Les traits fonctionnels foliaires sont des paramètres clés des processus écologiques dans les forêts. Malgré les progrès réalisés dans la cartographie de traits foliaires à partir d’imagerie hyperspectrale, il subsiste un besoin de construire des modèles spectres-traits spécifiques à un environnement donné, entraînés à partir de mesures à l’échelle de l’arbre, afin d'améliorer la précision des cartes locales de traits. Nous avons cartographié 12 traits fonctionnels foliaires dans une forêt tempérée mixte à partir d’imagerie hyperspectrale aéroportée. Des échantillons foliaires de cimes d'arbres (n = 166), couvrant un total de 16 espèces, ont été recueillis à l'aide d'une plateforme de drone pour mesurer des traits foliaires d’arbres individuels, à partir desquels la réflectance spectrale de la couronne a également été mesurée. Des modèles de régression des moindres carrés partiels (PLSR) ont été utilisés pour prédire les traits foliaires à partir des spectres de réflectance à l’échelle de l’arbre (400-2400 nm). Ces modèles ont prédit la masse foliaire par unité de surface (LMA), la surface foliaire spécifique (SLA) et l'épaisseur en eau (EWT) avec une haute précision (R2 > 0.8, %RMSE < 15). Les modèles de concentration de pigments, de l'azote et de la cellulose ont montré une performance modérée (R2 = 0.53–0.68, %RMSE = 17.24–21.31). Les performances les plus faibles ont été observées pour la lignine, le carbone, le contenu en matière sèche (LDMC) et l'hémicellulose (R2 = 0.24–0.44, %RMSE = 20.67–26.13). Des cartes à haute résolution spatiale (1.25 m pixel-1) de traits foliaires ont été produites pour l'ensemble de la zone d'étude de 16 km2. Notre étude s'ajoute aux recherches approfondies visant à utiliser la télédétection pour surveiller la biodiversité des traits fonctionnels à plus grande échelle et fournit des modèles qui saisissent la variation intraspécifique de nombreuses espèces d'arbres d'une forêt tempérée mixte de l'est du Canada. / Foliar functional traits are key drivers of ecological processes in forests. Despite progress in forest foliar trait mapping from imaging spectroscopy, there is a need to build environment-specific, spectra-trait models trained from tree-level measurements to improve the accuracy of local trait maps. We mapped 12 foliar functional traits in a mixed temperate forest using airborne imaging spectroscopy. Top-of-canopy foliar samples from tree crowns (n = 166), representing a total of 16 species, were collected using a drone platform to measure foliar traits for individual trees, from which tree-level crown spectra were also determined. Partial least squares regression (PLSR) models were used to predict foliar traits from tree-level reflectance spectra (400-2400 nm). These models predicted leaf mass per area (LMA), specific leaf area (SLA) and equivalent water thickness (EWT) with high accuracy (R2 > 0.8, %RMSE < 15). Models for pigment, nitrogen and cellulose concentrations showed a moderate performance (R2 = 0.53–0.68, %RMSE = 17.24–21.31). Poorest performance was observed for lignin, carbon, leaf dry mass content (LDMC) and hemicellulose (R2 = 0.24–0.44, %RMSE = 20.67–26.13). High-resolution (1.25 m pixel-1) foliar trait maps were produced for the entire 16-km2 study area. Our study adds to the extensive research aiming to use remote sensing to monitor forest functional trait biodiversity at larger scales and provides models that capture intraspecific variation across many tree species from a mixed temperate forest in eastern Canada.

Les nanomatériaux sont une classe de contaminants qui est de plus en plus présent dans l’environnement. Leur impact sur l’environnement dépendra de leur persistance, mobilité, toxicité et bioaccumulation. Chacun de ces paramètres dépendra de leur comportement physicochimique dans les eaux naturelles (i.e. dissolution et agglomération). L’objectif de cette étude est de comprendre l’agglomération et l’hétéroagglomération des nanoparticules d’argent dans l’environnement. Deux différentes sortes de nanoparticules d’argent (nAg; avec enrobage de citrate et avec enrobage d’acide polyacrylique) de 5 nm de diamètre ont été marquées de manière covalente à l’aide d’un marqueur fluorescent et ont été mélangées avec des colloïdes d’oxyde de silice (SiO2) ou d’argile (montmorillonite). L’homo- et hétéroagglomération des nAg ont été étudiés dans des conditions représentatives d’eaux douces naturelles (pH 7,0; force ionique 10 7 à 10-1 M de Ca2+). Les tailles ont été mesurées par spectroscopie de corrélation par fluorescence (FCS) et les résultats ont été confirmés à l’aide de la microscopie en champ sombre avec imagerie hyperspectrale (HSI). Les résultats ont démontrés que les nanoparticules d’argent à enrobage d’acide polyacrylique sont extrêmement stables sous toutes les conditions imposées, incluant la présence d’autres colloïdes et à des forces ioniques très élevées tandis que les nanoparticules d’argent avec enrobage de citrate ont formées des hétéroagrégats en présence des deux particules colloïdales. / Nanomaterials are a class of contaminants that are increasingly found in the natural environment. Their environmental risk will depend on their persistence, mobility, toxicity and bioaccumulation. Each of these parameters will depend strongly upon their physicochemical fate (dissolution, agglomeration) in natural waters. The goal of this paper is to understand the agglomeration and heteroagglomeration of silver nanoparticles in the environment. Two different silver nanoparticles (nAg; citrate coated and polyacrylic acid coated) with a diameter of 5 nm were covalently labelled with a fluorescent dye and then mixed with colloidal silicon oxides (SiO2) and clays (montmorillonite). The homo- and heteroagglomeration of the silver nanoparticles were then studied in waters that were representative of natural freshwaters (pH 7.0; ionic strength 10-7 to 10-1 M of Ca2+). Sizes were followed by fluorescence correlation spectroscopy (FCS) and results were validated using enhanced darkfield microscopy with hyperspectral imaging (HSI). Results have demonstrated that the polyacrylic acid coated nAg was extremely stable under all conditions, including in the presence of other colloids and at high ionic strength, whereas the citrate coated nAg formed heteroagregates in the presence of both natural colloidal particles.

La finesse de la résolution spectrale et spatiale des images hyperspectrales en font des données de très grande dimension. C'est également le cas d'autres types de données, où leur taille tend à augmenter pour de plus en plus d'applications. La complexité des données provenant de l'hétérogénéité spectrale et spatiale, de la non gaussianité du bruit et des processus physiques sous-jacents, renforcent la richesse des informations présentes sur une image hyperspectrale. Exploiter ces informations demande alors des outils statistiques adaptés aux grandes données mais aussi à leur nature non gaussienne. Des méthodes reposant sur la théorie des matrices aléatoires, théorie adaptée aux données de grande dimension, et reposant sur la robustesse, adaptée aux données non gaussiennes, sont ainsi proposées dans cette thèse, pour des applications à l'imagerie hyperspectrale. Cette thèse propose d'améliorer deux aspects du traitement des images hyperspectrales : l'estimation du nombre d'endmembers ou de l'ordre du modèle et le problème du démélange spectral. En ce qui concerne l'estimation du nombre d'endmembers, trois nouveaux algorithmes adaptés au modèle choisi sont proposés, le dernier présentant de meilleures performances que les deux autres, en raison de sa plus grande robustesse.Une application au domaine de la finance est également proposée. Pour le démélange spectral, trois méthodes sont proposées, qui tiennent comptent des diff érentes particularités possibles des images hyperspectrales. Cette thèse a permis de montrer que la théorie des matrices aléatoires présente un grand intérêt pour le traitement des images hyperspectrales. Les méthodes développées peuvent également s'appliquer à d'autres domaines nécessitant le traitement de données de grandes dimensions. / Hyperspectral imaging generates large data due to the spectral and spatial high resolution, as it is the case for more and more other kinds of applications. For hyperspectral imaging, the data complexity comes from the spectral and spatial heterogeneity, the non-gaussianity of the noise and other physical processes. Nevertheless, this complexity enhances the wealth of collected informations, that need to be processed with adapted methods. Random matrix theory and robust processes are here suggested for hyperspectral imaging application: the random matrix theory is adapted to large data and the robustness enables to better take into account the non-gaussianity of the data. This thesis aims to enhance the model order selection on a hyperspectral image and the unmixing problem. As the model order selection is concerned, three new algorithms are developped, and the last one, more robust, gives better performances. One financial application is also presented. As for the unmixing problem, three methods that take into account the peculierities of hyperspectral imaging are suggested. The random matrix theory is of great interest for hyperspectral image processing, as demonstrated in this thesis. Differents methods developped here can be applied to other field of signal processing requiring the processing of large data.

Nous proposons dans cette thèse de développer une méthode de restauration aveugle d'images flouées et bruitées où aucune connaissance a priori n'est exigée. Ce manuscrit est composé de trois chapitres : le 1er chapitre est consacré aux travaux de l'état de l'art. Les approches d'optimisation pour la résolution du problème de restauration y sont d'abord discutées. Ensuite les principales méthodes de restauration, dites semi-aveugles car nécessitant un minimum de connaissance a priori sont analysées. Parmi ces méthodes, cinq sont retenues pour évaluation. Le 2ème chapitre est dédié à la comparaison des performances des méthodes retenues dans le chapitre précédent. Les principaux critères objectifs d'évaluation de la qualité des images restaurées sont présentés. Parmi ces critères, la norme L1 de l'erreur d'estimation est sélectionnée. L'étude comparative menée sur une banque d'images monochromes, dégradées artificiellement par deux fonctions floues de supports différents et trois niveaux de bruit a permis de mettre en évidence les deux méthodes les plus pertinentes. La première repose sur une approche alternée mono-échelle où la PSF et l'image sont estimées dans une seule étape. La seconde utilise une approche hybride multi-échelle qui consiste tout d'abord à estimer de manière alternée la PSF et une image latente, puis dans une étape suivante séquentielle, à restaurer l'image. Dans l'étude comparative conduite, l'avantage revient à cette dernière. Les performances de ces méthodes serviront de référence pour comparer ensuite la méthode développée. Le 3ème chapitre porte sur la méthode développée. Nous avons cherché à rendre aveugle l'approche hybride retenue dans le chapitre précédent tout en améliorant la qualité d'estimation de la PSF et de l'image restaurée. Les contributions ont porté sur plusieurs points. Une première série d'améliorations concerne la redéfinition des échelles, celle de l'initialisation de l'image latente à chaque niveau d'échelle, l'évolution des paramètres pour la sélection des contours pertinents servant de support à l'estimation de la PSF et enfin, la définition d'un critère d'arrêt aveugle. Une seconde série de contributions a porté sur l'estimation aveugle des deux paramètres de régularisation impliqués pour éviter d'avoir à les fixer empiriquement. Chaque paramètre est associé à une fonction coût distincte l'une pour l'estimation de la PSF et la seconde pour l'estimation d'une image latente. Dans l'étape séquentielle qui suit, nous avons cherché à affiner le support de la PSF estimée dans l'étape alternée, avant de l'exploiter dans le processus de restauration de l'image. A ce niveau, la seule connaissance a priori nécessaire est une borne supérieure du support de la PSF. Les différentes évaluations conduites sur des images monochromes et hyperspectrales dégradées artificiellement par plusieurs flous de type mouvement, de supports différents, montrent une nette amélioration de la qualité de restauration obtenue par l'approche développée par rapport aux deux meilleures approches de l'état de l'art retenues. / We propose in this thesis manuscript to develop a blind restoration method of single component blurred and noisy images where no prior knowledge is required. This manuscript is composed of three chapters: the first chapter focuses on state-of-art works. The optimization approaches for resolving the restoration problem are discussed first. Then, the main methods of restoration, so-called semi-blind ones because requiring a minimum of a priori knowledge are analysed. Five of these methods are selected for evaluation. The second chapter is devoted to comparing the performance of the methods selected in the previous chapter. The main objective criteria for evaluating the quality of the restored images are presented. Of these criteria, the l1 norm for the estimation error is selected. The comparative study conducted on a database of monochromatic images, artificially degraded by two blurred functions with different support size and three levels of noise, revealed the most two relevant methods. The first one is based on a single-scale alternating approach where both the PSF and the image are estimated alternatively. The second one uses a multi-scale hybrid approach, which consists first of alternatingly estimating the PSF and a latent image, then in a sequential next step, restoring the image. In the comparative study performed, the benefit goes to the latter. The performance of both these methods will be used as references to then compare the newly designed method. The third chapter deals with the developed method. We have sought to make the hybrid approach retained in the previous chapter as blind as possible while improving the quality of estimation of both the PSF and the restored image. The contributions covers a number of points. A first series concerns the redefinition of the scales that of the initialization of the latent image at each scale level, the evolution of the parameters for the selection of the relevant contours supporting the estimation of the PSF and finally the definition of a blind stop criterion. A second series of contributions concentrates on the blind estimation of the two regularization parameters involved in order to avoid having to fix them empirically. Each parameter is associated with a separate cost function either for the PSF estimation or for the estimation of a latent image. In the sequential step that follows, we refine the estimation of the support of the PSF estimated in the previous alternated step, before exploiting it in the process of restoring the image. At this level, the only a priori knowledge necessary is a higher bound of the support of the PSF. The different evaluations performed on monochromatic and hyperspectral images artificially degraded by several motion-type blurs with different support sizes, show a clear improvement in the quality of restoration obtained by the newly designed method in comparison to the best two state-of-the-art methods retained.

Avec l’émergence des nouveaux aciers chargés en éléments réactifs, la caractérisation des états de surface a pris une nouvelle dimension. En effet, différentes familles d’oxyde sont dommageables pour la qualité de surface de l’acier et peuvent nuire à l’application de revêtements annexes. Aussi, afin d’assurer une bonne qualité aux produits finis, le besoin de caractériser, en ligne, la surface de l’acier sur toute sa largeur est de plus en plus nécessaire. L’imagerie hyperspectrale est une technologie en plein essor qui permet à la fois la caractérisation spatiale et spectrale d’une surface. Elle n’avait cependant encore jamais été employée pour la caractérisation de couche mince dans l’industrie sidérurgique. Durant ma thèse, deux méthodologies ont ainsi été développées pour répondre à ce besoin: l’une via une mesure en réflexion spéculaire et l’autre via une mesure en émission. En complément d’un travail de synthèse d’échantillons de référence, un développement expérimental complet allant d’un banc de simulation aux traitements des données a été réalisé. Ce travail a permis de démontrer la capabilité de l’imagerie hyperspectrale pour la détection de couche mince d’oxyde sur un acier parfois à plusieurs centaines de degrés Celsius. Ces résultats encourageants ont conduit à réaliser la première implantation industrielle de cette technologie. Ce travail de thèse a permis d’étudier théoriquement et expérimentalement les phénomènes mis en jeu et de passer du concept répondant à un besoin industriel à l’implémentation en ligne d’un capteur dédié à la caractérisation d’une couche mince d’oxyde sur une surface en défilement dans des conditions industrielles / With the emergence of new steel loaded in reactive elements, the characterization of the physico-chemical properties of the surface states has taken a new dimension. Indeed, the thin films of oxide formed are damaging for the surface quality of the steel and may adversely affect the application of varied coatings. Also, to ensure a good quality on finished products, the need to characterize, online, the steel surface over its entire width is increasingly necessary. The hyperspectral imaging is an emerging technology that allows both spatial and spectral characterization of a surface. It had never been used to characterize thin layers in the steel industry. During my PhD, both methodologies have been developed to meet this need: one via a measurement in specular reflection and the other via a measurement in emission. In addition to a synthesis of reference samples, a full experimental development ranging from a simulation bench to the data processing was performed. This work has demonstrated the capability of the hyperspectral imaging to detect thin surface oxide layers on a steel surface, sometimes at several hundred degrees Celsius. These encouraging results led to the first industrial implementation of this technology. This thesis made it possible to study theoretically and experimentally the phenomena involved and to move from the concept that meets an industrial need to the implementation of an online sensor dedicated to the characterization of a thin oxide layer on a moving surface in industrial conditions

Les capteurs hyperspectraux, qui acquièrent des images dans le domaine réflectif ([0,4-2,5 m]), avec une haute résolution spatiale (quelques mètres) et dans de nombreuses bandes spectrales simultanément, permettent d'estimer à la fois les propriétés des aérosols atmosphériques et de certains gaz. Les travaux présentés ici portent sur la caractérisation de panaches industriels. Les particules émises par les industries ont des propriétés encore très mal connues et les bases de données actuelles ne contiennent pas les informations nécessaires à la compréhension et la modélisation de leur impact radiatif. La première partie de cette étude consiste donc à caractériser les propriétés physiques et optiques de ces aérosols, à partir d'échantillons prélevés, et a conduit à l'établissement d'un modèle permettant de décrire l'impact radiatif d'un panache émis par une industrie métallurgique. Dans une seconde partie, une méthode d'estimation conjointe du CO2 et des aérosols est proposée. Il a été montré, à partir d'une étude de sensibilité et de l'application de cette méthode sur deux images AVIRIS, que cette estimation conjointe, dans le cas des panaches optiquement denses, conduisait à une erreur d'estimation du CO2 divisée d'un facteur 2 par rapport aux techniques existantes (e.g. JRGE). Enfin, une méthode d'estimation du type d'aérosols, EARTH (Estimation of Aerosol Type using Hyperspectral data), spécifiquement adaptée aux panaches industriels, a été développée. Une validation sur données simulées et réelles (image CASI) a montré qu'elle permettait de reconnaître, sans information a priori, la présence de particules métalliques dans un panache de faible épaisseur optique.

La microscopie en champ proche optique permet d'analyser les phénomènes optiques avec une résolution spatiale sublongueur d'onde comme par exemple la localisation et la propagation de la lumière dans des cristaux photoniques. D'une manière générale, les méthodes de microscopie en champ proche optique reposent sur le positionnement à l'échelle nanométrique d'une sonde locale à proximité de l'échantillon à analyser, puis sur la détection du signal diffusé et collecté lors du balayage de la sonde. En fonction du type de détection optique mise en oeuvre ou du type de sonde utilisée, les grandeurs physiques communément accessibles par ces méthodes sont les distributions spatiales de l'amplitude et de la phase ou de l'intensité des composantes électriques ou magnétiques du champ sondé.Ce travail de thèse est consacré à la mise en place d'une détection hyperstectrale en champ proche optique dans le but de comprendre et de caractériser, à des échelles sublongueurs d'onde, les propriétés spectrales et spatiales de systèmes optiques miniaturisés. L'imagerie hyperstectrale fournit en une seule acquisition, une série d'image à chaque longueur d'onde dans les gammes spectrales visibles, infrarouges et aux longueurs d'onde des télécommunications optiques. Cette nouvelle technique d'imagerie a permis l'observation, sur une large bande spectrale, de phénomènes électromagnétiques dépendant de la longueur d'onde tels que les effets superprisme et mirage dans les cristaux photoniques et la mise en forme de faisceaux de Bessel plasmoniques

Le démélange spectral est un des sujets majeurs de l'analyse d'images hyperspectrales. Ce problème consiste à identifier les composants macroscopiques présents dans une image hyperspectrale et à quantifier les proportions (ou abondances) de ces matériaux dans tous les pixels de l'image. La plupart des algorithmes de démélange suppose un modèle de mélange linéaire qui est souvent considéré comme une approximation au premier ordre du mélange réel. Cependant, le modèle linéaire peut ne pas être adapté pour certaines images associées par exemple à des scènes engendrant des trajets multiples (forêts, zones urbaines) et des modèles non-linéaires plus complexes doivent alors être utilisés pour analyser de telles images. Le but de cette thèse est d'étudier de nouveaux modèles de mélange non-linéaires et de proposer des algorithmes associés pour l'analyse d'images hyperspectrales. Dans un premier temps, un modèle paramétrique post-non-linéaire est étudié et des algorithmes d'estimation basés sur ce modèle sont proposés. Les connaissances a priori disponibles sur les signatures spectrales des composants purs, sur les abondances et les paramètres de la non-linéarité sont exploitées à l'aide d'une approche bayesienne. Le second modèle étudié dans cette thèse est basé sur l'approximation de la variété non-linéaire contenant les données observées à l'aide de processus gaussiens. L'algorithme de démélange associé permet d'estimer la relation non-linéaire entre les abondances des matériaux et les pixels observés sans introduire explicitement les signatures spectrales des composants dans le modèle de mélange. Ces signatures spectrales sont estimées dans un second temps par prédiction à base de processus gaussiens. La prise en compte d'effets non-linéaires dans les images hyperspectrales nécessite souvent des stratégies de démélange plus complexes que celles basées sur un modèle linéaire. Comme le modèle linéaire est souvent suffisant pour approcher la plupart des mélanges réels, il est intéressant de pouvoir détecter les pixels ou les régions de l'image où ce modèle linéaire est approprié. On pourra alors, après cette détection, appliquer les algorithmes de démélange non-linéaires aux pixels nécessitant réellement l'utilisation de modèles de mélange non-linéaires. La dernière partie de ce manuscrit se concentre sur l'étude de détecteurs de non-linéarités basés sur des modèles linéaires et non-linéaires pour l'analyse d'images hyperspectrales. Les méthodes de démélange non-linéaires proposées permettent d'améliorer la caractérisation des images hyperspectrales par rapport au méthodes basées sur un modèle linéaire. Cette amélioration se traduit en particulier par une meilleure erreur de reconstruction des données. De plus, ces méthodes permettent de meilleures estimations des signatures spectrales et des abondances quand les pixels résultent de mélanges non-linéaires. Les résultats de simulations effectuées sur des données synthétiques et réelles montrent l'intérêt d'utiliser des méthodes de détection de non-linéarités pour l'analyse d'images hyperspectrales. En particulier, ces détecteurs peuvent permettre d'identifier des composants très peu représentés et de localiser des régions où les effets non-linéaires sont non-négligeables (ombres, reliefs,...). Enfin, la considération de corrélations spatiales dans les images hyperspectrales peut améliorer les performances des algorithmes de démélange non-linéaires et des détecteurs de non-linéarités.

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Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'inspection de surfaces métalliques industrielles. Nous proposons de généraliser des méthodes de l'imagerie hyperspectrale à des données multimodales comme des images optiques multi-canales, et des images thermographiques multi-temporelles. Dans la première application, les cubes de données sont construits à partir d'images multi-composantes pour détecter des défauts de surface. Les meilleures performances sont obtenues avec les éclairages multi-longueurs d'ondes dans le visible et le proche IR, et la détection du défaut en utilisant l'angle spectral, avec le spectre moyen comme référence. La deuxième application concerne l'utilisation de l'imagerie thermique pour l'inspection de pièces métalliques nucléaires afin de détecter des défauts de surface et sub-surface. Une approche 1D est proposée, basée sur l'utilisation du kurtosis pour sélectionner la composante principale parmi les premières obtenues après réduction des données avec l’ACP. La méthode proposée donne de bonnes performances avec des données non-bruitées et homogènes, cependant la SVD avec les algorithmes de détection d'anomalies est très robuste aux perturbations. Finalement, une approche, basée sur les techniques d'analyse de franges et la lumière structurée est présentée, dans le but d'inspecter des surfaces métalliques à forme libre. Après avoir déterminé les paramètres décrivant les modèles de franges sinusoïdaux, l'approche proposée consiste à projeter une liste de motifs déphasés et à calculer l'image de phase des motifs enregistrés. La localisation des défauts est basée sur la détection et l'analyse des franges dans les images de phase. / The work presented in this thesis deals with the quality control and inspection of industrial metallic surfaces. The purpose is the generalization and application of hyperspectral imagery methods for multimodal data such as multi-channel optical images and multi-temporal thermographic images. In the first application, data cubes are built from multi-component images to detect surface defects within flat metallic parts. The best performances are obtained with multi-wavelength illuminations in the visible and near infrared ranges, and detection using spectral angle mapper with mean spectrum as a reference. The second application turns on the use of thermography imaging for the inspection of nuclear metal components to detect surface and subsurface defects. A 1D approach is proposed based on using the kurtosis to select 1 principal component (PC) from the first PCs obtained after reducing the original data cube with the principal component analysis (PCA) algorithm. The proposed PCA-1PC method gives good performances with non-noisy and homogeneous data, and SVD with anomaly detection algorithms gives the most consistent results and is quite robust to perturbations such as inhomogeneous background. Finally, an approach based on fringe analysis and structured light techniques in case of deflectometric recordings is presented for the inspection of free-form metal surfaces. After determining the parameters describing the sinusoidal stripe patterns, the proposed approach consists in projecting a list of phase-shifted patterns and calculating the corresponding phase-images. Defect location is based on detecting and analyzing the stripes within the phase-images.