L’essor de la télédétection optique a permis des avancées majeures dans notre compréhension du fonctionnement de notre Terre, avec des applications terrestres, maritimes et météorologiques. Reposant sur l’exploitation d’un rayonnement électromagnétique, les capteurs enregistrent le signal de la scène en trois dimensions : deux dimensions spatiales et une dimension spectrale. On obtient ainsi une signature spectrale en chaque point de l’image. Parmi les capteurs optiques, les capteurs hyperspectraux sensibles dans le domaine du visible à l’infrarouge courte longueur d’onde (0.4-2.5 µm) permettent d’acquérir le signal incident dans un grand nombre de bandes spectrales, étroites et contiguës. Le signal enregistré est composé de plusieurs contributions radiatives issues de la surface, mais également de l’atmosphère. Une étape de correction atmosphérique est alors nécessaire afin de s’affranchir des effets de l’atmosphère et de remonter aux propriétés intrinsèques de la surface : la réflectance de surface. Cette étape est aujourd’hui très bien maîtrisée en condition de ciel clair. Or les nuages recouvrent environ les deux-tiers de la surface terrestre, modifiant les effets radiatifs sur la scène par rapport au ciel clair et rendant la correction atmosphérique plus complexe.
L’objectif de cette thèse est de proposer une méthode de correction atmosphérique en présence de nuages à partir d’une unique image hyperspectrale.
Deux méthodes de correction atmosphériques sont étudiées selon le type de nuages :
• Les nuages semi-transparents de type cirrus fins, dont une partie du signal issu de la surface est accessible.
• Les nuages opaques, caractérisés par une transmission nulle. En revanche, leur présence provoque des ombres portées, dans lesquels une information de la surface est toujours présente. Une correction est alors envisageable à l’ombre de ces nuages.
Cette thèse est divisée en deux parties : une première partie consacrée aux cirrus, et une seconde aux ombres des nuages opaques.
En préliminaire, une étude phénoménologique du comportement radiatif de ces deux types de nuage a été menée. Les modèles actuels ne considérant que des nuages homogènes infinis, une modélisation spécifique à des nuages épars a été développée afin de simuler de nouvelles situations nuageuses : nuage sur le trajet soleil-surface, nuage sur le trajet surface-capteur. Ces simulations nous ont permis d’analyser leurs comportements radiatifs et d’extraire, en particulier pour les cirrus, des relations permettant de remonter à certaines de leurs propriétés telles que l’épaisseur optique et la transmission.
Ces différentes configurations adaptées aux cirrus ont permis d’évaluer les performances du modèle de correction atmosphérique en présence de cirrus proposé par Gao et Li (2017), d’identifier leurs limitations et de proposer des améliorations. Notre évaluation a été réalisée sur plusieurs couples d’images satellites (nuageuse et ciel clair de référence) et montrent des améliorations significatives de 50 % lorsqu’un cirrus est présent sur le trajet soleil-sol.
Quant aux ombres des nuages opaques, il a, dans un premier temps, été effectué une analyse phénoménologique sur diverses images afin d’avoir une meilleure compréhension du signal reçu au niveau du capteur. Dans un second temps, comme pour le cirrus, un modèle de correction des ombres présent dans la littérature a été validé sur un couple d’images et diverses surfaces, permettant également d’établir des limites au modèle.
Des perspectives de travaux futurs sont ensuite évoquées. |
The rise of optical remote sensing has allowed major advances in our practical understanding of how our Earth works, with terrestrial, maritime and meteorological applications. Based on the use of electromagnetic radiation, the sensors record the scene signal in three dimensions: two spatial dimensions and one spectral dimension. We thus obtain a spectral signature at each point of the image. Among optical sensors, hyperspectral sensors, sensitive in the visible range to short-wavelength infrared (0.4-2.5 µm), make it possible to acquire the incident signal in a large number of spectral bands, narrow and contiguous. The recorded signal is a composite of several radiative contributions from the surface, but also from the atmosphere. An atmospheric correction step is then necessary in order to overcome the effects of the atmosphere and to go back to the intrinsic properties of the surface: the surface reflectance. This step is now very well controled in clear sky conditions. However, clouds cover about two-thirds of the earth's surface, modifying the radiative effects on the scene compared to the clear sky and making more complex the atmospheric correction.
The objective of this thesis is to propose an atmospheric correction method in the presence of clouds from a single hyperspectral image.
Two atmospheric correction methods are studied depending on the type of cloud:
• Semi-transparent thin cirrus clouds, of wich part of the signal from the surface is accessible.
• Opaque clouds, characterized by zero transmission. On the other hand, their presence causes cast shadows, in which information from the surface is always present. A correction is then possible in the shadow of these clouds.
This thesis is divided into two parts: a first part devoted to cirrus clouds, and a second to the shadows of opaque clouds.
In preliminary, a phenomenological study of the radiative behavior of these two types of cloud was carried out. As the current models only consider infinite homogeneous clouds, a model specific to scattered clouds has been developed in order to simulate new cloud situations: cloud on the sun-surface path, cloud on the surface-sensor path. These simulations have allowed us to analyze their radiative behaviors and to extract, in particular for cirrus clouds, relationships allowing to trace some of their properties such as optical thickness and transmission.
These different configurations adapted to cirrus clouds made it possible to evaluate the performance of the atmospheric correction model in the presence of cirrus clouds proposed by Gao and Li (2017), to identify their limitations and to suggest improvements. Our evaluation was carried out on several pairs of satellite images (cloudy and clear-sky reference) and show significant improvements of 50 % when cirrus clouds are present on the sun-surface path.
As for the shadows of opaque clouds, a phenomenological analysis was first carried out on various images in order to have a better understanding of the signal received at the level of the sensor. Secondly, as for cirrus, a shadow correction model found in the literature was validated on a couple of images and various surfaces, also making it possible to establish limits to the model.
Perspectives future work are then discussed. |