Introduction à la fusion d’images et objectif de la thèse

Un des éléments clefs pour l’observation de la Terre et la connaissance de notre environnement est formé par les systèmes spatiaux. Ces satellites emportent à leur bord divers capteurs actifs (radars) ou passifs. Les capteurs qui nous intéressent sont les capteurs passifs dont la bande passante est située dans le visible et l’infrarouge. Ils peuvent présenter des caractéristiques très différentes. Les images délivrées par ces capteurs permettent la distinction des structures géométriques en fonction de la résolution spatiale que l’on considérera ici comme égale au pas d’échantillonnage correspondant à la taille du pixel. Certains capteurs sont capables d’intégrer l’énergie radiative incidente à l’entrée du capteur sur une large bande en longueur d’onde, et offrent donc peu d’information au niveau spectral, mais proposent en même temps une résolution spatiale élevée. En général, ce type d’images s’appelle « image panchromatique », noté Pan ci-après. Au contraire, d’autres capteurs embarqués sur ces mêmes satellites travaillent sur des bandes beaucoup plus étroites du spectre ; ce sont les images multispectrales, notées MS, ci-après ou hyperspectrales dans le cas où le nombre de bandes pour un même capteur dépasse la vingtaine. Leur résolution spectrale est beaucoup plus élevée, mais c’est au prix d’une faible résolution spatiale. Notons que les termes de résolution ‘plus élevée’ ou ‘plus faible’ sont des termes relatifs pour qualifier les résolutions des différentes images entre elles, acquises par un même système d’observation. des capteurs capables de délivrer des images à hautes résolutions spatiale et spectrale. Ces notions sont contradictoires d’un point de vue technique ; plus la bande spectrale d’acquisition d’un capteur est large, plus le flux lumineux incident sur un pixel de l’image est grand. L’ouverture de la pupille d’entrée peut alors être réduite, la taille des pixels est alors plus faible et donc l’image présente une meilleure résolution spatiale. Par contre, une bande beaucoup plus étroite du spectre limite le nombre de photons absorbés par le capteur généralement CCD pour Charged-Coupled Device, qui se traduit en français par DTC pour Dispositif à Transfert de Charge (des travaux actuels permettent d’espérer passer à des technologies CMOS moins spécifiques) et donc l’énergie incidente sur chaque cellule.

Pour réduire le temps d’intégration, une solution serait l’augmentation de la sensibilité des détecteurs. Mais la limitation est tout d’abord financière, puisque construire des capteurs plus sensibles coûte cher. Outre la limitation budgétaire, d’autres contraintes sont imposées par la plate- forme satellite en terme d’espace, de poids, de puissance, de rayonnement électromagnétique, mais aussi des objectifs de mission (orbite), de la fusée pour le lancement, etc. En admettant que les capteurs soient en mesure de délivrer des images MS de résolution spatiale atteignant celle du Pan, deux autres problèmes vont se poser ; la capacité de stockage sur la plate-forme et la bande passante du canal de transmission sont limitées. Prenons l’exemple du satellite Ikonos ou Quickbird : ces satellites possèdent quatre bandes MS. Si la résolution spatiale de ces images était augmentée d’un facteur 4 pour rejoindre celle du Pan, leur taille serait multipliée par 16, soit 16 fois plus de données à stocker et à transmettre au sol. d’images dont certaines bénéficient d’une bonne résolution spatiale, alors que d’autres lui apportent une bonne résolution spectrale. Le tableau 1.1 synthétise les différentes informations concernant l’imagerie des satellites les plus couramment utilisés en environnement et en cartographie : SPOT4, SPOT5, Ikonos et Quickbird. Par exemple, le satellite Ikonos propose des images acquises par cinq modalités (ou capteurs) différentes. Quatre d’entre elles sont des modalités MS, avec des bandes spectrales situées dans le bleu, le vert, le rouge et le proche infrarouge (PIR). Leur résolution spatiale est de 4 m. La modalité Pan a l’avantage de proposer une image de résolution spatiale quatre fois plus importante (1 m) mais sa bande spectrale est plus large en s’étendant du bleu jusqu’au PIR inclus.

Comme la haute résolution spectrale et la haute résolution spatiale sont contenues dans des images différentes, le problème devient celui d’une synthèse d’images multispectrales possédant la meilleure résolution spatiale disponible au sein du jeu de données. La fusion d’images est un moyen de proposer une exploitation conjointe des informations provenant à l’origine de sources distinctes. D’après Wald (1999), il s’agit d’un cadre formel dans lequel s’expriment les moyens et techniques permettant l’alliance des données provenant de sources diverses. La fusion vise à l’obtention d’information de plus grande qualité, celle-ci dépendant de l’application et de son utilisateur. (2003), Redondo et al. (2005), Chen et Varshney (2005) et Zheng et al. (2005) considèrent la fusion comme une combinaison d’informations pertinentes des deux images placées en entrée, l’information dite « pertinente » dépendant de l’application. Par exemple, certains de ces auteurs montrent des exemples de photos ou d’images acquises par un même capteur mais à des focales différentes. Ils définissent la fusion comme la synthèse d’une image qui serait focalisée en tout point, c’est-à-dire présentant la plus haute résolution spatiale des deux images pour chaque pixel. Cette idée de complémentarité se retrouve aussi en imagerie médicale puisque des images radio, obtenues par résonance magnétique nucléaire ou encore par tomographie par émission de positons, délivrent des informations très différentes sur le corps humain (Profanter et al. 2004). La fusion vise à superposer les informations pertinentes provenant de différentes sources pour l’aide au diagnostic. Cette manière de définir la fusion d’images a la particularité de ne pas tenir compte des caractéristiques d’un capteur en particulier. L’enjeu se situe dans la création d’une image hybride présentant des caractéristiques spécifiques sélectionnées dans les différents ensembles placés en entrée.