Analyse de la réduction du chatoiement sur les images radar polarimétrique à l'aide des réseaux neuronaux à convolutions

En raison de la nature cohérente du signal RADAR à synthèse d’ouverture (RSO), les images RSO polarimétriques (RSOPOL) sont affectées par le bruit de chatoiement. L’effet du chatoiement peut être sévère au point de rendre inutilisable la donnée RSOPOL. Ceci est particulièrement vrai pour les données à une vue qui souffrent d’un chatoiement très intense.Un filtrage du bruit est nécessaire pour améliorer l’estimation des paramètres polarimétriques pouvant être calculés à partir de ce type de données. Cette opération constitue une étape importante dans le traitement et l’analyse des images RSOPOL.     Récemment une nouvelle approche est apparue en traitement de données visant la solution d’une multitude de problèmes dont le filtrage, la restauration d’images, la reconnaissance de la parole, la classification ou la segmentation d’images. Cette approche est l’apprentissage profond et les réseaux de neurones à convolution (RNC). Des travaux récents montrent que les RNC sont une alternative prometteuse pour le filtrages des images RSO. En effet par leur capacité d’apprendre un modèle optimal de filtrage, ils tendent à surpasser les approches classiques du filtrage sur les images RSO.     L’objectif de cette présente étude est d’analyser et d’évaluer l’efficacité du filtrage par RNC sur des données RSOPOL simulées et sur des images satellitaires RSOPOL RADARSAT-2, ALOS/PalSAR et GaoFen-3 acquises sur la région urbaine de San Francisco (Californie). Des modèles inspirés de l’architecture d’un RNC utilisé notamment en Super-résolution ont été adaptés pour le filtrage de la matrice de cohérence polarimétrique. L’effet de différents paramètres structuraux de l’architecture des RNC sur le filtrage ont été analysés, parmi ceux-ci on retrouve entre autres la profondeur du réseau (le nombre de couches empilées), la largeur du réseau (le nombre de filtres par couches convolutives) et la taille des filtres de la première couche convolutive.    L’apprentissage des modèles a été effectué par la rétropropagation du gradient de l’erreur en utilisant 3 ensembles de données qui simulent la polarimétrie une vue des diffuseurs selon les classes de Cloude-Pottier. Le premier ensemble ne comporte que des zones homogènes.Les deux derniers ensembles sont composés de simulations en patchwork dont l’intensité locale est simulée par des images de texture et de cibles ponctuelles ajoutées au patchwork dans le cas du dernier ensemble. Les performances des différents filtres par RNC ont été mesurées par des indicateurs comprenant l’erreur relative sur l’estimation de signatures polarimétriques et des paramètres de décomposition ainsi que des mesures de distorsion sur la récupération des détails importants et sur la conservation des cibles ponctuelles.    Les résultats montrent que le filtrage par RNC des données polarimétriques est soit équivalent ou nettement supérieur aux filtres conventionnellement utilisées en polarimétrie.Les résultats des modèles les plus profonds obtiennent les meilleures performances pour tous les indicateurs sur l’ensemble des données homogènes simulées. Dans le cas des données en patchwork, les résultats pour la restauration des détails sont nettement favorables au filtrage par RNC les plus profonds.L’application du filtrage par RNC sur les images satellitaires RADARSAT-2,ALOS/PalSAR ainsi GaoFen-3 montre des résultats comparables ou supérieurs aux filtres conventionnels. Les meilleurs résultats ont été obtenus par le modèle à 5 couches cachées(si on ne compte pas la couche d’entrée et de sortie), avec 8 filtres 3×3 par couche convolutive, sauf pour la couche d’entrée où la taille des filtres étaient de 9×9. Par contre,les données d’apprentissage doivent être bien ajustées à l’étendue des statistiques des images polarimétriques réelles pour obtenir de bon résultats. Ceci est surtout vrai au niveau de la modélisation des cibles ponctuelles dont la restauration semblent plus difficiles. Due to the coherent nature of the Synthetic Aperture Radar (SAR) signal, polarimetric SAR(POLSAR) images are affected by speckle noise.  The effect of speckle can be so severe as to render the POLSAR data unusable. This is especially true for single-look data that suffer from very intense speckle. Noise filtering is necessary to improve the estimation of polarimetric parameters that can be computed from this type of data. This is an important step in the processing and analysis of POLSAR images.  Recently, a new approach has emerged in data processing aimed at solving a multi-tude of problems including filtering, image restoration, speech recognition, classification orimage segmentation.  This approach is deep learning and convolutional neural networks(CONVNET). Recent works show that CONVNET are a promising alternative for filtering SAR images. Indeed, by their ability to learn an optimal filtering model only from the data, they tend to outperform classical approaches to filtering on SAR images.  The objective of this study is to analyze and evaluate the effectiveness of CONVNET filtering on simulated POLSAR data and on RADARSAT-2, ALOS/PalSAR and GaoFen-3 satellite images acquired over the San Francisco urban area (California). Models inspired by the architecture of a CONVNET used in particular in super-resolution have been adapted for the filtering of the polarimetric coherency matrix.  The effect of different structural parameters of theCONVNET architecture on filtering were analyzed, among which are the depth of the neural network (the number of stacked layers), the width of the neural network (the number of filters per convoluted layer) and the size of the filters of the first convolution layer.  The models were learned by backpropagation of the error gradient using 3 datasets that simulate single-look polarimetry of the scatterers according to Cloude-Pottier classes. The first dataset contains only homogeneous areas. The last two datasets consist of patchwork simulations where local intensity is simulated by texture images and point target are added to the patchwork in the case of the last dataset. The performance of the different filters by CONVNET was measured by indicators including relative error on the estimation of polarimetric signatures and decomposition parameters as well as distortion measurements on the recovery of major details and on the conservation of point targets.The results show that CONVNET filtering of polarimetric data is either equivalent or significantly superior to conventional polarimetric filters. The results of the deepest models obtain the best performance for all indicators over the simulated homogeneous dataset. Inthe case of patchwork dataset, the results for detail restoration are clearly favourable to the deepest CONVNET filtering.  The application of CONVNET filtering on RADARSAT-2,  ALOS/PalSAR andGaoFen-3 satellite images shows results comparable or superior to conventional filters. The best results were obtained by the 5 hidden layers model (not counting the input and outputlayers), with 8 filters 3×3 per convolutional layer, except for the input layer where the filtersize was 9×9. On the other hand, the training data must be well adjusted to the statistical range of the real polarimetric images to obtain good results. This is especially true when modeling point targets that appear to be more difficult to restore.

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