Thèse Année : 2024

Development of an innovative method for the extraction of wave characteristics from satellite imagery : Application to the measurement of coastal bathymetry

Développement d'une méthode innovante pour l'extraction des caractéristiques des vagues à partir d'imageries satellitaires

Rana El Arayeh
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1518826
  • IdRef : 283601256

Résumé

To understand changes of the underwater geomorphology, regional bathymetry information is paramount. This sparsity can be overcome by space-borne satellite techniques to derive bathymetry. With the development of new missions in open-access, space-borne sensors now represent an attractive solution for a broad public to capture local-scale coastal impacts at large scales. Only from intermediate water until shore, the linear dispersion relation (1) can be used to estimate a local depth. c² = g/k tanh( kh) ⇐⇒ h = λ/2π arctanh (2πc²/gλ). (1) in which c is the wave celerity,h is the water depth, g represents the acceleration of gravity, k is the wave number and λ is the wavelength. Studies, for example Holman et al. (2013), show that wave pattern can be extracted using a Radon transform then they obtained physical wave characteristics (λ, c) using a 1D-DFT for the most energetic incident wave direction in Radon space (sinogram). In this work, we seek thorough research in signal processing that is contained in Sentinel-2 (ESA/ Copernicus spaceborne optical sensor) images and optimization of this signal. This work is carried out in the perspective of the production of differential bathymetry, with an interest in the detection / evaluation of changes in underwater geomorphology. Identification of such changes has potential applications in risk analysis related to seismotectonics, submersion, submarine gravitational movements and morphodynamics, littoral dynamic-related seasonal or extreme events, among others. Here, regional bathymetries are derived at the test-site of Arcachon, France. Our approach is based on calculating the gradient around each point of the image. This approach will be a source of improvement of the method developed by Almar et al. (2019) and de Michele et al. (2012) and will give us a better estimation of wave propagation direction and the possibility of dealing with two wave regimes which overlap. When analyzing directional data, it is often appropriate to pay attention only to the direction of each datum, disregarding its norm. The von Mises-Fisher (vMF) distribution is the most important probability distribution for such data (Chen et al. (2013)). With this novel technique, we extract the wave direction by estimating the parameters of Von Mises-Fisher distribution from local gradients around each point (also see Tanabe et al. (2007)). Therefore, Sentinel-2 imagery-derived wave characteristics are extracted using a unidirectional Hough transform. A discrete fast-Fourier (DFT) procedure in Hough space (sinogram) is then applied to derive wave spectra. Sentinel-2 time-lag between detector bands is employed to compute the spectral wave-phase shifts. Finally, we estimate depth using the gravity wave linear dispersion equation (1). In conclusion, the development of the theoretical model based on von Mises-Fisher (vMF) distribution is an alternative way to carry out the processing in order to produce coastal bathymetry when comparing the results against GEBCO bathymetry dataset. The ultimate perspective is to be able to make accurate developments of our approach with the intention of improving the method to detect mixture of von Mises-Fisher distributions.

Pour comprendre les changements de la géomorphologie sous-marine, les informations bathymétriques régionales sont primordiales. Cette rareté peut être surmontée par des techniques satellitaires spatiales pour estimer la bathymétrie. Avec le développement de nouvelles missions à accès libre, les capteurs spatiaux représentent désormais une solution attractive pour un large public pour détecter à grande échelle les impacts côtiers à l'échelle locale. La relation de dispersion linéaire (1) peut être utilisée pour estimer une profondeur locale depuis les eaux intermédiaires jusqu'à la côte. c² = g/k tanh( kh) ⇐⇒ h = λ/2π arctanh (2πc²/gλ). (1) dans laquelle c est la célérité des vagues, h est la profondeur de l'eau, g représente l'accélération de la gravité, k est le nombre d'onde et λ est la longueur d'onde. Des études, par exemple Holman et al. (2013), montrent que la direction des ondes peut être extraite à l'aide de la transformée de Radon. Ils obtiennent les caractéristiques physiques des ondes (λ, c) en appliquant la transformée de Fourier discrète 1D à l'espace de Radon (sinogramme) dans la direction d'onde la plus énergétique. Dans ce travail, nous avons effectué une recherche approfondie sur le traitement du signal contenu dans les images Sentinel-2 (capteur optique spatial ESA/Copernicus) et l'optimisation de ce signal. Ce travail est réalisé dans le but de l'extraction de la bathymétrie différentielle, avec intérêt pour la détection/évaluation des changements de la géomorphologie sous-marine. L'identification de tels changements a des applications potentielles dans l'analyse des risques liés à la sismotectonique, à la submersion, aux mouvements gravitationnels et morphodynamiques sous-marins, aux événements saisonniers ou extrêmes liés à la dynamique littorale. Ici, les bathymétries régionales sont dérivées sur le site d'Arcachon, France. Notre approche est basée sur le calcul du gradient autour de chaque point de l'image. Cette approche sera source d'amélioration de la méthode développée par Almar et al. (2019) et de Michele et al. (2012) qui nous donnera une meilleure estimation de la direction de propagation des ondes et la possibilité de traiter deux régimes de vagues croisées. Lors de l'analyse de données directionnelles, il convient souvent de prêter attention uniquement à la direction de chaque donnée, sans tenir compte de sa norme. La distribution de von Mises-Fisher (vMF) est la distribution de probabilité la plus importante pour de telles données (Chen et al. (2013)). Avec cette nouvelle technique, nous extrayons la direction des vagues en estimant les paramètres de la distribution de von Mises-Fisher à partir des gradients locaux autour de chaque point (voir également Tanabe et al. (2007)). Par conséquent, les caractéristiques des ondes dérivées de l'imagerie Sentinel-2 sont extraites à l'aide d'une transformée de Hough unidirectionnelle. Une transformée discrète de Fourier (DFT) est ensuite appliquée au signal de Hough pour dériver le spectre des fréquences spatiales des ondes. Le décalage temporel entre les bandes d'une image Sentinel-2 est utilisé pour calculer le déphasage spectral des ondes. Finalement, nous estimons la profondeur à l'aide de la relation de dispersion linéaire (1). En conclusion, le développement du modèle théorique basé sur la distribution de von Mises - Fisher (vMF) est une méthode alternative pour effectuer le traitement afin de produire une bathymétrie côtière en comparant les résultats avec l'ensemble de données bathymétriques GEBCO. Les perspectives ultimes sont de développer notre approche dans le but d'améliorer la méthode de détection des mélanges de modèle de la distribution de von Mises - Fisher.

Fichier principal
Vignette du fichier
2024ORLE1068_va.pdf (11.9 Mo) Télécharger le fichier
Origine Version validée par le jury (STAR)
Licence

Dates et versions

tel-04988266 , version 1 (12-03-2025)

Licence

Identifiants

  • HAL Id : tel-04988266 , version 1

Citer

Rana El Arayeh. Development of an innovative method for the extraction of wave characteristics from satellite imagery : Application to the measurement of coastal bathymetry. Signal and Image Processing. Université d'Orléans, 2024. English. ⟨NNT : 2024ORLE1068⟩. ⟨tel-04988266⟩
166 Consultations
140 Téléchargements

Partager

  • More