Analyse du fonds marin par imagerie Hyperspectrale : une approche sub-pixel ; prise en compte de modèles de transfert radiatif précis de la colonne d'eau et du fond – HypFoM

L'imagerie hyperspectrale de télédétection permet, grâce à l'information spectrale, d'identifier les matériaux au sol. L'analyse des fonds marins pose le problème supplémentaire de l'influence de la colonne d'eau sur les photons arrivant sur le fond, puis observés après réflexion et transmission dans l'eau, avec une bande spectrale limitée par le domaine d'absorption de l'eau. La correction de l'effet de la colonne d'eau exige la modélisation physique de la propagation du rayonnement solaire pénétrant dans l’océan (i.e., transfert radiatif), qui dépend de la bathymétrie et de la présence des constituants marins capables d’interagir avec le rayonnement lumineux : les matières en suspension, les matières organiques dissoutes colorées, les matières détritiques. L'estimation conjointe des fonds et de la colonne d'eau, malgré certains travaux, reste un problème ouvert.
Ce projet a un objectif principal et deux objectifs secondaires.
L'objectif principal est le développement de méthodes nouvelles pour l'analyse des fonds marins à partir d'images hyperspectrales de télédétection. Nous nous intéresserons spécifiquement aux méthodes dites de dé-mélange spectral, qui permettent d'obtenir la proportion en différents matériaux existants en chaque pixel. Ici le but est de déterminer conjointement les spectres des matériaux purs, leurs abondances respectives, et la composition de la colonne d'eau d'une scène immergée. Pour cela, nous devrons modéliser les effets de la colonne d'eau sur les mélanges observés dans chaque pixel. Il s'agira d'affiner les modèles de transfert radiatif existants, afin de les intégrer aux méthodes nouvelles de dé-mélange. En particulier, nous nous attacherons à prendre en compte les non-linéarités induites par la diffusion multiple engendrée par les particules marines au sein de colonne d'eau sur les mélanges spectraux.
Un premier objectif secondaire est d'obtenir des cartes de composition de l’eau, de bathymétrie et de la couverture des fonds de sites imagés en 2013 (au large du Rhône, la Côte Bleue et l’île de Porquerolles), pour l'information des organismes de gestion des sites (Parc National de Port-Cros).
Un deuxième objectif secondaire est, au travers d'outils de simulation d'images, de préciser sur une base expérimentale (nos données aéroportées) le juste besoin en termes de rapport signal à bruit, ainsi que l'impact de la résolution spatiale pour l'analyse du littoral marin.
Le projet se résume ainsi :
- A partir des modèles radiatifs existants, mettre en œuvre différentes méthodes d'inversion permettant d'obtenir les fonds, afin d'avoir des données de comparaison. Une campagne de données permettra de constituer une base spectrale de référence.
- Prendre en compte les effets de non-linéarité induits par la diffusion multiple générée par les hydrosols lors de leur interaction avec le rayonnement lumineux dans la colonne d'eau. La modélisation du transfert radiatif permettra de quantifier précisément les mécanismes de diffusion multiple dans la colonne d’eau. Ce volet est original en ce sens que les effets non-linéaires induits par les hydrosols ne sont pas pris en compte à l’heure actuelle dans les algorithmes d’estimation de la bathymétrie.
- Intégrer le nouveau modèle de transfert radiatif dans des méthodes statistiques permettant d'inverser l'effet de la colonne d'eau.
- Développer de nouvelles méthodes et de nouveaux algorithmes de dé-mélange spectral, cohérents avec la modélisation du transfert radiatif qui sera intégrée dans les méthodes de dé-mélange, pour obtenir une cartographie sub-pixel des fonds.
- Appliquer les méthodes classiques et les méthodes nouvelles développées dans le cadre de ce projet sur des images de télédétection aéroportées disponibles et les comparer. Rechercher certains habitats benthiques d'intérêt pour les collectivités locales.
- Simuler des dégradations spatiales et du rapport signal sur bruit pour évaluer l'impact sur les résultats d'estimation du fond marin.