Dans ce travail de thèse, nous développons des protocoles d'imagerie optique pour l'observation des nanoparticules sur des coupes de tissus afin de relier leur localisation et leur «comportement» à l'environnement biologique, en particulier son éventuel état pathologique. Nous avons synthétisé des agents de contraste bimodaux, sous forme de nanoparticules -NP- visibles en résonance magnétique et en optique, à base d'oxydes de fer et de zinc (Zn(Fe)O) avec une nouvelle méthode de polyol azéotropique dans des solvants glycoliques (DEG et PG). L'élimination de l'eau à l'aide de l'appareil Dean-Stark est une nouvelle stratégie pour la synthèse de NP dans une solution de polyol, avec un rendement élevé et produisant des particules de petite taille. Les NP les plus visibles, selon leur contraste IRM, ont été revêtus de carboxyméthyl pullulane, de polyéthylène glycol, de carboxyméthyl dextrane et de fucoïdane, ce dernier étant un polysaccharide capable de se lier spécifiquement à la paroi vasculaire. Les NPs montrent de bonnes propriétés magnétiques et optiques à température ambiante. Les NP recouvertes ont été injectées dans un modèle de rat d’athérothrombose pour localiser le thrombus par IRM avant sacrifice et collecte des tissus pour étude des coupes histologiques par microscopie optique. La différence entre les images IRM avant et après l'injection de fucoïdane-NPs et de CMD-NPs est claire. Les résultats montrent que les NP recouvertes de fucoïdane sont liées au thrombus. Certains types de microscopies, tels que la microscopie de fluorescence, la microscopie en champ sombre, la microscopie hyperspectrale à champ sombre et la microscopie interférentielle à champ sombre ont été développés pour la détection des NPs en milieu liquide et dans les tissus. En analysant le spectre de chaque pixel et en le comparant au spectre des matériaux de référence, la microscopie hyperspectrale peut détecter la présence de NPs sur des coupes de tissus, les localiser, les identifier et les caractériser. Zn(Fe)O NPs constituerait donc un agent de contraste bimodal potentiel pour l’IRM et l’imagerie optique. Cependant, bien que de nombreux outils optiques avancés aient été développés, nous avons constaté qu'il est toujours difficile d'identifier de manière fiable les NP dans le tissu. / In this thesis work, we develop optical imaging protocols for the observation of then anoparticles on tissue slices in order to further link their localization and their “behaviour” to the biological pathological environment. Bimodal zinc and iron oxide-based MRI/optical nanoparticle contrast agents (Zn(Fe)O) have been synthesised with a novel azeotropicpolyol method in glycol solvents (DEG and PG). The most potent NPs, as regard to their MR contrast power, have been coated with carboxymethyl pullulan, polyethylene glycol,carboxymethyl dextran (CMD) and fucoidan, the latter being a polysaccharide able to specifically bind to the vascular wall. The coated NPs were injected into rat to locate atherothrombosis by MRI. Then the histological slices of harvested diseased tissue were imaged with our homemade optical microscope. Water removal using Dean-Stark apparatus is a novel strategy for the synthesis of NPs in polyol solution with high yield and small size.The NPs show the good magnetic and optical properties at room temperature. The coated nanoparticles were injected into an atherothrombotic rat model to locate the thrombus by MRI prior to sacrifice of the animals and tissue collection for histological study by optical microscopy. The difference of MRI images between before and after injection with Fucoidan-NPs and CMD-NPs is clear. The results indicated that fucoidan-NPs are linked to the thrombus. Some type of microscopies, such as fluorescent microscopy, dark field microscopy, hyperspectral dark field microscopy and interference dark field microscopy have been developed for the detection of NPs in liquid medium and in the histological tissue. By analyzing the spectrum of every pixel and comparing to the spectrum of reference materials, hyperspectral microscopy can detect the presence of nanomaterial on exposed tissue slices, locate, identify, and characterize them. Zn(Fe)O NPs would therefore constitute a potential bimodal contrast agent for MRI and optical imaging. Although many advance optical tools have been developed, but we found it is still a challenge to identify reliably the NPs in the tissue.

L'imagerie hyperspectrale compte un vaste éventail d'applications, du tri des matières recyclables à l'agriculture, en passant par l'exploration géologique. Cependant, l'exploitation de cette forme d'imagerie est, encore aujourd'hui, majoritairement basée sur des algorithmes statistiques. Pendant ce temps, des domaines comme la vision numérique et le traitement de la langue naturelle jouissent d'avancées majeures propulsées par l'apprentissage profond. Plusieurs défis persistent afin d'effectuer le transfert de ces techniques d'apprentissage profond vers l'imagerie hyperspectrale. Notamment, il n'existe pas de grands ensembles de données hyperspectrales annotés, qui sont nécessaires pour l'entrainement de modèles d'apprentissage profond. De plus, la nature des données nécessite que les architectures développées en vision numérique soient adaptées afin de tirer profit de l'information spectrale plutôt que géométrique. L'objectif de ce projet est de relever ces multiples défis. Premièrement, nos travaux incluent le développement d'un vaste ensemble de données de détection de cibles hyperspectrales rares pour l'évaluation des performances. Ensuite, une technique d'entrainement basé sur la génération d'échantillons synthétiques est adaptée de la littérature afin de permettre l'entrainement sans disposer d'ensembles de données préalablement étiquetées. Finalement, des modèles développés pour la vision numérique sont modifiés afin d'exploiter la nature spectrale de nos données. Plus spécifiquement, nous nous concentrons sur le Shifted Windows (Swin) Transformer, une architecture ayant récemment fait ses preuves en dépassant les performances de plusieurs techniques de pointe, par exemple en détection d'objets sur l'ensemble Common objects in context (COCO). L'ensemble de nos travaux permettent à nos modèles d'atteindre un temps d'inférence de 86.9 % à 93.6 % plus rapide et une précision améliorée par rapport aux algorithmes statistiques traditionnels. Quoique les résultats obtenus soient prometteurs, nous concluons en énumérant de potentielles améliorations qui, selon nous, permettraient d'élever cette performance davantage. / Hyperspectral imagery has a vast range of applications, from sorting in recycling centers to agriculture, including geological exploration. However, the exploitation of this type of imagery is, to this day, mostly performed using statistical algorithms. Meanwhile, fields like computer vision and natural language processing benefit from major advances fueled by deep learning. Several challenges impede the transfer of these deep learning techniques to hyperspectral imagery. Notably, no large hyperspectral labeled datasets, which are necessary to train deep learning models, are available. Moreover, the nature of the data calls for adjustments of architectures introduced in computer vision in order to take advantage of the spectral information rather than the geometric information. Therefore, our goal is to tackle these multiple challenges. First, our work includes the development of a vast dataset for hyperspectral rare target detection to enable performance evaluation. Second, we adapt a training technique based on synthetic samples generation to allow training without previously labeled data. Finally, we adapt deep learning models developed for computer vision to suit our spectral data. Specifically, we focus on the Shifted Windows (Swin) Transformer, an architecture that has recently proven itself by surpassing multiple state-of-the-art techniques, including for object detection on the Common objects in context (COCO) dataset. Together, the different parts of our work allow our models to reach an inference time 86.9 % to 93.6 % faster and an improved accuracy over traditional statistical algorithms. Even though the achieved results are very promising, we conclude by enumerating potential improvements we think could greatly benefit the system's performance.

L’exploration spatiale effectuée par les missions orbitales et in situ a permis de mettre en évidence la grande diversité d’objets planétaires rencontrés dans le Système Solaire. Les propriétés de leurs surfaces et notamment leurs compositions sont d’excellents témoins des différents processus physiques endogènes et exogènes ayant façonné ces différents corps depuis leur formation jusqu’à aujourd’hui. Ma thèse a pour contexte l’exploration spatiale multi-échelle des surfaces de deux types d’objets que sont les astéroïdes de type-C et Mars. Les astéroïdes de type C sont des corps très primitifs et ainsi reconnus pour contraindre les premiers stades d’évolution du Système Solaire. Ils peuvent notamment apporter de nombreux indices concernant la présence de phases altérées et de matière organique lors des phases primordiales du Système Solaire. Quant à Mars, sa surface se révèle fascinante en particulier grâce à la grande variété des minéraux détectés par les différentes sondes spatiales. Ces minéraux sont traceurs de nombreux processus physiques qui ont prévalu à la surface permettant ainsi de mieux comprendre les interactions entre les différentes enveloppes que sont la structure interne, la surface, l’atmosphère et l’environnement spatial de Mars. Dans ce travail de thèse je me suis intéressée à l’étude de la minéralogie des surfaces obtenue par imagerie hyperspectrale, d’une part à l’échelle macroscopique avec l’instrument OMEGA/Mars Express dans le but de quantifier les abondances des minéraux traceurs des roches ignées sur Mars et, d’autre part, à l’échelle microscopique avec le microscope MicrOmega, en préparant les futures investigations de la mission Hayabusa-2 à destination de l’astéroïde de type-C Ryugu grâce à l’étalonnage de l’instrument et la caractérisation d’échantillons en laboratoire.Concernant Mars, les résultats majeurs sont les suivants. Un nouveau produit basé sur le jeu complet de données de l’instrument OMEGA dans le proche infra-rouge a été construit, combinant toutes les observations adaptées à l’étude globale des minéraux. Ce cube 3D global de réflectance de Mars a été utilisé pour produire de nouvelles cartes de détections et obtenir un niveau supplémentaire d’analyse en comparaison aux études passées. Un modèle de transfert radiatif a alors été appliqué à tous les spectres des zones présentant des signatures de minéraux mafiques dans le but de quantifier les abondances de ces minéraux traceurs de l’activité magmatique et volcanique. Les cartes globales de pyroxènes, olivine et plagioclase présentées dans cette thèse représentent les premières cartes de minéralogie modale de Mars à une résolution de ~1.5 km/px. Une méthode de classification a mis en lumière la présence de plusieurs classes minéralogiques variées révélant ainsi une hétérogénéité de la surface à différentes échelles. La composition chimique a ensuite été calculée et comparée avec les mesures orbitales et in situ.Dans le cadre de la mission Hayabusa-2, j’ai exploité les données d’étalonnage du microscope hyperspectral proche infra-rouge MicrOmega développé à l’IAS. La réduction et l’analyse des données a permis la construction de la fonction de transfert 4D (position sur le champ de vue, longueur d’onde et température d’opération) de l’instrument dans la gamme complète des valeurs de ces paramètres fonctionnels. Les performances instrumentales concernant l’aspect détection ont été également validées. Cet étalonnage a aussi mis en évidence l’importance de bien définir les opérations en amont de façon à maximiser le rapport signal sur bruit en fonction des paramètres fonctionnels et ainsi d’interpréter au mieux les données scientifiques qui seront acquises une fois au sol de l’astéroïde. Enfin, j’ai également participé à différentes campagnes de mesures d’échantillons naturels avec MicrOmega révélant la capacité de cet instrument à caractériser des échantillons à l’échelle microscopique (10s µm/px). / Space exploration carried out through orbital and in situ missions enables us to highlight the great diversity of objects found in the Solar System. The properties of planetary surfaces and especially their compositions are excellent witnesses of the various endogenous and exogenous physical processes that have shaped these different bodies from their formation to the present day. My thesis is based on the multi-scale spatial exploration of the surfaces of two types of objects, the C-type asteroids and Mars. C-type asteroids are very primitive bodies and are thus recognized as excellent candidates to constraint the early stages of evolution of the Solar System. In particular, they should provide numerous insights concerning the presence of altered phases and organic matter during the primordial phases of the Solar System. As for Mars, its surface is fascinating especially thanks to the wide variety of minerals detected by various space probes. These minerals are tracers of many physical processes that have prevailed on the surface, allowing us to better understand the interactions between the different envelopes that are the internal structure, the surface, the atmosphere and the space environment of Mars. In the work I carried out during my thesis, I focused on the study of the surface mineralogy obtained by hyperspectral imagery, at a macroscopic scale with the OMEGA/Mars Express instrument for quantifying the abundance of minerals tracing the magmatic and volcanic activities on Mars and, at the microscopic scale, with the microscope MicrOmega, focusing on the calibration of the instrument and the characterization of samples in laboratory, within the framework of the future investigations of the Hayabusa-2 mission to the C-type asteroid Ryugu.Regarding Mars, the major results are the following. A new product based on the entire OMEGA instrument dataset acquired in the near infrared has been constructed, combining all the observations adapted to the study of mineral distribution at the global scale. This global 3D reflectance cube of Mars was used to produce new mineral maps providing a further step of analysis compared to past studies. A radiative transfer model was then applied to all spectra presenting mafic mineral signatures in order to quantify the abundances of minerals tracing the magmatic and volcanic activities. The global maps of pyroxenes, olivine and plagioclase presented in this thesis represent the first maps of modal mineralogy of Mars at a resolution of ~ 1.5 km/px. A classification method has highlighted the presence of several distinct mineralogical classes revealing a certain heterogeneity of the surface at different scales. The chemical composition was then calculated and compared with the orbital and in situ measurements.As part of the preparation of the Hayabusa-2 mission, I exploited the calibration data of the hyperspectral imaging microscope MicrOmega. The data reduction and analysis allowed us to derive the 4D transfer function (position on the field of view, wavelength and operating temperature) of the instrument in the full range of values of its functional parameters. The instrumental performances regarding to the identification were also validated: detection of absorption bands of the order of 1% in reflectance with an accuracy of 5 nm on the position of the band and a quantification of the overall reflectance level of the order of 20%. This calibration also highlighted the fact to carefully prepare in advance the operations so as to maximize the signal-to-noise ratio as a function of the functional and environmental parameters and, thus to interpret as much as possible the scientific data that will be acquired once on the asteroid surface. Finally, I also participated in various campaigns of measurements of natural samples with MicrOmega revealing the ability of this instrument to characterize samples at a microscopic scale (10s μm/px).

Titre de l'écran-titre (visionné le 18 mars 2024) / Les sédiments aquatiques sont des archives précieuses de l'histoire des écosystèmes, et elles contiennent des informations permettant de reconstituer le passé et de prévoir l'évolution de l'état des écosystèmes. Les carottes de sédiments lacustres fournissent des données à long terme essentielles pour distinguer le rythme et l'étendue des changements environnementaux naturels, comprendre les écosystèmes avant les impacts anthropiques et établir l'état de référence des écosystèmes. Cependant, la plupart des techniques d'analyse des sédiments sont destructives, prennent du temps et ont une résolution relativement faible. Ces dernières années, l'imagerie hyperspectrale s'est imposée comme une nouvelle technologie en paléolimnologie. Contrairement aux méthodes traditionnelles, cette technologie permet la reconstruction rapide, non destructive et très détaillée (résolution spatiale submillimétrique) des caractéristiques physiques, biologiques et chimiques des carottes de sédiments. Ce doctorat vise à étudier les réponses des lacs à de multiples facteurs de stress au cours des 150 dernières années en utilisant diverses propriétés des carottes de sédiments identifiées grâce à l'imagerie hyperspectrale. Cette thèse examine 116 carottes de sédiments lacustres prélevées pendant trois étés (2017-2019) dans des lacs canadiens répartis dans 11 écozones. La recherche a été menée dans le cadre du programme du Réseau canadien Lake Pulse du CRSNG (Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada). Les images hyperspectrales (HSI), combinées avec d'autres proxies, ont été employées pour développer des modèles d'apprentissage automatique et statistiques. Ces modèles ont permis d'analyser la composition des sédiments et, par conséquent, de reconstituer les changements environnementaux passés dans l'ensemble du Canada. En plus des données principales provenant de l'imagerie hyperspectrale, des données supplémentaires proviennent des modèles de données climatiques globales, et d'analyses de spectrophotométrie, de granulométrie laser, et de spectrométrie gamma et alpha. Les principaux résultats de cette thèse incluent (1) le développement de méthodologies pour préparer des échantillons de carottes de sédiments avant l'acquisition d'images, pour la configuration du scanner hyperspectral, pour l'acquisition des données, et pour personnaliser les méthodes existantes et développer de nouvelles techniques de débruitage, de prétraitement et d'intégration de données spectrales; (2) le développement d'un modèle d'apprentissage profond basé sur des réseaux de neurones convolutifs pour estimer la taille moyenne des particules des carottes de sédiments à l'aide de l'imagerie hyperspectrale; (3) l'introduction d'un nouvel indice spectral pour estimer la teneur en chlorophylle dans les carottes de sédiments lacustres; et (4) l'analyse d'une vaste base de données provenant de carottes de sédiments lacustres de partout au Canada, couplée à des données climatiques historiques. Cette dernière analyse a révélé une augmentation généralisée des dépôts de chlorophylle dans les lacs canadiens due au climat depuis l'époque préindustrielle (après 1850), et surtout depuis la fin des années 1950. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse vont faciliter de futures études à haute résolution sur les changements environnementaux à partir de carottes de sédiments et font progresser notre compréhension de l'état des lacs canadiens et de leurs réponses au réchauffement climatique. / Aquatic sediments are valuable archives of ecosystem history which contain information that enables past reconstructions and predictions about the state of ecosystems. Lake sediment cores provide long-term data essential for distinguishing the rate and extent of natural environmental changes, understanding ecosystem patterns prior to human impacts, and establishing the baseline condition of ecosystems. However, most sediment analysis techniques are destructive, time-consuming, and relatively low-resolution. In recent years, hyperspectral imaging has emerged as a new technology in paleolimnology. Unlike traditional methods, this technology allows for the rapid, non-destructive, and highly detailed (submillimeter spatial resolution) reconstruction of physical, biological, and chemical characteristics within sediment cores. This Ph.D. aims to study lake responses to multiple stressors over the past 150 years utilizing various properties of sediment cores identified through hyperspectral imaging. This thesis involved the examination of 116 lake sediment cores collected during three summers (2017–2019) from Canadian lakes across 11 ecozones. The research was conducted as part of the NSERC (Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada) Canadian Lake Pulse Network program. Hyperspectral images (HSI) from the surface of sediment cores, along with other proxies, were employed to develop machine learning and statistical models. These models were instrumental in analyzing sediment composition and, consequently, reconstructing past environmental changes across Canada. Besides hyperspectral data, which served as the primary focus, data were utilized from various techniques such as spectrophotometry, laser granulometry, gamma and alpha spectrometry, and global climate data models. The key outcomes of this thesis include (1) the development of a methodology for preparing sediment core samples before scanning, configuring hyperspectral scanner setup, acquiring data, customizing existing methods, and developing new techniques for denoising, preprocessing, and integrating spectral data; (2) the development of a deep learning model based on convolutional neural networks to estimate the mean particle size of sediment cores using hyperspectral imaging; (3) the introduction of a new spectral index to infer chlorophyll content within lake sediment cores; and (4) the analysis of a large database of lake sediment cores from across Canada, coupled with historical climate data, that revealed a widespread climate-mediated increase in chlorophyll deposition in Canadian lakes since pre-industrial times (post-1850), and particularly since the late 1950s. The research in this thesis enables future high-resolution studies of environmental change from sediment cores and advances our understanding of the state of Canadian lakes and their responses to warming climates.

Le mémoire explore l'intégration d'une matrice de photodiode et d'un spectromètre dans un microscope *STED* [1], il se concentre sur deux objectifs principaux : **l'intégration d'une matrice de photodiodes et d'un spectromètre dans un microscope *STED*** et **le développement et mise en œuvre d'algorithmes pour le traitement des données temporelles**. Le premier objectif présente des travaux sur l'intégration d'une matrice de photodiodes, un spectromètre capable de mesurer les longueurs d'onde des photons dans une plage spécifique. Ce développement permet l'acquisition d'images de bactéries contenant divers fluorophores, résolus à la fois temporellement et spectralement. Le second objectif se concentre sur le déploiement, la caractérisation, et la mise en œuvre d'algorithmes pour le traitement des données temporelles générées par le système de détection. Les algorithmes *MLE*, *phaseurs* [2] et *FLI-NET* [3] ont été testés sur des données simulées et expérimentales pour mesurer le temps de vie des fluorophores et la proportion entre deux populations caractérisées par deux temps de vie distincts. Une étude approfondie de ces algorithmes a été réalisée sur des images *FLIM* simulées et réelles pour évaluer leur efficacité. Le mémoire aborde également l'application de la technique *SPLIT-STED* [4], qui améliore la résolution spatiale du microscope *STED* en exploitant les informations temporelles. Cette méthode a montré des améliorations notables de la résolution, particulièrement utiles pour l'analyse d'échantillons vivants. Le mémoire met en lumière les limitations existantes dans le traitement des données *FLIM*, notamment en termes de mesure des temps de vie et des proportions associées, surtout lorsque le nombre de photons est limité. Il présente des solutions potentielles, telles que l'utilisation d'un réseau *U-NET* [5] pour une analyse plus approfondie des données, combinant les informations spatiales, temporelles et spectrales. Ces développements ouvrent la voie à des analyses plus précises et détaillées dans la recherche biologique, en utilisant la microscopie de super-résolution et la microscopie *S-FLIM*. / This master thesis explores the integration of a photodiode array and a spectrometer into a *STED* microscope [1], focusing on two main objectives: **the integration of a photodiode array and a spectrometer into a STED microscope** and **the development and implementation of algorithms for processing temporal data**. The first objective presents work on the integration of a photodiode array with a spectrometer capable of measuring the wavelengths of photons within a specific range. This development allows for the acquisition of images of bacteria containing various fluorophores, resolved both temporally and spectrally. The second objective focuses on the deployment, characterization, and implementation of algorithms for processing the temporal data generated by the detection system. The *MLE*, *phasor* [2], and *FLI-NET* [3] algorithms were tested on simulated and experimental data to measure the fluorophore lifetimes and the proportion between two populations characterized by two distinct lifetimes. An in-depth study of these algorithms was conducted on simulated and real *FLIM* images to evaluate their effectiveness. This master thesis also discusses the application of the *SPLIT-STED* technique [4], which improves the spatial resolution of the *STED* microscope by exploiting temporal information. This method has shown notable improvements in resolution, particularly useful for the analysis of living samples. The master thesis highlights the existing limitations in *FLIM* data processing, particularly in terms of measuring lifetimes and associated proportions, especially when the number of photons is limited. It presents potential solutions, such as the use of a *U-NET* network [5] for a more in-depth analysis of the data, combining spatial, temporal, and spectral information. These developments pave the way for more accurate and detailed analyses in biological research, using super-resolution microscopy and *S-FLIM* microscopy.

Au Québec, la viticulture commerciale ou artisanale n’a que 35 ans. Cependant, le Québec est soumis à de nombreuses pressions climatiques comme la présence de gel hâtif à l’automne et tardif au printemps. La période de croissance (la différence entre le dernier gel au printemps et le premier gel à l’automne) est donc très limitée par la présence du froid. Dans un contexte de réchauffement climatique, cette période de croissance sera portée à s’allonger. Une plus longue période de croissance pourrait inciter les vignerons à modifier leurs cépages ou à augmenter la superficie cultivée. Trois vignobles ont fait l’objet d’étude et des prises de mesures spectrales des ceps y ont été effectuées. Des indices climatiques appliqués à la viticulture y ont été calculés sur une période de 30 ans avec les données du NARR et validés avec les données des stations météorologiques d’Environnement Canada. La moyenne de certains indices permet de les comparer à ceux des régions viticoles renommées comme Bordeaux et Dijon en France. L’étude des indices climatiques des 30 dernières années puis des 10 dernières années permet de découvrir qu’il existe un réel potentiel pour l’implantation de cépages nobles dans le sud du Québec. Ainsi, on remarque que l’énergie thermique est suffisante pour faire la culture de ces cépages. Cependant, la période sans gel est très variable et vient tempérer ces résultats. L’analyse des signatures spectrales de données de réalité de terrain permet de faire une différenciation entre les cépages en fonction des étapes de développement et de la vitesse d’adaptation des ceps aux pratiques culturales et au climat. Les longueurs d’onde entre 720-740 nm (proche infrarouge) et 550 nm (vert) sont les plus touchées par le changement. L’analyse dérivative permet d’éliminer les facteurs d’éclairement. De plus, il est possible de rehausser les différences dans les longueurs d’onde du pic de réflectance de la chlorophylle (≈720 nm). Avec toutes ses informations, il devient possible d’identifier les principaux cépages dans les vignobles grâce à des mesures spectrales temporelles. L’utilisation d’une image hyperspectrale et de données de réalité de terrain ont permis de différencier les cépages et d’en faire l’évolution phénologique entre deux saisons de croissance. Ainsi, avec l’extraction des signatures des pixels d’un secteur n’ayant pas subi de changement physiologique majeur (secteur de vieux ceps), la signature spectrale mesurée par le capteur est comparable à celles des données de réalité de terrain. L’analyse a permis de confirmer que l’énergie thermique acquise pour le 9 juillet 2009 (422 ∘C) est comparable à celle du 27 juin 2011 (419 ∘C). L’énergie thermique cumulée à ces deux dates suppose un développement comparable des cépages. Les similarités dans les signatures spectrales reflètent ce développement comparable.

Le titre de cette thèse de doctorat est formé de trois mots clés: parcimonie, image hyperspectrale, et détection de cibles. La parcimonie signifie généralement « petit en nombre ou quantité, souvent répartie sur une grande zone ». Une image hyperspectrale est constituée d'une série d'images de la même scène spatiale, mais prises dans plusieurs dizaines de longueurs d'onde contiguës et très étroites, qui correspondent à autant de "couleurs". Lorsque la dimension spectrale est très grande, la détection de cibles devient délicate et caractérise une des applications les plus importantes pour les images hyperspectrales. Le but principal de cette thèse de doctorat est de répondre à la question « Comment et Pourquoi la parcimonie peut-elle être exploitée pour détecter de cibles dans les images hyperspectrales ? ». La réponse à cette question nous a permis de développer des méthodes de détection de cibles prenant en compte l'hétérogénéité de l'environnement, le fait que les objets d'intérêt sont situés dans des parties relativement réduites de l'image observée et enfin que l'estimation de la matrice de covariance d'un pixel d'une image hyperspectrale peut être compliquée car cette matrice appartient à un espace de grande dimension. Les méthodes proposées sont évaluées sur des données synthétiques ainsi que réelles, dont les résultats démontrent leur efficacité pour la détection de cibles dans les images hyperspectrales. / The title of this PhD thesis is formed by three keywords: sparsity, hyperspectral image, and target detection. Sparsity is a word that is used everywhere and in everyday life. It generally means « small in number or amount, often spread over a large area ». A hyperspectral image is a three dimensional data cube consisting of a series of images of the same spatial scene in a contiguous and multiple narrow spectral wavelength (color) bands. According to the high spectral dimensionality, target detection is not surprisingly one of the most important applications in hyperspectral imagery. The main objective of this PhD thesis is to answer the question « How and Why can sparsity be exploited for hyperspectral target detection? ». Answering this question has allowed us to develop different target detection methods that mainly take into consideration the heterogeneity of the environment, the fact that the total image area of all the targets is very small relative to the whole image, and the estimation challenge of the covariance matrix (surrounding the test pixel) in large dimensions. The proposed mehods are evaluated on both synthetic and real experiments, the results of which demonstrate their effectiveness for hyperspectral target detection.

L'imagerie hyper-spectrale (IHS) consiste à créer et à analyser des images de la même scène pour une succession de longueurs d'onde dans un domaine spectral donné. De telles images apportent des informations sur la constitution chimique des objets et permettent ainsi de distinguer des objets de même couleur mais de compositions chimiques différentes. <br />Cependant, quel que soit le domaine d'application, la plupart des méthodes développées pour le traitement des images hyperspectrales analysent les données sans prendre en compte l'information spatiale. Les pixels sont alors traités individuellement comme un simple tableau de mesures spectrales sans arrangement particulier. Cependant, l'exploitation conjointe de l'information spectrale et spatiale disponibles, du fait entre autres, de l'apparition d'imageurs spectraux de meilleure résolution, apparaît aujourd'hui essentielle pour permettre le traitement d'images de contenu complexe.<br />Dans le cadre de nos travaux concernant l'IHS, nous nous sommes intéressés à cette<br />problématique. Nous avons ainsi proposé un schéma itératif générique appelé \emph{papillon} permettant de mêler les aspects spatiaux et spectraux de manière symétrique, de façon à ne pas privilégier un espace par rapport à l'autre et de manière conjointe, de façon à ce que l'information spatiale se nourrisse de l'information spectrale et vice-versa, pour avancer dans le processus de traitement de l'image. Pour ce faire, la combinaison spectro/spatiale proposée repose, d'une part, sur la construction d'un espace spectral adapté à l'information topologique (construction de variables latentes), et d'autre part, sur la génération d'une topologie sur l'espace spatial. Dans nos développements récents, la notion d'information topologique est limitée à la notion de région.\\<br />L'approche proposée apparaît comme une procédure générique dont le contenu et l'implémentation peuvent être choisis et adaptés aux images traitées. Dans le cadre de cette thèse, nous avons proposé une implémentation utilisant une étape de division suivie d'une étape de fusion. La construction d'un espace adapté pour chacune de ces deux étapes a été réalisée respectivement par la diagonalisation de la matrice de variance intra-région et inter-région. Nous avons également utilisé, pour l'étape de division, plusieurs approches de segmentation régions dont les coupes normalisées avec contrainte spatiale et une version modifiée de l'algorithme de partage des eaux ou LPE. <br />Pour finir, nous avons validé le fonctionnement de notre approche et illustré ces principales caractéristiques à l'aide d'images synthétiques et réelles.

La spectro-imagerie consiste à acquérir l'image d'une scène dans un grand nombre de bandes spectrales en parallèle. Comme la taille des détecteurs actuels ne permet pas l'acquisition simultanée de toute l'information, la plupart des dispositifs comportent un système de balayage, qu'il soit spectral ou spatial. Malheureusement, ce balayage conduit souvent à n'utiliser qu'une faible portion de la lumière disponible. Or, dans l'infrarouge moyen (3µm - 5µm) et lointain (8µm - 12µm), le bruit propre des détecteurs est trop élevé pour permettre un tel gaspillage du flux. Un spectro-imageur par transformée de Fourier statique à grande étendue, constitué de l'association d'un système d'imagerie bi-dimensionnelle et d'un interféromètre à deux ondes, est une réponse à ce problème, et se trouve de surcroît bien adapté à l'imagerie aéroportée. C'est un tel système que nous avons étudié, du point de vue des performances radiométriques, de l'encombrement, et des aberrations. Nous avons ensuite réalisé un instrument visible afin de valider expérimentalement le concept optique, ce qui a été fait lors d'une campagne de mesures aéroportées.

Cette thèse présente l’étude de deux restes de supernova galactiques dans le domaine visible : la nébuleuse du Voile et Cassiopeia A. Les observations de ces objets ont été conduites avec deux spectromètres imageurs à transformée de Fourier (iFTS) : SpIOMM, installé à l’Observatoire du Mont-Mégantic, et SITELLE installé au télescope Canada-France-Hawaï. La première partie de la thèse consiste en une étude hyperspectrale du Voile. Grâce au grand champ de vue de SpIOMM (120STX120), la presque totalité des structures filamentaires situées au nord-est du Voile (NGC 6992/95) ont pu être cartographiées et analysées. Au total, près de 3 millions de spectres ont été obtenus couvrant les raies d’émission suivantes : HFF, HVT, [O III] NAK NAK4959,5007, [N II] NAK NAK6548,6583 et [S II] NAK NAK6716,6731. Afin de cartographier la raie de [O II] NAK3727+3729, l’instrument SITELLE a été utilisé pour observer un champ du Voile dans NGC 6992. Quelques spectres à longue fente couvrant tout le domaine visible (3624-7433 Å) ont été obtenus en complément. L’étude hyperspectrale du Voile a permis de générer plusieurs cartes de ratios permettant d’apprécier la variété et la complexité des différentes raies émissions et leurs intensités relatives aux régions observées. L’analyse systématique de ces observations en utilisant les modèles de choc évalués par le code de modélisation MAPPINGS a permis de mieux comprendre l’interaction complexe entre les chocs et le gaz circumstellaire et interstellaire autour du Voile. Les régions observées ont été analysées à l’aide de plusieurs diagrammes diagnostiques et cartes d’analyses mettant en évidence les différents paramètres de choc, tels que la localisation des chocs incomplets, les vitesses de choc et les densités électroniques. De plus, les cartes d’abondances d’oxygène, d’azote et de soufre sont présentées permettant d’apprécier la composition chimique des régions observées. La deuxième partie de la thèse est consacrée à l’étude de Cassiopeia A avec SpIOMM. L’entièreté des émissions en [N II] NAK NAK6548,6583 et [S II] NAK NAK6716,6731 ont été cartographiées. Les quasistationary flocculi riches en azote ainsi que les éjectas riches en [S II] sont analysés. En combinant les données d’archive de Hubble et les données de SpIOMM, nous avons obtenu une vue tridimensionnelle de l’objet qui permet de localiser les positions spatiales des éjectas [S II] autour du centre de l’explosion, ce qui a permis d’apprécier l’inhomogénéité de leur distribution. À partir de nos données et à l’aide d’une nouvelle méthode, nous avons réévalué la distance de Cas A à 3.33 ACK 0.10 kpc. / This thesis presents the analysis of two galactic supernova remnants in the visible spectral range: the Veil Nebula and Cassiopeia A. The observations were conducted with two wide-field imaging Fourier transform spectrometer (iFTS) : SpIOMM installed at the Observatoire du Mont-Mégantic and SITELLE recently installed at the Canada–France–Hawaii Telescope. The first part of the thesis consists of a hyperspectral analysis of the Veil Nebula. With the wide field of view provided by SpIOMM (120STX120), nearly all of the filamentary structures located in the north-eastern part of the Veil have been mapped and analysed. In total, nearly 3 million spectra have been obtained covering the following emission lines : HFF, HVT, [O III] NAK NAK4959,5007, [N II] NAK NAK6548,6583 and [S II] NAK NAK6716,6731. In order to map the [O II] NAK3727+3729 lines, SITELLE has been used to observed one region in the Veil centered on NGC 6992. A few long slit spectra were also obtained covering the visible range 3624-7433 Å. The hyperspectral analysis of the Veil Nebula has allowed the creation of several ratios maps allowing to appreciate the variety and complexity of the different emission lines and their relative intensities in the observed regions. A systematic analysis of the observations using shock models evaluated by the modeling code MAPPINGS have helped to better understand the complex interaction between shocks and the circumstellar and interstellar gas around the object. The observed areas were analyzed using several diagnostic diagrams and ratios maps highlighting the different impact of several shock parameters such as the location of incomplete shock, impact velocities and electron densities. In addition, abundance maps of oxygen, nitrogen and sulfur are presented to assess the chemical composition of the remnant. The second part of the thesis is dedicated to the analysis of Cassiopeia A with SpIOMM. All the [N II] NAK NAK6548,6583 and [S II] NAK NAK6716,6731 emissions have been mapped, allowing the analysis of the nitrogen rich quasi-stationnary flocculi as well as the fast moving ejecta visible in [S II]. We used multi-epoch observations from the Hubble Space Telescope combined with data taken with SpIOMM to generate a three-dimensional spatial view of the [S II] NAK NAK6716, 6731 emissions showing their location, expansion velocity and the [S II] doublet line ratio for multiple locations in the remnant. Finally, we re-evaluate the distance to Cas A using a new method and obtained 3.33ACK0.10 kpc.