Compression des images hyperspectrales
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Annexe E
Instruments
MALGRÉ la complexité de la réalisation et le concept de l’hyperspectral qui est assez récent, de nombreuses sociétés proposent des instruments hyperspectraux. Cette annexe présente les principales caractéristiques de quelques instruments hyperspectraux en fonctionnement actuellement. Ces instruments sont soit spatiaux, soit aéroportés. Dans tous les cas, ce sont des instruments possédant une bonne résolution spectrale. Ce sont tous des instruments fonctionnant dans le domaine réflectif. Les caractéristiques dans le domaine du visible seront plus particulièrement étudiées. Cette étude n’est pas exhaustive, les instruments hyperspectraux étant très nombreux principalement dans le domaine aéroporté.
Ces caractéristiques serviront à définir les caractéristiques d’un instrument hyperspectral spatial "type" sur lequel seront effectuées les simulations de la thèse. L’idée est de faire des simulations aussi réalistes que possible.
Un inventaire des images disponibles sur lesquelles il serait possible de travailler est également réalisé. Les caractéristiques de ces images sont précisées.
E.1 Démarche
Les instruments mentionnés ici sont bien connus, et largement utilisés par la communauté scientifique. Il existe parfois plusieurs versions de ces instrument (surtout dans le cas des instruments commerciaux), selon les besoins des utilisateurs, mais aussi selon les évolutions technologiques. Les principaux constructeurs d’imageurs hyperspectraux dans un but commercial sont GER (DAIS et EPS), Integrated Spectronics (Hymap), ITRES Research Limited (CASI), Kestrel Corporation (IrCam, HyperCam), SAIC (COIS), Sensytech (MIVIS), TRW (Hyperion). Des constructeurs non commerciaux existent aussi, par exemple JPL pour la NASA (AVIRIS). Les instruments présentés ici proviennent de constructeurs divers, afin de donner une bonne idée des différentes spécifications et des différentes technologies utilisées.
Les spécifications assez complètes pour les différentes versions de CASI étaient également disponibles. Les deux principales versions sont présentées ici, ce qui permet de voir l’évolution, et les points principaux que le constructeur a amélioré. Ces améliorations sont dictées par les besoins des utilisateurs, c’est donc un bon indicateur pour la tendance des futurs instruments hyperspectraux.
Les premiers instruments présentés sont des instruments aéroportés, ils sont à un stade de fonctionnement commercial. Le passage au spatial n’est pas évident à cause des contraintes spécifiques du domaine. Les instruments présentés à la fin sont des instruments spatiaux souvent envoyés comme démonstrateurs. Ils peuvent servir à valider des technologies, mais aussi les applications possibles à partir de ces instruments. Il est également intéressant de comparer les spécifications des domaines aéroporté et spatial. Le dernier capteur présenté est le capteur Spectra de l’ESA qui devrait être envoyé en 2008.
E.2 Les capteurs actuels
E.2.1 AVIRIS
Les spécifications datent de 1987 pour un instrument aéroporté. Aviris a été réalisé pour simuler les performances des futurs instruments hyperspectraux spatiaux. D’autre part, les images sont facilement disponibles et beaucoup d’endroits sont couverts. De plus, la documentation technique disponible est très complète, et toutes les spécifications sont disponibles sur le site.
Référence : [Por87]
| Nom | Airborne Visible / Infrared Imaging Spectrometer |
| Plateforme | ER-2 (aéroporté haute altitude) |
| autre porteur (aéroporté basse altitude) | |
| Pays | USA |
| Constructeur | NASA/JPL |
| Opérateur | NASA/Ames Research Center |
| Date d’exploitation | 1987 |
| Site internet | http ://aviris.jpl.nasa.gov |
Instrument
| FOV | 30˚ |
| IFOV | 1 mrad |
| Focale effective | 19.76 cm |
| Diamètre effectif de la pupille | 14.5 cm |
| Fibre Optique | Silice (A,B) |
| Verre fluoré (C,D) | |
| Diamètre | 200 μm |
| Ouverture numérique | 0.45 |
| Type de scanner | Whiskbroom |
| Altitude | 20 km |
| Vitesse/sol | 735 km/h |
| Enregistrement | Metrum VLDS |
| Masse | 340 kg |
| Puissance | 1148 W (28 VDC, 41 A) |
| Dimensions | 84 cm × 160 cm × 117 cm |
| Température de fonctionnement | 0˚à 30˚C |
Capteur
| Spectromètre | A | B | C | D |
| Spectre (nm) | 380-690 | 670-1270 | 1260-1880 | 1880-2500 |
| Nombre de bandes | 32 | 64 | 64 | 64 |
| Largeur de bande | 9.7 nm | 9.5 nm | 10.0 nm | 12 nm |
| Réseau (lignes/mm) | 117.65 | 128.2 | 124.2 | 128.6 |
| Type | Line array | Line array | Line array | Line array |
| Nombre d’éléments | 32 | 64 | 64 | 64 |
| Matériaux | Silicon | InSb | InSb | InSb |
| Temps d’intégration | 87 μs | 87 μs | 87 μs | 87 μs |
| Surface active (μm) | 200 × 200 | 200 × 200 | 200 × 200 | 200 × 200 |
| Espace inter-éléments | 30 μm | 30 μm | 30 μm | 30 μm |
Acquisition des données
| Largeur de champ | 11 km |
| Délai de revisite | aéroporté |
| Nombre de bandes | 224 |
| Résolution spectrale | ~10 nm |
| Pixels par ligne | 614 |
| Taux d’échantillonnage | 12 lignes/s |
| Échantillonnage spatial | 20 m × 20 m (à 20 km) |
4 m × 4 m (à 4 km) |
|
| Quantification | 12 bits |
16 bits après corrections radiométriques |
|
| Débit | 20.4 Mbit/s |
| SNR A | 150 :1 |
| SNR B | 140 :1 |
| SNR C | 70 :1 |
| SNR D | 30 :1 |
| Remarque | Le SNR a été amélioré dans les versions successives de l’instrument, il est de l’ordre de 600 à 1000 pour la version 3 |
Données disponibles
| Scène |
|
| Largeur | 1.9 km à 11 km |
| Longueur | 10-100 km |
| Taille fichier | max 10 Go par vol (850 km) |
E.2.2 CASI, CASI-2
CASI est un instrument hyperspectral commercial assez répandu et largement utilisé. C’est l’appareil commercial leader au niveau de l’acquisition d’images hyperspectrales dans le domaine du visible.
| Nom | Compact Airborne Spectrographic Imager |
| Plateforme | Avions légers |
| Pays | Canada |
| Constructeur | ITRES Research |
| Opérateur | ITRES |
| Date d’exploitation | 1989 (CASI-2 2000) |
| Site internet | http://www.itres.com |
Instrument
| FOV | 37.8˚ |
| IFOV | 1.3 mrad |
| Ouverture | f/2.8 à f/11 |
| Élément dispersif | Réseau réflectif |
| Type de scanner | Pushbroom |
| Altitude | de 400 m à 8000 m |
| Vitesse/sol | ~ 400 km/h |
| Enregistrement | Exabyte digital recordinf (8 mm tapes) 1.1 Go |
| Digital helical scan drive (40 Gbit) ou Disque (9 Gbit) (CASI-2) | |
| Masse | 55 kg (dont tete 6 kg) |
| Puissance | 400 W (3.9 A à 110 VAC) |
| ou 560 W (20 A à 28 V) | |
Capteur
| Spectre (nm) | 430-940 |
| Nombre de bandes | jusqu’à 288 |
| Largeur de bande | 1.9 nm |
| Résolution spectrale | 2.2 nm |
| Type | EEV UT104 array |
| Nombre d’éléments | 612 × 576 |
| Matériaux | Si (CCD) |
| Temps d’intégration | 30 ms (spatial mode) |
| 100 ms (spectral mode) | |
Modes d’acquisition
Différents modes d’acquisition sont proposés, principalement pour des raisons de taille de données.
| Mode | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Bandes | 288 | 144 | 96 | 72 |
| Pixels par ligne | 101 | 203 | 405 | 511 |
Acquisition des données
| Résolution spatiale | de 0.5 à 10 m |
| Quantification | 12 bits |
| Débit | 840 Ko/s à 1 Mo/s |
| SNR | 420 :1 peak |
| Précision radiométrique | 470-800 nm ±2% absolu |
| 430-870 nm ±5% absolu | |
La taille des données est très variable selon les demandes (résolution, fauchée,…).
E.2.3 CASI-3
CASI-3 est l’évolution, lancée en 2002, des précédents CASI. Il peut être intéressant de comparer les différences entre cette version et la version précédente pour dégager les principales tendances. Ces évolutions répondant à des besoins formulés de la part des utilisateurs.
Le principal avantage de CASI-3 par rapport aux versions précédentes est la plus grande fauchée possible (environ 3 fois celle de CASI-2), ce qui permet de réduire les temps de vol nécessaires pour couvrir la même zone d’environ 60%. Cette amélioration de la fauchée à été obtenue en améliorant la résolution du capteur, ce qui permet à l’avion de voler à plus haute altitude, et donc d’augmenter la fauchée.
CASI-3 a été spécialement conçu pour éviter les distortions au niveau spectral : pas de contamination par les points adjacents (pas de keystoning), et les points d’une image à une longueur d’onde donnée, sont uniquement à cette longueur d’onde (pas de smile).
Références : [ITR02a], [ITR02b]
| Nom | Compact Airborne Spectrographic Imager |
| Plateforme | Avions légers |
| Pays | Canada |
| Constructeur | ITRES Research |
| Opérateur | ITRES |
| Date d’exploitation | 2002 |
| Site internet | http://www.itres.com |
Instrument
| FOV | 39.5˚ |
| IFOV | 1.3 mrad |
| Ouverture | f/3.5 à f/19 |
| Élément dispersif | Réseau réflectif |
| Type de scanner | Pushbroom |
| Altitude | jusqu’à 3048 m (non pressurisé) |
| Vitesse/sol | ~ 400 km/h |
| Enregistrement | |
| Masse | 70 kg |
| Dimensions | 31.8 × 41.7 × 81.3 cm (tête) |
| 18.4 × 48.3 × 52.3 cm (unité de contrôle) | |
| Température de fonctionnement | 15˚à 30˚C (optimal) |
| Humidité relative | 20% à 80% |
Capteur
| Spectre (nm) | 400-1050 |
| Nombre de bandes | jusqu’à 288 |
| Largeur de bande | 2.2 nm en moyenne |
| Type | CCD array |
| Nombre d’éléments | 1480 × 288 |
Acquisition des données
| Résolution spatiale | de 0.5 à 10 m |
| Taux d’échantillonnage | 333 lignes/s |
| Quantification | 14 bits |
| Débit | 2 Mo/s |
| SNR | 480 :1 peak |
| Précision radiométrique | 470-800 nm ±2% absolu |
| 430-870 nm ±5% absolu | |
E.2.4 MIVIS
Instrument principal de la société Sensytech, MIVIS ne possède que 20 bandes dans le domaine du visible. Néanmoins, ses quatre spectromètres couvrant le domaine spectral du visible à l’infrarouge thermique, peuvent fournir des données utiles pour beaucoup d’applications. Cependant, le bruit est très irrégulier en fonction des différents bandes.
| Nom | Multispectral Infrared and Visible Spectrometer |
| Plateforme | CASA-212 (aéroporté) |
| Pays | USA |
| Constructeur | Daedelus Enterprise (Sensytech maintenant) |
| Opérateur | CNR-LARA (Italie) et d’autres |
| Date d’exploitation | 1993 |
| Site internet | http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/ISSSR-95/mivisair.htm |
| http://www.sensystech.com/Imaging/MIVIS.html | |
Instrument
| FOV | 71.059˚ |
| IFOV | 2.0 mrad |
| Élément dispersif | Prisme |
| Type de scanner | Whiskbroom |
| Altitude | max 4600 m |
| Vitesse/sol | max 450 km/h |
| Enregistrement | VHS cassette (10.2 Go) |
| Masse | 220 kg |
| Puissance | 2240 W (28 ± 3 VDC, 80 A) |
| Dimensions | 67 × 52 × 71 cm (tête) |
| 103 × 48 × 64 cm (électronique) | |
| Température de fonctionnement | 5˚à 40˚C |
| Humidité relative | 20% à 80% |
Capteur
| Spectromètre | 1 VIS | 2 NIR | 3 SWIR | 4 TIR |
| Spectre (nm) | 433-833 | 1115-1550 | 1983-2478 | 8180-12700 |
| Nombre de bandes | 20 | 8 | 64 | 10 |
| Largeur de bande | 20 nm | 50 nm | 9 nm | 340-540 nm |
Acquisition des données
| Largeur de champ | 3.8 km |
| Délai de revisite | aéroporté |
| Nombre de bandes | 102 |
| Résolution spectrale | 20 nm |
| Pixels par ligne | 755 |
| Taux d’échantillonnage | 25, 16.7, 12.5, 8.3, 6.25 scan/s |
| Échantillonnage spatial | 5 m × 5 m (à 3000 m) |
| Quantification | 12 bits |
| Débit | jusqu’à 23 Mbit/s |
| SNR | |
| 1 | 55-438 |
| 2 | 715-1125 |
| 3 | 27-198 |
| 4 | 7-80 |
Données disponibles
| Scène | Selon spécifications |
| Level 0 | Données brutes et information pour la calibration radiométrique et les corrections géométriques. |
| Level 1 | Données calibrées radiométriquement |
| Level 2 | Corrections atmosphériques |
| Level 3 | Corrections géométriques |
E.2.5 Hymap
Considéré comme un bon modèle pour les futurs capteurs hyperspectraux, cet instrument fournit un spectre complet de 450 à 2480 nm sauf dans les bandes d’absorption de l’eau autour de 1400 et 1900 nm. Il y a environ 5 exemplaires en utilisation actuellement. Certaines différences existent entre les versions (bandes TIR sur certaines versions). L’instrument peut être adapté en fonction des besoins des utilisateurs. HyVista, un opérateur, possède un de ces instruments, et se charge de vendre les images.
NB : La première version d’Hymap en 96 bandes n’est pas décrite ici.
Références : [Coc98], [Kru00]
| Nom | Hyperspectral Mapping |
| Plateforme | Cessna (et autres) |
| Pays | Australie |
| Constructeur | Integrated Spectronics |
| Opérateur | Integrated Spectronics / DLR / HyVista |
| Date d’exploitation | 1996 |
| Site internet | http://www.intspec.com |
Instrument
| FOV | 60˚ |
| IFOV | 2.5 mrad along track |
| 2.0 mrad across track | |
| Diamètre effectif de la pupille | 100 mm |
| Type de scanner | Whiskbroom |
| Altitude | 1500-5000 m |
| Vitesse/sol | 200-330 km/h |
| Enregistrement | Exabyte Mammoth (80 Go) |
Capteur
| Spectromètre | 1 VIS | 2 NIR | 3 SWIR1 | 4 SWIR2 |
| Spectre (nm) | 450-890 | 890-1350 | 1400-1800 | 1950-2480 |
| Nombre de bandes | 32 | 32 | 32 | 32 |
| Largeur de bande (nm) | 15-16 | 15-16 | 15-16 | 18-20 |
| Échantillonnage (nm) | 15 | 15 | 13 | 17 |
| Matériaux | Si | InSb | InSb | InSb |
Acquisition des données
| Largeur de champ | 2.3 km à IFOV 5 m |
| 4.6 km à IFOV 10 m | |
| Nombre de bandes | 128 |
| Résolution spectrale | ~ 16 nm |
| Pixels par ligne | 512 |
| Résolution spatiale (IFOV) | 5 × 5 m à 2 km |
| 10 × 10 m à 4 km | |
| Quantification | 12-16 bits |
| Débit | 2.5 Mo/s |
| SNR | > 500 :1 |
| Registration interbande | < 1/10 pixel |
Données disponibles
| Scène |
|
| Largeur | 512 pixels |
| Longueur | variable |
| Taille fichier | 260 Mo (2.5 × 10 km) |
E.2.6 Hyperion
Premier capteur à transmettre des données hyperspectrales depuis l’espace, Hyperion a été envoyé pour démontrer la faisabilité des applications spatiales hyperspectrales. Le SNR n’est pas très bon comparé à des instruments aéroportés arrivés à maturité (AVIRIS par exemple).
Références : [Bei02,Bar01,Pea00,Pea01a,Kru02]
| Nom | Hyperion |
| Plateforme | EO-1 (satellite) |
| Pays | USA |
| Constructeur | TRW |
| Opérateur | NASA GSFC (Goddard Space Flight Center) |
| Date d’exploitation | 21/11/2000 |
| Site internet | http ://eo1.gsfc.nasa.gov/Technology/Hyperion.html |
Instrument
| FOV | 0.624˚ |
| IFOV | 42.55 μrad |