Study on the geomorphological quality of digital terrain models derived from space imagery

La production de Modèles Numériques de Terrain (MNT) a subi d’importantes évolutions durant les deux dernières décennies en réponse à une demande croissante pour des besoins scientifiques et industriels. De nombreux satellites d’observation de la Terre, utilisant des capteurs tant optiques que radar, ont permis de produire des MNT couvrant la plupart de la surface terrestre. De plus, les algorithmes de traitement d’images et de nuages de points ont subi d’importants développements. Ces évolutions ont fourni des MNT à différentes échelles pour tout utilisateur. Les applications basées sur la géomorphologie ont profité de ces progrès. En effet, ces applications exploitent les formes du terrain dont le MNT constitue une donnée de base. Cette étude a pour objectif d’évaluer l’impact des paramètres de production de MNT par photogrammétrie et par InSAR sur la qualité de position et de forme de ces modèles. La qualité de position, évaluée par les producteurs de MNT, n’est pas suffisante pour évaluer la qualité des formes. Ainsi, nous avons décrit les méthodes d’évaluation de la qualité de position et de forme et la différence entre elles. Une méthode originale de validation interne, qui n’exige pas de données de référence, a été proposée. Ensuite, l’impact des paramètres de l’appariement stéréoscopique, du traitement interférométrique ainsi que du rééchantillonnage, sur l’altitude et les formes, a été évalué. Finalement, nous avons conclu sur des recommandations pour choisir correctement les paramètres de production, en particulier en photogrammétrie.Nous avons observé un impact négligeable de la plupart des paramètres sur l’altitude, à l’exception de ceux de l’InSAR. Par contre, un impact significatif existe sur les dérivées de l’altitude. L’impact des paramètres d’appariement présente une forte dépendance avec la morphologie du terrain et l’occupation du sol. Ainsi, le choix de ces paramètres doit être effectué en prenant en considération ces deux facteurs. L’effet des paramètres du traitement interférométrique se manifeste par des erreurs de déroulement de phase qui affectent principalement l’altitude et peu les dérivées. Les méthodes d’interpolation et la taille de maille présentent un impact faible sur l’altitude et important sur ses dérivées. En effet, leur valeur et leur qualité dépendent directement de la taille de maille. Le choix de cette taille doit s’effectuer selon les besoins de l’application visée. Enfin, nous avons conclu que ces paramètres sont interdépendants et peuvent avoir des effets similaires. Leur choix doit être effectué en prenant en considération à la fois l’application concernée, la morphologie du terrain et son occupation du sol afin de minimiser l’erreur des résultats finaux et des conclusions.The production of Digital Elevation Models (DEMs) has undergone significant evolution duringthe last two decades resulting from a growing demand for scientific as well as industrial purposes.Many Earth observation satellites, using optical and radar sensors, have enabled the production ofDEMs covering most of the Earth’s surface. The algorithms of image and point cloud processing havealso undergone significant evolution. This progress has provided DEMs on different scales, which canfulfill the requirements of many users. The applications based on geomorphology have benefitted fromthis evolution. Indeed, these applications concentrate specifically on landforms for which the DEMconstitutes a basic data.The aim of this study is to assess the impact of the parameters of DEM production byphotogrammetry and InSAR on position and shape quality. The position quality, assessed by DEMproducers, is not sufficient for the evaluation of shape quality. Thus, the evaluation methods ofposition and shape quality and the difference between them are described. A novel method of internalvalidation, which does not require reference data, is proposed. Then, the impact of image matchingand interferometric processing parameters as well as resampling, on elevation and shapes, is assessed.Finally, we conclude on recommendations on how to choose the production parameters correctly,particularly for photogrammetry.We observe little impact from most of the parameters on the elevation, except InSAR parameters.On the other hand, there is a significant impact on the elevation derivatives. The impact of matchingparameters presents a strong dependence on the terrain morphology and the landcover. Therefore,these parameters have to be selected by taking into account these two factors. The effect ofinterferometric processing manifests by phase unwrapping errors that mainly affect the elevation andless the derivatives. The interpolation methods and the mesh size present a small impact on theelevation and a significant impact on the derivatives. Indeed, the value of the derivatives and theirquality depend directly on the mesh size. The selection of this size has to be made according to theforeseen application. Finally, we conclude that these parameters are interdependent and can havesimilar effects. They must be selected according to the foreseen application, the terrain morphologyand the landcover in order to minimize the error in the final results and the conclusions