Comparaison des données hyperspectrales satellitaires en cartographie géologique — Section Données

Les capteurs hyperspectraux (HS) satellitaires de nouvelle génération offrent un potentiel considérable pour la cartographie minérale régionale à grande échelle. Cependant, comme pour tous les capteurs satellitaires, leurs résultats reposent sur des processus de correction complexes qui nécessitent de supprimer les effets de l'atmosphère, de la topographie et de la géométrie avant d'acquérir avec précision les spectres de réflectance. Ces corrections sont souvent effectuées manuellement, et différentes méthodes peuvent donner des résultats différents. Rupsa et al. ont comparé les données hyperspectrales satellitaires de PRISMA, EnMAP et EMIT avec des données d'imagerie aéroportée acquises par les capteurs HyMap afin d'étudier la cohérence entre ces jeux de données et leur applicabilité à la cartographie géologique. En se basant sur l'importance géologique, une exposition relativement bonne, un climat aride et la disponibilité des données, Rupsa et al. ont sélectionné les complexes carbonatés de Marinkas-Quellen et d'Epembe en Namibie pour la comparaison. Des comparaisons qualitatives et trois comparaisons quantitatives différentes ont été effectuées sur les données hyperspectrales de ces sites, notamment : (1) une comparaison de corrélation des valeurs de réflectance dans la gamme spectrale du visible-proche infrarouge (VNIR) à l'infrarouge à ondes courtes (SWIR) ; (2) une comparaison des indices spectraux de minéraux spécifiques dans chaque scène ; et (3) une comparaison de l’abondance spectrale estimée par décomposition linéaire. Les résultats montrent des différences significatives de cohérence entre les différents capteurs sur l’ensemble du spectre visible et infrarouge à ondes courtes (VNIR à SWIR), avec une meilleure cohérence dans le VNIR et une moindre cohérence dans le SWIR. L’étude a révélé que les données spectrales SWIR des capteurs EnMAP et EMIT étaient les plus pertinentes (présentant les caractéristiques d’absorption les plus marquées), tandis que les abondances spectrales des composants purs des capteurs HyMap et PRISMA étaient cohérentes avec les variations géologiques. Cette étude souligne la nécessité d’une correction radiométrique et topographique précise dans le SWIR pour la cartographie géologique.

Rupsa et al. ont utilisé des données hyperspectrales de haute qualité (sans nuages, sans fumée et sans poussière) provenant de trois satellites : EnMAP, EMIT et PRISMA. Cependant, ces données n’ont pas été acquises simultanément et un intervalle de temps sépare les différents jeux de données. Toutes les données hyperspectrales, y compris celles issues de satellites et de plateformes aéroportées, ont nécessité un étalonnage et une correction atmosphérique afin de convertir les signaux numériques mesurés en réflectance de surface réelle sur les capteurs.

Figure 1. Zone de couverture de chaque capteur

Tableau 1. Informations détaillées sur différents capteurs hyperspectraux

Zone d'étude

Le complexe carbonaté de Marinkas-Quellen, situé dans le sud de la Namibie, près de la frontière sud-africaine, est composé de roches silicatées et carbonatées, notamment des variantes calcaires, magnésiennes et ferrugineuses. Datant du Cambrien inférieur, sa formation est liée à l'activité d'un rift continental.

Le complexe carbonaté d'Epembe, situé au nord de la Namibie, est principalement composé de carbonates calcaires (sovites) accompagnés de très étroites zones de carbonates magnésiens. Datant du début du Mésozoïque, ce complexe se trouve dans une zone disjointe orientée nord-ouest/sud.

Le choix de ces deux domaines de recherche s'est fondé sur les considérations suivantes :

Importance géologique : les complexes carbonatés de Namibie sont associés à des terres rares qui sont importantes pour la transition énergétique verte.

Bonne exposition : La structure géologique de la zone d'étude est bien exposée, ce qui est propice à la recherche en télédétection.

Climat aride : Les climats arides réduisent le couvert végétal, ce qui facilite la détection des formations rocheuses par les capteurs satellitaires.

Disponibilité des données : Des données multispectrales satellitaires et des données d'échantillons de roches au sol sont disponibles pour la zone d'étude.

Figure 2. Situation géographique et caractéristiques géologiques de la zone d'étude

Méthodes de recherche

1. Prétraitement des données

Les fournisseurs de données hyperspectrales satellitaires proposent généralement différents niveaux de données prétraitées, notamment :

• Données d'étalonnage géométrique et de capteur (niveau L0) : Données brutes, sans aucun traitement d'étalonnage.
• Rayonnement atmosphérique de haut niveau corrigé du rayonnement (niveau L1) : Ces données ont été corrigées du rayonnement pour fournir des informations améliorées sur le rayonnement, mais incluent toujours les facteurs atmosphériques et autres facteurs d'influence.
• Estimations de réflectance de surface corrigées atmosphériquement (niveau L2) : Les données corrigées atmosphériquement fournissent des estimations qui sont les plus proches de la réflectance de surface réelle.

Les données L2 ont été utilisées dans cette étude (voir tableau 2). Les performances des capteurs et les incohérences entre eux, dues aux imprécisions de leurs processus de prétraitement respectifs, ont été prises en compte. Ces différents processus de prétraitement sont les suivants :

• Correction géométrique : assure la précision spatiale des images et corrige toute distorsion causée par le mouvement du capteur ou les changements de terrain.
• Correction des radiations : convertit le signal numérique enregistré en une valeur de radiation réelle pouvant être utilisée pour l’analyse, éliminant ainsi l’influence des caractéristiques du capteur.
• Correction atmosphérique : Supprime les effets de diffusion et d'absorption atmosphériques pour obtenir une réflectivité proche de celle de la surface terrestre.

Tableau 2 Informations sur chaque ensemble de données de l'étude

PRISMA

Le processus de génération des données de rayonnement PRISMA L1 comprend une correction de seuillage du champ plat et des méthodes de pixels sombres pour générer et mettre à jour les paramètres de rayonnement, spectraux et géométriques. Ensuite, le processeur L2 utilise les données de rayonnement atmosphérique de niveau supérieur L1 et les bandes panchromatiques comme données d'entrée pour générer les données finales de réflectance de surface corrigées des effets atmosphériques.

EnMAP

Les données L2 utilisées dans cette étude par EnMAP ont été obtenues grâce au module de correction climatique PACO (Climate Correction Module) développé par le Centre aérospatial allemand (DLR) et implémenté en Python. Bien que PACO repose principalement sur le code ATCOR-IDL, il est reconnu pour ses procédures d'étalonnage et de validation uniques et rigoureuses. Le modèle détermine automatiquement la densité des biomes, les niveaux d'ozone et la saison spécifiques à chaque scène à partir de paramètres de configuration des capteurs, tels que l'angle zénithal solaire et l'angle d'observation hors axe. Ces paramètres servent ensuite à la correction des effets de l'ozone, des cirrus et de la brume. Le processus génère des masques d'image, l'épaisseur optique des aérosols, des cartes de longueur d'onde et des images de réflectance atmosphérique de basse altitude. Le produit final de réflectance L2A est une combinaison de ces résultats. EnMAP propose également une gamme de paramètres d'acquisition sélectionnables par l'utilisateur, comme l'angle d'observation, particulièrement important dans les zones présentant d'importantes variations topographiques.

ÉMETTRE

EMIT représente une avancée potentiellement majeure en imagerie hyperspectrale, grâce à un détecteur innovant qui capture l'intégralité du spectre VNIR-SWIR sur un seul capteur. Cette technologie ouvre de nouvelles perspectives pour les futures missions SBG (Surface Biology and Geology) de la NASA, contribuant à réduire les écarts entre les gammes VNIR et SWIR. EMIT utilise des outils de modélisation du transfert radiatif pour générer le produit de réflectance final et effectue un étalonnage radiométrique afin de garantir la cohérence des hypothèses et de réduire les erreurs induites par le modèle. Il exploite également les nuages ​​brillants présents dans la scène pour contrôler l'étalonnage dans le domaine des courtes longueurs d'onde (VNIR). De plus, EMIT utilise l'étalonnage croisé avec d'autres instruments en orbite pour évaluer la précision absolue des protocoles d'étalonnage prédéfinis. Le flux de travail de prétraitement novateur d'EMIT garantit une qualité de produit constante tout au long de son cycle de vie. Sa résolution spatiale de 60 mètres répond efficacement aux besoins de ses missions scientifiques à grande échelle, telles que la cartographie des minéraux et des flux de poussière. Le déploiement d'EMIT en orbite terrestre basse à bord de la Station spatiale internationale offre également des possibilités d'acquisition de données à haute fréquence.

HyMap

Les données hyperspectrales aéroportées ont été acquises à l'aide du capteur HyMap à une altitude de 2 000 mètres, avec un échantillonnage spatial de 5 mètres. Les corrections géométriques et radiométriques ont été effectuées par HyVista, la société ayant acquis les données. Les corrections atmosphériques ont utilisé un modèle d'aérosols continental et un modèle atmosphérique d'été pour les latitudes moyennes, en supposant une concentration d'ozone de 340 ppm et une visibilité de 75 km, afin d'estimer la réflectance de surface.

Dans la scène HyMap reçue d'Eppembe, les zones de végétation ont été masquées. Cependant, ce masquage n'a pas été effectué dans d'autres scènes car, aux résolutions de 30 et 60 mètres, la plupart des pixels contiennent de la végétation.

Référence : Chakraborty, R.; Rachdi, I.; Thiele, S.; Booysen, R.; Kirsch, M.; Lorenz, S.; Gloaguen, R.; Sebari, I. A Spectral and Spatial Comparison of Satellite-Based Hyperspectral Data for Geological Mapping. Remote Sens. 2024, 16, 2089. https://doi.org/ 10.3390/rs16122089