Proposition de stage - UMR AMAP

PROPOSITION DE STAGE
Modélisation d’un train d’onde LiDAR sur de la végétation arborée
CONTEXTE
Pour mettre en œuvre des stratégies et pratiques de gestion durable les forestiers et les écologues ont besoin
d’informations sur l’organisation spatiale en 3 dimensions de la végétation ainsi que sur les arbres qui composent le
peuplement. Actuellement seul un important travail de terrain permet le recueil de ces données. Les systèmes de
télédétection LiDAR (Light Detection and Ranging) proche infra rouge (PIR) de type «range finders» seraient
susceptibles d’apporter une partie des informations nécessaires grâce à la capacité de pénétration du faisceau laser
au travers des couverts forestiers. Ils permettent le calcul de la distance entre l’émetteur et une cible au sol ainsi que
la caractérisation de la cible par la mesure de l’intensité du signal retour.
Certaines études ont déjà confirmé l’intérêt des systèmes aéroportés bi ou multi-échos pour la caractérisation de
peuplements résineux homogènes (taux de couvert, biomasse aérienne, densité du peuplement) et pour la mesure
des arbres qui le composent (hauteur totale, volume de la tige). Cependant l’analyse de deux ou de quelques échos
est insuffisante pour estimer de façon fiable des paramètres forestiers usuels dans des peuplements mixtes
(feuillus/résineux) ou feuillus. Les nouveaux systèmes haute résolution qui enregistrent la totalité du signal retour
de chaque impulsion laser (full waveform) apparaissent particulièrement prometteurs pour caractériser la structure
de ces types de couverts.
Pour analyser le potentiel des données issues de la technologie LiDAR PIR haute résolution pour caractériser la
végétation forestière une bonne compréhension du processus de génération du signal est indispensable. Un des
moyens d’y parvenir est de modéliser le train d’onde retour.
OBJECTIFS DU STAGE :
Ce stage a donc pour objectif de modéliser le train d’onde retour d’un système LiDAR sur de la végétation. La
connaissance du comportement spectral des différents composants du végétal (feuilles, branches) permettra de
modéliser le signal retour en se basant sur des modèles architecturaux de plante. A partir du signal modélisé on
essaiera d’extraire certaines caractéristiques de la végétation.
On cherchera à comprendre comment les caractéristiques du couvert modulent ce signal pour différentes
conditions d’acquisitions et en particulier des tailles d’empreinte au sol du faisceau laser variables.
DESCRIPTION SOMMAIRE DU CONTENU DU STAGE
1. Analyse bibliographique sur le signal LiDAR.
2. Modèles architecturaux : utilisation des modèles développés par l’UMR AMAP.
3. Modélisation du train d’onde LiDAR.
4. Extraction de paramètres du couvert végétal à partir du signal LiDAR. Evaluation de la qualité de
l’information en faisant varier certains paramètres du système d’acquisition (divergence du faisceau en
particulier, longueur d’onde…).
Méthodes
Simulation du train d’onde LiDAR :
On utilisera des maquettes informatiques 3D de plantes sur lesquelles on simulera l’interception du faisceau émis
par le LiDAR puis sa rétrodiffusion vers la source. Le calcul de la rétrodiffusion devra prendre en compte les
propriétés optiques directionnelles des éléments constitutifs de la cible (feuilles, bois et sol). Du fait que les
feuilles rediffusent (par réflexion et transmission) la plus grande partie du rayonnement PIR reçu, une simulation
précise de la rétrodiffusion nécessitera la prise en compte des rediffusions multiples au sein du couvert.

Pour répondre à ce cahier des charges, on utilisera un modèle de lancer de rayons existant (modèle ART) qui sera
adapté pour répondre aux spécificités du LiDAR (rétrodiffusion vers la source). Un post-traitement sera appliqué
pour reconstituer la dynamique temporelle du signal retour compte tenu du train d’onde émis et du trajet optique
des rayons rétrodiffusés.
Analyse et déconvolution du signal :
Les informations biométriques auxquelles on s’intéresse sont principalement les profils verticaux de surfaces
foliaires et de volumes de bois. Ces informations sont accessibles exactement par analyse des maquettes
informatiques. On cherchera donc des méthodes de déconvolution du train d’onde retour permettant d’extraire au
mieux ces informations. Pour ce faire, on analysera la contribution des différentes strates de végétation au signal
retour (la méthode du lancer de rayons permet d’accéder facilement à cette information) pour, in fine, ajuster des
facteurs d’atténuation de la rétrodiffusion en fonction de la pénétration des rayons dans le couvert.
L’analyse de la contribution des différentes composantes du couvert au signal servira par ailleurs de base pour des
adaptations ultérieures de la méthode de simulation de la rétrodiffusion (dans l’objectif principal de minimiser les
temps de calcul).
Toutes ces analyses pourront être déclinées en fonction des spécifications techniques des appareils.
Compétences requises
- Connaissances en physique du signal ;
- Connaissances en informatique ;
- Intérêt pour les applications de la télédétection concernant l’étude de la végétation ;
CONDITIONS DE STAGE
Durée du stage : +/- 5 mois
Rémunération : ≈ 350 € / mois
Accès à la cantine de l'IRD pour les repas de midi
Lieu : AMAP / Maison de la Télédétection à Montpellier
Encadrement : Jean Dauzat (Cirad AMAP) / Sylvie Durrieu (Cemagref UMR TETIS)
CONTACT :
UMR 3S Cemagref/ENGREF, Maison de la Télédétection
500, rue Jean-François Breton, 34093 Montpellier Cedex 5
Fax: [phone]
Sylvie Durrieu : 04-67-54-87-32
E-mail : [email protected]
AMAP TA40/PS2, Boulevard de la Lironde
34398 MONTPELLIER CEDEX 5
Jean Dauzat : 04 67 61 65 76
E-mail : [email protected]