Fin d’année : il est temps de prendre de bonnes résolutions, mais ce ne sera pas facile !

Catégorie: Données, Entreprises, Imagerie, Institutions, Matériel/GPS, Reportages, Satellite/Spatial

Par Thierry Rousselin, Tmcftn

A quelques jours de distance, Microsoft annonce les nouvelles capacités d’interprétation offertes dans Microsoft Azure via les algorithmes du Projet Turing et la NOAA accorde la première licence commerciale à un satellite d’observation à 10 cm de résolution. Ces deux événements différents rendent néanmoins compte du terrible bazar qui règne désormais tant dans la résolution des images que dans les capacités d’interprétation. Analyse.

Satellites d‘observation de la Terre en orbite un jeudi matin vers 11h (https://satmap.space/)

Au commencement le monde était simple, la résolution spatiale des images disponibles commercialement correspondait à ce que permettait l’instrument de prise de vue à l’altitude où on l’avait placé. L’instrument HRV de Spot 1 acquérait des données à 10 m de résolution et Spot Image vous fournissait des images avec des pixels de 10 m de côté. Et quand vous vouliez connaître le potentiel d’interprétation, les grilles NIIRS (National Imagery Interpretability Rating Scale), basées sur 60 ans d’expérience en photo-interprétation, vous disaient ce que vous pouviez détecter, reconnaître ou identifier sur ces images. C’était le bon temps…

Années 90 : premiers bricolages

Cela se compliqua un peu à partir de la fin des années 90. À cette période les États-Unis donnaient le La sur les résolutions commerciales autorisées. S’ils disaient que la limite pour les capteurs optiques était à 5 m, personne ne se risquait à descendre plus bas (d’autant que les composants d’origine américaine inclus dans les satellites européens, canadiens ou japonais fournissaient un efficace moyen de pression). La pagaille vint du fait que l’administration américaine changea plusieurs fois d’avis dans les années 90, en autorisant successivement la résolution spatiale de 3 m puis celle de 1 m puis celle de 70 cm. Pour ne pas se laisser distancer, certains compétiteurs, à commencer par Spot Image pour Spot 5, durent « bricoler ». Alors que les deux instruments HRG à bord n’avaient qu’une résolution de 5 m, le « super mode » permettait de créer une image à 2,5 m de résolution à partir de deux images à 5 mètres acquises simultanément avec un demi-pixel de décalage. Il y avait donc déjà pas mal de traitement d’images avancé dans le produit livré au client. Cette situation a perduré jusqu’au début des années 2010 dans un relatif gentlemen’s agreement dû au faible nombre d’acteurs mondiaux. Il y avait bien quelques bidouilleurs effrontés, mais tout le monde les connaissait et ça n’impactait pas le marché.

Il est à noter que dans le domaine radar (où la résolution commerciale de l’image est partiellement un choix réalisé dans le processeur SAR au sol), le même genre de gentlemen’s agreement existait également. Les différents opérateurs canadiens, italiens, allemands et japonais convergeant même sur des dénominations communes : SpotLight pour les données à 1 m, StripMap pour les données à 3 m et ScanSAR pour les données basse résolution.

Alors que s’est-il passé en moins de 10 ans pour qu’aujourd’hui toutes les frontières se brouillent ?

Sept facteurs peuvent expliquer la situation actuelle.

#1 : La multiplication des acteurs

Depuis 2012, les projets se sont multipliés dans le monde entier (il y a une centaine de projets actifs de constellations d’observation actuellement et la NGA estime que 500 satellites d’observation seront lancés chaque année d’ici 2026). Dans la course aux financements et à la reconnaissance, tous les coups sont permis, y compris l’intoxication et les mensonges les plus éhontés. Face à ces discours, il faut prendre en compte la part d’espoirs irréalistes (quand un porteur de projet au stade PowerPoint vous expliquait en 2015 qu’en 2 ans sa constellation serait en orbite, il y croyait vraiment). Mais il faut également intégrer que beaucoup de nouveaux entrants viennent d’une culture beaucoup plus compétitive et agressive que notre ancien monde très traditionnel où l’on discutait « entre spécialistes ».

Croissance du nombre de satellites d’observation commerciaux selon la NGA (© NGA – Présentation DGI 2021 – septembre 2021)

#2 : La montée en puissance de la Chine

En 15 ans, la Chine est passée du statut de second client (après la défense américaine) des opérateurs commerciaux occidentaux à celui de potentiel principal compétiteur. Utilisons le terme « potentiel » car les parts de marché des principaux opérateurs commerciaux chinois sont encore négligeables comparées à Maxar, Airbus DS et même Planet. Mais l’activisme en termes de développement de nouveaux capteurs et constellations, son rythme effréné de lancements, ont permis à la Chine de réduire l’énorme retard qu’elle avait au début des années 2010. Cette progression est désormais reconnue (et vue comme une menace) par les autorités américaines, comme en témoigne ce classement des capacités présenté par la NGA en avril 2021.

Classement « Olympique » des capacités d’observation mondiales selon David Gauthier, Director, Commercial and Business Operations NGA (© NGA – Présenté à la réunion ACCRES – 27 avril 2021 https://www.nesdis.noaa.gov/commercial-space/regulatory-affairs/accres/accres-reports-and-minutes)

Sur les 11 premiers mois de 2021, pas moins d’une soixantaine de satellites d’observation, de météorologie ou de détection de navires ont été lancés. Et ce n’est qu’un début. À côté des constellations institutionnelles bien établies (différents satellites Gaofen, HY, FY, TH…) et de leurs acteurs commerciaux dérivés (5 Jilin lancés avec succès sur la période), de multiples acteurs régionaux ou privés chinois lancent des projets et investiguent les domaines plus « prospectifs » (radar, hyperspectral, atténuation du signal GPS, SIGINT) et ont désormais la possibilité de lancer leurs satellites. Cette mise en compétition, orchestrée par les autorités chinoises, a pour but de faire émerger des capacités nouvelles, si possible disruptives. L’annonce en fin d’année de la constellation radar Tiangang de 36 satellites illustre ce phénomène. Zhuhai, le constructeur et opérateur privé du sud de la Chine, qui s’était manifesté en 2018-2019 par des POC vidéo et hyperspectral, a obtenu d’être impliqué dans un programme clé de l’administration chinoise. Il faut rappeler que le manque de capacités radar, limitées au seul Gaofen 3, a été une leçon clé tirée à la suite des inondations catastrophiques qui ont touché divers fleuves chinois l’été dernier. Cette montée en puissance de la Chine ne s’encombre évidemment d’aucune des règles traditionnelles des Occidentaux et sera disponible pour tous les clients du « Space Information Corridor » Chinois.

Le Space Information Corridor Chinois tel qu’il est proposé aux partenaires (© CSNA – novembre 2021)

#3 : Le rééquilibrage bienvenu entre résolution spatiale et résolution temporelle

Il s’agit de l’apport essentiel des porteurs de nouveaux projets depuis Skybox Imaging au début des années 2010 jusqu’à Planet, Satellogic ou BlackSky aujourd’hui. Dans un univers dans lequel la plupart des acteurs privilégiaient la qualité image et la résolution spatiale, les nouveaux entrants ont fait comprendre et démontré à tous que la résolution temporelle permet de répondre à de multiples questions à fort impact économique et social. Quand BlackSky, avec ses 12 satellites actuels, peut proposer jusqu’à 15 créneaux d’observation dans une seule journée sur certaines cibles (cette capacité est pour l’instant limitée à quelques lieux), la résolution spatiale de 1 m de ses satellites importe peu. Et l’opérateur annonce qu’il ne passera à 50 cm qu’à partir de 2023 au plus tôt, ce qui confirme que ce n’est pas l’enjeu.

Le port de Freemantle vu le même jour par différents satellites BlackSky (© BlackSky – décembre 2021)

#4 : L’arrivée à maturité des nouvelles bandes spectrales

C’était l’arlésienne depuis 30 ans. Toujours annoncées, les capacités Infra Rouge Moyen, Infra Rouge Thermique ou Hyper-spectrales restaient pour la plupart à l’état de projets lointains et l’utilisateur devait continuer à se servir de données Landsat ou Aster. Il y a désormais de multiples projets quasiment opérationnels dans le monde entier et l’accès à des ressources dans ces domaines sera une des grandes améliorations des années 2022-2024. Et ce, malgré le traumatisme des opérateurs à la suite du lancement de WorldView 3 en 2014. En effet, ce dernier propose 8 bandes spectrales SWIR (entre 1,195 et 2,365 nm) avec une résolution spatiale de 3,7 m. L’administration américaine a mis plus de deux ans à statuer pour savoir si les images commercialisées devaient être vendues à cette résolution ou rééchantillonnées. Pendant tout ce temps, le satellite était opérationnel mais Digital Globe était coincé et perdait des ventes potentielles.

Exemple d’amélioration attendue en 2023 dans le domaine infrarouge thermique (©ConstellIR – décembre 2021)

#5 : Tous les chemins mènent à Rome

Pour une même résolution spatiale du produit, l’image peut être acquise au moyen d’un satellite très performant à 600 km d’altitude ou d’un satellite beaucoup plus rustique à 170 km.

Certaines innovations sont difficiles à évaluer avant que les satellites soient en orbite et fournissent des données. Rappelons ici qu’en 2016 la plupart des experts radars européens qu’ils soient institutionnels ou industriels contestaient la faisabilité même de ce qu’annonçaient les nouveaux entrants radar (Capella, Trident ou Iceye).

Les nouvelles possibilités du traitement à bord des images vont également changer la donne en termes de capacités opérationnelles. La Chine a d’ailleurs lancé dès 2018-2019 plusieurs missions d’observation centrées sur cet enjeu.

Voler très bas (en dessous de 250 km) n’est plus un tabou réservé aux satellites militaires dans un monde de satellites commerciaux à durée de vie courte et faible coût.

#6 : Les nouvelles possibilités offertes par l’intelligence artificielle et le traitement des données

Booster la résolution spatiale des images n’est donc pas nouveau et Pléiades en était un bon exemple, passant d’une résolution native de 70 cm à des images distribuées à 50 cm. Ce qui change est la disponibilité large de techniques permettant soit d’augmenter la résolution, soit d’améliorer la lisibilité des images à résolution identique. Là où il y a 10 ou 20 ans, seuls des labos pointus maîtrisaient ce type de processus, ces techniques sont aujourd’hui répandues dans de multiples applications grand public. Ce sont elles qui transforment par exemple un utilisateur de smartphone tremblotant en as de la photographie. Combinées à une archive d’images satellites mondiale et à jour ainsi qu’à des bases de tags référençant à peu près tous les types d’objets de la planète, les possibilités sont infinies.

Lorsque Planet distribue des images homogénéisées à 3 m de résolution à partir d’une constellation de satellites aux caractéristiques hétérogènes (différentes générations de capteurs, différentes altitudes de vol), il procède déjà à un énorme travail algorithmique invisible de l’utilisateur.

Pour s’aligner sur le standard du marché à 50 cm, le même Planet a abaissé l’orbite de ses Skysat en 2019. Comme cela ne suffisait pas, c’est par un traitement algorithmique que les Skysat atteignent désormais la résolution souhaitée.

Maxar, en retard sur son projet de constellation Legion, a essayé de couper l’herbe sous les pieds d’Airbus DS, en proposant en décembre 2020 une offre rééchantillonnée à 15 cm des données WorldView 2 ou 3, quelques mois avant le lancement du premier satellite Pléiades Néo. L’utilisateur va donc se retrouver à une même résolution spatiale avec de multiples offres de qualité variable et au potentiel d’interprétation différent.

Exemple de données Maxar 15 cm HD (©Maxar – décembre 2020)

#7 : Les opérateurs vont se retrouver concurrencés par les plateformes

L’annonce de Microsoft qui propose un nettoyage et une amélioration de la lisibilité (et du potentiel d’interprétation humaine ou algorithmique) dans le cadre du projet Turing n’est que le début d’un mouvement qui va placer les opérateurs de Cloud (Amazon, Google et Microsoft en premier lieu) en concurrence avec les opérateurs satellitaires sur le marché de l’Analytics Ready. En effet, depuis trois ans, tous les opérateurs proposent des données « Analytics Ready » garantissant aux acteurs de l’analytique l’absence des problèmes de géométrie ou de radiométrie qui peuvent polluer le fonctionnement de leurs algorithmes. Les opérateurs avaient pourtant un atout pour assurer cette mise en forme des données, lié à leur connaissance fine de la prise de vue, permettant certains types de traitements pointus. Mais les plateformes ont énormément progressé en traitant des Péta de données dans le cadre de la mise à disposition de collections entières type Sentinel ou Landsat. Elles disposent en outre d’une force de frappe algorithmique sans commune mesure avec celle des opérateurs de satellites, en particulier dans la capacité à généraliser ces résultats sur des millions de km². Quant aux nouveaux acteurs qui avaient commencé à se positionner sur le marché de la « raffinerie de données  », ils risquent de jouer le rôle de la tranche de jambon dans un sandwich SNCF.

Illustration des corrections proposées par Microsoft Azure (© Microsoft – décembre 2021)

Quelques conséquences déjà constatées sur la régulation

Comme cela a été indiqué antérieurement, l’ancien système de régulation américain était essentiellement basé sur la résolution spatiale des images et leur capacité de photo-interprétation humaine (classe NIIRS). Il donnait le ton de la régulation mondiale.

Il a été remplacé par un nouveau système toujours géré par la NOAA pour le Département du Commerce. Il repose sur un principe en trois « Tiers » : Dans chaque tiers l’originalité et l’exclusivité des capacités offertes (quelles qu’elles soient, spatiales, spectrales, temporelles ou radiométriques) sont analysées afin d’en déduire un degré d’ouverture de la commercialisation.

Définition des 3 Tiers de la réglementation américaine (© NESDIS NOAA – Tiering Threshold Document Q3 2021)

Et les règles pour chaque « Tier » sont revues chaque trimestre pour tenir compte de l’évolution de l’offre mondiale.

C’est ainsi que la première licence pour une constellation proposant des images à 10 cm de résolution vient d’être accordée à Albedo. Il s’agit clairement d’une capacité satellitaire unique au monde dans le domaine commercial. Albedo a donc reçu une licence Tier 3. Celle-ci comporte donc de multiples restrictions. En cas d’urgence nationale pour les États-Unis (décision à la discrétion du département de la Défense et du Directeur du Renseignement), l’activité de l’opérateur commercial peut basculer exclusivement au profit de la défense. De plus, dans le même contexte, les données en archive ne peuvent être distribuées à des tiers. Albedo espère lancer le premier satellite en 2023 ce qui laisse aux acteurs actuels le temps de verrouiller leur activité… et de proposer des offres HD de retraitement à 10 cm de leurs données 25 ou 30 cm.

Quelques conséquences pour les utilisateurs

Les différents facteurs présentés plus haut peuvent et vont se combiner : Comment comparer les résultats d’un instrument à la pointe de l’art type Pléiades Neo ou WorldView 3 avec les résultats d’un instrument médiocre… amélioré par l’IA ?

De plus, la même image acquise par un capteur un jour donné pourra avoir de multiples niveaux de lisibilité selon la plateforme sur laquelle elle sera exploitée : une situation qui ouvre vers des disputes infinies entre celles et ceux qui regarderont une situation à la même date sans en tirer les mêmes conclusions.

Enfin, les débats légitimes sur l’ouverture du capot des algorithmes vont se déplacer : ils se focalisaient sur les algorithmes de détection et d’interprétation, il va falloir se préoccuper tout autant de la matière image.

L’utilisateur va donc devoir être sioux, non pas pour séparer le bon grain de l’ivraie (ce n’est pas un concours de beauté), mais pour constamment choisir ce qui correspond vraiment à son besoin. De plus en plus de cas d’usages pertinents utilisent des images qu’un expert, assis sur ses certitudes scientifiques, classerait « images de merde ». Mais il y aura à l’inverse des cas où il ne faudra faire aucune concession sur la qualité native des images (et sa sainte trilogie Ground Sampling Distance, Modulation Transfer Function, Signal Noise Ratio). Cela ouvre à la fois des perspectives enthousiasmantes sur la disponibilité de tous les types et qualité de données pouvant servir le plus grand nombre de besoins et de budgets clients. Mais cela prélude aussi de vrais enjeux de formation et d’éducation de tous les acteurs. Mais ces réflexions paraissent bien éloignées du mot d’ordre entendu durant toute l’année 2021 d’interviews en conférences (aux États-Unis comme en Europe): « Simplify, Simplify, Simplify ». Pas certains que les deux démarches puissent se combiner : à trop simplifier pour les utilisateurs, ils risquent de perdre confiance dans les données. Non, ce n’est pas la fin des bonnes résolutions !