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IRD - Unité ESPACE-DEV (UMR 228) – Antenne de Nouvelle Calédonie Développement

IRD - Unité ESPACE-DEV (UMR 228) – Antenne de Nouvelle Calédonie Développement méthodologique de traitement d’images hyperspectrales métriques (HYMAP) dans le contexte géologique minier calédonien Description du poste Contexte Des données hyperspectrales aéroportées, uniques sur le territoire de Nouvelle-Calédonie, ont récemment été acquises (juin 2010 et novembre 2010) grâce au projet CARTHA (Cartographie du Régolite par Télédétection Hyperspectrale Aéroportée). Ce dernier, d’une durée de 2 ans a débuté en mars 2010. Il est issu d’une réponse à l’appel d’offre lancé par le CNRT1 (Centre National de Recherche et de Technologie) en 2009 et entre dans l’axe « Nickel et Technologie : Cartographie du Régolite »2. Une collaboration UNC (Université de Nouvelle-Calédonie), CSIRO (Laboratoire télédétection à Perth, Australie), BRGM (Laboratoire REM, Orléans), le SGNC (Service Géologique de Nouvelle-Calédonie) de la DIMENC (Gouvernement Calédonie) et l’IRD (Laboratoire ESPACE Nouvelle-Calédonie, Guyane Française) a été choisie afin de réaliser les objectifs. Dans un milieu complexe comme celui de la Nouvelle-Calédonie où les objets affleurant sont souvent étroitement imbriqués sur des superficies restreintes, il est apparu nécessaire de se tourner vers la technologie aéroportée qui fourni une résolution spatiale métrique compatible avec des objectifs de prospection ou de suivi environnemental. Par ailleurs, la puissance principale de cette technologie de spectroscopie imageante réside dans la prise de données en mode imageur sur plusieurs centaines de canaux extrêmement étroits (quelques dizaines de nanomètre). Cette finesse des canaux (largeur spectrale), qui apporte une pureté accrue de l’information contenue dans un pixel, autorise ainsi une classification des objets de manière bien plus précise que les systèmes multispectraux. Or, les possibilités du capteur HyMap, qui correspondent en tous points aux caractéristiques d’AVIRIS et d’HYPERION souvent utilisés en milieu insulaire tropical, permettent donc d’optimiser l’analyse des sols de Nouvelle-Calédonie. Aspects techniques Le capteur hyperspectral HyMap utilisé dans le cadre de ce projet a été fabriqué par Integrated Spectronics Pty Ltd, entreprise basée à Sydney. Il acquiert des données dans 128 bandes spectrales contigües entre 0.45 et 2.5 µm, avec une largeur de bandes de 15 à 20 nm. Le rapport signal sur bruit est supérieur à 500:1 ce qui permet d’obtenir des données de bonne qualité radiométrique par une diminution des « bruits » parasitant le signal et permettant ainsi de meilleures discriminations spectrales des objets. Le système, monté sur un avion, est stabilisé par 3 gyroscopes et effectue l’enregistrement simultané des paramètres de vol (roulis, tangage, lacet) grâce à une centrale à inertie (IMU, Inertial Monitoring 1 www.cnrt.nc 2 http://www.cnrt.nc/index.php?page=attribue_details&attr_id=6&attr=3&year=2009&month=&curpage= IRD - Unité ESPACE-DEV (UMR 228) – Antenne de Nouvelle Calédonie Unit) et un GPS différentiel (DGPS), qui permettent le géocodage paramétrique des données (géoréférencement). Avec un champ de vue instantané (IFOV) de 2,5 milliradians et un angle de balayage de 61,3 degrés, le système acquiert des données sur une largeur de 512 pixels, avec une résolution variant de 2 à 10 m suivant l’altitude de vol. Les images aéroportées enregistrées en 2010 sur le territoire calédonien (125 longueurs d’onde, 3 à 4 m de résolution spatiale) ont été prises essentiellement sur des sites miniers. Des données in situ ont également été acquises à l’aide d’un spectroradiomètre de terrain de type ASD FieldSpec 3®. Sur notre demande, et dans un souci scientifique, toutes les images ont été fournies à plusieurs niveaux de prétraitements : - Niveau 1A (unité en radiance - µW/cm2.nm.sr) - Niveau 1B (corrections atmosphériques, unité en réflectance) - Niveau 2 (corrections géométriques des mouvements de l’avion et géocodage) Enjeux thématiques Les thématiques d’application sont diverses mais il s’agit ici de se focaliser sur l’environnement minier de l’amont (différenciation des sols nus miniers et de la végétation minière) à l’aval (forêt sur flancs de montagne, végétation de plaine, mangroves, milieu benthique). L'intérêt dans le domaine de la mine de la méthode hyperspectrale repose sur la caractérisation spectrale des différents composants du régolithe, la cartographie fine des composants du régolithe et l'utilisation comme support de prospection de cette cartographie dans les zones d'enjeux minier. Les différents types de terrain que l'on peut espérer caractériser sont : les péridotites à nu, les péridotites à nu à divers degrés de serpentinisation, le cortège des filons recoupants, divers degrés de saprolite, les différents faciès de latérites, différents faciès de cuirasse notamment à divers degrés de démantèlement. Ainsi, afin de permettre à cette étude exploratoire d’élargir le champ d’investigation thématique, quelques transects ont été acquis sur des couvertures au sol différentes (forêt, mangrove, côtier récifal, rivières…). Enjeux scientifiques Les approches méthodologiques de traitement du signal seront donc expérimentales. Au regard de la bibliographie et des compétences des partenaires de ce projet, on peut néanmoins afficher une liste non exhaustive de domaines potentiellement intéressants (Van Der Meer, 1998 ; Swayze et al., 2004 ; Hunt & Evarts ,1981 ; Van der Meer, 1995). Les applications de l’hyperspectral en environnement minier s’attachent à cartographier les phases minérales résultantes de l’extraction des matériaux ou leur altération versus leur contexte géologique, ainsi que les stress sur la végétation induit par l’exploitation minière, active ou abandonnée (Rockwell et al, 2004, Chevrel et al, 2003). Dans le cadre de ce projet, le travail du candidat au post-doctorat portera sur l’analyse et le traitement de ces données. Il s’agit d’exploiter les images Hymap au mieux pour la cartographie de l’environnement minier et de réaliser un développement méthodologique pour le traitement de ces données hyperspectrales (aéroportées et in situ) à l’aide du logiciel ENVI et de son langage de programmation IDL. Il s’agira en particulier de réaliser des analyses spectrales pour aider à l’identification des objets à partir de leurs caractéristiques spectrales relevées sur le terrain. Les méthodes sont nombreuses et IRD - Unité ESPACE-DEV (UMR 228) – Antenne de Nouvelle Calédonie une analyse bibliographique sera nécessaire. Même si des approches mathématiques ou statistiques innovantes sont conseillées, les approches connues ci-après sont néanmoins intéressantes et pourront être adaptées aux données et au contexte local : - Pour la détermination des « endmembers » et donc l’analyse du signal par comparaison avec les signatures spectrales in situ [Continuum Removal Spectra (Huang, Z., et al. 2004 (RSE) ; Gomez, C., et al., 2008 (Geoderma) ou/et Spectral Feature Fitting : méthode d’optimisation par les moindres carrés pour approximer les signatures spectrales des pixels avec celles in situ], - Minimum Noise Fraction (Green, A., et al., 1988 ; Boardman, J., et al., 1994) qui permet de réduire le bruit sur les données et également de réduire les dimensions spectrales afin d’optimiser le processus de détection des objets, - Les indices de pureté (Purity Pixel Index). Utilisé notamment avec MNF pour localiser les « pixels purs » référents. - Procédure de classification par angle spectral (Spectral Angle Mapper) : Kruse, F.A., et al, 1993 (RSE) ; Dabba, P., et al, 2005 (RSE). Une voie exploratoire également à envisager serait l’analyse des caractéristiques spectrales par indices (LCA « Lignin-cellulose Absorption », CAI « Cellulose Absorption Index » pour la végétation mais également utilisé pour les minéraux - Serbin, G., et al, 2009 (RSE)) considérant les pics des signaux et les absorptions pour la distinction des objets (Freek van der Meer, 2006). Réalisations concrètes envisagées - Bibliographie sur les aspects hyperspectraux et domaine minier tropical, - Traitement du signal des images Hymap vs données spectrales in situ, - Développement méthodologiques pour la discrimination des différents types de roches affleurantes (régolithe), - Publications. Quelques références bibliographiques Freek van der Meer, 2006. Indicator kriging applied to absorption band analysis in hyperspectral imagery: A case study from the Rodalquilar epithermal gold mining area, SE Spain. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation 8 (2006), 61–72. Gomez, C., Lagacherie, P., Coulouma, G., 2008. Continuum removal versus PLSR method for clay and calcium carbonate content estimation from laboratory and airborne hyperspectral measurements. Geoderma 148 (2008), 141–148. Guy Serbin, Craig S.T. Daughtry, E. Raymond Hunt Jr, James B. Reeves, David J. Brown, 2009. Effects of soil composition and mineralogy on remote sensing of crop residue cover. Remote Sensing of Environment, 113, 224-238. Green, A. A., Berman, M., Switzer, P., and Craig, M. D., 1988, A transformation for ordering multispectral data in terms of image quality with implications for noise removal: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, v. 26, no. 1, p. 65-74. Zhi Huang, Brian J. Turnera, Stephen J. Dury, Ian R. Wallis, William J. Foley, 2004. Estimating foliage nitrogen concentration from HYMAP data using continuum removal analysis. Remote Sensing of Environment 93 (2004), 18–29. Boardman, J. W., and Kruse, F. A., 1994, Automated spectral analysis: a geological example using AVIRIS data, north Grapevine Mountains, Nevada: in Proceedings, ERIM Tenth Thematic Conference on Geologic Remote Sensing, Environmental Research Institute of Michigan, Ann Arbor, MI, pp. I-407 - I-418. IRD - Unité ESPACE-DEV (UMR 228) – Antenne de Nouvelle Calédonie Fiche signalétique du poste Laboratoire d’accueil : Unité ESPACE-DEV (http://www.espace.ird.fr/) Responsable(s) : Marc Despinoy (IRD), Morgan Mangeas (, Dominique Cluzel (UNC) Type : Post Doctorat Durée : 8 mois Date de début : le plus tôt possible en 2011 Profil recherché : • Docteur en traitement du signal et/ou traitement d'image, • Bonne uploads/Geographie/ postdochyperspectral-cartha2011.pdf