Apport de la télédétection hyperspectrale pour l'estimation conjointe des concentrations des gaz atmosphériques et des réflectances des sols

by Rodolphe Marion

Doctoral thesis in Traitement du signal

Under the supervision of Christian Faye.

  • Alternative Title

    Joint estimation of atmospheric gas concentrations and ground reflectances from hyperspectral remotely sensed data


  • Abstract

    Hyperspectral sensors are passive Earth-looking systems providing, for each pixel of the image, a spectrum in the spectral range 0. 4-2. 5 micrometers at 10 nm intervals with a typical spatial resolution of a few meters. In this study, we adress the ill-posed problem of the joint inversion of atmospheric gas concentrations and equivalent ground reflectance (excluding spectral mixing and BRDF). Existing methods (e. G. , N/W, CIBR, APDA) allow the measurement of atmospheric water vapor content with a 5-6% rms typical accuracy and are mainly limited by a partially empirical approach. The study of the radiative transfer function and sensors' characteristics yielded the development of a method named JRGE (Joint Reflectance and Gas Estimator), which takes into account all the physical assumptions of the problem. This method provides a comprehensive mathematical framework based on a ground reflectance spline model and estimates variations in concentrations (relatively to a standard atmosphere model) of a predefined set of gases contained in a plume. An iterative version of the method, which allows the retrieval of total column abundances, is presented and named IJRGE (Iterative Joint Reflectance and Gas Estimator). Validations on simulated and field data (AVIRIS and HyMap) show that the proposed method yields a 2-2. 5 enhancement factor in comparison with existing methods. Further developments, including the analysis of aerosols and sensors' calibration (e. G. , spectral shift), should thus allow the monitoring of numerous geophysical phenomena with relatively low gas emission (e. G. , industrial pollution, forest fires, volcanoes).


  • Abstract

    Les capteurs hyperspectraux sont des systèmes passifs d'observation de la Terre qui fournissent, pour chaque pixel de l'image, un spectre dans la gamme de longueur d'onde 0,4-2,5 micromètres avec un pas d'échantillonnage d'environ 10 nm et une résolution spatiale de quelques mètres. Dans cette étude, nous envisageons le problème mal posé de l'inversion conjointe des concentrations des gaz de l'atmosphère et de la réflectance équivalente des sols (hors mélanges spectraux et BRDF). Les méthodes existantes (e. G. , N/W, CIBR, APDA) permettent de mesurer la teneur en vapeur d'eau de l'atmosphère avec une précision typique de 5-6% rms et sont essentiellement limitées par une approche en partie empirique. L'étude de la fonction de transfert radiative et des caractéristiques des capteurs a conduit au développement d'une méthode nommée JRGE (Joint Reflectance and Gas Estimator), prenant en compte l'ensemble des hypothèses physiques du problème. Cette méthode fournit un formalisme mathématique qui repose sur une modélisation spline des réflectances des sols et estime les excès (par rapport à un modèle atmosphérique standard) contenus dans un effluent gazeux d'un ensemble prédéfini de constituants. Une version itérative, permettant d'élargir le cadre d'application de la méthode pour l'estimation des colonnes atmosphériques totales, est présentée sous le nom de IJRGE (Iterative Joint Reflectance and Gas Estimator). Des validations sur des données simulées et réelles (AVIRIS et HyMap) montrent que la méthode proposée conduit à un gain d'un facteur 2 à 2,5 par rapport aux méthodes existantes, ce qui permet d'envisager l'étude de phénomènes ténus (e. G. , pollution industrielle, feux de forêt, volcans) nécessitant une analyse approfondie des aérosols et des capteurs (e. G. , calibrage spectral).

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Informations

  • Details : 110 f.
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p.95-100

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