Le rôle des technologies de l imagerie dans le secteur de l environnement

Le rôle des technologies de l imagerie dans le secteur de l environnement Présenté par Valérie Gouaillier Conseillère, Équipe Vision et imagerie CRIM Présenté à Montréal Le 20 novembre 2008 CRIM 2008 1

Secteur de l environnement Quelques chiffres Marché mondial : 800 milliards $ Industrie canadienne de l environnement : Évaluée à plus de 29 milliards $ 8 000 entreprises dont 93 % comptent moins de 100 employés. Exportation de plus de 1,4 milliard de dollars Québec : 21 % des entreprises canadiennes CRIM 2008 2

TIC et environnement Problème ou solution? CRIM 2008 3

TIC et environnement TIC font partie des problèmes Déchets électroniques et informatiques En 2006, environ 3,8 millions d appareils électroniques et informatiques vendus au Québec = 43 000 tonnes de résidus potentiels. Source : «Responsabilité Sociale, prochaine étape pour le Québec», Commerce, Novembre 2008, p. 29. Consommation d énergie Peuvent favoriser l augmentation de la production / consommation amélioration des processus de production e-commerce marketing Contribuent pour ~ 2 % des émissions de gaz à effet de serre CRIM 2008 4

TIC et environnement TIC font partie des solutions Amélioration des systèmes d observation, suivi et réponse/contrôle Meilleure utilisation des ressources Collecte, traitement et diffusion de l information Favoriser l activisme ex. : Global Forest Watch, réseau de 90 regroupements contre la déforestation. Utilise combinaison d imagerie satellitaire, SIG, logiciels de cartographie, Internet et observations de terrain sur le couvert forestier et les coupes par les compagnies. - www.globalforestwatch.org CRIM 2008 5

TIC et environnement TIC et carbone TIC could reduce emissions by 15 per cent and save global industry $US 800 billion in annual energy costs by 2020 video conferencing: if 20% of business travel in the EU 25 was replaced by video conferencing, this would save 22.3 million tonnes of CO2 audio conferencing: if 50% of EU workers replaced one meeting with one audio conference a year, this would save 2.2 million tonnes of CO2 flexi-work: if 10% of the EU 25 workforce were to become flexi-workers, this could save 22.17 million tonnes of CO2 a year online billing: 100 million customers receiving online phone bills would save 109,100 tonnes of CO2 web-based tax returns: 193 million web-based tax returns would save 195,000 tonnes of CO2. Source : ETNO/WWF reports, cité dans www.ovum.com/go/content/c,67759 CRIM 2008 6

TIC et environnement Efficacité énergétique : la Commission européenne encourage les TIC Amélioration de la gestion des réseaux électriques: 40 % la production 10 % la distribution Chauffage et refroidissement des bâtiments Compiler les données sur consommation Gestion automatisée intelligente (ex. : IBAUT) Éclairage : 20 % de la consommation mondiale d électricité mécanismes d adaptation de l éclairage à la lumière naturelle et présence. Source : «Économie : UE : Exploiter les TIC pour optimiser le rendement de l'énergie», Casafree.com, 14 mai 2008. CRIM 2008 7

Imagerie et environnement Rôle et applications CRIM 2008 8

Secteur de l environnement CRIM 2008 9

Secteur de l environnement Environnement «Ensemble des conditions naturelles (biologiques, physiques et géographiques) et des conditions découlant de l'aménagement du territoire qui agissent sur les organismes vivants, tels que les plantes, les animaux et les humains» Source : www.mddep.gouv.qc.ca/jeunesse/chronique/glossaire.htm. CRIM 2008 10

Secteur de l environnement Définition du secteur Ensemble des biens, services et technologies, ou de toute activité académique ou commerciale, qui visent l analyse, la prévention, la réduction et la correction des atteintes à l environnement. Pollution de l eau, de l air et du sol Matières résiduelles Émissions Bruits Écosystèmes Ressources naturelles Énergie. CRIM 2008 11

Secteur de l environnement Subdivision proposée Selon les composantes environnementales auxquelles elles s appliquent : Air Eau Sol Végétation/foresterie Faune Climat Agriculture Aménagement du territoire / Paysage Matières résiduelles CRIM 2008 12

Secteur de l environnement Utilité des technologies de l imagerie Observation Mesure Analyse Diagnostic Suivi CRIM 2008 13

Imagerie pour l environnement Catégories d applications 1. Les technologies d imagerie pour l observation de la Terre. 2. Les technologies de visionique pour le tri automatisé des matières résiduelles. 3. Les technologies d imagerie pour les analyses environnementales en laboratoire. 4. Les technologies de visualisation pour les analyses paysagères et la planification environnementale. CRIM 2008 14

Observation de la Terre CRIM 2008 15

Observation de la Terre Imagerie : satellitaire, aérienne, au sol Objet : observation d un territoire Échelle : moins de 1 m à plusieurs km Utilité : Analyser et cartographier la couverture terrestre Suivre l aménagement du territoire Différencier les espèces végétales Identifier l état des différents systèmes naturels Suivre et prédire l évolution de phénomènes environnementaux dans le temps CRIM 2008 16

Observation de la Terre Capteurs Spectromètres, radiomètres, radar, lidar, appareils photo Propriétés : Portion du spectre détectée visible, micro-ondes, thermique, rayons gamma Plateforme Spatio-portée, aéroportée, au sol Résolution spatiale Taille de la plus petite portion de territoire imagée Résolution spectrale Largeur de bande spectrale détectée Résolution radiométrique Nombre de niveaux de gris ou de couleurs Résolution temporelle Temps entre deux prises d images du même point CRIM 2008 17

Observation de la Terre Imagerie panchromatique 1 bande spectrale large : noir et blanc ou fausses couleurs Utilité : Extraire des informations géométriques Type végétation Applications : Occupation du sol Cartographie urbaine Couvert végétal Physiographie Sources images SPOT : www.space.com et www.fas.org/irp/imint/docs/rst/front/overview2.html CRIM 2008 18

Observation de la Terre Imagerie multispectrale Plusieurs bandes spectrales (<10) Utilité : Identifier la nature des structures observées Applications : Identification des espèces végétales Distinction des composantes du territoire Analyse des cultures Sources image Landsat : www.geog.umd.edu/resac/crop-map.htm CRIM 2008 19

Observation de la Terre Imagerie hyperspectrale Nombreuses bandes étroites (>100) Technologie émergente Surtout aéroportée Utilité : Identification plus précise des entités terrestres Propriétés physiques et chimiques Applications : Propriétés de la végétation Exploration minérale Foresterie Source image AVIRIS : http://coralreefs.wr.usgs.gov/mapping_hyper.html CRIM 2008 20

Observation de la Terre Imagerie à faible résolution spatiale Résolution spatiale ~ 1 km Utilité : Analyse à l échelle régionale Applications : suivi des feux de forêts étude des océans relevés météorologiques surveillance des événements climatiques ou sanitaires (désertification, insectes, etc.) observation de l occupation du sol sur un vaste territoire Source images SPOT VGT et NOAA AVHRR : http://cct.rncan.gc.ca/optic/coarse/nalandcover_f.php et euromet.meteo.fr/.../noaa_avhrr_images/ CRIM 2008 21

Observation de la Terre Imagerie à haute résolution spatiale Résolution spatiale ~ 0,5 m à 30 m Utilité : Analyse sur de petites parcelles de territoire Applications : Identification d espèces d arbres Suivi d aquacultures Cartographie fine Agriculture de précision Source image GEOEYE-1, lancé le 6 septembre 2008 : http://www.daylife.com/photo/03vf6zh81k4bn CRIM 2008 22

Observation de la Terre Imagerie Radar Micro-ondes, génère sa source d illumination Utilité : Capte image jour ou nuit Traverse les nuages Sensible à la texture et l humidité Polarisation (meilleure discrimination) Applications : Végétation Sols (relief, propriétés) Surveillance marine Analyse des glaces Activité sismique Source image Radarsat-2 : http://blog.skytruth.org/2008_05_01_archive.html CRIM 2008 23

Observation de la Terre Imagerie Lidar Laser, génère sa source d illumination Utilité : Mesure le relief de la scène Applications : cartographie topographique cartographie forestière hydrologie Profondeur débits et patrons d écoulements étude de l atmosphère Aérosols Nuages mouvements atmosphériques Sources images lidar : www.aeromapss.com/lidar.htm, www.mfe.govt.nz/.../lidar.html, www.loc.gov/exhibits/911/911-maps.html CRIM 2008 24

Observation de la Terre Imagerie thermique Infrarouge Utilité : Ne dépend pas de la lumière du soleil Révèle les variations de températures Applications : détection de feux de forêts surveillance des volcans acquisition de données météorologiques relevé de la température de la surface des océans Source image NOAA : http://www.previmer.org/comment_ca_marche/modele_iroise/processus_en_mer_d_iroise/front_thermique CRIM 2008 25

Observation de la Terre Photographie Caractéristiques Surtout aérienne Panchromatique, noir/blanc, couleur Visible, ultraviolet, infrarouge Maintenant numérique (haute résolution à améliorer) Utilité : Imagerie détaillée résolution < 0,5 m Applications : hydrographie végétation (photo infrarouge) milieux habités infrastructures de transport bûchers et les brûlis Source photographie numérique haute résolution : www.satimagingcorp.com/gallery/dap-houston-lg.html CRIM 2008 26

Logiciels ArcGIS MapInfo Geomatica ER Mapper TNTmips ecognition ERDAS-IMAGINE GEOVIS/LCCS ILWIS WINCHIPS IDRISI Arcview CRIM 2008 27

Observation de la Terre Applications porteuses Agriculture de précision Suivi de la pollution de l'air et la détection des aérosols Surveillance de la qualité des eaux Observation des océans Analyse des bassins versants et étude de pollution diffuse Interventions d'urgence lors de sinistres Bilan carbone des forêts CRIM 2008 28

Observation de la Terre Besoins et enjeux Démocratisation des technologies et données de télédétection (ex. Google Earth, Microsoft Earth). Convergence des technologies (imagerie, GPS, cellulaire, etc.), portables, temps réel. Développer de nouvelles techniques de traitement pour les nouvelles technologies : Lidar Radar polarimétrique Imagerie hyperspectrale Fusion de données CRIM 2008 29

Tri des matières résiduelles CRIM 2008 30

Tri des matières résiduelles Augmentation des déchets, diminution de l'espace d enfouissement Au Québec : Hausse de 36 % des matières résiduelles entre 1996 et 2006. 1,69 tonne/personne 48 % récupérée ou valorisée. Lois et programmes pour le recyclage (Recyc-Québec) Coût écologique et économique Nombre croissant d installations de récupération des matières résiduelles dans le monde : ~ 2000 grandes dans le monde, dont 1500 sont situées en Europe Collecte mélangée CRIM 2008 31

Tri des matières résiduelles Avantages du tri optique Précision accrue du tri pour certaines matières (pouvant atteindre 98 %). Production de ballots de matières recyclées plus pures. Réduction du personnel affecté au tri. Augmentation du débit des matières triées (de 500 à 10 000 kg / h). Réduction de la taille des équipements. Adaptabilité : possibilité d entraîner les système à reconnaître de nouvelles matières. CRIM 2008 32

Tri des matières résiduelles Principe du tri optique 1. Matières mélangées 2. Analyse et traitement 3. Chambre de séparation CRIM 2008 33

Tri des matières résiduelles Tri optique Capteurs : caméras RGB, spectromètres (infrarouges, rayon-x) Objet : discrimination des matières recyclables Papier Verre Plastique Débris de construction Déchets électroniques Échelle : ~ 5 mm à qq mètres Utilité : Tri automatisé Source image : www.vision-systems.com/display_article/249974/19/none/none/feat/infraredimaging-aids-recycling CRIM 2008 34

Tri des matières résiduelles Imagerie couleur Caméras RGB (CCD ou CMOS) Utilité : Détection et classification des matières selon couleur forme taille Applications : Bouteilles consignées Tri par couleur du verre ou du plastique Matériel électronique (couplage caméra détecteur de métal) CRIM 2008 35

Tri des matières résiduelles Imagerie hyperspectrale Combine caméra matricielle et spectromètre (surtout infrarouge) Utilité : Différenciation des matières par leur signature spectrale. Réponse spectrale mesurée en plus d un point à la fois Applications : Différencier types de plastiques (PET, PE, PP, PVC) Discriminer impuretés (ex. céramique vs verre) Séparation papier/carton Source images : www.vision-systems.com/display_article/249974/19/none/none/feat/infrared-imagingaids-recycling CRIM 2008 36

Analyses en laboratoire CRIM 2008 37

Analyses en laboratoire Analyses biologiques : Identification et dénombrement d organismes vivants (algues, rotifères, protozoaires, débris végétaux, grains de pollen, particules minérales dans les eaux souterraines ou de surface). Analyses microbiologiques : Recherche et dénombrement de micro-organismes (bactéries et spores). Analyses physico-chimiques : Mesure des paramètres tels que la température, la conductivité ou la turbidité de l eau. Identification des constituants chimiques, organiques ou inorganiques, d un composé. Analyses toxicologiques : Détection des contaminants dans des échantillons environnementaux et étude des effets nocifs sur les organismes vivants. CRIM 2008 38

Analyses en laboratoire Rôle des technologies d'imagerie Majeure partie des analyses environnementale sont de type physico-chimiques : peu d'imagerie. La microscopie est la principale technique d'imagerie utilisée pour les applications environnementales. Les logiciels : Surtout pour traitement d'images et segmentation. Analyses et reconnaissance : peu automatisées. CRIM 2008 39

Analyses en laboratoire Imagerie de laboratoire Imagerie : microscopie, cytométrie en flux par imagerie scanographie imagerie thermique Objet : Organismes, micro-organismes, molécules Échelle : microscopique Utilité : caractérisation d échantillons gazeux, liquides ou solides identification et dénombrement de micro-organismes ou particules détection de contaminants (eau, air, sol) contrôle de la pollution industrielle études de toxicité sur les écosystèmes CRIM 2008 40

Microscopie Optique : Lumière visible La plus répandue Électronique à transmission Résolution supérieure à la microscopie optique Électronique à balayage: Images pseudo 3D Pollen A, B, C : Balayage D : Confocale laser E : Transmission F : Optique Source image : www.vcbio.science.ru.nl/en/virtuallessons/pollenmorphology Source image : CRIM 2008 41

Analyses en laboratoire Cytométrie par imagerie Combine cytométrie en flux et microscopie Objet : Suspension cellulaire Échelle : microscopique Utilité : Déterminer l'état cellulaire (activation, maturation, prolifération, mort) Différencier des populations de cellules visuellement identiques S'appliquent à l'étude des êtres unicellulaires dans les eaux Différenciation des particules non vivantes (détritus et minéraux) Source image : www.core-facility.uni-freiburg.de CRIM 2008 42

Analyse paysagère CRIM 2008 43

Analyse paysagère Paysage : Portion d un espace qui s offre à la vue. Lié à la structure et l organisation spatiale du milieu naturel. Englobe phénomènes écologiques, visuels et socioculturels sensibles pour l humain sur le plan de ses valeurs. Important sur le plan économique (ex. tourisme). CRIM 2008 44

Analyse paysagère Techniques d imagerie Imagerie Photomontage Représentation géomatique Conception assistée par ordinateur (CAO) Bloc-diagrammes Réalité virtuelle Réalité augmentée Échelle : terrain de ~ qq mètres à qq kilomètres Applications : Analyse des structures spatiales Étude qualitative : caractérisation du paysage Étude prospective : étude d impact visuel de l aménagement d un territoire CRIM 2008 45

Analyse paysagère Rôle des technologies d imagerie Faible niveau d'adoption des technologies d'imagerie. Utilisation principale outils géomatiques : caractérisation objective du paysage. photomontage : modifications des photos d'un site paysager. Réalité virtuelle et augmentée : applications émergentes. Système expérimental d'interprétation et de monitoring intégré des paysages (SIMIPE) : CPEUM et CRIM CRIM 2008 46