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1 mars 2018

Calcul conjoint de MNT multi-dates et de déformations planimétriques pour la caractérisation de déformations co-sismique à partir d'imagerie spatiale très haute résolution


Catégorie : Doctorant


https://cnes.fr/fr/les-ressources-humaines-du-cnes/calcul-conjoint-de-mnt-multi-dates-et-de-deformations-planimetriques

Sujet de thèse : Calcul conjoint de MNT multi-dates et de déformations planimétriques pour la caractérisation de déformations co-sismique à partir d'imagerie spatiale très haute résolution.

PhD : A combined estimation of multi-temporal DSM and planimetric displacements from high resolution satellite images to identify co-seismic deformations.

 

https://cnes.fr/fr/les-ressources-humaines-du-cnes/calcul-conjoint-de-mnt-multi-dates-et-de-deformations-planimetriques

VERSION FRANCAISE (ENGLISH BELOW).

Sujet de thèse : Calcul conjoint de MNT multi-dates et de déformations planimétriques pour la caractérisation de déformations co-sismique à partir d'imagerie spatiale très haute résolution.

Ecole Doctorale : MSTIC -Université Paris Est

Laboratoire d’accueil : Laboratoire en Sciences et Technique de l'Information Géographique de l'IGN.

Directeurs de Thèse : Marc Pierrot Deseilligny , IGN Directeur de recherche HDR , co-direction avec Yann Klinger Directeur de recherche-HDR IPGP.

Encadrant : Ewelina Rupnik (Dr).

Partenaires : Institut de Physique du Globe de Paris

Responsable CNES : Renaud Binet , CNES/DSO/SIQI

1-Contexte et objectifs

La déformation de la surface visible de la terre est un des paramètres essentiels permettant d'analyse des séismes. Lorsque l'on dispose d'acquisitions stéréoscopiquesde qualité avant et après le séisme, ce qui est de plus en plus courant avec l'avènement de satellites agiles de très haute résolution tels que la constellation Pléiade, l'observation spatiale à partir d'images visibles est devenu un outil privilégié pour cartographier ces déformations sur de grandes zones (Vallage et al. [2015]).

Les méthodes actuelles séparent le calcul de la déformation horizontale (ou planimétrique) du calcul de la déformation verticale(ou altimétrique). Si cette séparation simplifie le calcul, elle est sous-optimale en terme de qualité des résultats. L'objectif de ce travail de thèse est de développer une approche plus globale du calcul de la déformation afin de fournir des données plus fiables et plus lisibles pour les spécialistes des sciences de la terre.

2-Etat de l'art

A partir des technologies de l'état de l'art, une approche simple pour calculer les déformations en tenant compte du fait que les mouvements ont lieu en 3 dimensions, est la suivante :

A la suite d'un financement du programme TOSCA (proposition « calcul de topographie et mesure de déformation en science de la terre »), cette approche est aujourd'hui, par exemple, accessible dans l'outil libre open-source MICMAC. Si cette approche fonctionne, elle est sous-optimale au sens où elle n'utilise pas toutes les sources d'information et où la décomposition en plusieurs étapes propage les erreurs le long de la chaîne. Par exemple :

3- Approche proposée

Pour tirer parti de toute l'information disponible, on formalisera le problème de la manière suivante :

Compte tenu de la complexité de l'optimisation, on s'oriente (mais cela reste à confirmer) vers des approches de type variationnelle (Chambolle [2004] ; Pock et al. [2008]) et des termes d'attaches aux données de type least-square matching (Gruen & Baltsavias [1988]). Ces approches de type descente de gradient nécessitent que l'on soit déjà proche de l'optimum pour converger, on pourra pour cela utiliser les méthodes traditionnelle (Hirschmueller [2005]) disponibles sous forme de code libre open source (Pierrot Deseilligny & Paparoditis [2006]). Le travail consistera notamment à :

Dans une première étape, pour grimper progressivement en complexité, on pourra implémenter ces approches variationnelles pour le problème plus classique de l'appariement intra date. Pour le problème global, on n'exclut pas, après une première itération d'injecter quelques données venant d'un opérateur humain ; par exemple une localisation approximative des failles venant d'une première analyse visuelle des résultats automatiques, pourrait être utilisée pour relaxer la régularisation autour de ces failles (avec pour objectif d'avoir une meilleure estimation des mouvements des deux cotés de la faille).

Le travail sera réalisé au sein de la librairie libre open source MicMac, qui fournit notamment les modules de localisation d'images ainsi que les outils « classique » permettant de générer des MNT intra date et des carte de déformation à partir d'ortho-photo ; les codes développés seront libre open source et seront, entre autres, reversés dans la libraire MicMac.

4-Profil du candidat

Le profil recherché :

5-Localisation et contact

Le lieu de travail habituel sera l'Ecole Nationale des Sciences Géographiques (Marne-la-Vallée) avec des déplacements réguliers à l'institut de physique du globe (Paris).

Contacts :

Références

least squares matching :

Gruen, A., & Baltsavias, E. P. (1988). Geometrically constrained multiphoto matching. Photogrammetric engineering and remote sensing, 54(5), 633-641.

variational methods :

Chambolle, A. (2004). An algorithm for total variation minimization and applications. Journal of Mathematical imaging and vision, 20(1), 89-97.

Pock, T., Schoenemann, T., Graber, G., Bischof, H., & Cremers, D. (2008). A convex formulation of continuous multi-label problems. Computer Vision–ECCV 2008, 792-805.

méthodes classiques d’appariements :

Hirschmuller, H. (2005). Accurate and efficient stereo processing by semi-global matching and mutual information. In Computer Vision and Pattern Recognition. CVPR 2005. IEEE Computer Society Conference on (Vol. 2, pp. 807-814). IEEE.

Pierrot-Deseilligny, M., & Paparoditis, N. (2006). A multiresolution and optimization-based image matching approach: An application to surface reconstruction from SPOT5-HRS stereo imagery. Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 36(1/W41).

MicMac :

Rosu, A.; Pierrot-Deseilligny, M.; Delorme, A.; Binet, R. & Klinger, Y. (2015). Measurement of ground displacement from optical satellite image correlation using the free open-source software MicMac ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Elsevier, 100, pp. 48-59

Rupnik, E.; Daakir, M. & Pierrot Deseilligny, M. (2017). MicMac -- a free, open-source solution for photogrammetry. Open Geospatial Data, Software and Standards, 2(14)

Application aux sciences de la terre :

Leprince, S., Barbot, S., Ayoub, F., & Avouac, J. P. (2007). Automatic and precise orthorectification, coregistration, and subpixel correlation of satellite images, application to ground deformation measurements. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45(6), 1529-1558.

Vallage, A., Klinger, Y., Grandin, R., Bhat, H. S., & Pierrot-Deseilligny, M. (2015). Inelastic surface deformation during the 2013 Mw 7.7 Balochistan, Pakistan, earthquake. Geology, 43(12), 1079-1082.

 


ENGLISH VERSION

PhD : A combined estimation of multi-temporal DSM and planimetric displacements from high resolution satellite images to identify co-seismic deformations

Doctoral school: MSTIC -Université Paris Est

Host laboratory : Laboratoire en Sciences et Technique de l'Information Géographique de l'IGN.

Directors of the thesis: Marc Pierrot Deseilligny , IGN Senior Researcher (Directeur de recherche)HDR, co-direction with Yann Klinger Senior Researcher (Directeur de recherche)HDR IPGP.

Supervisor: Ewelina Rupnik (Dr).

Partnership: Institut de Physique du Globe de Paris

CNES contact: Renaud Binet , CNES/DSO/SIQI

1-Context and objectives

Deformation of the Earth surface is an essential parameter allowing for seismic analyses. With the advent of very high spatial resolution agile satellites (e.g. the constellation of Pléiades) and the availability of pre- and post-event stereoscopic acquisitions, spaceborne observations have become the priviliged tool to map such deformations across very large areas (cf. Vallage et al. [2015]).

The state-of-the-art methods separate the computation of the deformation's planimetric component from the computation of the vertical component (i.e. altitude). As long as this separation simplifies the estimation problem, it is sub-optimal in terms of the output quality. The objective of this doctorate is to develop a more global estimation approach so as toaugment the precision and reliability of the computed deformations as well as to render them more readable for experts outside Earth Sciences.

2-State-of-the-art

Following the state-of-the-art methods, a simple and ubiquitous approach to calculate the deformations along three dimensions is as follows :

Thanks to the TOSCA programme funding, and the project « Calcul de topographie et mesure de déformation en science de la terre », this approach is today at disposition within the free open-source MicMac tool.

As long as this approach is operational, it is suboptimal due to the fact that it does not exploit all the available information and because the separation of the processing stages propagates the calculation errors across the processing chain. For instance,

3- Proposed approach

To simultaneously exploit all the information available, the following problem formulation is proposed:

  1. the DSM ZPRE, ZPOST;
  2. the DSM evolution (ZPRE – ZPOST) and
  3. the planimetric displacement ΔX, ΔY.

Given the optimisation complexity, we aim to solve the problem with a variational approach (Chambolle [2004] ; Pock et al. [2008]), where the data term becomes function of a similarity measure such as the least squares matching (Gruen & Baltsavias [1988]). The convergence of the variational approaches (i.e. based on the gradient descent) necessitates a good initial approximation of all unknown parameters. The traditional matching techniques (Hirschmueller [2005]), e.g. available as open-source code (Pierrot Deseilligny & Paparoditis [2006]), can be employed to provide this initial solution. The envisioned work tasks are:

In the first stage, to progressively increase the complexity, the variational approach would be implemented to solve the classical single epoch image matching. Having completed the first iteration, one can also think of including into the calculation some knowledge furnished by a human operator; for instance, an approximative position of the fault known from a rough visual inspection of the automated result may serve to relax the regularisation in the second iteration (the objective being to find a better estimate of the displacements on either side of the fault).

The developped methods will be implemented in the free, open-source MicMac which already today gives at disposal modules to: geo-localise satellite images, generate single-epoch DSMs, and 2D displacement maps from a couple of orthophotomaps. Consequently, the developped code will also be free and open-source.

4-Candidate’s profile

It is expected that the candidate has:

5-Workplace and contacts

The usual workplace will be the Ecole Nationale des Sciences Géographiques (ENSG, Marne la Vallée) with frequent visits to Institut de Physique du Globe (IPGP, Paris).

Contact persons:

References

least squares matching:

Gruen, A., & Baltsavias, E. P. (1988). Geometrically constrained multiphoto matching. Photogrammetric engineering and remote sensing, 54(5), 633-641.

variational methods:

Chambolle, A. (2004). An algorithm for total variation minimization and applications. Journal of Mathematical imaging and vision, 20(1), 89-97.

Pock, T., Schoenemann, T., Graber, G., Bischof, H., & Cremers, D. (2008). A convex formulation of continuous multi-label problems. Computer Vision–ECCV 2008, 792-805.

dense image matching:

Hirschmuller, H. (2005). Accurate and efficient stereo processing by semi-global matching and mutual information. In Computer Vision and Pattern Recognition. CVPR 2005. IEEE Computer Society Conference on (Vol. 2, pp. 807-814). IEEE.

Pierrot-Deseilligny, M., & Paparoditis, N. (2006). A multiresolution and optimization-based image matching approach: An application to surface reconstruction from SPOT5-HRS stereo imagery. Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 36(1/W41).

MicMac:

Rosu, A.; Pierrot-Deseilligny, M.; Delorme, A.; Binet, R. & Klinger, Y. (2015). Measurement of ground displacement from optical satellite image correlation using the free open-source software MicMac ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, Elsevier, 100, pp. 48-59

Rupnik, E.; Daakir, M. & Pierrot Deseilligny, M. (2017). MicMac -- a free, open-source solution for photogrammetry. Open Geospatial Data, Software and Standards, 2(14)

Earth Science real case-studies:

Leprince, S., Barbot, S., Ayoub, F., & Avouac, J. P. (2007). Automatic and precise orthorectification, coregistration, and subpixel correlation of satellite images, application to ground deformation measurements. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 45(6), 1529-1558.

Vallage, A., Klinger, Y., Grandin, R., Bhat, H. S., & Pierrot-Deseilligny, M. (2015). Inelastic surface deformation during the 2013 Mw 7.7 Balochistan, Pakistan, earthquake. Geology, 43(12), 1079-1082.

 

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