Modélisation physique d'images de télédétection optique

In optical remote sensing, radiative transfer models applied to Earth landscape and atmosphere allow one to simulate and analyze satellite measurements. Used in direct mode, these models are valuable tools for specifying technical characteristics of future satellite sensors. Used in inverse mode, they allow one to estimate surface parameters from satellite measurements acquired with any observation configuration and with few ground data. Presently, the major limitation of radiative transfer models comes from the strong simplifying hypotheses used to represent the geometry of landscapes (especially for vegetation). This constraint affects the radiometry and texture of remote sensing images at any spatial resolution. It is particularly evident for very high spatial resolution images. This stresses the interest of models that simulate images while using a realistic 3-D representation of Earth landscapes. The major objective of this thesis was to improve the accuracy and robustness of a 3D radiative transfer model called DART. The model simulates radiation propagation with ray tracing and discrete ordinate methods within a medium composed of turbid cells (for vegetation and air) and cells containing opaque figures (for walls, soil, trunks, etc.). The accuracy was improved with the introduction of new simplifying hypotheses concerning radiative transfer modeling applied to turbid and opaque cells. The robustness was greatly improved with the direct modeling of radiative transfer in the atmosphere and with the possibility to simulate any kind of landscapes (urban or natural). DART accuracy was validated comparing it to other radiative transfer models and to airborne images of an urban district. The model proved to be efficient because it was used to specify the technical characteristics of the future very high spatial resolution sensor of the satellite constellation Plé iades. DART was also applied to the estimation of biophysical parameters (foliar index, crown coverage and chlorophyll concentration) of a temperate forest using SPOT (20 meters resolution) and Ikonos (1 meter resolution) satellite images.En télédétection optique, les modèles de transfert radiatif à l'intérieur du paysage terrestre et de l'atmosphère permettent de simuler et d'analyser la mesure radiométrique. Ces modèles, utilisés en mode "direct", reproduisent la mesure et aident à la spécification technique des futurs capteurs. De même, en mode "inverse", ils permettent d'estimer des paramètres de surface pour toute configuration d'observation et avec peu de mesures in situ. Actuellement, les principales limitations des modèles existants sont au niveau des hypothèses simplificatrices dans la représentation géométrique du paysage (spécialement pour la végétation). Ces simplifications affectent fortement les niveaux radiométriques et la texture des images à toute résolution spatiale. Ce-ci est particulièrement évident pour les images à très haute résolution spatiale (de l'ordre du mètre). Ainsi, il convient d'utiliser des modèles avec une représentation tridimensionnelle réaliste du paysage terrestre. L'objectif principal de cette thèse était d'améliorer la précision et la robustesse d'un modèle de transfert radiatif tridimensionnel (DART). Ce modèle simule la propagation du rayonnement avec les méthodes du suivi de rayons et des ordonnées discrètes à l'intérieur d'un milieu composé de cellules turbides (pour la végétation et l'air) et des cellules contenant des figures opaques (pour les murs, sol, troncs, etc.). La précision radiométrique a été améliorée avec l'introduction de nouvelles hypothèses simplificatrices concernant la modélisation du transfert radiatif appliquée aux cellules turbides et opaques. La robustesse a été fortement améliorée avec la modélisation intégrée du transfert radiatif atmosphérique et avec la possibilité de simuler tout type de paysage (naturel ou artificiel). DART a été validé en le comparant à d'autres modèles de transfert radiatif et des images aéroportées d'une zone urbaine. Le modèle a prouvé être efficient pour la spécification des caractéristiques techniques du futur capteur à très haute résolution spatiale de la constellation de satellites Plé iades. Finalement, DART a été appliqué pour l'estimation des paramètres biophysiques (indice foliaire, taux de couverture arborée et concentration en chlorophylle des feuilles) d'une forêt tempérée à partir d'images satellitaires SPOT (20 mètres de résolution) et Ikonos (résolution de l'ordre du mètre)