Simulated images of outdoor scenes in thermal infrared spectral bands
SPIRou: synthèse de paysages en infrarouge basé sur la modélisation physique des échanges à la surface
Résumé
Signal coming from the ground and gathered by a sensor, undergoes lot of perturbations and processes to be transformed in an image. All those processes can be modeled by a simulator of an earth observation system which is composed of four main parts: lands cape, atmosphere, on board and ground segments. This thesis consists in synthesizing the landscape part of the observation system in the infrared spectral band with variable meteorological and acquisition conditions. Synthesis needs several models to compute fluxes, temperature and radiance at ground level. It concerns, for instance, the solar and atmospheric fluxes, the in-depth heat conduction, the water evaporation heat flux, etc. As we find in literature a multiplicity of models, we have to select one of them. Mode! selection bas been guided by the concern to keep as low as possible the number of parameters describing the physic, to preserve the main mechanisms that constraint the energy balance at the surface. All models have been implemented and validated by comparison between measurement and estimation. SPIRou, software resulting to models implementation, enables us to generate realistic images in infrared spectral band at ground level. Those images could be used to define a mission choice to observe a particular phenomenon (wavelength observation time, best spatial and time resolution...), in order to train end-users to infrared remote sensing and in research and development to validate exploitation algorithms.
La thèse traite, de la conception à la réalisation, d'un simulateur d'images dans le domaine de l'infrarouge. Le choix de l'architecture, la sélection des modèles, l'implantation et l'interfaçage de ces modèles, la validation et l'étude de sensibilité du simulateur, voici toutes les étapes qui ont été abordées durant cette thèse. La simulation de ces images est basée sur la synthèse. Cette approche nécessite la modélisation de tous les phénomènes physiques qui influent sur le signal à la surface. Nous avons tout d'abord répertorié les phénomènes physiques qui influent sur la luminance spectrale, puis nous en avons négligé certains en fonction de nos spécifications. Les phénomènes restants ont été modélisés. Cela concerne par exemple les flux solaire et atmosphérique reçus, la conduction de chaleur en profondeur, le flux de chaleur latente, etc. La littérature étant riche en modèles, une sélection a été réalisée sur des critères de représentativité physique, simplicité de mise en oeuvre et nombre de paramètres minimal. A la suite de cette sélection, les modèles ont été implantés et interfacés. SPIRou, le logiciel résultant de cette implantation, est maintenant opérationnel. II a été validé à l'aide de campagnes de mesures telles que HAPEX-MOBILHY, EFEDA, et une étude de sensibilité a été menée. II permet de déterminer pour une application particulière : les bandes spectrales d'étude, les heures d'observation, les conditions d'éclairement, les conditions météorologiques et le type de cibles. II peut être utilisé pour des applications telles que la spécification de missions, la formation à la compréhension et à l'interprétation de l'imagerie infrarouge et à la validation d'algorithmes d'exploitation.