Soutenance mémoire
Présentation du système LiDAR
a) Généralités : L’instrument LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) est basé sur le principe de l’émission stimulée décrit par Einstein en 1917. Il a suggéré théoriquement que lorsqu’un photon entre en collision avec un atome avec des niveaux d’énergie plus élevés, un nouveau photon est émis de même fréquence, de même phase et de même direction de propagation que ceux du rayonnement stimulateur. Afin d’obtenir l’émission stimulée, il faut que les atomes soient dans un état excité. Pour ce faire, en 1950, Kastler a proposé un procédé de pompage optique afin de transmettre de l’énergie aux atomes. Le résonateur est constitué de deux miroirs parallèles entre lesquels est placé le milieu actif où a lieu l’émission stimulée. Le premier miroir est totalement réfléchissant alors que le second, le réseau, est semitransparent. Il permet ainsi à la lumière de sortir de la cavité. Le résonateur contribue en grande partie à l’amplification de la lumière dans le laser. Les photons, en étant réfléchis par les miroirs, peuvent traverser plusieurs fois le milieu actif et provoquer l’émission stimulée d’un plus grand nombre de photons (Figure I.9). L’adaptabilité de la théorie du MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) aux lasers infrarouges est due aux calculs de Schawlow et Townes (1958) et ont contribué à la construction du premier instrument laser par Maiman en 1960. Depuis, les recherches et le développement des instruments laser ont permis de créer des lasers à des longueurs d’onde différentes. Le faisceau du laser est monochromatique et fortement collimaté avec une divergence très minime ce qui rend le faisceau très intense sur de grandes distances. Smullin et Fiocco (1962) ont été les premiers à utiliser la récente technologie du laser pulsé par un cristal de rubis pour détecter la lumière rétrodiffusée par la surface de la lune afin de mesurer la distance Terre-Lune (project Luna-See appelé aussi ironiquement lunacy). Ils ont aussi utilisé le LiDAR (Light Detection And Ranging) afin d’étudier l’atmosphère terrestre, mais dès 1930, Synge a été le premier à suggérer qu’il était possible, en détectant un rayon de lumière diffusé par l’atmosphère, d’en déterminer sa densité. Le LiDAR recouvre deux communautés différentes quant à ses objectifs. Le LiDARatmosphérique est utilisé pour obtenir des profils de variables atmosphériques (nuages, aérosols, gaz minoritaires…). Par exemple, le satellite CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observations), lancé en 2006 par une équipe franco-américaine CNES-σASA, est composé principalement d’un LiDAR à rétrodiffusion permettant de mesurer avec précision les caractéristiques des différentes couches de l’atmosphère. Le LiDAR topographique est utile pour les applications altimétriques et bathymétriques. Il est utilisé notamment dans différents domaines tels que la géomorphologie continentale et littorale, l’océanographie, l’archéologie et l’agriculture. Les données LiDAR peuvent être collectées auprès de diverses plates-formes (satellites, aéroportées, terrestres mobiles ou stationnaires). En spatial, le LiDAR topographique a une visée verticale et une grande ouverture d’antenne pour la réception. Cela permet d’obtenir des données sur de très grandes surfaces, mais avec une faible résolution. Par exemple, le LiDAR spatial ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite), en orbite entre 2003 et 2010, était chargé de collecter des données sur de longues périodes sur la surface de la Terre, la biosphère, l’atmosphère terrestre et les océans de la Terre. Ses empreintes au sol étaient en moyenne de 60 m de diamètre. A la suite de cette mission, ICESat-2 a été élaboré dans le but d’avoir une continuité dans les mesures de précision. ICESat-2 est la seconde génération de l’altimétrie laser en orbite. Ce satellite permet de mesurer l’évolution de la calotte glaciaire, la hauteur des nuages et des aérosols, ainsi que les caractéristiques de la végétation et de la topographie terrestre. Le seul instrument équipant ICESat-2 est un système d’altimétrie laser avancé (ATLAS : Advanced Topographic Laser Altimeter System). Les impulsions du faisceau laser sont émises à une longueur d’onde de 532 nm c’est-à-dire dans le visible (vert). Les caractéristiques de l’instrument permettent d’améliorer les estimations d’altitude dans les zones en pente, ainsi que sur des surfaces terrestre très rugueuses telles que les crevasses. Avec l’instrument ICESat-2, l’estimation de la différence de hauteurs entre les océans polaires et la banquise est améliorée. Les systèmes LiDAR aéroporté et terrestre sont composés d’un scanner à balayage transversal permettant d’acquérir des données topographiques très précises et ayant une très grande résolution. Les données LiDAR aéroportées sont les plus fréquemment utilisées pour établir des cartes topographiques. Les systèmes LiDAR terrestres sont de plus en plus utilisés pour acquérir des données 3D de villes, de bâtiments (extérieur et intérieur) et d’autres objets et structures. Actuellement, il existe principalement deux types de LiDAR aéroporté :
Les systèmes traditionnels « multi-échos » détectent la position de maxima d’intensité afin de générer automatiquement les points x, y et z ;
Les systèmes à « retour d’onde complète », plus récents, enregistrent l’intégralité de l’onde retour (Figure I.10).
Cette dernière technique est notamment très utilisée dans l’étude des zones forestières grâce à sa capacité à pénétrer dans la canopée. Les objectifs des applications forestières sont nombreux :
Extraction des paramètres structuraux forestiers (détection des arbres et de leur espèce, estimation de la hauteur, du diamètre des couronnes,…)
Taille des parcelles
Densité
Quantité de biomasse disponible
Les systèmes LiDAR offrent d’intéressantes perspectives combinées à d’autres technologies. En effet, dans le cadre de la mission DESDynI (Deformation, Ecosystem Sturcture, and Dynamics of Ice), initiée par la NASA mais annulée avant le lancement du satellite, l’objectif était d’assembler deux capteurs afin de fournir des informations importantes pour la surface Terrestre (déformation), les écosystèmes (structure de la biomasse terrestre) et sur les conséquences des changements climatiques (dynamique des surfaces glacières). Les capteurs utilisés devaient être les suivant :
Un système interférométrique radar (InSAR pour Interferometric Synthetic Aperture Radar) en bande L ;
Un faisceau LiDAR à retour d’onde complète opérant dans l’infrarouge (λ = 1064 nm) avec une résolution spatiale d’environ 25 m et une précision verticale égale à 1 m.
b) Le LiDAR topographique aéroporté : Le LiDAR est une technique de télédétection active, basée sur le principe de la rétrodiffusion d’un signal laser émis par une cible. Le LiDAR comprend un transmetteur qui émet une impulsion laser et un récepteur qui reçoit le signal retour. Concrètement, le LiDAR permet de mesurer le temps (Δt) issu du parcours d’une onde lumineuse pour faire l’aller-retour entre le transmetteur et la cible. Comme le montre la Figure I.11, le signal retour est différent de celui émis ce qui permet d’avoir des informations supplémentaires sur les caractéristiques de la surface étudiée.
Apport du LiDAR dans l’étude des environnements naturels
Pour caractériser les surfaces rocheuses et sableuses en contact avec le trait de côte, la télédétection offre la possibilité de surveiller de larges espaces grâce à des acquisitions répétables et régulières dans le temps (Flood and Gutelius, 1997 ; Hill et al., 2000). L’utilisation première du LiDAR aéroporté est de réaliser des mesures topographiques des surfaces (Kraus et Pfeifer, 1998 ; Wever et Lindenberger, 1999). Différentes études ont permis de montrer que la précision spatiale des données est dépendante de différents paramètres de vol comme les matériaux de surfaces, la hauteur de vol ou l’angle d’observation (Ahokas et al., 2003). L’un des principaux avantages du LiDAR concerne la grande précision des données horizontale et verticale estimée. Par exemple, pour le LiDAR LEICA ALS60, à 800 m d’altitude, les données du constructeur indiquent une précision planimétrique de 9 cm et 7 cm dans le plan vertical. L’utilisation croissante du scanner laser aéroporté dans l’étude de différents environnements naturels est devenue très large, intéressant de nombreux domaines d’applications. Citons à titre d’exemples, des applications pour les milieux :
forestiers (Hyyppä et al., 2001)
périglaciaires (Csatho et al., 2008 ; Irvine-Fynn et al., 2011 ; Lancaster et al., 2012)
volcaniques (Mazzarini et al., 2005 ; Fornaciai et al., 2010 ; Sedze et al., 2012 ; Arab-Sedze, 2013),
présentant des instabilités gravitaires (McKean & Roering, 2004 ; Haneberg et al., 2009),
montrant des sismotectoniques (Harding & Berghoff, 2000 ; Haugerud et al., 2003),
inondables (Webster et al., 2004).
Récemment, le LiDAR aéroporté est devenu un outil très prometteur pour surveiller les dynamiques côtières et quantifier leurs évolutions morphologiques. Plusieurs travaux utilisant le scanner laser aéroporté ont été dédiés au suivi du littoral incluant l’étude du trait de côte, des changements de la morphologie des plages et de l’évolution morphodynamique des dunes (Gutierrez et al., 2001 ; Woolard et al., 2002 ; Sallenger et al., 2003 ; Robertson et al., 2004 ; Saye et al., 2005 ; Shrestha et al., 2005 ; Zhang et al., 2005 ; Brock et Purkis, 2009). Les mesures du LiDAR aéroporté sont également utiles pour classifier des objets dans différents environnements :
urbain : classification des bâtiments, routes, pelouses, arbres,… (Haala and Brenner, 1999 ; Charaniya et al., 2004) ;
forestier : classification des différentes espèces d’arbres (Puttonen et al., 2010 ; Li et al., 2012) ;
marin : classification des fonds marins (Tulldahl et al., 2007) et des végétations aquatiques (Tuldhahl et Wikström, 2012).
Récemment, afin d’approfondir la classification d’objets, les données d’intensité du laser rétrodiffusé ont été combinées avec des mesures topographiques acquises simultanément (Song et al., 2002 ; Brenan and Webster, 2006 ; Antonarakis et al., 2008 ; Li et al., 2008 ; Yan et al., 2012).
Zones sableuses
La première zone sableuse étudiée (Figure III.6.b) se situe loin d’un chenal et contient beaucoup moins d’humidité que la seconde surface sableuse saturée en eau (Figure III.6.c) qui est localisée beaucoup plus proche d’un point d’eau. Pour des surfaces sableuses contenant peu d’eau (Figure III.6.b), l’intensité diminue légèrement avec l’angle d’incidence, mais son signal n’est pas assez diffus pour être décrit par la loi cosinus de Lambert ou par les modèles de Lommel-Seeliger et d’Oren-Nayar. Par contre, le comportement de l’intensité peut être modélisé par la loi de Torrance-Sparrow en utilisant seulement la composante spéculaire mais avec des facteurs de rugosité élevés (mB=0.53 & mTR=0.70). Pour une surface sableuse, l’intensité réfléchie, au nadir, est moins élevée (40 %) que pour les surfaces en eau (100 %).La signature de l’intensité pour les surfaces sableuses humides (Figure III.6.c) montre un comportement spéculaire évident de la réflexion. Le comportement de l’intensité en fonction de l’angle d’incidence peut être modélisé par la loi de Torrance-Sparrow combinée à la loi cosinus de Lambert (d=0.48). Pour de faibles angles incidences, l’intensité diminue rapidement, rappelant la signature spéculaire reconnaissable des zones en eau (Figure III.6). Pour des angles supérieurs à 7°, l’intensité diminue très doucement. Cette partie correspond à la loi cosinus de Lambert ou à sa distribution de Beckmann équivalente avec un large facteur de rugosité. D’ailleurs, ce résultat suggère qu’un sable saturé en eau peut être considéré comme étant un mélange de deux surfaces : avec, d’une part, une surface constituée principalement d’eau, qui a un comportement spéculaire (mB=0.04 & mTR=0.05) et, d’une autre part, une seconde surface, moins humide, qui réfléchie la lumière de façon diffuse (mB=0.53 & mTR=0.70).
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Table des matières
Introduction
Chapitre I – Contexte général
I.1. Présentation des zones d’étude
I.1.1. La baie du Mont-Saint-Michel
I.1.2. La pointe d’Agon
I.2. Télédétection laser aéroportée (LiDAR)
I.2.1. La télédétection : généralités et définitions
I.2.2. Présentation du système LiDAR
I.3. Intérêt de l’intensité retour du LiDAR pour l’étude de l’environnement côtier
I.3.1. Apport du LiDAR dans l’étude des environnements naturels
I.3.2. Intensité du signal LiDAR rétrodiffusé : Etat de l’art
I.3.3. Problématique de recherche
Chapitre II – Etude de la réflectance
II.1. Fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle
II.2. Décomposition du rayonnement
II.3. Modèles de réflexion
II.3.1. Modèle de Lambert
II.3.2. Modèles de Phong et de Blinn
II.3.3. Modèle de Torrance et Sparrow
II.3.4. Modèle de Lommel-Seeliger-Lambert
II.3.5. Modèle de Ward
II.3.6. Modèle d’τren-Nayar
II.3.7. Modèle d’Hapke
II.4. Conclusion
Chapitre III – Modélisation de l’intensité en fonction de l’angle d’incidence
III.1. Mise en forme des données LiDAR
III.1.1. Rastérisation des données
III.1.2. Calcul de l’angle d’incidence
III.1.3. Orthophotographie
III.2. Traitements des données LiDAR
III.2.1. Zones en eau
III.2.2. Zones sableuses
III.2.3. Zones d’herbus
III.2.4. Zones urbaines
III.3. Décomposition des distributions du modèle de Torrance-Sparrow
III.4. Calibration des données d’intensité
III.5. Conclusion
Chapitre IV – Etude de l’humidité et de la granulométrie
IV.1. Mesures in situ
IV.1.1. Référencement par GPS-RTK
IV.1.2. Protocole des mesures granulométriques
IV.1.3. Protocoles des mesures d’humidité
IV.1.4. Mesures in situ de l’humidité et de la granulométrie
IV.2. Influence de l’humidité et de la granulométrie sur l’intensité LiDAR
IV.2.1. Etude de la granulométrie
IV.2.2. Etude de l’humidité
IV.3. Conclusion
Chapitre V – Analyse multi-temporelle de l’intensité LiDAR
V.1. Introduction à l’étude multi-temporelle
V.1.1. Sélection de la zone d’étude
V.1.2. Caractéristiques des différents vols
V.2. Etude des données d’intensité
V.2.1. Analyse globale
V.2.2. Etude de surfaces types
V.2.3. Elaboration d’une carte d’humidité
V.3. Détection des surfaces anisotropes
V.4. Conclusion
Conclusions & Perspectives
Conclusions générales
Perspectives
Références bibliographiques
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