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RÉSUMÉ
L’imagerie hyperspectrale ou spectro-imagerie est une technique de mesure à distance permettant de caractériser l’état et la composition physico-chimique d’objets à partir de la mesure de sa signature optique. Dans cet article, plusieurs notions sont rappelées: propriétés optiques spectrales des matériaux, transfert radiatif dans le système Terre-atmosphère, principales classes d’imageurs hyperspectraux, prétraitements et traitements pour estimer la grandeur optique et ensuite en déduire la variable caractéristique de l’objet. Deux applications sont ensuite présentées : caractérisation de la végétation, classification urbaine. Enfin, des conclusions et perspectives sont proposées.
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Hyperspectral imaging or spectro-imaging is a remote measurement technique used to characterize the status and physical-chemical composition of objects from their optical spectral signatures. In this article, several basic concepts are recalled: spectral optical properties, radiative transfer in the Earth-atmosphere system, main classes of hyperspectral sensor, and pre-processing and processing to retrieve the variable characterizing an object. Two applications are then presented: vegetation characterization and urban classification. The article ends with conclusions and perspectives.
Auteur(s)
-
Xavier BRIOTTET : Directeur de Recherche à l’ONERA DOTA ONERA Toulouse, France
INTRODUCTION
L’imagerie hyperspectrale ou spectro-imagerie combine deux techniques de télédétection : l’imagerie et la spectrométrie. L’imagerie enregistre la distribution spatiale d’un flux énergétique issu de phénomènes de réflexion ou/et d’émission thermique d’un milieu. La spectrométrie mesure les variations, dans le domaine électromagnétique, du flux énergétique dépendant de la composition chimique de l’objet observé à laquelle s’ajoute la température de surface dans le domaine émissif. La spectro-imagerie délivre ainsi une image complexe de dimension 3 dont deux dimensions représentent l’information spatiale et la troisième l’information spectrale.
La richesse de l’information spectrale nécessite, pour une bonne interprétation des mesures, une connaissance précise des phénomènes physiques à observer et une maîtrise des moyens à mettre en œuvre pour extraire la caractéristique recherchée.
Cet article a pour objet de décrire les notions de base nécessaires pour comprendre cette technique :
-
propriétés optiques spectrales des observables ;
-
transfert radiatif dans le système Terre-atmosphère afin de comprendre les différents contributeurs radiatifs au signal mesuré ;
-
principales techniques de spectro-imagerie, de prétraitements pour convertir les comptes numériques enregistrés par l’instrument en grandeur physique ;
-
méthodes d’estimation des propriétés optiques.
Le domaine électromagnétique considéré couvre le domaine optique de l’UV (0,4 μm) à l’infrarouge thermique (12,0 μm).
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MOTS-CLÉS
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reflectance | luminance
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Glossaire
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9. Conclusion
La spectro-imagerie ouvre la voie à une meilleure identification des matériaux par son potentiel à en discriminer un plus grand nombre que l’imagerie classique mais aussi à une connaissance de leur état.
Cet article a eu pour objectif de présenter les éléments essentiels à la compréhension d’une image hyperspectrale nécessitant des connaissances sur la physique des phénomènes à observer, l’influence de l’environnement, la compréhension du signal mesuré, la physique de la mesure instrumentale ainsi que les traitements physiques pour estimer le paramètre recherché en se focalisant délibérément sur la télédétection.
Bien que la mise en œuvre et les traitements soient plus complexes qu’en imagerie classique, une telle filière améliore la compréhension de notre environnement en mettant à notre disposition des instruments et des méthodes de traitements matures répondant déjà à des besoins applicatifs tels que le suivi des cultures, l’étude de la biodiversité végétale, la caractérisation et le suivi de pollution de tout type (atmosphérique, au sol ou dans l’eau), la caractérisation des milieux côtiers, la caractérisation des sols nus ou artificiels...
En reprenant l’organisation de cet article, des perspectives sont identifiées.
Les performances des spectro-imageurs dans le domaine réflectif sont maintenant bien maîtrisées mais des voies d’amélioration pour une meilleure sensibilité radiométrique, un meilleur contrôle de la qualité image radiométrique et géométrique incluant la gestion des incertitudes de mesures doivent être mises en perspective. En revanche, dans le domaine émissif, des évolutions technologiques sont nécessaires pour améliorer la qualité des mesures. De plus, l’arrivée de nouvelles plateformes (drone, nanosatellite...) va susciter de nouveaux développements technologiques pour une plus grande compacité de ces instruments. En particulier, les caméras à bord de drones, volant à basse altitude et plus lentement, vont délivrer des images avec une très haute résolution spatiale (de l’ordre du décimètre) et ouvrir le champ à de nouvelles applications. Enfin, les techniques d’imagerie telles que l’imagerie infrarouge, le radar, le lidar 3D offrent une vraie complémentarité avec l’imagerie hyperspectrale qu’il faut évaluer.
La majorité des applications tirées...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BALDRIDGE (A.M.), HOOK (S.J.), GROVE (C.I.), RIVERA (G.) - The ASTER spectral library version 2.0. - Remote Sensing of Environment, vol. 113, p. 711-715 (2009).
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(2) - JACQUEMOUD (S.), USTIN (S.L.), VERDEBOUT (J.), SCHMUCK (G.), ANDREOLI (G.), HOSGOOD (B.) - Estimating leaf biochemistry using PROSPECT leaf optical properties model. - Remote Sensing of Environment, vol. 56, n° 3, p. 194-202, juin 1996.
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(4) - KOEPKE (P.), HESS (M.), SCHULT (I.), SHETTLE (E.P.) - Global aerosol dataset. - Rapport n° 243, Max-Plank-Institut für Meteorologie, 44 p., Hambourg, Allemagne, sept. 1997.
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(5) - MIE (G.) - Beiträge zur optik trüber medien, speziell kolloidaler metallösungen. - Annalen der Physik, 25, p. 377-445, Leipzig, Allemagne (1908).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Code de transfert radiatif du système Terre-Atmosphère (payant) : MODTRAN (MODerate resolution atmospheric TRANsmission) http://modtran.spectral.com
Code de transfert radiatif du système Terre-Atmosphère (gratuit, distribution soumise à autorisation) : MATISSE-V3.0 http://matisse.onera.fr
Code de transfert radiatif de scène 3D (gratuit) DART http://www.cesbio.ups-tlse.fr/
Boîte à outils de traitement de données de télédétection OTB http://www.orfeo-toolbox.org/
Boîte à outils de méthodes de traitements d’images hyperspectrales (gratuit) Enmap Box http://www.enmap.org
Société ReSe Applications, Outil de correction atmosphérique d‘images hyperspectrales ATCOR-4 http://www.rese-apps.com...
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