Simulation models play an important role in decision making and developement of new scientific theories. In view of their critical role, everyone can expect complete and relevant information about the confidence level that are associated with them. To achieve this goal, we must perform validation and verification (V&V) operations. This represents an important challenge in Earth Faculté des sciences where modelized systems are complex and open. An anthropic night-sky radiance model was studied to establish a V&V strategy that might be applied to Earth Faculté des sciences models in general. This strategy include qualification (are we modeling the right phenomenon?), verification (does implemantation respect the specifications?), and validation (does software simulate the phenomenon correctly?). Qualification and verification show the relevance of the selected governing equations and allow us to identify paths to improve software management maturity. Effects of distance and angle of view on anthropic night-sky radiance were studied in validation. Comparison of simulations and measurements show interesting similarities.

L'étude des sols argileux fait l'objet de nombreux travaux motivés par leur rôle dans les processus d'érosion, les catastrophes naturelles et l'agriculture de précision. La caractérisation du contenu en argiles gonflantes du sol est aussi nécessaire pour évaluer la traficabilité d’une région ou le risque de retrait-gonflement des sols, responsable d’engendrer des dégâts sur le bâti. En effet, les argiles gonflantes sont des smectites qu'il faut différencier des autres types d'argiles telles que l'illite ou la kaolinite, en milieu tempéré. Les techniques traditionnelles pour réaliser la cartographie des minéraux argileux des sols sont en général couteuses, financièrement et en temps et sont basées sur des campagnes terrain intensives simultanément à des acquisitions photographiques afin de spatialiser l'information qui reste qualitative. La télédétection hyperspectrale est une technique potentiellement intéressante pour obtenir des cartes d'argile plus précises et à moindre coût. Néanmoins, elle est limitée par le fait que (i) les minéraux sont mélangés de manière intime dans les sols avec d’autres composants; mais aussi que (ii) à l’échelle aéroportée, le signal réfléchi au sein d’un pixel (résolution spatiale de l’ordre du mètre) comprend de la végétation en plus du sol nu. Ces phénomènes de mélange, aux échelles microscopique et macroscopique, rendent difficile l’estimation du contenu en argiles minéralogiques. Le développement des drones ainsi que leur possibilité d'embarquer de nouvelles caméras hyperspectrales couvrant l'ensemble du spectre [0,4 - 2,5 µm] avec une haute résolution spatiale (environ 10 cm) et un signal à bruit élevé ouvrent la voie à un inventaire plus précis des argiles.L'objectif de cette thèse est de montrer l'intérêt de l'utilisation de méthodes de démélange sur des données hyperspectrales à très haute résolution spatiale pour estimer le contenu en minéraux argileux du sol, et plus précisément des argiles responsables du retrait-gonflement, les smectites. Dans un premier temps, les méthodes existantes de détection, de caractérisation des différents types d'argile et d'estimation de leur abondance sont présentées. Les potentialités des méthodes de démélange existantes dans la littérature pour l’estimation du contenu en minéraux argileux des sols sont mises en avant. Dans un second temps, les méthodes de démélange sont utilisées sur une base de données d’images hyperspectrale acquises en laboratoire de mélanges contrôlés minéraux contenant des argiles (montmorillonite, illite, kaolinite) et d’autres minéraux présents dans les sols (quartz, calcite). Comme les minéraux sont mélangés de manière intime, des méthodes de démélange, linéaires et non-linéaires sont décrites et comparées. Néanmoins, les algorithmes non-linéaires ont des performances similaires aux algorithmes linéaires. De plus, l’effet de la variabilité des données sur la précision de l’estimation des abondances a pu être réduit en utilisant des prétraitements spectraux. Dans une dernière étape, la comparaison des méthodes de démélange sont étendues à des mesures en environnement extérieur. Cette analyse repose sur une campagne de mesure en extérieur réalisée pour la mesure d'images hyperspectrales acquises depuis une nacelle (12 m de hauteur environ, 1,5 cm de résolution spatiale), et l’acquisition d’échantillons prélevés et analysés par DRX (données quantitatives des abondances des minéraux) pour validation. Cette dernière phase permet d'analyser l'impact d'un sol naturel (composé d'un mélange minéralogique, des matières carbonées telles que la cellulose, et ayant une rugosité de surface…) sur les méthodes de démélange. Les performances obtenues (moins de 15% RMSE sur l’estimation de la montmorillonite) permettent d’ouvrir des perspectives quant à l’application de ces méthodes sur des capteurs embarqués par drone, pour la cartographie de la traficabilité et de l’aléa de retrait-gonflement des sols. / Clayey soils are studied because of the importance of soils in erosion processes, natural disasters and precision agriculture. Mapping of clay mineralogy is essential for surveying and predicting trafficability and ground instability hazards, such as shrink-swelling, in order to cope with damages caused by expansive soils on infrastructures. Clay minerals in temperate zone soils are mainly divided in smectites, which highly contribute to soil swelling, illite and kaolinite. Geotechnical engineering practice for clayey soils mapping are expensive and time-consuming. Indeed, it is based on field and extensive laboratory studies. In addition, spatial distribution of clay is assessed using aerial photographs and low-scale geological maps. Thereby, small heterogeneities in geological features are rarely detected, and spatial information remains qualitative. Hyperspectral remote sensing could be an alternative to conventional methods for clay mapping. However, this method is limited by two facts: (i) soils are an intimate mixture of minerals, and (ii) vegetation is mixed with bare soil within airborne sensors pixels (meter range of spatial resolution). Those mixtures (at microscopic and macroscopic scales) mask clays specific spectral signatures and limit clay mineral quantification. Recent development in UAV offers new possibilities for carrying hyperspectral cameras in the reflective domain [0.4 – 2.5 µm], and obtaining data with higher SNR and resolution (10 cm). These advances open new perspectives for accurate and less expensive clay maps. This PhD thesis aims to present the potentiality of clay mapping in soils using very-high spatial resolution hyperspectral data, and more specifically, to estimate swelling clay minerals (smectite) abundances. First, existing methods of detection, and abundance estimation of clay minerals are presented. Second, unmixing methods are used on a database of hyperspectral images of controlled mixtures with different abundances of clay minerals, (illite, montmorillonite and kaolinite) and other minerals existing in soils (quartz, calcite). Due to the intimate nature of mixtures, linear and non-linear unmixing methods are described and compared. However, linear and nonlinear algorithms exhibit similar performances. Moreover, the accuracy of estimation of abundances of mineral clay increased using spectral preprocessings. Regarding the third step, field measurements are used to assess clay unmixing methods. This study is based on an outdoor experiment which acquired hyperspectral images from a bucket truck (12 m elevation, 1.5 cm ground sampling distance), and a sampling collection analyzed by XRD (quantitative analysis of mineral abundances) for validation. This step analyzed effects of a natural soil, (with organic matter, a larger diversity of mineralogical components and with surface roughness) on unmixing methods tested with laboratory data. Obtained performances (less than 15% RMSE for montmorillonite estimation) allow perspectives to apply these methods on data obtained with UAV sensors, for trafficability or expansive soils mapping purposes.

Les herbiers de Zostera noltii constituent des habitats remarquables dans les zones intertidales des baies et estuaires bordés par l'Atlantique Nord. Ces herbiers étant soumis à des pressions naturelles et anthropiques, l'estimation de la dynamique spatio-temporelle se révèle alors primordiale afin de mettre en place des mesures de gestion et de protection appropriées. La télédétection visible - proche infra-rouge à partir de capteurs aéroportés et satellitaux a été utilisée pour leur identification et leur cartographie à macro-échelle. La méthodologie proposée repose sur l'analyse des spectres de réflectance des feuilles (partie épigée de l'herbier) pour des longueurs d'ondes allant de 400 à 900 nm. A partir de librairies spectrales réalisées en laboratoire par spectroradiométrie, des relations quantitatives entre la biomasse et des indices de végétation ont été obtenues, intégrant l'influence du substrat et des variations phénologiques. Cette approche spectroradiométrique a facilité l'interprétation et le traitement d'images multi et hyperspectrales (SPOT et HySpex) couvrant la baie de Bourgneuf (2°10'O, 46°57'N), révélant une extension régulière des herbiers de 1991 à 2011, probablement expliquée par un phénomène d'accrétion naturelle dans la baie, entrecoupée cependant de brèves périodes de régression (2006-2009) dont les causes ne sont pas expliquées.

Le développement des LED de forte puissance, au début des années 2000, a engendré un besoin de caractérisation des propriétés radiométrique, photométrique et colorimétrique de ces sources, essentiellement pour des applications d'éclairage général. L'équipe « Rayonnements optiques » de l'Institut national de métrologie a étudié ces trois aspects en travaillant sur la thématique de la qualité de la lumière par le biais du rendu des couleurs lié à la perception visuelle. Des études ont été effectuées à partir de mesures physiques et visuelles sur des échantillons colorés éclairés par des LED montées dans une cabine à lumière. Les mesures physiques ont porté sur les répartitions spectrales des éclairages à LED à partir desquelles des paramètres colorimétriques (coordonnées chromatiques, température de couleur proximale, indices de rendu des couleurs) ont pu être évalués. L'analyse métrologique de ces données expérimentales a été réalisée à l'aide d'une méthode numérique de type Monte Carlo. Les mesures visuelles ont été obtenues à partir d'une expérience psychophysique reposant sur une méthode de comparaison par paires permettant de quantifier la qualité des éclairages à LED sur plusieurs échantillons colorés. Pour chaque échantillon, un classement des éclairages à LED, du meilleur au moins bon, a pu être proposé. La confrontation des résultats issus des mesures physiques et des mesures visuelles a conduit à présenter des pistes de quantification du rendu des couleurs des LED. Les résultats obtenus ont été transmis au comité technique TC 1-69 de la Commission internationale de l'éclairage (CIE), qui a pour rôle de définir une nouvelle recommandation pour l'évaluation des propriétés de rendu des couleurs des sources lumineuses d'ici à la fin 2010.

Le Soleil est une étoile variable dont l’éclairement présente un large spectre de périodicités (de quelques minutes à plusieurs décennies). L’amplitude de ces variabilités présente une forte dépendance en longueur d’onde. La mesure précise de l’éclairement spectral hors atmosphère et de cette variabilité selon une échelle radiométrique absolue constituent une entrée fondamentale pour les domaines de recherche suivants :<p>- En physique solaire, ces mesures permettent de valider les modèles étudiant la composition de l’atmosphère solaire, les processus physiques internes et leur variabilité.<p>- La photochimie atmosphérique terrestre et les modèles climatiques. La composition, la structure thermique et la dynamique de l’atmosphère terrestre sont dépendantes du flux solaire incident, de sa distribution en longueur d’onde et de sa variabilité. Les mesures sont requises pour une validation des modèles de transfert radiatif et climatiques.<p>La nécessité d’une mesure continue dans le temps et hors atmosphère s’impose car chaque cycle solaire possède ses propres caractéristiques. Ces mesures sont réalisées depuis plus de 30 ans par des spectroradiomètres adaptés à l’environnement spatial. L’instrument SOLSPEC (SOLar SPECtrum) a apporté une contribution majeure à ces mesures.<p>Le travail présenté dans ce manuscrit est associé à la sélection de SOLSPEC pour une mission à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS). Les objectifs ont consisté à adapter l’instrument pour une mission à long terme (2008-2016), à étendre la plage spectrale couverte par SOLSPEC et à réduire l’incertitude de mesures. Il est structuré en deux parties :<p>- La remise à niveau de l’instrumentation et son étalonnage radiométrique.<p>- Le traitement des données pour les premières mesures en orbite.<p>L’instrument a été modifié pour satisfaire de nouvelles exigences de dimensions et de masse. De nouveaux sous-systèmes optiques (unité interne d’étalonnage, pointeur solaire) ont été développés pour permettre la détection et la correction de toute dérive angulaire ou de réponse absolue de manière autonome. La plage spectrale de fonctionnement a été étendue entre 166 et 3088 nm. Une caractérisation radiométrique approfondie de SOLSPEC a été effectuée. L’étalonnage absolu a été réalisé à partir de l’étalon primaire en éclairement spectral (rayonnement du corps noir) du PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). Une estimation des incertitudes standard utilisant le formalisme mathématique appliqué en métrologie a été développée. Les résultats donnent une incertitude réduite entre 2 % à 4 % pour la plage 166-370 nm, inférieure à 2 % entre 370 et 2350 nm, comprise entre 2 et 5 % pour l’intervalle 2350-2580 nm et de 5 à 10 % entre 2580 et 2920 nm. Une valeur inférieure à 1 % est atteinte entre 500 et 1900 nm. Les mesures consécutives à la mise en orbite de SOLSPEC ont confirmé le maintien des performances radiométriques. Le spectre solaire hors atmosphère a été déterminé et comparé aux résultats antérieurs et actuels des missions respectives SOLSPEC ATLAS et SORCE. Il correspond à l’activité solaire du début de la mission SOLAR (mi-2008).<p><p>The Sun is a variable star. Its irradiance presents a wide range of periodicity varying from minutes to decades. The amplitude of this variability is strongly wavelength dependent. The accurate determination of the solar spectral irradiance above the atmosphere in absolute radiometric scale and the study of its variability are main issues for the following researches:<p>- In solar physics, these measurements are required for the validation of the models studying the composition of the solar atmosphere, the internal physical processes and their variability.<p>- For the photochemistry of the Earth’s atmosphere and the climate modeling. The composition, the thermal structure and the dynamics of the atmosphere are dependant on the incoming solar flux, its spectral distribution and variability. The measurements are required for the validation of radiative transfer and climate models.<p>As each solar cycle presents a different behavior, there was a need for continuous measurements above the atmosphere. Such measurements were performed since more than 30 years by means of space qualified spectroradiometers. The SOLSPEC (SOLar SPECtrum) instrument brought a major contribution in this respect. <p>The present work is devoted to the SOLSPEC instrument that was selected for a new mission on board the International Space Station (ISS). The objectives were to refurbish the instrument and to adapt it for a long term mission (2008-2016), to extend the wavelength coverage and to reduce the uncertainties on the measurements. This work is developed in two parts:<p>- The refurbishment and the radiometric characterization of the instrument.<p>- The data processing of the first results after the launch.<p>The instrument was modified in order to fulfill new requirements of dimensions and mass. Different optical sub-systems (internal lamp unit, passive solar sensor) were developed in order to obtain on board capabilities for the detection and the correction of any trend in the absolute response. The spectral range was extended to 166 - 3088 nm. A full radiometric characterization of SOLSPEC has been carried out and is presented in this work. The absolute calibration was performed using the primary standard of spectral irradiance (black-body radiation) of the PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt). The evaluation of the standard uncertainties is presented using the mathematical methodology applied in metrology. The results provide an uncertainty limited to 2 % - 4 % between 166 and 370 nm, below 2 % from 370 to 2350 nm, between 2 and 5 % for the spectral range 2350 - 2580 nm and 5 % to 10 % between 2580 and 2900 nm. The uncertainty is below 1 % between 500 and 1900 nm. The stability of the radiometric performances was demonstrated from the analysis of the first measurements after the launch, at the beginning of the mission. The solar spectrum above the atmosphere was determined and compared to results obtained from the previous SOLSPEC ATLAS and ongoing SORCE missions. This spectrum corresponds to the solar activity at mid-2008.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Dans la forêt boréale, l’augmentation de la fréquence et de la superficie d’îlots de pessières à lichens sur le territoire québécois a déjà été observée et pourrait résulter en une migration vers le sud de la limite nordique des pessières à mousses. Ce phénomène survient après des échecs de régénération, qui ont lieu lorsque le milieu est préalablement fragilisé lorsqu’une nouvelle perturbation affecte le peuplement. Avec la possibilité de détecter ce stress en analysant les propriétés spectrales de la végétation, les zones perturbées pourraient alors être identifiées. L’objectif principal de la présente étude est d’établir des liens entre d’une part, les informations extraites des signatures spectrales et d’autre part, les indices de végétation et les différents types de stress affectant les écosystèmes boréaux. Cela permettra de savoir s’il est possible d’identifier les pessières à mousses à risque de subir un accident de régénération en étudiant les propriétés spectrales de la végétation comme indicateur de stress. Pour répondre à cet objectif, des sites d’échantillonnage ont été positionnées aux 51e, 52e et 53e parallèles le long de la route de la baie James. Les placettes ont été regroupées en paires afin de faire des tests appariés et ainsi comparer les deux types de peuplements. Sur le terrain, les signatures spectrales ont été prises sur les feuilles aléatoirement prélevées sur cinq épinettes noires. Ces mesures ont été prises tout au long de la saison de croissance (3 campagnes d’échantillonnage). Quatre indices de végétation (NDVI, NDWI, PRI et SIPI) ont été extraits des signatures spectrales, et la pente moyenne du red-edge a été calculée. Les résultats obtenus ont permis de déterminer que certaines des pessières à mousses ont des valeurs très proches de celles des pessières à lichens, qui sont considérées comme des écosystèmes stressés. À partir de ces résultats, il est possible de supposer que le stress peut également être identifié à l’échelle du paysage (sur les images satellitaires) et ainsi permettre un suivi et une gestion après les feux et les épidémies afin de limiter les pertes de ce précieux écosystème. / In the boreal forest of northern Québec, the size and quantity of lichen woodlands patches is increasing, and taking over the spruce-moss forest territory. The phenomenon has been observed, and scientists now believe that the northern limit of the spruce-moss forest will slowly move south. This shift of ecosystem happens when the forest stand is already fragilized, and a perturbation occurs. Vegetation’s spectral properties can be used as a tool to assess and identify disturbed forest areas The main objective of this study is to establish relations between data extracted from spectral signatures, vegetation indexes and different types of stress that could affect boreal ecosystems. The identification spruce-moss woodlands prone to regeneration failure could be achieved with the study of spectral properties as stress indicators. In order to achieve this objective, sites from 3 latitudes (51, 52 and 53) have been sampled on James Bay Road. Plots have been regrouped in pairs for subsequent pairwise statistical tests to compare results from both forest stand types. Spectral signatures have been measured on 5 randomly chosen black spruces. These measurements were taken throughout the growing season (3 sampling campaigns). Four vegetation indexes have been extracted from spectral signatures (NDVI, NDWI, PRI and SIPI), and the mean slope of the red-edge area have been calculated. Results have shown that some of the spruce-moss stands have had very similar values to those from the lichen woodlands, that are considered as stressed ecosystems. From these results, it is possible to assume that stressed ecosystems can be detected at landscape level (on satellite images). Monitoring vegetation stress can help improve forest management after forest fires and insect’s epidemics to prevent the loss of this beautiful ecosystem.