Soutenance mémoire
Spectroscopie et imagerie hyperspectrale pour l’étude des minéraux
Spectroscopie visible et proche-infrarouge
La lumière, un rayonnement électromagnétique
La lumière est un rayonnement électromagnétique ayant un comportement corpusculaire (photons) et ondulatoire (onde électromagnétique). Ces deux modèles sont complémentaires et il est possible de lier l’énergie d’un photon E (J) à la fréquence f (Hz) de l’onde associée par E = hf avec h la constante de Planck. On note également λ la longueur d’onde (m) par λ = c/f où c est la vitesse de la lumière dans le vide (m/s).
Un rayonnement électromagnétique se décompose en ondes monochromatiques, formant le spectre électromagnétique. Ainsi, plusieurs domaines spectraux, sont définis allant, en partant des longueurs d’onde les plus faibles, des rayons X et Gamma aux ondes radio et micro-ondes. En particulier, les domaines spectraux de l’ultraviolet (UV), du visible (V) et de l’infrarouge (IR) se situent entre 10 et 14000 nm. L’infrarouge se décompose en quatre zones : le proche-infrarouge (NIR, Near InfraRed), l’infrarouge à longueurs d’onde courtes (SWIR, Short-Wave InfraRed), l’infrarouge à longueurs d’onde moyennes (MWIR, MidWave InfraRed) et l’infrarouge à longueurs d’onde longues (LWIR, Long-Wave InfraRed).
Dans cette thèse, nous nous intéressons aux plages de longueurs d’onde du visible et procheinfrarouge (classiquement regroupées sous l’acronyme VNIR) et du SWIR, allant de 400 à 2500 nm. En effet, le Soleil est une source idéale de lumière pour l’observation passive de la Terre et le maximum de son spectre électromagnétique, correspond aux longueurs d’onde associées à la lumière visible.
Interaction rayonnement-matière
La spectroscopie consiste à étudier un milieu (végétation, minéral, liquide, etc.) à partir du spectre qu’il réfléchit (ou transmet et émet) lorsqu’il est soumis à un rayonnement électromagnétique passif ou actif. Plusieurs grandeurs (réflectance, transmittance, émissivité) peuvent être mesurées et permettent d’accéder aux propriétés physiques et chimiques du milieu.
Réflexion, absorption et transmission
Un rayonnement incident (dans notre cas issu du Soleil) est séparé en trois composantes lors d’un changement de milieu :
• une partie est réfléchie,
• une partie est absorbée,
• une partie est transmise.
Ainsi, un détecteur placé au-dessus de la scène acquiert le spectre électromagnétique réfléchi alors qu’un détecteur placé au-dessous acquiert celui transmis. Le rayonnement absorbé n’est pas directement observable. Les rapports entre l’énergie du rayonnement incident, supposée fixe au cours de la mesure, et celles des rayonnements réfléchis, absorbés et transmis sont notés respectivement: réflectance ρ, absorption a et transmittance τ . Ils sont sans unités, s’expriment entre 0 et 1 (ou 0% et 100%) et dépendent de la longueur d’onde. La relation entre ces trois grandeurs s’exprime par :
ρ + a + τ = 1. (2.1)
Les phénomènes d’absorption sont donc observables dans les spectres de réflectance et de transmittance.
Dans le cadre de l’observation de la Terre par des capteurs aériens et satellitaires, seul le rayonnement réfléchi peut être acquis. Ainsi, le spectre de réflectance d’un milieu dépend : • de ses propriétés diffusantes (rugosité, humidité, etc.),
• des différents phénomènes d’absorption liés à ses propriétés physiques et chimiques,
• des conditions d’acquisitions spécifiques à l’imagerie aérienne et satellitaire (capteur, source d’éclairement, présence de l’atmosphère, etc.).
Réflectance diffuse
Dans le cadre de la télédétection, deux types de réflexion peuvent être distinguées en fonction de la rugosité de la surface (irrégularités des surfaces naturelles) et de la longueur d’onde du rayonnement :
• la réflexion spéculaire,
• la réflexion diffuse.
La réflexion est dite spéculaire, lorsque la rugosité de la surface est inférieure à la longueur d’onde d’observation. Le rayonnement incident est alors réfléchi selon le même angle que celui d’incidence et la surface apparaît donc lisse. C’est le cas par exemple pour une surface d’eau calme.
La réflexion est dite diffuse, lorsque la surface présente des aspérités de tailles supérieures à la longueur d’onde d’observation. Le rayonnement incident est alors réfléchi dans toutes les directions. Dans le cas où la rugosité est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde, la surface est parfaitement diffusante (c.-à-d. lambertienne) et le rayonnement est réfléchi avec la même intensité dans toutes les directions (hémisphérique). Dans les domaines du VNIR et du SWIR, les surfaces observées ne sont généralement pas homogènes et n’ont donc pas un comportement du diffuseur lambertien. Ainsi, il existe une direction privilégiée de réflexion ce qui conduit à des effets directionnels.
|
Table des matières
INTRODUCTION
1 Introduction
1.1 Contexte et généralités
1.2 Objectifs et contributions
1.3 Organisation du manuscrit
2 Spectroscopie et imagerie hyperspectrale pour l’étude des minéraux
2.1 Introduction
2.2 Spectroscopie visible et proche-infrarouge
2.2.1 La lumière, un rayonnement électromagnétique
2.2.2 Interaction rayonnement-matière
2.3 Spectre de réflectance des minéraux
2.3.1 Processus électroniques et absorptions associées
2.3.2 Processus vibrationnels et absorptions associées
2.3.3 Variabilité des spectres de réflectance des minéraux
2.3.4 Signatures spectrales des principaux minéraux
2.4 Imagerie hyperspectrale aérienne et satellitaire
2.4.1 Caractéristiques des capteurs
2.4.2 Principe d’acquisition
2.4.3 Équation du transfert radiatif
2.4.4 Masques spectraux et correction atmosphérique
2.4.5 Cas des mélanges de minéraux et avec d’autres matériaux
2.5 Conclusion
3 Modélisation d’un spectre de réflectance de minéral et prise en compte du bruit dans une image hyperspectrale
3.1 Introduction
3.2 Modélisation d’un spectre de réflectance de minéral
3.2.1 État de l’art des modèles
3.2.2 Modèle retenu
3.2.3 Identifiabilité et limites du modèle EGO
3.3 Modélisation du bruit dans une image hyperspectrale
3.3.1 Sources du bruit instrumental
3.3.2 Modèles de bruit sur la luminance
3.3.3 Modèles de bruit sur la réflectance
3.3.4 Méthodes d’estimation du bruit dans une image hyperspectrale
3.4 Conclusion
4 Déconvolution d’un spectre de réflectance de minéral : procédure greedyAGM
4.1 Introduction
4.2 État de l’art
4.2.1 Choix de la déconvolution spectrale
4.2.2 Approche AGM et méthodes associées
4.3 Procédure greedy-AGM
4.3.1 Principe de fonctionnement
4.3.2 Pré-estimation et retrait du continuum
4.3.3 Pré-estimation des absorptions
4.3.4 Optimisation conjointe du continuum et des absorptions
4.3.5 Paramétrisation de la procédure
4.4 Conclusion
5 Applications de la procédure greedy-AGM
5.1 Introduction
5.2 Validation sur des données synthétiques
5.2.1 Génération des données
5.2.2 Résultats sur les données non bruitées
5.2.3 Comparaison sur les données bruitées
5.2.4 Conclusion des résultats sur données synthétiques
5.3 Application à des spectres de laboratoire
5.3.1 Description des spectres choisis et préparation des données
5.3.2 Absorptions ferriques de la goethite
5.3.3 Doublet de kaolinite et absorptions secondaires
5.3.4 Continuum et absorptions de la nontronite
5.3.5 Absorptions du gypse et effets des masques spectraux
5.3.6 Discrimination des absorptions de calcite et dolomite
5.4 Conclusion
6 Procédure d’identification de minéraux
CONCLUSION
