Obtention simultanée des bandes R et NIR par combinaison linéaire des voies sur un

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Thibault Favreau
il y a 6 ans
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1 Obtention simultanée des bandes R et NIR par combinaison linéaire des voies sur un appareil photographique hi ordinaire i modifié Acknowledgements: the research leading to these results has received funding from the European Union s Seventh Framework Programme [FP7/ ] under grant agreement n G. Rabatel, N. Gorretta, S. Labbé Irstea, Montpellier, France Pour mieux affirmer ses missions, le Cemagref devient Irstea gilles.rabatel@irstea.fr Journée atelier proxi-détection 13 mars 2012, Montpellier

2 Sommaire Introduction Approche méthodologique Résultats et discussion

3 Introduction

4 Pourquoi acquérir les bandes R et NIR? Reflectance (%) Visibleibl NIR Vegetation Wt Water Bare soil µm Comparée aux autres matériaux naturels, la végétation a le plus fort ratio entre réflectances NIR et visible, particulièrement entre R et NIR Intérêt pour la discrimination robuste de la végétation ou l évaluation de biomasse Ratio vegetation index : RVI = NIR/R [0, [ Normalized Difference Vegetation Index: Normalized Difference Vegetation Index: NDVI = (NIR-R)/(NIR+R) = (RVI-1)/(RVI +1) [-1, 1]

5 Comment acquérir les bandes R et NIR? 1: le cas de la télédétection satellitaire obtention facilitée par le balayage par ligne a contribué largement à la promotion du NDVI depuis de nombreuses années

6 Comment acquérir les bandes R et NIR? 2: le cas de la proxi-détection (au champ ou basse altitude) Pas de matrices CCD équipées de grilles de filtres R/NIR Caméras bi-ccd ou tri-ccd: chères et de résolution spatiale limitée Une alternative: combiner un appareil photographique standard et un appareil modifié Retrait du filtre interne bloquant le NIR Ajout d un filtre externe passe-bande NIR R+G+B NIR Appareil modifié

7 Notre objectif Inconvénients de la solution à deux appareils: Encombrement et poids Appariement complexe des images (nécessité de prendre en compte les disparités géométriques entre les optiques) Non approprié à très courte distance (parallaxe) Proposition d une méthode permettant d obtenir les bandes R et NIR avec un seul appareil modifié

8 Approche méthodologique

9 Idée de base Les filtres couleur RVB sur le capteur CCD (matrice de Bayer) laissent passer le NIR ajout systématique d un filtre de blocage sur tous les appareils du commerce Peut-on exploiter la différence de Peut on exploiter la différence de sensibilités des trois canaux quand on enlève ce filtre de blocage?

10 Le cas «idéal» avec filtre bloquant NIR: C1 = R ; C2 = G; C3 = B (appareil standard) C1 R sans filtre bloquant NIR: C1 = R+NIR ; C2 = G+NIR; C3 = B+NIR C2 G C3 B avec un filtre passe-bas bloquant le bleu: C1 = R+NIR ; C2 = G+NIR; C3 = NIR C1-C3 = R; C2-C3 = G

11 Le cas réel nm Peut-on obtenir les bandes R et NIR par une combinaison i linéaire i de C1, C2, C3? Comment définir un filtre passe-bas qui optimise cette combinaison???

12 Formalisation du problème 3.5 Soit C1, C2, C3 les 3 sensibilités spectrales 3 obtenues avec un filtre passe-bas donné C1, C2, C3 définissent un sous-espace de dimension 3 dans l espace spectral x Soit Vt une sensibilité spectrale donnée que nous cherchons à obtenir via une combinaison linéaire de C1, C2, C3 Dans le cas générai, Vt n appartient pas au sousespace [C1, C2, C3] nous ne pouvons l obtenir rigoureusement La meilleure approximation de Vt que l on lon peut obtenir est sa projection P(Vt) sur le sous-espace [C1, C2, C3] La qualité de l approximation peut être évaluée par l angle entre Vt et P(Vt) dans l espace spectral (Spectral Angle Mapper or SAM) (V1,, VP) subspace Vt P(Vt) Sous-espace [C1,C2,C3]

13 Procédure On considère des bandes standard R et NIR comme sensibilités cibles Vt1, Vt2 Soit un filtre passe-bas Fc de longueur d onde de coupure c c définit un sous-espace [C1, C2, C3] particulier pour lequel on peut calculer P(Vt1) et P(Vt2) et leur qualité de projection (SAM) c On teste toutes les valeurs possibles de c, et on choisit celle qui donne la meilleure qualité: SAM(Vt1, P(Vt1)) + SAM(Vt2,P(Vt2)) minimal

14 Resultats

830 930 nm Sigma SD14 Source monochromatique

15 Mesure de la réponse spectrale des appareils Canon 500D (Bayer matrix) nm Sigma SD14 Source monochromatique réglable (Foveon sensor)

16 Meilleure longueur d onde d de coupure c 2.2 Canon 500D 2.2 Sigma SD c (nm) c (nm) SAM(Vt1, P(Vt1)) + SAM(Vt2,P(Vt2)) (radians) Pour les deux appareils, c est d environ 600 nm Wratten filter n 25 La qualité de projection est meilleure pour le Canon 500D

17 Bandes R and NIR obtenues R= 1 C C C 3 NIR = 1 C C C Canon 500D Sigma SD nm nm

Calcul lde NDVI(1) Procédure: calcul numérique du

et de sol collectés sur une image hyperspectrale -

engendrés sur les bandes virtuelles R et NIR S( ).

18 Calcul lde NDVI(1) Procédure: calcul numérique du NDVI à partir de spectres de luminance de végétation et de sol collectés sur une image hyperspectrale - Relevé des spectres - Calcul numérique des niveaux engendrés sur les bandes virtuelles R et NIR S( ). R( ). d ; NIR R S( ). NIR( ). d - Calcul des NDVI correspondants

19 Calcul lde NDVI(2) Prédiction NDVI Canon R 2 = 1 ; Bias = ; SEP C = Predicted values () Prédiction NDVI Sigma R 2 = ; Bias = ; SEP C = Canon 500D Sigma SD Actual values () Actual values ()

20 Premiers tests en conditions réelles (Canon 500D sans filtre NIR interne) Image couleur NDVI image (avec filtre externe de blocage NIR) (procédure ci-dessus)

21 Premiers essais en imagerie aérienne (vignes, fin septembre 2011) R+G+B NIR NDVI de référence 1 appareil (Canon 500D) NDVI moins contrasté (normalisation NIR/R?) Résolution spatiale dégradée

22 Test de discrimination i i végétation ét ti NDVI de référence 1 appareil (Canon 500D) Confirme la dégradation de la résolution spatiale Problème de dématricage : le calcul de combinaisons linéaires et de ratios entre des pixels à des emplacements distincts amplifie les erreurs d interpolation C 1 C 2 C 3 C 1

Solution alternative: revenir au capteur Foveon Appareil de type Sigma pas de dématricage (dernières versions: 4800x3200x3 couches) Inconvénients: Moins bonne qualité des bandes R et NIR simulées

23 Solution alternative: revenir au capteur Foveon Appareil de type Sigma pas de dématricage (dernières versions: 4800x3200x3 couches) Inconvénients: Moins bonne qualité des bandes R et NIR simulées Sensibilités des canaux très déséquilibrées (quasiment rien dans l infrarouge sur le canal vert) CUT Remaining signal Evaluation en cours: discrimination directe de la végétation à partir de 2 ou 3 canaux (sans passer les bandes virtuelles R et NIR)

24 Merci de votre attention

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