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1 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Etude-pilote sur la commune de Vernier
CARTOGRAPHIE A HAUTE RESOLUTION DE LACOUVERTURE DU SOL
Concepts et méthodologie
2 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Plan de l’exposé
1. Mise en perspective du projet2. Quelques définitions: couverture vs occupation3. Cadre politico-juridique4. Données disponibles5. Approche6. Méthodologie et produits7. Validation8. Cartes-métiers9. Mise en œuvre 10. Conclusions11. Recommandations et perspectives
1. Mise en perspective du projet2. Quelques définitions: couverture vs occupation3. Cadre politico-juridique4. Données disponibles5. Approche6. Méthodologie et produits7. Validation8. Cartes-métiers9. Mise en œuvre 10. Conclusions11. Recommandations et perspectives
3 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Mise à jour périodiqueMise à jour permanente
Couverture du solCouverture du sol
BâtimentsBâtiments
BassinsBassins
DomaineDomaineroutierroutier
Analyse spectrale
MNT/MNSMNT/MNS
OrthophotoOrthophoto
Cours d’eauCours d’eau
Modèle hydrologique
1. Mise en perspective
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Couverture vs utilisation
2. Définitions
Couverture: description bio-physique de la surface terrestrela couverture du sol influence l'échange de masse et d'énergie entre la surface et l'atmosphère (énergie, dioxyde de carbone et autres gaz à effet de serre)et donc influence la température et le climat. La couverture du sol est aussi un facteur déterminant de l'utilisation et de la gestion du territoire.
Utilisation ou occupation du sol: usage qu'on fait du sol, par exemple les loisirs, l'habitat de la faune ou l'agriculture.
Structurel!
Fonctionnel!
Les propriétés mesurées par la télédétection se rapportent à la couverture du sol, à partir de laquelle l'utilisation du sol peut être déduite à l'aide de données auxiliaires ou de connaissances préalables.
Traduction
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 2. Définitions
Représentation de la couverture du sol
Interprétation visuelle / un point par hectare, extrapolé en pixels de 100 m
Statistique de lasuperficieOFStat
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Représentation de la couverture du sol
Etiquettage thématique d’objets vectoriels polygonaux
• Couverture du sol selon OTEMO
• CORINE Land Cover
2. Définitions
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
OTEMO
3. Cadre politico-juridique
Section 2 Couche d’information «couverture du sol»
BâtimentsSurfaces à revêtement durSurfaces vertesEauxSurfaces boiséesSurfaces sans végétation
Stratégie de la mensuration officielle pour les années 2004 à 2007
•Infrastructure nationale des données géographiques• Couverture du sol à traiter en priorité = importance pour les SIT• Nouvelles méthodes de levers• Rentabilité et efficacité• Une certaine liberté pour les cantons (« extensions cantonales »)
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 3. Cadre politico-juridique
Situation à Genève
• Petite taille
• Richesse des données: orthophotos numériques, MNA, vecteur routier
• Esprit d’innovation (DCMO, SITG)
• Partenariat DCMO – UNIGE / PNUE-GRID
• Etude-pilote sur une commune: Vernier
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 4. Données disponibles
Au sol
Aériennes = images
• Vecteurs SITG
• Vecteur Domaine routier (<> graphe!)
• Orthophotos numériques, résolution 16 cm 25 cm, 4 canaux (B, V, R, PIR)
• Modèle numérique de hauteur, résolution 1 m
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 4. Données disponibles
Orthophotos numériques 4 canaux
Nature / Problèmes
• Végétation stressée (août)
• Mosaïquage: géométrique et radiométrique
• Déport des bâtiments et arbres
• Bandes spectrales se recouvrant
• Diachronisme des vecteurs
11 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Déports =Objets parasites !
4. Données disponibles
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
ETM1 ETM2 ETM3
SPOT Panchromatique
Landsat TM
Recouvrement = redondance spectrale !
4. Données disponibles
Orthophotos
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Concept
• Les images numériques à très haute résolution sont caractérisées par une résolution sub-métrique ainsi que par un contenu très riche en information.
• Les méthodes d’analyses d’image traditionnelles basées sur un étiquettage thématique pixel par pixel ne sont plus satisfaisantes : l’accroissement de la résolution (information) rend difficile le processus de classification.
5. Approche
nouvelle approche d’analyse orientée « objet »
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 5. Approche
Extraction multi-sources d’objets polygonaux représentant la couverture du sol
Segmentation (délimitation des objets) suivie d’une classification (étiquettage thématique)
Information utilisée
• Spectrale (couleur + PIR)
• Hauteur (MNH)
• Morphologie
• Texture
• Contexte
• Vectorielle
Logiciel eCognition
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Caractéristiques du logiciel eCognition
• Concept Cognition: l’information sémantique nécessaire pour l’interprétation d’une image n’est pas représentée dans des pixels isolés, mais plutôt dans des objets possédant une signification particulière ainsi que leur relations mutuelles
• Le logiciel agit donc comme la perception humaine (couleur, forme, taille, texture et contexte) avantage : approche intuitive.
• Utilisation de toutes les sources d’information disponibles, leur résolution pouvant être hétérogène.
Exemple : orthophotos (25 cm), MNA (1 m) et couches vectorielles.
5. Approche
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 5. Approche
Thème ordre 1 Thème ordre 2 Thème ordre 2 Source Précision
BATIMENTS Selon Destination Vecteur SITG
Agricoles Serres, tunnels Vecteur UTED
Autres bâtiments agricoles
SURFACES A REVETEMENT DUR Domaine routier Diverses sous-classes V.SITG
Chemin de fer V. SITG
Aéroport V. SITG+orthophoto
Bassin Piscine V. SITG+orthophoto
STEP V. SITG+orthophoto
Autre surface à revêt. dur
SURFACES VERTES Pré, champ, pâturage Orthophoto
Culture intensive Vigne V. SITG+orthophoto
Culture maraîchère V. SITG+orthophoto
Autre culture intensive V. SITG+orthophoto
Jardin Jardin individuel / collectif V. SITG+orthophoto
Autres surfaces vertes Verger Orthophoto+MNH
Parc public Orthophoto
Talus Orthophoto+MNH
Cimetière V. SITG+orthophoto
Extension cantonale des objets de couverture du sol (OTEMO)
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Thème ordre 1 Thème ordre 2 Thème ordre 2 Source Précision
EAUX Eau stagnante Lac Vect. SITG
Etang Orthophoto
Marais Orthophoto
Cours d’eau Cours naturel V.SITG+orthophoto
Cours canalisé V.SITG+orthophoto
Roselière Orthophoto
SURFACES BOISEES Forêt dense (Feuillu / conifère / mixte) Orthophoto+MNH
Autre surface boisée Pépinière Orthophoto+MNH
Haies, bosquets Orthophoto+MNH
Arbres isolés Orthophoto+MNH
SURFACES SANS VEGETATION Rocher Orthophoto
Eboulis, sable, gravier Orthophoto
Gravière Gravière exploitée V.SITG+orthophoto
Gravière remblayée V.SITG+orthophoto
Autres surfaces sans végétation Décharge Orthophoto
Extension cantonale des objets de couverture du sol (OTEMO) (suite)
5. Approche
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Nouveau concept: Couverture du sol à deux hauteurs
Couverture du sol
Haute: CCSH
Couverture du sol
Sol: CCSS
5. Approche
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 6. Méthodologie et produits
1èreSEGMENTATION SEMI-
AUTOMATIQUE et CLASSIFICATION 1
(eCognition)
ANALYSE DE FIABILITE
RasterOrthophotos3 canaux vis1 canal PIR
RasterMNH
Vecteurs SITG et UTEDS
LEGENDE 1:ArbreBitumeDéport bâtimentGarageImmeubleMaisonPiscine PréRhône
ANALYSE PRELIMINAIRE(spectrale, positionnelle)
REDUCTION de RESOLUTIONà 0.25 m
TRAVAIL DE TERRAIN
Images satellite (Ikonos, Landsat)
BâtimentsPiscines
Domaine routieretc
Orthophoto4 canaux +
MNH
RECLASSIFICATION (eCognition)
CREATION DE LA META-INFORMATION CCSH4
EDITION MANUELLE 3(eCognition)
CCSH3
CCSH2
CLASSIFICATION EN SOUS-THEMES
(eCognition)
RECOUPAGE PAR VECTEURS SITG
(eCognition)
CCSSol
1
2
3
4
56
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Préparation des données
• Mosaïquage des orthophotos (R-V-B-PIR), réduction de la résolution à 25 cm puis découpage à la taille de la commune
• Mise à jour des vecteurs SITG, en particulier les zones en construction
• Modèle numérique de hauteur (MNH) : MNS - MNT
- =
6. Méthodologie et produits
1
21 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
A. Segmentation
Technique d’extraction d’objets par regroupement de pixels ayant des formes et des couleurs homogènes.
Le processus d’union s’arrête : 1. lorsque le seuil de l’échelle spécifiée par
l’utilisateur a été atteint
2. Lorsque la forme et la couleur des objets avoisinants ne sont plus similaires
Extraction de l’information
6. Méthodologie et produits
2
Etape primordiale: le résultat affectera la qualité de la classification
B. Classification étiquettage thématique
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Critères de segmentation
Pour trouver une segmentation adaptée à l’image, des essais sont effectués en variant les paramètres suivants:
1. Le poids des couches
2. L’échelle (= résolution)
3. La couleur et la forme
4. La compaction et la sinuosité
1
2 34
6. Méthodologie et produits
2
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Couleur et forme
Priorité forme Priorité couleur
6. Méthodologie et produits
2
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2 Résultat segmentation
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
B. Classification
1. Classification automatique ou brut
2. Reclassification d’objets (carte CCSH2)
3. Correction manuelle (carte CCSH3)
4. Subdivision des classes en sous-thèmes (CCSH4)
5. Classification automatique pour la couverture au sol (CCSSol)
2 Classification
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Classification
1. Définition des thèmes (classes) à cartographier : elles peuvent être structurées dans une forme hiérarchique. (exemple : végétation arbre + pré)
2. Sélection des caractéristiques pour chacune des classes : critères spectraux, texturaux, morphologiques, contextuels, vectoriels et de hauteur (exemple : végétation NDVI)
3. Définition des valeurs seuils pour chaque classe (exemple : végétation NDVI >= 0.11)
Le processus de classification nécessite une phase d’expérimentation en variant ces paramètres pour obtenir une bonne discrimination entre les différentes classes.
6. Méthodologie et produits
2
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Définition des thèmes CCSH1
Les thèmes distingués sont :
1. Déport bâtiment
2. Arbre
3. Surface verte
4. Bâtiments (garage, villa, immeuble)
5. Rhône
6. Piscine
7. Surface dure (bitume + terre à vif)
La distinction des classes s’effectue par dichotomies successives : la structure est hiérarchique. L’ordre est le suivant : déports, ombre, végétation, bâtiments, eaux et surfaces dures.
6. Méthodologie et produits
2
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 6. Méthodologie et produits
Sélection des caractéristiques pour chaque thèmes2
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Sélection des caractéristiques pour chaque thèmes
La discrimination des classes s’effectue par un choix approprié de un ou plusieurs critères (spectraux, texturaux, MNH, etc)
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Définition des valeurs seuils (critères d’appartenance)
Les objets seront classés comme arbre si:1. la texture d’homogénéité bande V est inférieure à 0.2475 et2. le MNH est supérieur à 1.65 m
Les objets végétation qui ne coincident pas à ces critères d’appartenance serontclassifiés comme surface verte.
Exemple: discrimination de la végétation: arbre - pré
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Classification automatique: carte CCSH1
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
• Bonne discrimination végétation – surface dure / terre nue
• Bonne séparation arbre – surface verte
6. Méthodologie et produits
UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Reclassification: carte CCSH2 (problème décalage ortho – MNH)
Sélection d’objets à faible rapport surface / périmètre:jaune: arbre bleu: surface dure rouge: surface verte
6. Méthodologie et produits
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CCSH1 CCSH2
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Correction manuelle: carte CCSH3 (mauvaise classification)
Talus d’autoroute et de chemin de fer Signal spectral faux fauchage tardif
6. Méthodologie et produits
4
CCSH2 CCSH3
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Déports bâtiments + zones situées à l’ombre
Signal spectral faible confusion
Correction manuelle: carte CCSH3 (mauvaise segmentation)
6. Méthodologie et produits
CCSH2 CCSH3
3
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Sudivision des classes en sous-thèmes: carte CCSH4
1. Nouvelle segmentation et classification pour la classe arbre:Arbres: MNH > 5 mArbustes: MNH < 5 m ET > 2 mHaies, buissons: MNH < 2 m
2. Recoupage par vecteurs parcellaire et routiers1. Jardins collectifs (surfaces perméables et imperméables)
2. Surfaces dures: domaine public (routes principales, secondaires, communales et chemin de fer) domaine privé (cimetières, surface semi-perméable et surface imperméable sur
parcelles privées)
3. Surfaces vertes: activités agricoles (cultures intensives, vignobles et pâturages)activités de loisirs (gazons, terrains de sport naturels ou artificiels et
roselières)
Fractionnement des 10 classes obtenus en CCSH3 en 28 classes
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
CCSH310 classes
CCSH428 classes
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Distinction du domaine routier + jardins collectifs
Zone péri-urbaine
6. Méthodologie et produits
CCSH3 10 classes CCSH4 28 classes
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Discrimination des activités agricoles: pâturages et cultures intensives
Zone mixte (ville-campagne)
6. Méthodologie et produits
CCSH3 10 classes CCSH4 28 classes
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Classification automatique au sol: carte CCSSol
Les thèmes sont identiques que pour la version haute (CCSH4) sauf: • ajout de la classe rivière• ajout de la classe avants-toits (bâtiment+tampon – bâtiment)
• classe arbre et arbuste regroupé sous surface forestière
Pour la couverture au sol, l’ordre d’attribution des thèmes est inverse à celui de la couverture haute:
1. Domaine routier
2. Fondations des bâtiments + pourtour, piscines
3. Végétation et surface à revêtement dure autre que domaine routier
Cet ordre respecte la succession des thèmes vus depuis le sol
6. Méthodologie et produits
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Comparaison carte « hauteur » et « sol »
L’emprise du domaine routier est maximale : domaine public bien défini
6. Méthodologie et produits
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42 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Comparaison carte « hauteur » et « sol »
• Touts les bâtiments sont représentés• Critique: l’emprise des surfaces à revêtement dure chez les particuliers est inconnue
6. Méthodologie et produits
5
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 7. Validation
CCSH2
CCSH3
Correction manuelle
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 8. Cartes-métier
En reclassant les thèmes de la couverture du sol,
on obtient des cartes dérivées:
45 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Carte dérivée de la perméabilité du sol pour la commune de Vernier tirée de la CCSH3
8. Cartes-métier
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 9. Mise en oeuvre
Version optimale de niveau 4, avec CCSSol, reviendrait à 6.0 personne*jour par km2.
Par km2
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Imputation en personne*jour pour le Cantonselon le niveau de qualité
Pour l’ensemble du Canton
• Elaboration par tuile de 3 x 3 km• Compatibilisation le long des sutures• Assemblage et découpage des tuiles communes
9. Mise en oeuvre
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 10. Conclusions
Produits
Données• Combinaison orthophotos + MNH + vecteurs = information OK pour la Csol
• Déports et décalage spectraux: surmontés par la méthode!
Concept• Couv Sol tri-dimensionnelle Cartographie sur deux hauteurs
• Légende modulable et compatible OTEMO, GEOSTAT et CORINE
• Cartes-métiers par recodage des objets
Méthodes• Approche objet indispensable eCognition
• Nombreux critères possibles pour segmentation et classification
• Edition manuelle possible
• Sauvegarde des procédures reproductibilité
• Fiabilité (Kappa) = 95%
• Méta-information sur chaque objet
• Mise en œuvre optimisant qualité / coût
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Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol 11. Recommandations
• Othophotos: saison! Bandes spectrales! Au sol!
• Objets problématiques rattachés aux voisins
• Formalisation / justification des critères de segmentation / classification
• Examiner attentivement la « dégradation » de la résolution des orthophotos
50 UTED / UNIGE GRID / PNUE DCMO Séance d’information SITG, 19.10.2006
Cartographie à Haute Résolution de la couverture du sol
Merci de votre attention