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Comparaison des méthodes d'extraction d'eau à partir d'images satellitaires hyperspectrales
Introduction générale
Les ressources en eau comptent parmi les ressources naturelles les plus précieuses pour l'humanité. Bien que mon pays se classe au quatrième rang mondial en termes de ressources totales en eau douce, sa part par habitant ne représente qu'un quart de la moyenne mondiale. L'utilisation de la télédétection pour acquérir rapidement et avec précision des informations dynamiques sur les masses d'eau terrestres constitue un moyen technique efficace pour les inventaires de ressources en eau et le suivi des zones.
Il existe actuellement de nombreuses recherches sur l'extraction d'informations relatives aux plans d'eau, la plupart des sources de données étant multispectrales. Diverses méthodes permettent d'extraire les plans d'eau de différents types et régions, chacune présentant ses propres avantages ; cependant, les recherches sur leur application aux données satellitaires hyperspectrales restent relativement limitées. Par conséquent, cet article compare et analyse différentes méthodes d'extraction des plans d'eau à l'aide du satellite Xi'an Optics-105 (également connu sous le nom de satellite Tianxianpei).
Méthodes et principes
Cette étude de cas a utilisé des images hyperspectrales de la ville de Weifang prises par le satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei) le 21 mai 2025 pour extraire les plans d'eau, et a comparé et analysé différentes méthodes sur la base des résultats d'extraction.
Tableau 1. Introduction aux données
Dans ce cas, le calcul de l'indice utilise des données de réflectance du niveau L2C corrigées des effets atmosphériques. La procédure opératoire spécifique est la suivante :
1. Prétraitement des données
(1) Étalonnage radiométrique : Les données de valeur DN d’origine sont traitées en utilisant les coefficients d’étalonnage radiométrique fournis par la luminance pour obtenir les données de luminance apparente. Ceci peut être réalisé à l’aide de l’outil d’étalonnage radiométrique d’ENVI.
(2) Correction atmosphérique : La correction atmosphérique est effectuée à l'aide d'outils de correction atmosphérique basés sur les modèles 6S ou MODTRAN pour obtenir des données de réflectance de surface, comme l'outil de correction atmosphérique FLAASH dans ENVI.
(3) Lissage spectral : Dans ENVI, l’algorithme de Savitzky-Golay (SG) est utilisé pour lisser les données de réflectance de surface, ce qui réduit le bruit spectral et améliore la fiabilité de la classification ultérieure. Vous pouvez utiliser l’extension Filtre Savitzky-Golay disponible sur l’App Store d’ENVI ou l’outil de lissage spectral intégré de THOR. Lors de l’utilisation du filtre Savitzky-Golay, les paramètres sont définis comme suit :
(4) Enregistrement des images (facultatif) : L’enregistrement géographique est effectué sur les données traitées à partir de la carte de base. Il peut être réalisé avec ENVI, QGIS ou ArcGIS. L’utilisation de Google Images est recommandée comme carte de référence.
2. Extraction d'eau
(1) Méthode de seuillage à bande unique
La méthode de seuillage à bande unique consiste à sélectionner une bande spécifique et à extraire des échantillons d'eau en définissant un seuil approprié. Ce seuil est défini comme suit :
Dans la formule, RNIR représente la valeur de réflectance dans le proche infrarouge ; δ est le seuil. Lorsque la réflectance est supérieure ou égale à δ, le corps est considéré comme non constitué d'eau ; lorsqu'elle est inférieure à δ, il est considéré comme constitué d'eau. Le seuil peut être déterminé par l'analyse de l'histogramme des niveaux de gris des bandes concernées.
(2) Indice de différence normalisée de l'eau (NDWI)
L'étendue des plans d'eau a été extraite par la méthode de l'indice spectral. Plus précisément, l'indice de différence normalisée de l'eau (NDWI) a été calculé à partir de l'image de réflectance de surface traitée par FLASH. Ensuite, un seuil a été défini à partir de l'histogramme de l'image NDWI pour extraire les plans d'eau. La formule de calcul est la suivante :
(3) Indice amélioré des eaux ombragées (MSWI)
L'indice d'ombre et d'eau modifié (MSWI) est un modèle de ratio basé sur l'indice d'ombre et d'eau qui améliore la séparation entre les zones d'ombre et les étendues d'eau. La formule de calcul est la suivante :
Le seuil est fixé à 0 ; les valeurs supérieures à 0 indiquent des plans d'eau, tandis que les autres sont considérées comme du fond.
(4) Indice global pondéré de l'eau (CWWI)
L'indice global de pondération de l'eau (CWWI) utilise trois longueurs d'onde (bleu, vert et proche infrarouge) et attribue une pondération différente à chaque bande pour créer une combinaison de bandes. Cette méthode permet de mieux distinguer les plans d'eau des autres milieux en mettant en évidence les différences de réflexion et d'absorption de l'eau. Voici sa définition :
(5) Indice des bâtiments d'ombre (IBE)
L'indice de bâtiments ombragés (SBI) est utilisé pour extraire les plans d'eau en multipliant les bandes NDWI et proche infrarouge et en sélectionnant un seuil. L'utilisation du seul NDWI peut facilement entraîner une confusion entre les ombres et les plans d'eau, générant ainsi un bruit et des impuretés importants. Dans la zone d'étude, les valeurs NDWI des éléments du terrain typiques, de la plus élevée à la plus basse, sont les suivantes : plans d'eau, bâtiments, ombres des montagnes et végétation, la luminosité décroissant dans cet ordre. Les plans d'eau et les bâtiments présentent une luminosité similaire, avec un chevauchement important des valeurs. Les plans d'eau se distinguent nettement des autres éléments du terrain dans la bande proche infrarouge, la réflectance, de la plus élevée à la plus basse, étant la suivante : végétation, ombres des montagnes, bâtiments et plans d'eau. Par conséquent, l'expression du SBI est :
Dans la formule, NDWI désigne l'indice de différence normalisée de l'eau ; RNIR représente la réflectance dans le proche infrarouge. Multiplier NDWI par le carré de la bande proche infrarouge maximise la différence numérique entre les plans d'eau et les autres éléments du terrain, tout en facilitant l'identification des niveaux de gris et l'extraction efficace des plans d'eau, notamment en éliminant le chevauchement des niveaux de gris entre les plans d'eau et les bâtiments.
Affichage des résultats
Figure 1. Image composite en vraies couleurs du satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 21 mai 2025
Comparaison des courbes spectrales de différentes caractéristiques du sol avant et après filtrage SG (réflectance augmentée de 10 000 fois, satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 21/05/2025)
Figure 2. Courbes spectrales de différentes caractéristiques du sol après filtrage SG
L'extraction des plans d'eau a été réalisée à l'aide du satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei). Afin de minimiser l'influence des seuils d'intervention humaine, ces seuils ont été fixés à 0 pour toutes les méthodes, à l'exception de la méthode mono-bande, ce qui a permis d'obtenir les résultats suivants :
Figure 3. Carte de répartition de l'eau extraite par satellite monobande, Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 21 mai 2025
Figure 4. Carte de répartition de l'eau NDWI, satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250521
Figure 5. Carte de répartition de l'eau MSWI, satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250521
Figure 6. Carte de répartition de l'eau CWWI, satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250521
Figure 7. Carte de répartition de l'eau SBI, satellite Xiguang-1 05 (Tianxianpei), 20250521
Comme le montrent les résultats de distribution de l'extraction des plans d'eau ci-dessus et le tableau 2, l'extraction par seuillage à bande unique est plus détaillée et couvre la plus grande superficie que les autres méthodes, principalement dans la partie sud de la rivière Quhe, au niveau du réservoir de Xiashan, où le plan d'eau est relativement continu et où la confluence de la rivière avec la zone urbaine est clairement visible. Les autres méthodes, en revanche, présentent des discontinuités dans le cours inférieur de la rivière Quhe. De plus, l'extraction par seuillage à bande unique est efficace pour extraire les petits plans d'eau, mais elle dépend fortement du paramétrage des seuils, ce qui nécessite une intervention manuelle. Parmi les quatre autres méthodes d'extraction des plans d'eau, NDWI et SBI donnent des résultats très similaires, tandis que les méthodes MSWI et CWWI sont plus performantes sur les grands plans d'eau, mais peuvent ne pas détecter les plus petits.
Tableau 2. Tableau statistique des surfaces d'eau extraites par différentes méthodes