Cette étude a consisté à spécifier, concevoir et développer un simulateur de paysages dans l’infrarouge thermique. La méthode par synthèse de scènes, déjà employée par Jaloustre-Audouin (1996) ou Barrillot (2001) a été utilisée. Le chapitre 4 a montré que cette méthode est parfaitement adaptée au domaine spectral et aux spécifications de l’utilisateur.
Le simulateur se devait de reproduire les échanges radiatifs, convectifs et conductifs entre les différents objets qui constituent le paysage, d’effectuer des bilans thermiques et hydriques, et de prédire émission et réflexion spectrales des objets. En ce sens, il remplit pleinement sa mission. Pourtant, les interactions des différents phénomènes physiques entre eux, la forte variabilité spatiale de ces phénomènes, ainsi que la dépendance de la luminance à l’évolution temporelle de tous les paramètres, rendent complexe la physique dans l’infrarouge à la surface de la Terre.
Néanmoins, l’analyse des applications futures des produits délivrés par le simulateur, nous a permis d’effectuer un certain nombre d’hypothèses simplificatrices. En particulier, les phénomènes d’advection locale, les variations spatiales de la température de l’air, ou les réflexions directionnelles ont été négligés. Le simulateur ne traite pas non plus les changements de phase, comme par exemple la formation du givre. Ces hypothèses ont été effectuées, soit par méconnaissance des phénomènes physiques eux-mêmes, soit à cause de l’absence de modèle permettant la pr ise en compte de ces phénomènes avec les paramètres d’entrée dont nous disposions. De nouveaux modèles pourraient être intégrés au simulateur au fur et à mesure de l’avancement des connaissances.
Au cours de ce travail de thèse, l’ensemble des étapes qui ont conduit au développement du simulateur, depuis les spécifications jusqu’à la réalisation du prototype OSIRIS, ont été motivées par la volonté d’être le plus cohérent possible avec la physique régissant le comportement du paysage. Nous avons étudié l’inf luence des différents phénomènes physiques à trois dimensions. Ces résultats, présentés dans le chapitre 4, ont conduit à une classification extrêmement générale de l’influence relative de ces phénomènes sur le comportement de la scène.
La conception d’OSIRIS nous a amené à inventer et définir le concept d’élément, extension volumique et temporelle de la facette obtenue par “Discontinuity Meshing” et déjà utilisée en synthèse d’images dans les courtes longueurs d’onde. Ces éléments sont définis afin :
• d’être spatialement localisés,
• d’avoir une composition identique en tout point de même profondeur,
• de présenter des conditions aux limites identiques en tout point, en surface et en profondeur. L’architecture du simulateur, adaptée à la modélisation du paysage en éléments, permet de contrôler chaque étape de la simulation. Nous avons organisé le simulateur en quatre modules opérant successivement :
• création et modélisation du paysage en éléments,
• prédiction de la température,
• estimation des luminances,
• génération de l’image,
Cette organisation autorise des sorties annexes, telles la génération de cartes d’ombres ou d’images en température par exemple. La conception du simulateur, sous forme de modules, séparant l’algorithmie et la modélisation, offre beaucoup de souplesse vis à vis des méthodes numériques de résolution d’équations et des modèles utilisés. Elle permet notamment de remplacer certaines d’entre elles par d’autres plus précises ou appropriées.
Actuellement, les résultats de cette étude ont fait l’objet de cinq communications dans des colloques nationaux et internationaux (Poglio et al., 2001a ; Poglio et al., 2001b ; Poglio et al., 2001c ; Poglio et al., 2002a ; Poglio et al., 2002b). Les résultats obtenus, comme illustrés dans le chapitre 7, montrent la capacité du simulateur OSIRIS à reproduire les phénomènes physiques primordiaux. Les simulations réalisées à l’aide d’OSIRIS en se restreignant au cas 2-D, comparées à celles délivrées par SPIRou, conduisent à des résultats similaires. Cela constitue une validation partielle du simulateur OSIRIS et assure la pertinence des résultats sur les régions planes.
L’outil a essentiellement été développé pour permettre le dimensionnement et la spécification de missions des futurs systèmes spatiaux d’observation de la Terre utilisant une voie infrarouge. Il s’agit des systèmes d’observation à haute résolution spatiale, utilisés notamment pour l’étude de la météorologie locale, le suivi précis de l’évolution des zones végétales, ou le renseignement militaire. Pour cela, le simulateur OSIRIS peut être couplé avec des outils de simulation de système d’acquisition d’images par satellite, tel AS3-I par exemple. L’association de ces simulateurs utilisés conjointement a pour objectif de tester la sensibilité des futurs systèmes d’observation aux variations des différents paramètres géophysiques inhérents au paysage. Les simulations délivrées peuvent également être utilisées pour d’autres applications, telle par exemple la formation des futurs utilisateurs et interprètes d’images infrarouges à haute résolution.
En conclusion, le prototype OSIRIS génère des images dans l’infrarouge thermique à très haute résolution spatiale, avec un pas d’échantillonnage de l’ordre de 50 cm. Il permet, suivant les desiderata de l’utilisateur, de simuler :
• tout lieu géographique,
• tout type de paysage,
• toutes date et heure d’acquisition,
• toutes bandes spectrales incluses entre 3 et 14 µm.
Au terme de ces trois années durant lesquelles nous avons étudié les différentes techniques et méthodes pouvant être adoptées pour la simulation de paysages à haute résolution spatiale dans l’infrarouge thermique, plusieurs aspects restent néanmoins à approfondir.
Des logiciels et méthodes performants existent déjà en synthèse d’images dans les courtes longueurs d’onde, tels ceux développés par le projet SIAMES (SIAMES, 1999). Il serait intéressant de détailler davantage leur fonctionnement, afin d’évaluer les possibilités d’interfaçage de ces logiciels avec la méthode de simulation que nous proposons, puis de les réaliser.
Une réflexion sur les ressources informatiques nécessaires, temps de calcul et ressources mémoire, devrait être menée en ce qui concerne la production de données opérationnelles dans des délais raisonnables sur des paysages de grande taille. La modélisation du paysage en éléments, et la structure associée à ces éléments, permettent une gestion efficace des ressources mémoire. Néanmoins, la modélisation du paysage en éléments triangulaires constitue le principal handicap. Le nombre d’entités est maximisé en utilisant une telle modélisation, et devient très grand par rapport au nombre de facettes géométriques initiales. Une modélisation du paysage sous forme de polygones à la place des triangles, permettrait de réduire le nombre d’éléments à gérer. Les conséquences de cette réduction seraient, d’une part un gain en ressources mémoire, d’autre part un gain sur le temps de calcul de la température, ainsi que, dans une moindre mesure, sur les luminances.
Durant tout ce travail, un pas d’échantillonnage temporel uniforme a été utilisé pour l’ensemble des simulations effectuées. L’impact important des conditions météorologiques peu avant la simulation, et l’impact généralement plus faible de ces dernières bien avant la simulation auraient pu conduire à l’utilisation d’un pas d’échantillonnage temporel variable. Celui-ci pourrait être grand devant la vitesse d’évolution des phénomènes physiques plusieurs heures avant la simulation, la précision souhaitée sur les prédictions étant alors relativement faible. Par contre, peu de temps avant l’heure de simulation, la précision doit être importante. Le pas d’échantillonnage temporel devrait alors être adapté à la précision souhaitée pour l’image. L’intérêt d’une telle méthode serait de réduire le nombre d’itérations utiles à l’estimation de la température de surface, ou, à défaut, d’obtenir des résultats plus précis avec un nombre d’itérations temporelles identique.
La totalité des modèles implantés dans le simulateur a été validée et testée pa r les concepteurs des modèles eux-mêmes. Néanmoins, le simulateur constitué par l’assemblage complexe de ces modèles n’a pu être validé que partiellement. Le nombre élevé de paramètres nécessaires au fonctionnement du simulateur est un frein à la validatio n globale de ce dernier. Des validations locales, sur certains types de sol et sur des géométries particulières ont néanmoins pu être menées.
Dans la perspective de l’industrialisation d’un tel outil de simulation, et compte tenu de sa complexité, sa validation est primordiale. Cet aspect nécessite la connaissance du paysage et des objets qui le composent : constitution et état hydrique. Les paramètres météorologiques doivent être correctement relevés sous forme de champ, pour être utilisés ensuite comme entrée du simulateur afin de prédire une image représentative du paysage. Cette image serait ensuite comparée à une image acquise par un capteur. Néanmoins, le faible nombre d’imageurs aéroportés à haute résolution spatiale existant dans l’infrarouge thermique, les problèmes de rapport signal sur bruit dus à la variabilité thermique sur l’ensemble de l’imageur ainsi que les perturbations du signal d’origine terrestre par l’atmosphère, rendent complexe la perspective de la validation d’un tel outil à court terme.