Satellite oceanography

Durée

15h Th, 15h Pr

Nombre de crédits

Enseignant

Yves Cornet

Langue(s) de l'unité d'enseignement

Langue anglaise

Organisation et évaluation

Enseignement au premier quadrimestre, examen en janvier

Unités d'enseignement prérequises et corequises

Les unités prérequises ou corequises sont présentées au sein de chaque programme

Contenus de l'unité d'enseignement

Ce cours s'adresse à un public d'étudiants dont les compétences technico-scientifiques acquises auparavant sont souvent très hétérogènes. Il a 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 un domaine très vaste couvrant l'observation à l'aide de capteurs opérant du les visible aux micro-ondes. Ces capteurs peuvent notamment être de type sondeur atmosphérique, radar altimétriques, instrument imageur...
Le traitement des mesures de sondeurs atmosphériques utilisés pour modéliser le transfert radiatif à travers l'atmosphère fait appel à des notions pointues de physique de l'atmosphère et des aérosols. Par ailleurs, un autre aspect de l'océanographie satellitaire concerne la détermination d'un modèle de géoïde et d'un datum, la référence des mesures de la hauteur des mers. Cette détermination est réalisée grâce à de mesure altimétriques au radar et par les techniques de contrôle de l'assiette et de la trajectoire des satellites. Ces méthodes font appel à des notions avancées de géodésie et de traitement de données. Enfin un troisième aspect de l'océanographie satellitaire concerne le traitement des données enregistrées par les radars imageurs qui fait appel à des notions complexes de traitement du signal. Ces trois aspects 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 le 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-localisées (géographiques ou spatiales) et temporelles, nous en profiterons aussi pour expliquer des notions générales relevant de la cartographie numérique et mathématique et de l'analyse spatiale, car ces notions sont essentielles pour l'analyse de ce type de données.
Que ces images soient utilisées pour observer les terres ou les plans d'eau, que les phénomènes étudiés soient des phénomènes physiques, biologiques ou anthropiques, et quelque soient leurs dimensions et temps caractéristiques, il est indispensable d'acquérir une maîtrise théorique générale du traitement d'image. Cela fait l'objet de la partie théorique du cours. La plupart de ces notions seront mises en œuvre 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 satellitaire en océanographie
17. Classification des fonds marins en eau peu profonde
18. Bathymétrie
19. Ocean Color (OC)
20. Sea Surface et Lake Surface Water Temperature (SSWT et LSWT)
21. Sea Surface Height (SSH)
22. Imagerie radar et état de surface des mers
23. Détection des fronts
24. Séries temporelles et télé- ...

Acquis d'apprentissage (objectifs d'apprentissage) de l'unité d'enseignement

* 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.
* Comprendre le processus d'acquisition et la nature des informations enregistrées par les capteurs imageurs utilisées en observations des plans d'eau.
* Comprendre la nature et la signification océanologique des données enregistrées par les capteurs étudiés et les différents niveaux de pré-traitements des images mises à la disposition des scientifiques par les producteurs.
* Connaître les principaux types de traitements appliqués à ces images.
* Maîtriser les fonctionnalités d'outils logiciels permettant la mise en œuvre de ces traitements.
* Appliquer des protocoles de traitements standards et comprendre leur mode de fonctionnement et leurs limites.
* Comprendre l'intérêt et interpréter la signification des traitements appliqués à des fins océanologiques.

Savoirs et compétences prérequis

Le cours exploite des compétences basiques de mathématiques, statistiques, physique, analyse spatiale et cartographie mathématique et numérique. 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 secondaires et universitaires antérieures constituent aussi un atout intéressant.
Néanmoins, la diversité de profils scientifiques des étudiants généralement inscrits à ce cours nécessite une adaptation de l'enseignement. Ainsi, de nombreux rappels 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 de réviser son cours de semaine en semaine pour identifier d'éventuelles incompréhensions.
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 et de climatologie ... Si nécessaire, l'étudiant effectuera une recherche de documentation scientifique à ces propos pour réaliser cette interprétation.

Activités d'apprentissage prévues et méthodes d'enseignement

Le cours théorique est de type ex cathedra. 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-type sont fournies. Ces exercices peuvent être réalisés avec des outils de calcul ou de programmation connus des étudiants (Excel, Calc de OpenOffice, 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 les 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 des salles de cours du bâtiment B5a (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.

Mode d'enseignement (présentiel ; enseignement à distance)

Il s'agit d'un enseignement présentiel en grande partie. La présence est donc obligatoire, 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. Les séances ont lieu dans le local B5a/4/18 ou B5a/2/35.

Lectures recommandées ou obligatoires et notes de cours

MATHER P.M., 1999. Computer Processing of Remotely-Sensed Images. 2e édition. Wiley, Chichester, 292 p.
RUSSELL G. CONGALTON & KASS GREEN, 2008. Assessing the Accuracy of Remotely Sensed Data: Principles and Practices. CRC Press, Second Edition.
Platform of Earth Observation (BELSO) : http://eo.belspo.be/ (consulté le 14/8/2014)
Landsat 7 handbook : http://landsathandbook.gsfc.nasa.gov/ (consulté le 14/8/2014)
Landsat 8 documentation: http://landsat.usgs.gov/landsat8.php (consulté le 14/8/2014)
Landsat Science : http://landsat.gsfc.nasa.gov/?page_id=11 (consulté le 14/8/2014)
NOAA documentation: http://www.ncdc.noaa.gov/oa/pod-guide/ncdc/docs/intro.htm (consulté le 14/8/2014)

Modalités d'évaluation et critères

Une auto-évaluation non-certificative permanente est assurée pendant les séances pratiques 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 types d'examen pratique avec solution pour tester de façon non-certificative leurs compétences dans la manipulation du logiciel Idrisi.
L'évaluation certificative consistera en un examen oral portant sur la matière théorique et en la résolution sous Idrisi 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.), des interprétations physiques (dimensions et unités, ordre de grandeur - scaling, p. ex.) et des interprétations géographiques et océanographiques (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 adoptés, ...) 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.

Stage(s)

Néant

Remarques organisationnelles

Le cours se déroulera selon l'horaire disponible par ailleurs (http://www.facsc.ulg.ac.be/cms/c_253095/fr/horaires). Les parties de séances théoriques alterneront avec les parties de séances de travaux dirigés. La présence est obligatoire.

Contacts

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

Notes en ligne