UNIVERSITE PARIS DENIS DIDEROT UFR DE PHYSIQUE

Denis Diderot

Description

Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
1 UNIVERSITE PARIS 7 – DENIS DIDEROT UFR DE PHYSIQUE Thèse présentée en vue de l'obtention du grade de Docteur de l'Université Paris 7 – Denis Diderot Discipline : Méthodes physiques en télédétection Par Gilles MARTINOTY Sujet de la thèse : Reconnaissance de matériaux sur des images aériennes en multirecouvrement, par identification de fonctions de réflectances bidirectionnelles. Thèse dirigée par Hervé LE MEN Co-encadrée par Stéphane JACQUEMOUD Soutenue le 28 janvier 2005, devant le jury composé de : Monsieur Xavier Briottet Rapporteur Monsieur Henri Maître Rapporteur Monsieur Hervé Le Men Directeur de thèse Monsieur Stéphane Jacquemoud Co-directeur de thèse Monsieur François-Marie Bréon Examinateur Monsieur Jacques Rilling Examinateur

• intérêt initial pour les problèmes concernant la radiométrie des images aériennes


• formation de l'image


• surfaces en classes homogènes de matériaux


• brdf des matériaux


• outil de simulation des éclairements


• cadre général des techniques de télédétection appliquées au milieu urbain

Sujets

• Denis Diderot
• Boyero

Informations

• Publié par: profil-zyak-2012
• Publié le: 01 janvier 2005
• Nombre de lectures: 33
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

UNIVERSITE PARIS 7 – DENIS DIDEROT
UFR DE PHYSIQUE



Thèse présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur de
l’Université Paris 7 – Denis Diderot

Discipline : Méthodes physiques en télédétection



Par Gilles MARTINOTY



Sujet de la thèse :
Reconnaissance de matériaux sur des images aériennes en
multirecouvrement, par identification de fonctions de réflectances
bidirectionnelles.

Thèse dirigée par Hervé LE MEN
Co-encadrée par Stéphane JACQUEMOUD







Soutenue le 28 janvier 2005, devant le jury composé de :

Monsieur Xavier Briottet Rapporteur
Monsieur Henri Maître ervé Le Men Directeur de thèse
Monsieur Stéphane Jacquemoud Co-directeur de thèse
Monsieur François-Marie Bréon Examinateur
Monsieur Jacques Rilling
1
2 Remerciements


Je tiens tout d’abord à remercier Hervé Le Men et Stéphane Jacquemoud, mes directeurs de
thèse, qui ont toujours été disponibles, m’ont conseillé efficacement tout au long de ces trois
années, tout en me laissant une grande liberté dans mon travail.

Un grand merci également à Didier Boldo, qui, en tant que responsable de l’action de
recherche MORIS, puis en tant que chef du laboratoire, a suscité mon intérêt initial pour les
problèmes concernant la radiométrie des images aériennes, et a ensuite toujours été présent au
quotidien pour m’aider à surmonter les diverses difficultés, m’encourager, et me prodiguer de
bons conseils.

Je suis aussi reconnaissant à Xavier Briottet et Henri Maître d’avoir accepté d’être rapporteurs
de ma thèse, ainsi qu’à François-Marie Bréon et Jacques Rilling d’avoir bien voulu participer
au jury de thèse.

De plus, je remercie bien évidemment l’ensemble des chercheurs du laboratoire MATIS et du
LOEMI, pour la très bonne ambiance de travail qu’ils ont su créer. Merci particulièrement à
mes différents camarades de bureau qui se sont succédé (Didier, Matthieu, Roger, Olivier,
Florent), pour les bons moments passés avec eux pendant ces années.

Je n’oublie pas aussi les stagiaires et ingénieurs « en courts séjours » dans notre bureau (en
particulier Mathieu, Emilie, Laure) pour leur aide appréciable et leur bonne humeur
indéfectible !

Je remercie également le personnel administratif et de soutien technique du laboratoire pour
son efficacité et sa bonne humeur. Une attention toute particulière à François Boyero, pour
son support logistique et informatique indispensable, notamment pour l’organisation de la
soutenance.

Enfin, merci à tous les membres de ma famille et à mes amis extérieurs au laboratoire pour
leur sollicitude, et le soutien qu'ils ont su m'apporter pendant ces trois années.


3 4 Mots-clés :
matériaux urbains, BRDF, classification, modélisation radiométrique, correction des ombres.

Résumé :

Depuis quelques années, l’apparition de nouveaux capteurs aéroportés et satellitaires a
conduit à l’obtention d’images numériques à des résolutions submétriques, qui permettent
d’envisager de nouveaux modes d’étude des environnements naturels et humains. En
particulier, l’étude du milieu urbain, dont une des caractéristiques principales est sa structure
tridimensionnelle, bénéficie de l’apport de ces nouvelles données. Cette thèse s’inscrit ainsi
dans le cadre général des techniques de télédétection appliquées au milieu urbain à très grande
échelle. Nous nous intéressons plus particulièrement à la caractérisation des matériaux
couvrant les bâtiments. Pour cela, nous avons retenu une approche essentiellement physique
consistant à exploiter la façon dont ces matériaux réfléchissent la lumière selon leur
orientation relative par rapport aux sources lumineuses et aux directions d’observation.
L’objectif de cette thèse est ainsi d’obtenir leur classification exclusivement à partir de leurs
propriétés angulaires de réflexion, ce qui se traduit par l’identification de leur BRDF
(Bidirectional Reflectance Distribution Function) dans des images aériennes.
Nous disposons en effet d’images couleur à large bande en multirecouvrement, et d’un
modèle 3D de la scène urbaine déjà segmenté. Une surface telle qu’un toit est typiquement
vue sur une dizaine d’images, c’est-à-dire sous une dizaine de points de vue différents.
L’identification des BRDF des matériaux revient essentiellement à un problème d’inversion
de l’équation de transfert radiatif ayant conduit à la formation des images. Il s'agit, par le biais
des images aériennes et de notre connaissance sur les conditions de prises de vue de la scène,
d'accéder aux éclairements incidents sur les surfaces observées ainsi qu'aux luminances reçues
par la caméra. On en déduit alors la BRDF des matériaux et, in fine, leur classification. Le
problème peut donc être divisé en trois grandes étapes : tout d’abord, la compréhension et la
modélisation des principaux termes radiométriques en milieu urbain ; ensuite, l’établissement
de l’équation radiométrique conduisant à la formation des images et son inversion ; enfin, la
classification proprement dite des surfaces en classes homogènes de matériaux.
Ainsi, nous nous sommes tout d’abord intéressés aux processus physiques conduisant à
l'éclairement des surfaces et à la formation des images dans la caméra numérique. Nous avons
notamment créé un outil de simulation des éclairements arrivant sur une scène urbaine,
connaissant les conditions de prises de vue, en particulier les conditions atmosphériques. Cet
outil présente de plus un intérêt intrinsèque, puisqu’il a permis de réaliser des corrections des
ombres de très bonne qualité en milieu urbain dense, validant ainsi les valeurs relatives des
éclairements obtenus.
Connaissant les termes radiométriques dominants en milieu urbain, nous avons pu établir une
équation radiométrique reliant les éclairements issus des sources lumineuses, les luminances
reçues par la caméra, et les BRDF des matériaux. Après avoir choisi un modèle paramétrique
de BRDF bien adapté à notre cadre d’étude, le modèle Torrance-Sparrow-Oren-Nayar, nous
avons réalisé l’inversion de cette équation radiométrique. Nous avons ainsi obtenu pour
chaque surface les paramètres dont dépend le modèle de BRDF.
Nous avons enfin réalisé une classification non supervisée des différentes surfaces en classes
homogènes de matériaux. Pour cela, nous avons proposé une mesure de similarité entre
modèles de BRDF, permettant de s'affranchir des problèmes d'ambiguïtés et de mauvaises
déterminations des paramètres des modèles de BRDF. Les résultats obtenus permettent de
mettre en évidence l'intérêt de tenir compte des propriétés de réflectance directionnelle des
matériaux pour les différencier, et les limites de l’approche.

5 Abstract:

Recent advances in satellite and airborne cameras have made it possible to acquire new digital
images with submetric resolutions for a few years. The latter give us a new insight into natural
and man-made environments. In particular, urban areas' studies should really benefit from
those new data, especially since one of the main features of urban areas is their 3-dimensional
structure. Hence, this thesis belongs to the field of remote sensing of urban areas at a very
large scale. We will especially focus on the identification of urban materials. Keeping this in
mind, we decided to take advantage of the following physical properties of materials: They
reflect different amount of energies depending on their relative orientation towards light
sources and observation directions. The main goal of this thesis is to classify urban materials
seen in aerial images, by only taking into account their reflection properties, which means by
identifying their Bidirectional Reflectance Distribution Functions (BRDF).
To achieve our ends, we have overlapping, large-band, coloured aerial images, and a
segmented 3D model of the urban areas of interest. A surface, like a roof, is usually seen on
around 10 images, i.e. from 10 view angles. The identification of materials' BRDF essentially
boils down to inverting the radiative transfer equation explaining the formation of