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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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4. Principales techniques instrumentales
Le spectro-imageur va collecter les photons incidents puis finement les disperser en fonction de la longueur d’onde pour être ensuite enregistrés par un détecteur. Plusieurs techniques existent, classées en cinq familles principales. Les quatre premières familles décrites dans la suite reposent sur des techniques dispersives, la dernière reposant sur l’interférométrie.
4.1 Spectromètre à filtres continûment variable
C’est le système le plus simple. Il s’agit en fait d’un filtre passe-bande dont l’épaisseur du revêtement du filtre varie le long d’un axe du détecteur induisant une variation de la transmission spectrale suivant cet axe (figure 12 a ). Le nombre de bandes spectrales dépend du nombre de lignes du détecteur. Dans la direction perpendiculaire, une ligne de paysage est ainsi acquise à une longueur d’onde donnée, le déplacement (à bord d’une plateforme défilante de type « pushbroom ») synchronisé avec les acquisitions successives permet ainsi d’enregistrer l’information spectrale. Sa simplicité, sa compacité et son faible poids permettent une intégration facile mais la qualité de fabrication de la lame de coin reste une contrainte. La qualité des images dépend fortement de la qualité optique du filtre mais également de la bonne stabilité du mouvement de la plateforme au cours de l’acquisition du spectre.
L’instrument LEISA [ http://www.specim.fi/] est un instrument utilisant une telle technique.
4.2 Spectromètre à prisme ou réseau
Le principe du spectromètre le plus ancien (collimateur-prisme-détecteur, cf. figure 12 b ) est dans un premier temps de collimater la lumière à l’aide d’une optique d’entrée pour être ensuite spectralement dispersée par un prisme ou d’un réseau de diffraction. La lumière est ensuite focalisée sur un détecteur pour être enregistrée. Les principaux avantages de cette technique sont d’être simple, modulaire et bien maîtrisée mais le système a pour...
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Principales techniques instrumentales
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.
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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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