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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
n˚ d'ordre : 4946 UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG I Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection UMR 7005 THESE présentée pour obtenir le grade de Docteur de l'Université Louis Pasteur Strasbourg I domaine Electronique-Electrotechnique-Automatique mention : Télédétection par Keyvan KANANI Boursier ONERA / DOTA Utilisation de la très haute résolution spectrale pour la mesure en environnement extérieur de l'émissivité de surface dans la bande infrarouge 3-13 µm - Méthodes et validation expérimentale. soutenue le 22 novembre 2005 Jury : Alain CHEDIN Rapporteur externe Françoise NERRY Examinateur Laurent POUTIER Examinateur Alain ROYER Rapporteur externe Marc-Philippe STOLL Directeur de thèse Yoshitate TAKAKURA Rapporteur interne

  • directeur de thèse yoshitate

  • nationale supérieure de physique de strasbourg

  • moi en particulier

  • accès de morosité passagers

  • pasteur de strasbourg

  • rapporteur externe

  • jean-françois amy


Publié le : mardi 1 novembre 2005
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Source : scd-theses.u-strasbg.fr
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nd’ordre : 4946
UNIVERSITE LOUIS PASTEUR STRASBOURG I
Ecole Nationale SupØrieure de Physique de Strasbourg
Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique et de la TØlØdØtection
UMR 7005
THESE
prØsentØe pour obtenir le grade de
Docteur de l’UniversitØ Louis Pasteur Strasbourg I
domaine Electronique-Electrotechnique-Automatique
mention : TØlØdØtection
par
Keyvan KANANI
Boursier ONERA / DOTA
Utilisation de la trŁs haute rØsolution spectrale pour la mesure en
environnement extØrieur de l’ØmissivitØ de surface dans la bande
infrarouge 3-13 m - MØthodes et validation expØrimentale.
soutenue le 22 novembre 2005
Jury :
Alain CHEDIN Rapporteur externe
Fran oise NERRY Examinateur
Laurent POUTIER
Alain ROYER Rapporteur externe
Marc-Philippe STOLL Directeur de thŁse
Yoshitate TAKAKURA Rapporteur interneRemerciements
Avant tout, j’adresse un grand merci ? Laurent Poutier pour son soutien, son sens
du travail bien fait, son humour et ses conseils de bricolage. Je remercie parallŁlement
deux autres compagnons de galŁre, ie. Sophie Lacherade et Christophe Miesch. La
premiŁre pour avoir su contenir, quand nØcessaire, ses attaques espiŁgles qui m’Øtaient
quotidiennement destinØes, et lutter contre mes accŁs de morositØ passagers, et le
second pour ne pas avoir oubliØ ce que c’Øtait que d’Œtre en thŁse. A ces trois ibustiers,
un quatriŁme s’est joint, plus tardivement car venant du ciel, du fond des ges, de
tout l -bas. ArrivØ le dernier il n’en reste pas moins la premiŁre...
Un grand merci ? Fran oise Nerry et Marc-Philippe Stoll pour m’avoir fait partager
leur expØrience et avoir assumØ leurs r les de directeurs de thŁse, sans pØdanterie ni
distance, mais avec attention et respect.
Avant d’ØnumØrer toutes les personnes ayant contribuØ ? ce travail de thŁse, je tiens
? nommer la mŁre de tous et de moi en particulier : GeneviŁve CorrŁge, merci pour
tout ! Merci Øgalement ? VØronique Achard, Philippe DØliot, Nicolas RiviŁre, HervØ
Chanal et Sandrine Pallotta pour la sympathie particuliŁre qu’il m’ont tØmoignØe.
Merci ? Xavier Briottet pour toute l’aide qu’ils m’ont apportØe. Merci ? Jean-Fran ois
Amy, Bruno Duchesne, Philippe Roland, Georges Ceulenneer et toute l’Øquipe de
MTG pour leur soutien ? la prØparation de ma campagne.
A n de n’oublier personne, merci au DOTA - Toulouse.
5Table des matiŁres
Glossaire 11
Introduction 13
1 RadiomØtrie Infrarouge 17
1.1 Grandeurs radiomØtriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2 PropriØtØs optiques des matØriaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1 PropriØtØs des milieux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2.2 des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Signal en entrØe capteur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1 ModØlisation monochromatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.1.1 Surface de comportement directionnel . . . . . . . . . 23
1.3.1.2 lambertienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.2 ModØlisation intØgrØe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3 Analyse des di Øren ts contributeurs . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3.1 Situation standard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.3.2 Termes environnementaux . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3.3.3 T de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2 Mesure de l’ØmissivitØ : mØthodologie 31
2.1 DØtermination des termes environnementaux . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.1 Termes montants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1.2 T descendants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2 SØparation ØmissivitØ - tempØrature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.1 ProblØmatique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2 MØthodes relatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2.1 Spectral ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.2.2 MØthode des TISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.2.3de relative alpha residual . . . . . . . . . . . . 40
2.2.3 MØthodes avec hypothŁses a priori sur les inconnues . . . . . . 41
2.2.3.1 MØthodes Reference Channel, Blackbody Fit et
Maximum Spectral Temperature . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.3.2 TES (Temperature Emissivity Separation) . . . . . . 43
2.2.3.3 MØthode absolue alpha residual . . . . . . . . . . . . 44
2.2.4 MØthodes de rØgularisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.4.1 Grey body emissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2.4.2 Spectral Smoothness (SpSm) . . . . . . . . . . . . . . 46
2.2.4.3 DØcomposition en sØrie de Fourier . . . . . . . . . . . 47
2.2.5 MØthodes multitemporelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.2.5.1 TISI jour/nuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.2.5.2 SØparation ? plusieurs tempØratures . . . . . . . . . . 48
12 TABLE DES MATI¨RES
2.2.6 MØthodes de regression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3 DØ nition des mØthodologies de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.1 Mesure des termes environnementaux . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.2 SØparation ØmissivitØ - tempØrature . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.3.3 Protocoles de mesure envisagØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3 Campagne de mesure 53
3.1 PrØparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1 CaractØrisation du spectroradiomŁtre . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1.1 PrØsentation de l’instrument . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.1.2 CaractØristiques spectrales . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1.3 Etalonnage radiomØtrique . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1.4 DØrive instrumentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.1.1.5 Ecart-type du bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.1.1.6 Calage spectral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.1.1.7 Champ de l’instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1.2 MatØriaux observØs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.2.1 CaractØrisation optique des matØriaux en laboratoire 67
3.1.2.2 Corps de rØfØrence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.1.2.3 Echantillons de test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.2 Mise en oeuvre de la campagne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.1 Con guration de mesure et instrumentation . . . . . . . . . . . 73
3.2.1.1 Mesure de luminances hyperspectrales . . . . . . . . . 74
3.2.1.2 DonnØes de contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.2 Jeu de mesures spectroradiomØtriques . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2.1 Etalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.2.2 Analyse et sØlection des mesures . . . . . . . . . . . . 77
4 Traitement et Inversion des mesures 81
4.1 DØtermination des termes montants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 des Øclairements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 Comparaison simulation mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2 Eclairement en infrarouge thermique . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.3t en mØdian . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 MØthode Spectral Smoothness (SpSm) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.1 ParamØtrisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.1.1 Fonction de rØgularitØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.1.2 Domaine spectral d’application . . . . . . . . . . . . . 89
4.3.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.3.2.1 Analyse des spectres de trois Øchantillons . . . . . . . 90
4.3.2.2 Ensemble des rØsultats SpSm . . . . . . . . . . . . . . 93
4.4 Prise en compte des e ets directionnels
mØthode SmaC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.1 Simpli cation du modŁle directionnel . . . . . . . . . . . . . . 107
4.4.2 MØthode Smoothness and Continuity (SmaC) . . . . . . . . . . 108
4.4.2.1 Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.4.2.2 RØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.5 MØthode Multi-TempØratures (MTM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.1 RØsolution numØrique du systŁme . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
4.5.2 Etude du systŁme et rØsultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.5.2.1 Etude du systŁme ? deux tempØratures . . . . . . . . 117
4.5.2.2 Ensemble des rØsultats du systŁme ? deux tempØratures121
4.5.2.3 Mesures ombre/soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122TABLE DES MATI¨RES 3
4.6 SynthŁse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5 Analyse numØrique 129
5.1 Description des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.1.1 Luminance en entrØe pupille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.2 Acquisition par l’instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.3 Etalonnage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.1.4 DØtermination de l’Øclairement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.1.4.1 HypothŁse de rØ ecteur lambertien . . . . . . . . . . . 137
5.1.4.2 TempØrature et rØ ectance du rØ ecteur . . . . . . . . 137
5.1.4.3 Pro ls atmosphØriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.2 RØsultats des simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.1 Cas de la campagne de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.2.1.1 Echantillon directionnel, rØ ecteur directionnel . . . . 138
5.2.1.2 Echantillon lambertien, . . . . 141
5.2.1.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.2 E ets de l’hØtØrogØnØitØ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.2.1 HØtØrogØnØitØ en ØmissivitØ . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.2.2.2 en tempØrature . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2.2.3 en ØmissivitØ et tempØrature . . . . . . 146
5.2.3 Protocole de mesure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.2.3.1 Cas idØaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.2.3.2 Autres cas de campagne . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.2.3.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Conclusion 1574 TABLE DES MATI¨RES

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