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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
KEYWORDS
reflectance | luminance
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Exemple d’application dans le domaine émissif
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7. Exemple d’application dans le domaine réflectif
La végétation haute urbaine fournit plusieurs services écosystémiques en réduisant les effets d’îlots de chaleur urbains, en présentant une forte biodiversité et en améliorant la qualité de l’air. Afin de bien appréhender ces différentes applications, il est nécessaire d’établir régulièrement un inventaire de la végétation urbaine tant dans les espaces publics que privés. Cette opération est actuellement principalement réalisée par des relevés terrain, tâche fastidieuse et longue. La télédétection permet de fournir une cartographie de la végétation précise, rapide à l’échelle de la ville et de suivre régulièrement son évolution temporelle.
Les illustrations des figures 19 et montrent une cartographie des pigments foliaires des arbres et de leur sénescence sur la ville de Toulouse à partir d’une image hyperspectrale acquise avec une caméra Hyspex de la société NEO, sensible dans le domaine 0,4 à 1,0 μm et une résolution spectrale de 6 nm, de résolution spatiale de 0,4 m pour un aéronef volant à environ 2 000 m d'altitude.20
La correction atmosphérique des images constitue un premier prétraitement, avant qu’une correction géométrique ne soit effectuée. La première étape permet d'estimer la réflectance spectrale de chacun des pixels de l'image au niveau du sol, à partir de la luminance spectrale mesurée au niveau du capteur. La deuxième étape permet de géoréférencer les images. En parallèle, une base de données terrain contenant des informations sur des arbres présents sur la prise de vue (délimitation des couronnes, espèces, etc.) a été construite à partir de relevés de terrain et de photo-interprétation.
Une fois ces étapes effectuées, un algorithme extrait les pixels inclus dans ces couronnes. Pour chaque arbre et chaque indice, la médiane de l'indice est calculée à partir de tous les pixels.
Les deux premières figures fournissent des indicateurs sur la teneur pigmentaire en chlorophylle (figure 19 a ) et en anthocyane (figure 19 b ).
La teneur en chlorophylle est estimée à partir de l’indice MCARI ...
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Exemple d’application dans le domaine réflectif
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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(3) - LENOBLE (J.) - Atmospheric Radiative Transfer. - À Deepak Publishing, 532 p., Hampton, États-Unis (1993).
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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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