Handling data quality in extraction and selection of evolutions from displacement field time series obtained by satellite imagery
Prise en compte de la qualité des données lors de l’extraction et de la sélection d’évolutions dans les séries temporelles de champs de déplacements en imagerie satellitaire
Résumé
This PhD thesis deals with knowledge discovery from Displacement Field Time Series (DFTS) obtained by satellite imagery. Such series now occupy a central place in the study and monitoring of natural phenomena such as earthquakes, volcanic eruptions and glacier displacements. These series are indeed rich in both spatial and temporal information and can now be produced regularly at a lower cost thanks to spatial programs such as the European Copernicus program and its famous Sentinel satellites.
Our proposals are based on the extraction of grouped frequent sequential patterns. These patterns, originally defined for the extraction of knowledge from Satellite Image Time Series (SITS), have shown their potential in early work to analyze a DFTS. Nevertheless, they cannot use the confidence indices coming along with DFTS and the swap method used to select the most promising patterns does not take into account their spatiotemporal complementarities, each pattern being evaluated individually.
Our contribution is thus double. A first proposal aims to associate a measure of reliability with each pattern by using the confidence indices. This measure allows to select patterns having occurrences in the data that are on average sufficiently reliable. We propose a cor- responding constraint-based extraction algorithm. It relies on an efficient search of the most reliable occurrences by dynamic programming and on a pruning of the search space provided by a partial push strategy. This new method has been implemented on the basis of the exis- ting prototype SITS-P2miner, developed by the LISTIC and LIRIS laboratories to extract and rank grouped frequent sequential patterns.
A second contribution for the selection of the most promising patterns is also made. This one, based on an informational criterion, makes it possible to take into account at the same time the confidence indices and the way the patterns complement each other spatially and temporally. For this aim, the confidence indices are interpreted as probabilities, and the DFTS are seen as probabilistic databases whose distributions are only partial. The informational gain associated with a pattern is then defined according to the ability of its occurrences to complete/refine the distributions characterizing the data. On this basis, a heuristic is proposed to select informative and complementary patterns. This method provides a set of weakly redundant patterns and therefore easier to interpret than those provided by swap randomization. It has been implemented in a dedicated prototype.
Both proposals are evaluated quantitatively and qualitatively using a reference DFTS covering Greenland glaciers constructed from Landsat optical data. Another DFTS that we built from TerraSAR-X radar data covering the Mont-Blanc massif is also used. In addition to being constructed from different data and remote sensing techniques, these series differ drastically in terms of confidence indices, the series covering the Mont-Blanc massif being at very low levels of confidence. In both cases, the proposed methods operate under standard conditions of resource consumption (time, space), and experts’ knowledge of the studied areas is confirmed and completed.
Ce travail de thèse traite de la découverte de connaissances à partir de Séries Temporelles de Champs de Déplacements (STCD) obtenues par imagerie satellitaire. De telles séries oc- cupent aujourd’hui une place centrale dans l’étude et la surveillance de phénomènes naturels tels que les tremblements de terre, les éruptions volcaniques ou bien encore le déplacement des glaciers. En effet, ces séries sont riches d’informations à la fois spatiales et temporelles et peuvent aujourd’hui être produites régulièrement à moindre coût grâce à des programmes spatiaux tels que le programme européen Copernicus et ses satellites phares Sentinel.
Nos propositions s’appuient sur l’extraction de motifs Séquentiels Fréquents Groupés (SFG). Ces motifs, à l’origine définis pour l’extraction de connaissances à partir des Sé- ries Temporelles d’Images Satellitaires (STIS), ont montré leur potentiel dans de premiers travaux visant à dépouiller une STCD. Néanmoins, ils ne permettent pas d’utiliser les indices de confiance intrinsèques aux STCD et la méthode de swap randomisation employée pour sélectionner les motifs les plus prometteurs ne tient pas compte de leurs complémentarités spatiotemporelles, chaque motif étant évalué individuellement.
Notre contribution est ainsi double. Une première proposition vise tout d’abord à asso- cier une mesure de fiabilité à chaque motif en utilisant les indices de confiance. Cette mesure permet de sélectionner les motifs portés par des données qui sont en moyenne suffisam- ment fiables. Nous proposons un algorithme correspondant pour réaliser les extractions sous contrainte de fiabilité. Celui-ci s’appuie notamment sur une recherche efficace des occurrences les plus fiables par programmation dynamique et sur un élagage de l’espace de recherche grâce à une stratégie de push partiel, ce qui permet de considérer des STCD conséquentes. Cette nouvelle méthode a été implémentée sur la base du prototype existant SITS-P2miner, déve- loppé au sein du LISTIC et du LIRIS pour extraire et classer des motifs SFG.
Une deuxième contribution visant à sélectionner les motifs les plus prometteurs est égale- ment présentée. Celle-ci, basée sur un critère informationnel, permet de prendre en compte à la fois les indices de confiance et la façon dont les motifs se complètent spatialement et tem- porellement. Pour ce faire, les indices de confiance sont interprétés comme des probabilités, et les STCD comme des bases de données probabilistes dont les distributions ne sont que par- tielles. Le gain informationnel associé à un motif est alors défini en fonction de la capacité de ses occurrences à compléter/affiner les distributions caractérisant les données. Sur cette base, une heuristique est proposée afin de sélectionner des motifs informatifs et complémentaires. Cette méthode permet de fournir un ensemble de motifs faiblement redondants et donc plus faciles à interpréter que ceux fournis par swap randomisation. Elle a été implémentée au sein d’un prototype dédié.
Les deux propositions sont évaluées à la fois quantitativement et qualitativement en uti- lisant une STCD de référence couvrant des glaciers du Groenland construite à partir de données optiques Landsat. Une autre STCD que nous avons construite à partir de données radar TerraSAR-X couvrant le massif du Mont-Blanc est également utilisée. Outre le fait d’être construites à partir de données et de techniques de télédétection différentes, ces séries se différencient drastiquement en termes d’indices de confiance, la série couvrant le massif du Mont-Blanc se situant à des niveaux de confiance très faibles. Pour les deux STCD, les méthodes proposées ont été mises en œuvre dans des conditions standards au niveau consom- mation de ressources (temps, espace), et les connaissances des experts sur les zones étudiées ont été confirmées et complétées.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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