Brevet FR2976679A1 — publié le 20121221

OUTIL D'INVERSION BASÉ SUR LA MÉTHODE DE L'ESTIMATION OPTIMALE, DU TYPE DE CELUI ASSOCIÉ À UN MODÈLE D'OBSERVATION DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait à l'étude et la surveillance des systèmes de notre environnement (défini par la terre et ses parties : atmosphère, surface, océan) par télédétection spatiale et concerne plus particulièrement le développement de méthodes d'extraction de paramètres géophysiques à partir des données de télédétection. DESCRIPTION DE L'ART ANTERIEUR Grâce à la mise sur orbite de satellites d'observation et plus précisément de satellites de télédétection, la terre est désormais observée de manière continue à des fréquences allant de quelques heures à plusieurs dizaines de jours. Les capteurs de la télédétection spatiale apportent ainsi des informations utiles aux études et/ou à la surveillance des systèmes de notre environnement à condition qu'il soit bien évidemment possible de relier de manière fiable, les quantités géophysiques aux signaux radiométriques relevés par les satellites. A cet effet, de récentes recherches ont été développées ces dernières années sur : - la modélisation de la mesure satellitale, - et sur l'inversion de ces modèles. La modélisation a pour objet de relier les caractéristiques des systèmes de notre environnement aux mesures satellitales, via des équations mathématiques qui peuvent décrire le phénomène physique réel en simulant par exemple le cheminement de l'onde électromagnétique (la lumière dans le cas d'observation dans le visible) de la source jusqu'au capteur selon le processus dit de transfert radiatif. Ces équations peuvent dériver aussi de - 2 mesures expérimentales, c'est à dire élaborées de manière empirique. Les modèles de transfert radiatif développés depuis plusieurs dizaines d'années représentent de manière plus ou moins précise, d'une part les différents milieux intervenants (interaction matière/rayonnement avec la végétation, le sol, 1' atmosphère) et d'autre part les phénomènes physiques entrant en jeu. Dans le cadre de la recherche de paramètres géophysiques, ils présentent tous un inconvénient majeur en ce que les caractéristiques du milieu ne sont pas des paramètres de sortie des modèles mais plutôt des paramètres d'entrée, du moins pour les modèles qui simulent effectivement le transfert radiatif. Le but de l'inversion est de permettre d'obtenir en sortie les paramètres géophysiques en utilisant les mesures satellitales comme entrées. Les modèles de transfert radiatif ont donc permis de simuler la radiance d'un milieu à partir de ses caractéristiques et l'inversion a consisté alors à retrouver ces caractéristiques à partir de l'information radiométrique. Il en résulte donc que dans le cadre de ces missions spatiales d'observation de la terre, les mesures effectuées par télédétection ne constituent pas une mesure directe de ce que la mission doit observer. Par exemple, la détermination de l'abondance de constituants atmosphériques est effectuée à partir d'une mesure, appelée spectre atmosphérique, du rayonnement émis et/ou réfléchi par la surface et ayant parcouru les diverses couches atmosphériques. Pour parvenir à restituer l'abondance d'un constituant atmosphérique à partir de la mesure d'un spectre atmosphérique, il est nécessaire de disposer . - d'un "modèle d'observation" permettant de simuler la mesure appelée "vecteur d'observation" et de calculer la sensibilité appelée "jacobien" de ce modèle à chacun des paramètres à restituer et appelé "vecteur d'état", - 3 - pour un état donné des différents paramètres géophysiques. - et d'une méthode d'inversion qui, à partir de la mesure et du modèle d'observation, permet de restituer les paramètres géophysiques recherchés. Pour l'exemple cité de la détermination de l'abondance de constituants atmosphériques : - le vecteur d'état peut être un profil vertical d'abondance d'un constituant atmosphérique, - le vecteur d'observation est le spectre 10 atmosphérique, - et le modèle d'observation est un code de transfert radiatif, associé à un modèle d'instrument (ou fonction d'instrument). Une méthode d'inversion classiquement utilisée met en 15 oeuvre un outil d'inversion basé sur le formalisme de l'estimation optimale de "Rodgers 2000", qui nécessite notamment l'utilisation d'une information a priori du vecteur d'état. Cette information a priori est constituée d'un état moyen et de la matrice de covariance d'erreur 20 associée à cet état. Cependant, à la connaissance de la demanderesse, il n'existe à ce jour, aucun outil d'inversion totalement générique c'est à dire susceptible d'inverser n'importe quel type de mesure, pour restituer différents types de 25 vecteur d'état. Un "vecteur d'état" correspond à une liste de paramètres permettant de caractériser l'état en question. DESCRIPTION DE L'INVENTION Dans ce contexte, la demanderesse a mené des recherches visant, selon un cahier des charges préétabli, à imaginer un nouvel outil d'inversion capable de remédier aux inconvénients précités en étant apte à inverser n'importe quel type de mesure, à partir du moment où le l'opérateur ou modèle d'observation simulant la mesure (et les jacobiens) est interfacé avec ledit outil. Selon l'invention, l'outil d'inversion basé sur la 30 35 - 4 méthode de l'estimation optimale, du type de celui associé à un modèle d'observation, est remarquable en ce qu'il se compose notamment . - d'un fichier de configuration où sont définis les 5 paramètres "utilisateur", - d'un module d'interface de format programmé pour mettre l'ensemble des données d'entrée dans le format d'interfaçage de l'outil et pour initialiser certaines données nécessaires pour l'inversion, 10 - d'un module de transformation programmé pour effectuer des opérations de transformation des données en fonction des choix de l'utilisateur, - d'un module de restitution programmé pour regrouper l'ensemble des opérations d'inversion à partir 15 d'une analyse du contenu en information des deux modules d'interface de format et de transformation de préparation des données, - et d'un script d'exécution permettant d'exécuter les différents programmes des trois modules d'interface de 20 format, de transformation et de restitution. En proposant de découper l'outil d'inversion en trois modules distincts, l'invention offre de nombreux avantages et parmi ceux-ci . - celui de simplifier et de rendre robuste 25 l'utilisation de l'outil et de favoriser sa généricité, par la mise au format de l'outil, de toutes les données d'entrée , - celui de rendre l'outil à la fois plus flexible tout en préservant son caractère sécurisé et générique, 30 par la mise à disposition aux utilisateurs d'une bibliothèque à outils très complète, - celui de permettre à la fois l'analyse et l'inversion des données la plus couplée possible, par exploitation du même type d'approche et de calcul pour 35 effectuer différentes analyses de données (fourniture des produits, caractérisation et optimisation de l'information - 5 contenue dans l'espace du vecteur d'observation et d'état, analyse diagnostique, etc....). L'outil d'inversion selon l'invention pourra aussi être utilisé pour un grand nombre d'applications utiles pour la préparation de missions futures par simulations et l'exploitation des mesures des missions spatiales (atmosphériques ou autres) en opération, car il permet d'effectuer à la fois : - des inversions en mode nominal à partir de mesures réelles, - des simulations d'inversions à partir de mesures simulées, - et l'analyse complète des performances d'inversion et du contenu informatif dans l'espace de la mesure et dans l'espace des paramètres restitués. En étant un outil complet et paramétrable, il autorise également une utilisation en mode "recherche" pour les utilisateurs experts scientifiques. Selon une caractéristique préférentielle de l'invention, les trois modules d'interface de format, de transformation et de restitution sont séparés l'un de l'autre. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, les trois modules d'interface de format, de transformation et de restitution sont programmés selon un langage en fortran 90. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, le susdit module d'interface de format effectue les opérations de : - lecture des données d'entrée, - conversion des unités, - formatage des données, - initialisation des sorties du modèle d'observation, - et d'écritures des données de sortie au format dudit outil. Selon une autre caractéristique préférentielle de - 6 - l'invention, le susdit module de transformation effectue les opérations de : - lecture des produits du module d'interface de format, - filtrage et de réduction des données, - de transformation des données, - et écriture des données de sortie au format dudit outil. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, le susdit module de restitution incorpore un processus itératif d'inversion et effectue les opérations de . - lecture des produits du module de transformation, - application du processus itératif d'inversion par : * une analyse de contenu en information et inversion * un calcul des sorties du modèle d'observation, * un contrôle de la convergence, - et d'écriture des données de sortie. Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, l'outil d'inversion utilise comme données d'entrée . - la mesure (spectre atmosphérique), - la matrice de covariance d'erreur sur la mesure, - une information a priori sur les paramètres ou vecteur d'état à restituer, - la matrice de covariance d'erreur sur l'information a priori, - et les sorties du modèle d'observation (mesure simulée et jacobiens). Selon une autre caractéristique préférentielle de l'invention, le susdit module de restitution incorpore un processus itératif d'inversion selon la méthode de "Levenberg-Marquardt" permettant de traiter les cas de non linéarité. Selon une autre caractéristique préférentielle de - 7 l'invention, les écritures des données de sortie du susdit module de restitution sont fournies dans le format de l'outil et/ou dans le format ASCII. Ces caractéristiques préférentielles prises associées, individuellement ou en combinaison, avec la caractéristique principale de l'invention permettent d'offrir à l'outil d'inversion de l'invention, par rapport à des outils similaires d'inversion (basés sur l'estimation optimale) qui peuvent être disponibles et libre d'utilisation du type "ECMWF" et "1D-VAR package", les spécificités suivantes . * D'être un outil générique et complet parce que : - il est applicable à tout type de mesure et de modèle d'observation à partir du moment où le vecteur d'observation est interfacé avec lui, - il est paramétrable permettant une utilisation en mode "recherche" pour les utilisateurs experts scientifiques, - il permet de représenter graphiquement n'importe quel type de variable (paramètre géophysique, variable d'observation, etc...), - il autorise un paramétrage fin et complet, - etc...; * D'être un outil permettant une analyse de contenu en information complète par le calcul : - du "DOFS" (nombre de degrés de liberté) indiquant le nombre d'éléments indépendants que peut apporter la mesure, - des erreurs a posteriori (issues de la 30 mesure, de l'a priori et des paramètres du modèle ; totale) sous forme de matrices de covariance d'erreur, - des "averaging kernels", sensibilité de l'état restitué par rapport à l'état "vrai", correspondant à la matrice des fonctions de "lissage" 35 associée au système d'inversion (mesure plus information a priori) pour la restitution d'un vecteur d'état donné 25 5 10 15 20 30 35 - 8 - (sensibilité de l'état restitué par rapport à l'état "vrai"), - des fonctions de contributions, sensibilité de l'état restitué par rapport à la mesure, - de l'analyse en composante principale (ACP) permettant l'interprétation de l'information contenue dans l'espace du vecteur d'observation et dans l'espace du vecteur d'état; * D'être un outil associable à une bibliothèque d'outils très complète pouvant être très utiles, notamment - un outil de manipulation des produits "1-DVAR", - un outil de lecture/écriture des produits "1-DVAR", - un outil de transport de grille permettant de transporter de façon optimale un vecteur ou une matrice dans une nouvelle grille, - un outil de transport d'erreur qui transporte la matrice de covariance d'erreur sur un paramètre du modèle dans l'espace du vecteur d'observation permettant ainsi de prendre en compte les erreurs sur les paramètres du modèle qui ne sont pas restitués mais qui ont un impact sur l'inversion, - un outil permettant l'application d'une sélection de canaux (du vecteur d'observation), - un outil de calcul dynamique d'optimisation d'une sélection de canaux par ACI (Analyse du Contenu en Information), - une méthode de calcul automatique de l'initialisation des paramètres de convergence; * D'être un outil qui intègre un schéma itératif suivant la méthode de "Levenberg-Marquardt" permettant le traitement de problèmes d'inversion non linéaires qui sont fréquents en sondage atmosphérique; * D'être un outil qui permet d'effectuer des 10 15 - 9 - inversions de mesures réelles mais aussi des inversions en simulation; * D'être un outil qui peut être également utilisé pour générer des bases de données de mesures simulées; * D'être un outil qui est également couplé avec l'outil de transfert radiatif dénommé "4A-OP" qui est un code opérationnel, validé et de haute précision, permettant le calcul de transfert radiatif dans l'infrarouge thermique et le proche infrarouge. On comprend que l'outil d'inversion de l'invention, qui vient d'être ci-dessus décrit, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être adaptés, sans pour autant sortir du cadre de l'invention tel que définie dans les revendications. 20 25 30 35 10 15 20 25 30 35 REVENDICATIONS1. Outil d'inversion basé sur la méthode de l'estimation optimale du type de celui associé à un modèle d'observation, CARACTERISE EN CE QU'il se compose notamment . - d'un fichier de configuration où sont définis les paramètres "utilisateur", - d'un module d'interface de format programmé pour mettre l'ensemble des données d'entrée dans le format d'interfaçage de l'outil et pour initialiser certaines données nécessaires pour l'inversion, - d'un module de transformation programmé pour effectuer des opérations de transformation des données en fonction des choix de l'utilisateur, - d'un module de restitution programmé pour regrouper l'ensemble des opérations d'inversion, à partir d'une analyse du contenu en information des deux modules d'interface de format et de transformation de préparation des données, - et d'un script d'exécution permettant d'exécuter les différents programmes des trois modules d'interface de format, de transformation et de restitution. 2. Outil d'inversion selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE les trois modules d'interface de format, de transformation et de restitution sont séparés l'un de l'autre. 3. Outil d'inversion selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE les trois modules d'interface de format, de transformation et de restitution sont programmés selon un langage en fortran 90. 4. Outil d'inversion selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE le susdit module d'interface de format effectue les opérations de : - lecture des données d'entrée, - conversion des unités, - formatage des données,- 11 - - initialisation des sorties du modèle d'observation, - et d'écritures des données de sortie au format au format dudit outil. 5. Outil d'inversion selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE le susdit module de transformation effectue les opérations de : - lecture des produits du module d'interface de format, - filtrage et de réduction des données, - de transformation des données, - et écriture des données de sortie au format dudit outil. 6. Outil d'inversion selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE QUE le susdit module de restitution 15 incorpore un processus itératif d'inversion et effectue les opérations de : - lecture des produits du module de transformation, - application du processus itératif d'inversion par : * une analyse de contenu en information et 20 inversion, * un calcul des sorties du modèle d'observation * un contrôle de la convergence - et d'écriture des données de sortie. 7. Outil d'inversion selon la revendication 1, 25 CARACTERISE EN CE QU'il utilise comme données d'entrée : - la mesure (spectre atmosphérique), - la matrice de covariance d'erreur sur la mesure, - une information a priori sur les paramètres ou vecteur d'état à restituer, 30 - la matrice de covariance d'erreur sur l'information a priori, - et les sorties du modèle d'observation (mesure simulée et jacobiens). 8. Outil d'inversion selon la revendication 6, 35 CARACTERISE EN CE QUE le susdit module de restitution incorpore un processus itératif d'inversion selon la 5- 12 - méthode de "Levenberg-Marquardt" permettant de traiter les cas de non linéarité. 9. Outil d'inversion selon la revendication 6, CARACTERISE EN CE QUE les écritures des données de sortie du susdit module de restitution sont fournies dans le format de l'outil et/ou dans le format ASCII. 10 15 20 25 30 35