Thèse soutenue

Exploitation de données hyperspectrales pour l'analyse de l'état de santé de la végétation exposée aux hydrocarbures

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Auteur / Autrice : Guillaume Lassalle
Direction : Arnaud ElgerSophie Fabre
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Surfaces et interfaces continentales, Hydrologie - Agrosystèmes, écosystèmes et environnement
Date : Soutenance le 17/10/2019
Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Aéronautique-Astronautique (Toulouse)
Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne) - Laboratoire Écologie fonctionnelle et environnement (Toulouse ; 2007-2023)
Laboratoire : Office national d'études et de recherches aérospatiales (France). Département Optique et Techniques Associées
Jury : Président / Présidente : Isabelle Laffont-Schwob
Examinateurs / Examinatrices : Arnaud Elger, Sophie Fabre, Isabelle Laffont-Schwob, Stéphane Jacquemoud, Carlos Roberto De Souza Filho, Agnès Bégué, Anthony Credoz
Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Jacquemoud, Carlos Roberto De Souza Filho

Résumé

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L’exploration pétrolière et le monitoring de la contamination demeurent très limités dans les régions coloniséespar la végétation. La présence de suintements naturels et de fuites d’installations pétrolières est bien souventmasquée par le feuillage, rendant inopérantes les technologies actuelles de détection du pétrole brut et des produitspétroliers. L’exposition de la végétation à ces composés affecte toutefois son état de santé et, par conséquent, sespropriétés optiques dans le domaine [400:2500] nm. Cela suggère de pouvoir détecter les suintements et les fuitesd’installations de manière indirecte, en analysant l’état de santé de la végétation au travers de sa réflectancespectrale. Basée sur cette hypothèse, la présente thèse évalue le potentiel de l’imagerie hyperspectrale aéroportéeà très haute résolution spatiale pour détecter et quantifier la contamination pétrolière en région tempéréevégétalisée. Pour cela, une approche multi-échelles en trois étapes a été adoptée. La première étape a eu pourobjet de développer une méthode de détection et de caractérisation de la contamination en conditions contrôlées,exploitant les propriétés optiques de Rubus fruticosus L. La méthode proposée combine 14 indices de végétationen classification et permet de détecter divers contaminants pétroliers avec précision, depuis l’échelle de la feuillejusqu’à celle du couvert. Son utilisation en conditions naturelles a été validée sur un bourbier de productioncontaminé, colonisé par la même espèce. Au cours de la seconde étape, une méthode de quantification deshydrocarbures pétroliers totaux, basée sur l’inversion d’un modèle de transfert radiatif, a été développée. Cetteméthode exploite le contenu en pigments des feuilles, estimé à partir de leur signature spectrale, afin de prédireprécisément le taux de contamination en hydrocarbures du sol. La dernière étape de l’approche a démontré larobustesse des deux méthodes en imagerie aéroportée. Celles-ci se sont montrées très performantes pour détecteret quantifier la contamination des bourbiers. Une autre méthode de quantification, basée sur la régressionmultiple, a également été proposée. Au terme de cette thèse, les trois méthodes proposées ont été validées pourune utilisation sur le terrain, à l’échelle de la feuille et du couvert, ainsi qu’en imagerie hyperspectrale aéroportéeà très haute résolution spatiale. Leurs performances dépendent toutefois de l’espèce, de la saison et du niveau decontamination du sol. Une approche similaire a été conduite en conditions tropicales, permettant de mettre aupoint une méthode de quantification de la contamination adaptée à ce contexte. En vue d’une utilisationopérationnelle, un effort important reste nécessaire pour étendre le champ d’application des méthodes à d’autrescontextes et envisager leur application sur les futurs capteurs hyperspectraux embarqués sur satellite et sur drone.Enfin, l’apport de la télédétection active (radar et LiDAR) est à considérer dans les recherches futures, afin delever certaines limites propres à l’utilisation de la télédétection optique passive.