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| Version 2013-2014 |
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| OCEA0059-1 | Remote Sensing of the Oceans
- Introduction to satellite oceanography
- Advanced satellite oceanography
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| Durée : | Introduction to satellite oceanography : 15h Th, 15h Pr
Advanced satellite oceanography : 15h Th, 15h Pr
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| Nombre de crédits : |
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| Nom du professeur : | Introduction to satellite oceanography : Yves Cornet
Advanced satellite oceanography : Yves Cornet
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| Coordinateur(s) : | N... |
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Langue(s) du cours :
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| Langue anglaise |
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Contenus du cours :
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 | | Introduction to satellite oceanography |
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| Ce cours s'adresse à un public d'étudiants dont les compétences technico-scientifiques acquises auparavant sont souvent très hétérogènes. Il aura donc pour objectif une remise à niveau sur les notions générales de traitement d'images numériques enregistrées par des capteurs satellitaires. Nous avons volontairement concentré notre formation sur ces aspects car l'océanographie satellitaire est en effet un domaine très vaste couvrant l'observation à l'aide de capteurs opérant dans les domaines du visible, de l'infra-rouge réflectif, de l'infra-rouge thermique et des micro-ondes (radar) considérés comme sondeurs ou imageurs.
Ainsi, le traitement des mesures de sondeurs atmosphériques utilisés pour modéliser le transfert radiatif à travers l'atmosphèreà fait appel à des notions pointues de physique de l'atmosphère et des aérosols. Par ailleurs, la définission d'un modèle de géoïde, référence des mesures de la hauteur des mers fait appel à des notions avancées de géodésie et de traitement de données fournies par des d'altimétrie et orbitographiques Le traitement des données acquises par les SAR, fournissant une phase et une amplitude fait appel à des notions complexes de traitement du signal. Ces aspect de l'océanographie satellitaires dépassent largement les objectifs du cours.
Dès lors, nous nous sommes limités à l'étude de données produites par les seuls capteurs imageurs opérant dans les gammes de longueur d'ondes du visible et de l'infra-rouge dans un cours introductif. Etant donné que ce cours s'adresse à des océanologues et limnologues, il sera illustré par des exemples portant spécifiquement sur les applications de ces domaines de recherche. Par ailleurs, comme les données acquises sont des données géo-localisée (géographiques - spatiales), nous en profiterons aussi pour expliquer des notions générales relevant de la cartographie numérique et mathématique et de l'analyse spatiale essentielles pour leur analyse.
Que ces images soient utilisées pour observer les terres, les lacs, les mers ou les océans, que les phénomènes étudiés soient des phénomènes physiques, biologiques ou anthropiques, et quelque soient ses dimensions et temps caractéristiques, il est indispensable d'acquérir une maîtrise théorique générale du traitement d'images. Cela fait l'objet de la partie théorique du cours. La plupart de ces notions seront mises en œuvre dans en exploitant des outils logiciels lors des séances de travaux dirigés constituant la partie pratique du cours.
Le plan général du cours est le suivant:
I. Introduction
1. Définition
2. Bref historique
3. Mouvements des satellites
4. Nature du signal
5. Quelques satellites et capteurs
II. Traitements d'images monogéniques
6. Notion d'image numérique
7. Visualisation d'images monogéniques
8. Accentuation de contraste
9. Corrections géométriques
10. Corrections radiométriques
11. Filtrage des images dans le domaine spatial
III. Traitements d'images polygéniques
12. Visualisation d'images polygéniques - compositions colorées
13. Indices et opérateurs arithmétiques
14. Transformations polygéniques
15. Classifications d'images
IV. Quelques applications (partie informative du cours)
16. Nature de l'information
17. Classification des fonds marins en eau peu profonde
18. Bathymétrie
19. Ocean Colour
20. Sea Surface et Lake Surface Water Temperature
21. Sea Surface Height
22. Etat de surface des mers
23. Détection des fronts
24. Séries temporelles et téléconnexions |
| | Advanced satellite oceanography |
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| Ce cours a caractère pratique est constitué de brèves introductions théoriques suivies d'exercices pratiques sur différentes techniques relevant de l'observation des océans principalement par des capteurs satellitaires imageurs à basse résolution spatiale et haute résolution radiométrique opérant dans les gammes des longueurs d'onde visible, infra-rouge réflectif et infra-rouge thermique (AVHRR et MODIS).
Les techniques abordées concernent l'extraction de paramètres bio-géo-physiques de la couche superficielle de la colonne d'eau à partir de l'information multi-spectrale enregistrée par ces capteurs. Les paramètres bio-géo-physiques étudiés sont la couleur des océans (Ocean Colour - OC) déterminée par la concentration en chlorophylle-a, les CDOM et les matières minérales en suspension, d'une part, et la température de surface des lacs, mers et océans (Lake Surface Water Temperature - LSWT - et Sea Surface Tempetrature - SST)
Nous mettons l'accent sur la qualification des données, leur signification, leur représentativité océanologique ou limnologique et les protocoles de calcul des paramètres bio-géo-physiques.
Ainsi, le premier sujet traité est l'OC (MODIS). Nous illustrons les procédures de production de produits de niveaux 2 et 3 à partir de données bruts de luminance de niveau 0/1. Plusieurs concepts physiques et géométriques seront appliqués (geometric correction, calibration radiométrique, réflectance, correction des effets des aérosols, tests sur l'état de surface de l'eau, tests de détection des nuages, turbidité de l'eau, modèles empiriques de calcul de la concentration en chlorophylle-a, validation des résultats, ....)
Le second sujet est le calcul et l'analyse de la SST (MODIS). Nous illustrons une procédure de calcul par ajustement d'un modèle empirique mettant en relation la température de brillance enregistrée par le capteur MODIS dans différents canaux thermiques et la température de surface fournie par les données ARC-LAKE produites par agrégation spatio-temporelle de sondages spatiaux systématiques et alignés effectués par un capteur de type Along Track Scanning Radiometer (ATSR). Cette procédure relève des techniques d'analyses multi-sources et de fusion de données (d'images) permettant une amélioration de la résolution spatiale.
Le troisième sujet est une analyse de séries temporelles de grilles de températures de surface de niveau 3. Il s'agit de pathfinder produites par agrégation des acquisitions faites par les capteurs AVHRR à bord des différents satellites POES de la NOAA. La première opération consiste en la sélection des produits, leur téléchargement et celui de la documentation, sa qualification et l'organisation des données et de leur gestion. Cette opération est suivie de la création de la série temporelle, de sa synthèse par extraction de composantes principales en mode-T et l'interprétation océanographique des saturations et des images des scores factoriels, la régionalisation par clustering, l'exaction de séries temporelles spatialement généralisées par région et de leur interprétation océanologique. |
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Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) du cours :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| * Comprendre le processus d'acquisition et la nature des informations enregistrées par les capteurs imageurs utilisées en observations des lacs, mers et océans.
* Connaître les principaux types de traitements appliqués à ces images.
* Comprendre l'intérêt et interpréter la signification des traitements appliqués à des fins océanologiques.
* Maîtriser les fonctionnalités d'outils logiciels spécifiques permettant la mise en œuvre de ces traitements.
* Etant donné la diversité du public de ce master, les exigences sur le niveau de maitrise du cours théorique ne sont pas celles que l'on peut attendre d'un concepteur qui développe des solutions originales. L'accent est plutôt mis sur les aspects pratiques. Néanmoins nous attendons un minimum de rigueur scientifique de la part des étudiants et adaptons évidemment nos attentes à la formation antérieure de chacun d'eux. |
| | Advanced satellite oceanography |
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| * Comprendre la nature et la signification océanologique des données enregistrées par les capteurs étudiés et les différents niveaux de traitements.
* Appliquer des protocoles de traitements standards et comprendre leur mode de fonctionnement et leurs limites.
* Comprendre l'intérêt et interpréter la signification océanologique des résultats de traitements.
* Maîtriser les fonctionnalités d'outils logiciels permettant la mise en œuvre de ces traitements. |
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Prérequis et corequis / Modules de cours optionnels recommandés :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Le cours exploite des compétences basiques de mathématiques, statistiques, analyse spatiale, cartographie mathématique et numérique et physique. Un intérêt de la part de l'étudiant pour l'outil informatique et la programmation sont aussi intéressantes
Par ailleurs, la tournure d'esprit acquise grâce aux différents cours à caractère scientifique (mathématique, statistiques, physique, analyse spatiale ...) et techniques (méthodes numériques, programmation, cartographie, ...) des formations universitaires et même secondaires antérieures constituent aussi un atout intéressant.
Néanmoins, la diversité de profils scientifiques des étudiants généralement inscrits à ce cours nécessitera certainement une adaptation de l'enseignement et de nombreux rappels dans ces domaines qui seront effectués au tableau noir. Par ailleurs, en début de chaque séance, nous donnerons aux étudiants la possibilité de poser des questions sur la matière abordée à la séance précédente. Il est donc de la responsabilité de l'étudiant d'avoir un comportement de professionnel et de réviser son cours de semaine en semaine pour identifier d'éventuelles incompréhensions. |
| | Advanced satellite oceanography |
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| Le cours exploite les compétences acquises lors du cours d'introduction à l'océanographie satellitaire. Bien entendu tous les prérequis à ce cours sont aussi exigés pour suivre le cours de notions avancées. Un intérêt de la part de l'étudiant pour l'outil informatique et une formation de base ainsi qu'une certaine expérience pratique en programmation sont aussi essentiels. Néanmoins, la diversité de profils scientifiques des étudiants généralement inscrits à ce cours nécessitera certainement une adaptation de l'enseignement.
Par ailleurs, la tournure d'esprit acquise grâce aux différents cours à caractère scientifique (mathématique, statistiques, physique, analyse spatiale ...) et techniques (méthodes numériques, programmation, cartographie, ...) des formations universitaires et même secondaires antérieures constituent aussi un atout intéressant.
L'interprétation océanographique des résultats des méthodes faisant l'objet des exercices reposera sur les connaissances d'hydrodynamique des lacs, mers et océans, des concepts d'océanographie physique et de climatologie ... Si nécessaire, l'étudiant effectuera une recherche de documentation scientifique à ces propos pour réaliser cette interprétation. |
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Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Le cours théorique est de type ex cathedra. Par ailleurs, nous proposons également aux étudiants un cahier d'exercices. Il s'agit d'exemples numériques illustrant les différentes méthodes expliquées au cours théorique. Ils ont pour but de permettre à l'étudiant de comprendre les concepts du cours théorique que j'ai identifiés, au fil des années, comme étant les plus compliqués. Des solutions-types sont fournies. Ces exercices peuvent être réalisés avec des outils de calcul ou de programmation connus des étudiants (Excel, langages de programmation appris aux cours d'informatique, machines à calculer scientifiques ...).
La pratique est constituée de travaux dirigés réalisés principalement sous Idrisi. Elle illustre quasiment l'ensemble des méthodes expliquées du cours théorique. Les séances de travaux dirigés alternent avec les séances théoriques. Des exercices-types et sets de données comparables à ceux proposés lors des séances de travaux dirigés ainsi que leurs solutions sont proposés aux étudiants pour leur permettre de tester en autonomie leurs aptitudes à utiliser les logiciels avant l'examen.
Les étudiants ont accès gratuitement à la licence Idrisi et d'autres logiciels via le VPN de l'ULg. Pour obtenir l'information sur l'accès à ces logiciels, ils peuvent consulter l'adresse web suivante : http://www.gitan.ulg.ac.be/cms. Ce site fournit aussi le calendrier d'utilisation de la salle de cours informatisée du B5a/4/18 et B5a/2/35). S'ils désirent en profiter pour s'exercer, ils peuvent prendre contact avec le staff de l'Unité de Géomatique. |
| | Advanced satellite oceanography |
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| L'introduction théorique pour chacun des thèmes abordés consistera en un bref cours-conférence de type ex cathedra précédant chaque exercice. Les concepts théoriques et le protocole technique seront expliqués.
La pratique sera réalisée en exploitant différents outils logiciels (SeaDAS, Idrisi, MATLAB et/ou Python). Ils se dérouleront selon les principes de la pédagogie par projet et seront dirigés et contrôlés en permanence par le staff des enseignants de façon à permettre aux étudiants une auto-évaluation continue de leurs compétences par une interaction forte avec ces enseignants. Ces exercices pratiques tenteront aussi de favoriser chez les étudiants une curiosité et la découverte de solutions libres originales.
Par ailleurs, les étudiants ont accès gratuitement à la licence Idrisi et d'autres outils logiciels via le VPN de l'ULg. Pour obtenir l'information sur l'accès à ces logiciels, ils peuvent consulter l'adresse web suivante : http://www.gitan.ulg.ac.be/cms. Ce site fournit aussi le calendrier d'utilisation des salles de cours informatisées (B5a/4/18 et B5a/2/35). S'ils désirent en profiter pour s'exercer ou avancer dans leurs exercices pratiques, ils peuvent prendre contact avec le staff de l'Unité de Géomatique. Les étudiants peuvent aussi exploiter d'autres ressources logiciels libres disponibles sur le web (SeaDAS, R, QGIS, Octave, Python, ...) pour développer par eux-mêmes les aptitudes spécifiques attendues par cette formation. Dans la mesure du possible, nous les inciterons à installer ces ressources sur l'ordinateur personnel. |
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Mode d'enseignement (présentiel ; enseignement à distance) :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Il s'agit d'un enseignement présentiel en grande partie, mais l'installation de ressources-logiciels libres sur leur portable et l'utilisation des licences de logiciels disponibles à l'Ulg doivent leur permettre de progresser dans leur apprentissage à leur rythme et en dehors du contexte universitaire. La présence est obligatoire. Les séances ont lieu dans le local B5a/4/18 ou B5a/2/35. |
| | Advanced satellite oceanography |
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| Il s'agit d'un enseignement présentiel en grande partie, mais l'installation de ressources-logiciels libres sur leur portable et l'utilisation des licences de logiciels disponibles à l'Ulg doivent permettre aux étudiants de progresser dans leur apprentissage à leur rythme et en dehors du contexte universitaire. La présence est obligatoire. Les séances ont lieu dans le local B5a/4/18 ou B5a/2/35. |
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Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours :
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| | Advanced satellite oceanography |
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| Les étudiants sont bien évidemment encouragés à rassembler une documentation scientifique et technique complémentaire aux informations fournies au cours et disponible par ailleurs (littérature du web, aides de logiciels, forums de discussions, livres de référence disponibles dans les UD ...). |
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Modalités d'évaluation et critères :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Une auto-évaluation non-certificative permanente est assurée pendant les séances d'exercices par une interaction forte entre étudiants et enseignants. Par ailleurs, les étudiants disposent d'un cahier d'exercices numériques résolus pour auto-évaluer leurs compétences théoriques et d'exercices d'examen pratique types avec solution pour tester de façon non-certificative leurs compétences dans la manipulation du logiciel Idrisi pour solutionner un problème nouveau mais comparable à ceux réalisés lors de travaux dirigés.
L'évaluation certificative consistera en un examen oral portant sur la matière théorique et en la résolution d'un problème comparable à ceux réalisés lors de travaux dirigés. Chaque partie contribue pour 50% de la cote finale.
Cette procédure standard d'évaluation peut néanmoins être modifiée en accord avec les étudiants qui en seront donc tenus au courant.
Les critères d'évaluation sont les suivants : clarté, cohérence, logique, rigueur, précision, exhaustivité, concision, pertinence, transversalité (au sein du cours et entre cours), qualité des interprétations mathématiques (signification mathématique des différents coefficients des équations p. ex.), physiques (dimensions et unités, ordre de grandeur - scaling, p. ex.) et géographiques (interaction spatio-temporelle mono et multivariées et nature - type- et signification des variables p. ex.). Le sens critique vis à vis des données utilisées (qualification, nature, signification, représentativité, normalisation ...) et des choix méthodologiques (justification des choix des méthodes, des seuils adaptés, ...) sera également pris en considération lors de l'évaluation. Par ailleurs, les réponses seront aussi évaluées sur base de la qualité et l'originalité des illustrations graphiques car l'expression graphique constitue la spécificité du scientifique. Elle permet de démontrer la bonne compréhension du phénomène. Enfin, tout enrichissement d'une réponse par une culture scientifique personnelle riche constituera aussi un facteur d'évaluation de l'excellence. |
| | Advanced satellite oceanography |
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| Une auto-évaluation non-certificative permanente est assurée pendant les séances d'exercices par une interaction forte entre étudiants et enseignants.
L'évaluation certificative consistera en un exposé par l'étudiant basé sur un support de diapositives numériques pendant la session d'examens de janvier. La présentation portera sur les trois thèmes abordés et des questions sur cet exposé seront posées par le staff d'enseignants.
Cette procédure standard d'évaluation peut néanmoins être modifiée en accord avec les étudiants qui en seront donc tenus au courant.
Les critères d'évaluation sont les suivants : clarté, cohérence, logique, rigueur, précision, exhaustivité, concision, pertinence, transversalité (au sein du cours et entre cours), qualité des interprétations mathématiques (signification mathématique des différents coefficients des équations p. ex.), physiques (dimensions et unités, ordre de grandeur - scaling, p. ex.) et géographiques (interaction spatio-temporelle mono et multivariées et nature - type- et signification des variables p. ex.). Le sens critique vis à vis des données utilisées (qualification, nature, signification, représentativité, normalisation ...) et des choix méthodologiques (justification des choix des méthodes, des seuils adaptés, ...) sera également pris en considération lors de l'évaluation. Par ailleurs, les réponses seront aussi évaluées sur base de la qualité et l'originalité des illustrations graphiques car l'expression graphique constitue la spécificité du scientifique. Elle permet de démontrer la bonne compréhension du phénomène. Enfin, tout enrichissement d'une réponse par une culture scientifique personnelle riche constituera aussi un facteur d'évaluation de l'excellence. |
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Stage(s) :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Néant |
| | Advanced satellite oceanography |
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| Néant |
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Remarques organisationnelles :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Le cours se déroulera le lundi matin pendant le 1er quadrimestre. Les parties de séances théoriques alterneront avec les parties de séances de travaux dirigés. La présence aux travaux dirigés est obligatoire. |
| | Advanced satellite oceanography |
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| Le cours devrait idéalement commencer après avoir terminé le cours d'introduction, mais les contingences logistiques du Master MER imposent le déroulement du cours au premier quadrimestre. Pour les étudiants de deuxième année du Master en océanographie, il n'y aura pas de problème particulier, mais pour les étudiants du Master MER, il faudra programmer ce cours en fin de quadrimestre de façon à ce que le cours prérequis d'introduction soit suffisamment avancé. Cette organisation qui n'est cependant pas idéale sera programmée en fonction des plages de disponibilités horaires communes pour les étudiants de seconde année du Master en océanologie, du Master MER, des salles de cours informatisées et du staff d'enseignants. |
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Contacts :
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| | Introduction to satellite oceanography |
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| Yves CORNET, Chargé de Cours
Unité de Géomatique, 17 (B5a), Allée du 6 Août, 4000 Liège
Tél. 04 3665371
Mail : ycornet@ulg.ac.be
Web: http://139.165.44.35/cms/index.php |
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| Notes en ligne : |
Introduction to satellite oceanography
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| Notes de cours |
| Les documents supportant le cours sont téléchargeables sur le site eCampus de l'Université de Liège. |
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Advanced satellite oceanography
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| Notes de cours |
| Les documents supportant le cours sont téléchargeables sur le site eCampus de l'Université de Liège. |
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