Méthodes de séparation aveugle de sources et application à l'imagerie hyperspectrale en astrophysique et observation de la Terre - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2019

Blind source separation methods and application to the hyperspectral imagery in astrophysics and Earth observation

Méthodes de séparation aveugle de sources et application à l'imagerie hyperspectrale en astrophysique et observation de la Terre

Résumé

The goal in this thesis is to develop new blind source separation (BSS) methods for hyperspectral images in astrophysics and Earth observation areas. BSS aims to estimate source signals using observed data called mixtures. The data are acquired with hyperspectral sensors. This type of sensor is more common nowadays because of technology progress and the need of more precise data. Hyperspectral sensor allows to acquire data, i.e. spectra signals, spread on several dozen or even several hundreds of wavelengths. The data amount is very important and it is a new challenge for BSS methods. For the astrophysics application, we worked on the EUCLID mission whose launch is planned for 2022. The purpose of this mission is to get a better understanding of dark energy and how it is responsible for the acceleration of the universe expansion. To this end, slitless spectroscopy will be used to map the sky, and more precisely to observe galaxies and their spectra. The instruments used in this kind of spectroscopy are based on grisms, which yield spectra mixtures. In our work, we used the satellite spectrophotometer NISP specificities, especially the grism particularities, to create two separation methods adapted for EUCLID mission. The information redundancy due to the data acquirement in several directions of grisms allows us to create a novel data fusion algorithm, and an efficient separation method adapted to observed galaxy spectra. We have also created a separation method to estimate more precisely the galaxy spectra using the optical specificities of the grism, which is only adapted to very bright objects. Regarding the Earth observation field, our work was motivated by the lack of BSS methods in "complex" cases like non linear mixtures, especially in the case of bilinear mixtures that are common in urban scenes. Usual properties, like sparsity and statistical independence, used in state-of-the-art BSS methods are not suited for this type of scenes. So, we used new stratagem to separate the sources efficiently. Indeed, we developed a new approach relying on the type of mixing model, i.e. bilinear model, and on these specificities instead of on source or data properties. Unlike a lot of approaches in the literature, this method doesn't require many assumptions on the sources: only linear independence of the sources and some of their products is required.
Le but de cette thèse est de développer des méthodes de séparation aveugle de sources (SAS) en imagerie hyperspectrale applicables dans les domaines de l'astrophysique et de l'observation de la Terre. La SAS a pour objectif d'estimer des signaux sources à partir de données acquises avec des capteurs, appelées mélanges. De nos jours, le développement technologique des capteurs utilisés dans les domaines étudiés et le besoin de données de plus en plus précises, ont démocratisé l'utilisation de capteurs hyperspectraux. Ces capteurs fournissent des observations, c'est-à-dire des spectres, sur plusieurs dizaines voire plusieurs centaines de longueurs d'onde, conduisant à un volume de données à traiter très important, et donc à de nouveaux challenges dans le domaine de la SAS. Pour l'application en astrophysique, nous avons travaillé sur la mission EUCLID dont le lancement du satellite est prévu en 2022. Cette mission a pour but de mieux comprendre la nature de l'énergie noire, et en quoi cette énergie est responsable de l'accélération de l'expansion de l'univers. Pour cela, la spectroscopie sans fente va être utilisée pour cartographier le ciel, plus précisément pour observer les galaxies et leurs spectres. Or, les instruments utilisés dans ce type de spectroscopie, appelés grismes, induisent un mélange des spectres observés. Dans nos travaux, nous exploitons les spécificités du spectro-photomètre NISP dont le satellite sera équipé, et notamment des grismes, pour créer deux méthodes de séparation adaptées à EUCLID. La redondance d'informations due à l'acquisition de données dans plusieurs directions de dispersion du grisme a permis de créer un algorithme de fusion de données original et de développer une méthode de séparation efficace applicable à tous les spectres observables. Les spécificités optiques du grisme nous ont, quant à elles, permis de créer une autre méthode de séparation donnant une estimation des spectres plus précise, et applicable aux objets très lumineux. En ce qui concerne l'observation de la Terre, nos travaux ont été motivés par le besoin de développer des méthodes de SAS adaptées à des cas dits "complexes" tels que le cas de mélanges non linéaires, et particulièrement des mélanges bilinéaires, qui sont usuels dans le cas de scènes urbaines notamment. Les propriétés habituellement exploitées dans les méthodes de SAS de la littérature telles que la parcimonie ou l'indépendance statistique n'étant pas adaptées à ce genre de scènes, nous avons utilisé de nouveaux stratagèmes pour pouvoir séparer efficacement les sources. En effet, nous avons développé une approche reposant plus sur le type de modèle de mélange, i.e. le mélange bilinéaire, et ces particularités plutôt que sur les propriétés des sources ou des données. Cette méthode a pour principal avantage de ne nécessiter que très peu d'a priori sur les sources contrairement aux approches de la littérature, et demande seulement l'indépendance linéaire des sources et certains de leurs produits.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03128913 , version 1 (02-02-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03128913 , version 1

Citer

Andréa Guerrero. Méthodes de séparation aveugle de sources et application à l'imagerie hyperspectrale en astrophysique et observation de la Terre. Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2019. Français. ⟨NNT : 2019TOU30307⟩. ⟨tel-03128913⟩
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