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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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Contexte
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10. Glossaire
Domaine optique ; optical domain
Domaine spectral couvrant (0,4 ; 14,0 μm).
Domaine réflectif ; reflective domain
Domaine spectral (0,4 ; 3,0 μm) où le flux radiatif mesuré est dominé par les phénomènes de réflexion des rayons solaires dans le système Terre-atmosphère.
Domaine émissif ; emissive domain
Domaine spectral (3,0 ; 14,0 μm) où le flux radiatif mesuré est dominé par les phénomènes d’émission d’un corps à température ambiante dans le système Terre-atmosphère.
Fonction de phase ; phase function
Distribution angulaire du rayonnement diffusé par les aérosols. Dépend de la longueur d’onde et de la nature de la particule.
Albédo de simple diffusion ; single scattering albedo
Grandeur quantifiant l’importance relative de la diffusion des aérosols par rapport à leur absorption.
Épaisseur optique ; optical depth
Intégration des coefficients d’absorption ou de diffusion entre 2 points. Si elle est connue à une longueur d’onde λ 0 , la loi d’Angström permet de déduire sa valeur à une autre longueur d’onde Une valeur approchée est possible à partir de la connaissance de sa valeur à une longueur d’onde donnée λ 0 :
avec :
- α :
- coefficient d’Angström qui donne des indications sur la granulométrie et le type d’aérosols.
Ainsi, quand α est proche de 0, l’épaisseur optique varie peu avec la longueur d’onde, comme c’est le cas des aérosols maritimes (α = 0,4) composés essentiellement de grosses particules. En revanche, les aérosols continentaux, composés essentiellement de particules fines, ont un coefficient d’Angström compris entre 1 et 2.
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Glossaire
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).
-
(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.
-
(3) - LENOBLE (J.) - Atmospheric Radiative Transfer. - À Deepak Publishing, 532 p., Hampton, États-Unis (1993).
-
(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.
-
(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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