue
dans un
tableau en mémoire.
Bien que
rudimentaire ce gestionnaire nous a paru
tout à
fait
satisfaisant la
plupart des
lignes
n'étant
transférées
qu'une seule fois du disque vers la mémoire,
Dans quelques rares
cas un phénoméne de dégradation des performances analogue à celui
10
des défauts de pages intempestifs s'est produit. Nous avons alors
redresse l'image par parties, Il serait possible d'automatiser ce
procédé
par un gestionnaire plus élaboré qui parcourrait l'image
finale differemment suivant la mémoire disponible.
Lors du
redressement d'un canal visible ou
proche
infrarouge,
il e'st intéressant de calculer pour chaque point de
la grille, non seulement ses coordonnees dans l'image brute, mais
aussi le coefficient de correction d'angle zénithal.
La quantité
d'energie
réfléchie dépend
de l'albédo et de la position du
soleil
p a r
rapport au
point
visé L
Pour
rendre
comparables
différentes
images il importe de corriger l'effet lié a
l'heure
locale et à la saison.
Cette correction se realise simplement en
divisant la mesure
satellitaire
par le cosinus de l'angle
zénithal
solaire,
Une fois
encore il ne sera
pas
nécessaire
d'effectuer ce calcul
trigonométrique
pour
chaque
point de
l'image redressée,
la valeur du coefficient étant déterminée par
interpolation,
Bien que
plus simples,
les
algorithmes
de redressement
METEOSAT sont
mis en oeuvre de maniere analogue,
La partie de
constitution de la grille est notablement plus rapide puisque,
par définition,
les paramétres de navigation sont fixes. D'autre
part les images ne proviennent pas directement de
l'imageur du
satellite,
mais
sont
traitées
par le centre de
réception de
Darmstad
et eorrkgées des dérivations
d'orbite,
puis
*'
reemises
vers
le satellite.
Par contre les difficultés de réalisation
informatiques
soht
identiques, et
les modules de pagination
peuvent 2tre communs.
Nous
avons
testés ces logic,i.els en n'utilisant qu'un
seul
amer
afin de nous situer dans la situation la plus
défavorable,
Les resultats apparaissent déja comme trés satisfaisants pour nos
applications.
En'effectuant des redressements sur une zone de 6
degres
centrée
sur le Sénégal pour des images de 512 lignes et
colonnes,
l'erretir de localisation est ,au maximum,
de deux
points sur l'imag& produite,
ce qui ramené à la résolution AVHRR
correspond à une erreur de l'ordre du pixel,
Seules les orbites
où
notre zone est péripherique prgsentent des &carts supérieurs,
dus pour partie à l'accroissement de
la taille des pixels
(approximativement de 4.5Km par 2 Km en bord d'orbite), mais à
cause
des
phéno&nes atmosphériques ces
orbites
sont
souvent
ecartées des synthéses multitemporelles,
A titre d'+llustration,
le tableau suivant donnent les
coordonnées de deux points remarquables sur l'image redressee
pour différentes 4rbites.
Orbite
Katchi
Banjuls
87191
373 74
9674
*
X15*388
9tioz
**
120 386
9G30
371 74
120 386
9li44
372 74
121 386
9$j8
**
121 386
9P72
373 73
121 387
93/13
372 74
121 386
9427
371 71
120 386
93i56
%SI
118 387
94112
372 74
121 388
95j96
373 75
121 388
* hors de l'orbite
** couvert nuageux
*** vent de sable'
La superposition d'un index de végetation en synthése
multitemporelle à'un fond de carte de cote et de frontiéres
peut
également
fournir un
indicateur de
l a
précision
des
localisations.
Oiz observe par endroit un décalage qui
pourrait
être
éliminé en prenant un deuxieme amer ou,
dans ce cas précis
qui
comporte
plusieurs points aisément
identifiables en
déterminant une tkanslation rotation,
Ce logiciel est implanté sur un ordinateur 16 bits
MINI6/43
et
inclue
les primitives de navigation fournies par l'équipe
SATMOS (CMS). Les'limitations
du compilateur nous ont contraint à
avoir
recours
à l'assembleur pour les fonctions
de base,
Les
temps de calcul d&pendent essentiellement de la taille de l'image
redressée,
Une image 512x512 demande actuellement 5 minutes pour
l'ensemble du redressement.
Compte tenu de l'évolution du
matériel
il est tout à fait envisageable de porter ce
programme
sur
micro ordinateur,
à condition d'adapter le gestionnaire de
pagination,
qui depend étroitement du systéme d'exploitation, et
de programmer
sbigneusement afin d'eviter une
dégradation des
temps de réponse.
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MOAA
technical memora&um NESS 95.
13
Ces trois
imag s
brutes
d'un canal NOAA, montrent
$t
le décalage ver4 l'Ouest
d'une
zone
9ans
l a
projection du latellite,
ainsi
que d'i+portantes
déformations +n
bord
d'image.
.__-. ..- -- -.x-- -..
L'image redress& (ici une synthése sur plusieurs jours) a été
superposée
B un'fond de carte.
L'importance des distorsions
géom$triques pobr une procbdure à
un point de rbférence
apparait
clairebent.
Une translation-rotation suffirait B
perfectionner la/superposition.
. -
- -- -------..-." _ _ _
-