Génération de cartes d'humidité de sols nus et végétation éparse partir d'acquisitions aéroportées dans le domaine optique

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8

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Génération de cartes d'humidité de sols (nus et végétation éparse) à partir d'acquisitions aéroportées dans le domaine optique : application à la traficabilité Audrey LESAIGNOUX 1ere année DOTA/POS Directeur de thèse : Xavier Briottet Encadrant ONERA : Sophie Fabre Encadrants extérieurs : Albert Olioso (INRA Montfavet), Jean-Pierre Wigneron (INRA Bordeaux), Jean-Pierre Lagouarde (INRA Bordeaux) 1- Introduction au problème Lors d'inondations importantes, il est nécessaire de disposer d'une information sur l'état du sol afin de pouvoir évaluer les dégâts causés par cette catastrophe et la possibilité d'envoyer les secours par voie terrestre. Pour évaluer la traficabilité des lieux sinistrés, un des paramètres clés est l'humidité des sols. Les données de télédétection (du domaine spectral optique au radar) présentent de multiples avantages par rapport à d'autres méthodes pour mesurer l'humidité de surface des sols : la couverture temporelle, la résolution spatiale, la couverture spatiale … [BRYANT 1993]. 2- Objectifs scientifiques Cette thèse s'inscrit dans le cadre du PRF ENVIRO. L'objectif général de cette thèse est de générer des cartes d'humidité de sol nu et de végétation éparse à partir d'acquisitions aéroportées, puis de les exploiter pour en déduire la traficabilité. La méthode à développer est basée sur l'utilisation d'images spectrales (données hyperspectrales ou hypercubes) sur l'ensemble du domaine optique (Visible à Infrarouge Thermique).

  • traficabilité des lieux sinistrés

  • couverture spatiale

  • chaîne de simulation complète

  • humidité de surface

  • données hyperspectrales existantes

  • paysage synthétique avec le code de transfert radiatif

  • traficabilité

  • propriété optique


Publié le : mardi 19 juin 2012
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Génération de cartes d’humidité de sols (nus et végétation éparse)
à partir d’acquisitions aéroportées dans le domaine optique :
application à la traficabilité
Audrey LESAIGNOUX
1ere année
DOTA/POS
Directeur de thèse : Xavier Briottet
Encadrant ONERA : Sophie Fabre
Encadrants extérieurs : Albert Olioso (INRA Montfavet), Jean-Pierre Wigneron
(INRA Bordeaux), Jean-Pierre Lagouarde (INRA Bordeaux)
1- Introduction au problème
Lors d’inondations importantes, il est nécessaire de disposer d’une information sur
l’état du sol afin de pouvoir évaluer les dégâts causés par cette catastrophe et la possibilité
d’envoyer les secours par voie terrestre. Pour évaluer la traficabilité des lieux sinistrés, un des
paramètres clés est l’humidité des sols. Les données de télédétection (du domaine spectral
optique au radar) présentent de multiples avantages par rapport à d’autres méthodes pour
mesurer l’humidité de surface des sols : la couverture temporelle, la résolution spatiale, la
couverture spatiale … [BRYANT 1993].
2- Objectifs scientifiques
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du PRF ENVIRO.
L’objectif général de cette thèse est de générer des cartes d’humidité de sol nu et de
végétation éparse à partir d’acquisitions aéroportées, puis de les exploiter pour en déduire la
traficabilité. La méthode à développer est basée sur l’utilisation d’images spectrales (données
hyperspectrales ou hypercubes) sur l’ensemble du domaine optique (Visible à Infrarouge
Thermique). Cette thèse comprend donc deux objectifs scientifiques :
ƒ
Le développement d’une méthode d’estimation de l’humidité de surface des
sols nus et/ou à végétation éparse dans le domaine optique (0,4 à 15μm), à
partir
de l’imagerie hyperspectrale à haute résolution spatiale.
ƒ
Evaluer l’apport de l’imagerie infrarouge spectrale pour l’estimation de cette
humidité de surface.
3- Démarche et déroulement de la thèse
Cette thèse se déroulera en 3 grandes étapes qui sont :
ƒ
Le développement d’une méthode pour estimer la grandeur physique
recherchée (taux d’humidité de surface) à partir de la propriété optique du
matériau (réflectance ou émissivité spectrale) ;
ƒ
La validation de cette méthode par simulation puis sur un jeu de mesures
réelles ;
ƒ
L'estimation de la traficabilité à partir de l’humidité de surface et de la
connaissance du type de sol.
L'humidité de surface d'un matériau a une bande d'absorption légèrement décalée par
rapport à l'absorption gazeuse atmosphérique. Pour évaluer l'impact de ce décalage, il est
nécessaire de comprendre l'impact de l'atmosphère sur la signature spectrale du matériau.
Pour cela, la première étape va consister à développer la chaîne de simulation complète
comprenant :
o
La simulation de la luminance en entrée d'instrument avec en entrée la signature spectrale
du matériau
o
La simulation inverse (correction atmosphérique puis extraction de la propriété optique)
pour remonter à la propriété optique de ce matériau.
Ensuite, à partir de mesures acquises en laboratoire en 2006 [MOURIN 2006],
correspondant à des réflectances spectrales d’échantillons de sols nus et de feuilles à
différents taux d’humidité, une étude de sensibilité relative à l’atmosphère sera menée avec
l’utilisation des codes de transfert radiatif MATISSE [SIMONEAU 2006] et MODTRAN
pour évaluer la potentialité d'un critère d'estimation du taux d'humidité de la surface.
Cette étude sera étendue en l'appliquant à un paysage synthétique avec le code de
transfert radiatif 3D DART [GASTELLU 2004] du CESBIO. Cette étape a pour principal
avantage de pouvoir prendre en compte la variabilité spatiale du paysage et d'en analyser son
impact. Une analyse phénoménologique relative au type de sol sera également effectuée à
partir de bases de données telles que SOLHYDRO [BRUAND 2004].
La validation sera réalisée avec les données hyperspectrales existantes (campagne
HYMAP 2007) couplées à des mesures in situ simultanées (INRA).
Ensuite, une relation entre la classe de sol, l’humidité de surface, le type de véhicule et
la traficabilité sera déterminée pour établir le lien avec la traficabilité. Pour cela, on
s’appuiera sur compétences du LIRIGM de Grenoble.
Enfin, la validation du modèle inverse et de la relation de traficabilité sera effectuée
sur des données hyperspectrales et les mesures terrain associées acquises dans le cadre de la
campagne dédiée au PRF ENVIRO.
4- Bibliographie sommaire
[BRUAND 2004]
A. Bruand, O. Duval, I. Cousin, “Estimation des propriétés de rétention
en eau des sols à partir de la base de données SOLHYDRO : une
première proposition combinant le type d’horizon, sa texture et sa
densité apparente“, 2004, Etude et Gestion des sols, vol. 11, no. 3, pp.
323-334.
[BRYANT 2003]
R. Bryant, D. Thoma, S. Moran, C. Holified, D. Goodrich, T. Keefer,
G. Paige, D. Williams, S. Skirvin, “Evaluation of Hyperspectral
Infrared Temperature and Radar Measurements for Monitoring Surface
Soil Moisture”, 2003, Proceedings First Interagency Conference on
Research in the Watersheds, October 27-30, Benson, Ariz. , USDA-
ARS, pp. 528-533.
[GASTELLU 2004] J.P. Gastellu-Etchegorry, E. Martin, F. Gascon, “DART : a 3-D model
for simulating satellite images and surface radiation budget, 2004,
International Journal of Remote Sensing, vol. 25, no. 1, pp. 75-96.
[LIU 2003]
W. Liu, F. Baret, G. Xingfa, Z. Bing, T. Qi,gxi, Z. Lanfen, “Evaluation
of Methods for soil Surface Moisture Estimation form Reflectance
Data”, 2003, International Journal of Remote Sensing, vol. 24, no. 10,
pp. 2069-2083.
[MOURIN 2006]
H. Mourin, “Caractérisation de l’influence de l’humidité sur la
réflectance spectrale d’échantillons de sols nus dans le domaine optique
0.4 -15 μm” , mémoire introduit pour l’obtention du diplôme du grade
d’ingénieur civil polytechnicien, 2006.
[OLIOSO 2006]
A. Olioso, “Spatialisation des transferts sol – végétation - atmosphère
de l’échelle de la parcelle à celle du paysage agricole en combinant
modèles de fonctionnement de la végétation et du sol, modèles de
transfert radiatif et systèmes de mesure de télédétection”, mémoire de
recherche, Habilitation à Diriger des Recherches, spécialité Physique
de l’Environnement (sciences de l’eau, télédétection), Université
d’Avignon et des Pays de Vaucluse, 16 novembre 2006.
[SIMONEAU 2006] P. Simoneau, R. Berton, K. Caillault, S. Fauqueux,
T. Huet, J. C.
Krapez, L. Labarre, C. Malherbe, C. Martin, C. Miesch, A. Roblin ,
“MATISSE, Version 1.2 and future developments”, 2006, 27th Annual
Review of Atmospheric Transmission Models, National Heritage
Museum, Lexington Massachusetts.
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