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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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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 :
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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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Luminance spectrale mesurée par un instrument
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2. Propriétés spectrales des matériaux
2.1 Préambule
Lorsqu’un atome ou une molécule interagit avec une onde incidente électromagnétique de longueur d’onde λ = 1/ν où ν est le nombre d’onde, la mécanique quantique nous indique que l’atome ou la molécule n’absorbe le rayonnement incident en passant d’un niveau d’énergie E 1 , associé à état 1, à un niveau d’énergie E 2 , associé à état 2, que si la condition d’accord est respectée :
Les niveaux d’énergie de l’ordre de quelques eV correspondent à des longueurs d’onde situées dans le domaine UV et visible. Les éléments métalliques tels que le nickel, le chrome, le cobalt ou le fer présentent des raies d’absorption dans ce domaine mais leur position peut varier en fonction du type de molécule avec lequel ils se trouvent liés. Pour des niveaux d’énergie beaucoup plus faibles, les changements d’état sont associés aux niveaux rotationnels des molécules correspondant aux grandes longueurs d’onde situées dans le lointain infrarouge et les micro-ondes (quelques 10–3 eV). Les niveaux d’énergie intermédiaire (quelques 10–1 eV) sont associés aux niveaux vibrationnels dans les domaines spectraux SWIR (Short-Wavelength InfraRed ) (1,1 à 3,0 μm), MWIR (Mid-Wavelength InfraRed ) (3,0 à 5,0 μm) et LWIR (Long-Wavelength InfraRed ) (5,0 à 14 μm). En plus de ces modes fondamentaux, des raies d’absorption plus faibles sont possibles résultant de la combinaison de modes fondamentaux ou d’harmoniques de modes fondamentaux.
Ces absorptions spectralement sélectives modifient les rayonnements émis, transmis ou réfléchis dont les amplitudes dépendent du matériau considéré. Un tel comportement intrinsèque à chaque matériau est caractérisé par ses propriétés optiques : l’absorptance a (λ), la réflectance ρ (λ) et la transmittance t (λ) spectrales. Ces grandeurs...
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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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