Hierarchical joint classification models for multi-resolution, multi-temporal and multi-sensor remote sensing images. Application to natural disasters

Les moyens mis en œuvre pour surveiller la surface de la Terre, notamment les zones urbaines, en cas de catastrophes naturelles telles que les inondations ou les tremblements de terre, et pour évaluer l’impact de ces événements, jouent un rôle primordial du point de vue sociétal, économique et humain. Dans ce cadre, des méthodes de classification précises et efficaces sont des outils particulièrement importants pour aider à l’évaluation rapide et fiable des changements au sol et des dommages provoqués. Étant données l’énorme quantité et la variété des données Haute Résolution (HR) disponibles grâce aux missions satellitaires de dernière génération et de différents types, telles que Pléiades, COSMO-SkyMed ou RadarSat-2 la principale difficulté est de trouver un classifieur qui puisse prendre en compte des données multi-bande, multi-résolution, multi-date et éventuellement multi-capteur tout en gardant un temps de calcul acceptable. Les approches de classification multi-date/multi-capteur et multi-résolution sont fondées sur une modélisation statistique explicite. En fait, le modèle développé consiste en un classifieur bayésien supervisé qui combine un modèle statistique conditionnel par classe intégrant des informations pixel par pixel à la même résolution et un champ de Markov hiérarchique fusionnant l’information spatio-temporelle et multi-résolution, en se basant sur le critère des Modes Marginales a Posteriori (MPM en anglais), qui vise à affecter à chaque pixel l’étiquette optimale en maximisant récursivement la probabilité marginale a posteriori, étant donné l’ensemble des observations multi-temporelles ou multi-capteurThe capabilities to monitor the Earth's surface, notably in urban and built-up areas, for example in the framework of the protection from environmental disasters such as floods or earthquakes, play important roles in multiple social, economic, and human viewpoints. In this framework, accurate and time-efficient classification methods are important tools required to support the rapid and reliable assessment of ground changes and damages induced by a disaster, in particular when an extensive area has been affected. Given the substantial amount and variety of data available currently from last generation very-high resolution (VHR) satellite missions such as Pléiades, COSMO-SkyMed, or RadarSat-2, the main methodological difficulty is to develop classifiers that are powerful and flexible enough to utilize the benefits of multiband, multiresolution, multi-date, and possibly multi-sensor input imagery. With the proposed approaches, multi-date/multi-sensor and multi-resolution fusion are based on explicit statistical modeling. The method combines a joint statistical model of multi-sensor and multi-temporal images through hierarchical Markov random field (MRF) modeling, leading to statistical supervised classification approaches. We have developed novel hierarchical Markov random field models, based on the marginal posterior modes (MPM) criterion, that support information extraction from multi-temporal and/or multi-sensor information and allow the joint supervised classification of multiple images taken over the same area at different times, from different sensors, and/or at different spatial resolutions. The developed methods have been experimentally validated with complex optical multispectral (Pléiades), X-band SAR (COSMO-Skymed), and C-band SAR (RadarSat-2) imagery taken from the Haiti sit