Imagerie hyperspectrale

L'imagerie hyperspectrale ou spectro-imagerie est une technologie permettant d'obtenir l'image d'une scène dans un grand nombre (généralement plus d'une centaine) de bandes spectrales à la fois étroites et contigües.

Projection bi-dimensionnelle d'une image hyperspectrale d'une région de la Terre prise depuis l'espace.

Image hyperspectrale de plusieurs pierres permettant d'identifier les éléments qui les composent.

L'imagerie hyperspectrale comparée à l'imagerie spectrale.

Les différentes techniques d'acquisition d'une image hyperspectrale.

Elle permet en premier lieu de déterminer la composition chimique d'une surface photographiée et en fournit des indications sur la concentration de ceux-ci et les propriétés physiques. Elle est également utilisée dans différents processus industriels principalement pour la détermination de la qualité des produits.

L'imagerie hyperspectrale est utilisée dans les prises d'images réalisées à bord d'avion depuis les années 1990 et à bord de satellites d'observation depuis la fin des années 2000.

Définition

L'imagerie hyperspectrale est une technique qui permet d'obtenir une image d'un sujet dans des centaines de bandes spectrales contiguës ce qui permet de produire un spectre de réflectance complet pour chacun des éléments individuels (pixels) composant l'image. La résolution spatiale d'une image hyperspectrale est moyenne mais par contre la résolution spectrale est généralement inférieure à 10 nanomètres. Cette technique se différencie de l'imagerie spectrale, technique ancienne qui restitue une image dans un nombre de bandes spectrales limité (jusqu'à 15), larges et discontinues. L'imagerie hyperspectrale est utilisée principalement en lumière visible et proche infrarouge (0,4 à 2,5 µm). Mais elle peut également être utilisée dans le moyen infrarouge (3 à 5 μm et 8 à 12 μm, bandes II et III) et l'infrarouge thermique et des prototypes sont évalués pour l'observation des micro-ondes.

Méthodes d'acquisition d'une image hyperspectrale

Plusieurs techniques peuvent être utilisées pour l'acquisition d'une image hyperspectrale dans le domaine optique (lumière visible, infrarouge). L'instrument dispose d'une optique qui fournit une image à l'entrée d'un spectrographe. Ce dernier utilise un élément dispersif ou à transformation de Fourier.

Applications

Une image hyperspectrale fournit pour chaque pixel une caractéristique du matériau photographié qui prend la forme d'un vecteur à plusieurs centaines de dimensions (autant que de bandes spectrales). Les applications sont nombreuses. Par exemple :

• Dans le domaine de l'agriculture : détermination du stress hydrique, détection de parasites.
• Dans le domaine environnemental : détection et suivi de la pollution, mesure de la qualité de l'air.
• Dans le domaine de l'astrophysique : caractérisation des étoiles et des exoplanètes.
• Dans le domaine culturel : analyse d’œuvres d'art (peintures, fresques) pour restauration.
• Dans le domaine archéologique: pour l'analyse en archéométrie des vestiges, parfois directement sur le site de découverte
• Industrie alimentaire : contrôle qualité, identification de matériaux étrangers
• Industrie minière : tri des minerais, analyse des roches
• Industrie papetière : contrôle qualité du papier.
• Tri des déchets ménagers.
• Dans la cosmétique et en médecine (en utilisant la caméra d'un téléphone mobile).

Quelques exemples de caméras hyperspectrales :

Instrument	Opérateur	Type	Support	Date	Bande spectrale	Nbre bandes et largeur	Type capteur	Utilisation	Autre information
AVIRIS	JPL	Instrument aéroporté		1989	360 - 2500 nm	224 (10 nm)		Première caméra hyperspectrale utilisée à des fins opérationnelles	Résolution spatiale 20 m.
HIS	CNSA	Satellite	HJ-1B	2008	450-950	110-128	Pushbroom (en)	Suivi des désastres	Résolution spatiale 100 m.
HySIS	ISRO	Satellite	HySIS	2018	400-950 nm	55 (10 nm)	Pushbroom	Surveillance des ressources agricoles et forestières	Résolution spatiale 30 m.
PRISMA	Agence spatiale italienne	Satellite	PRISMA	2019	400-2500 nm	250 (< 12 nm)	Pushbroom	Surveillance des ressources naturelles, démonstrateur technologique	Résolution spatiale 30 m.
HSI	DLR	Satellite	EnMAP	2021	420-2450	228 (6,5 nm et 10 nm)	Pushbroom		Résolution spatiale 30 m.
HISUI	JAXA	Satellite	ALOS-3	2021	400-2500	185 (10 nm et 12,5 nm)	Pushbroom	Gestion des ressources minières, suivi des productions agricoles, surveillance environnement, agriculture	Résolution spatiale 30 m.
Chime	ESA	Satellite	Chime	2029
HyMAS	NASA	Instrument aéroporté		?	60-183 GHz	52	Réseau d'antennes	Sondage atmosphérique - Démonstrateur technologique caméra hyperspectrale micro-ondes	Résolution verticale 1 km.

Exploitation des mesures effectuées

Le traitement des données hyperspectrales est complexe car il faut manipuler d'énormes volumes de données et l'extraction de données pertinentes nécessite de mettre au point des algorithmes complexes spécifiques à chaque type d'utilisation. Pour les instruments embarqués à bord de satellites, la taille des images impose la mise au point d'un processus de compression afin d'être compatible avec les capacités de stockage et de transmission de l'engin spatial. L'exploitation des données fournies par ces instruments est un domaine de recherche actif.

Notes et références

Bibliographie

• (en) Groupe de Synthèse Hyperspectral, Synthèse sur l’imagerie hyperspectrale, CNES, 2008, 90 p. (lire en ligne)
  Rapport de 2008 réalisé par un groupe de travail organisé par l'agence spatiale française sur les applications de l'imagerie hyperspatiale dans le domaine de la défense et de la science.

Voir aussi

Articles connexes

• Spectre électromagnétique
• Imagerie spatiale
• Spectro-imageur

Liens externes

• « Principe de l’imagerie hyperspectrale – Imagerie hyperspectrale » (consulté le 14 août 2021)
• Jean Dellinger, Imagerie hyperspectrale en champ proche optique : développement et applications à la nanophotonique (thèse en doctorat de physique de l’Université de Bourgogne), 4 avril 2013 (lire en ligne [PDF]).