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Capteurs infrarouge « low cost » pour l’analyse spectrale des plantes Philippe BORIANNE 1,2 [email protected] Gérard SUBSOL 2 [email protected] (1) Groupe I2P, AMAP, Université de Montpellier / CIRAD, France (2) Equipe-projet ICAR, LIRMM, Université de Montpellier / CNRS, France (3) Equipe NANOMIR, IES, Université de Montpellier, France Philippe CHRISTOL 3 [email protected] avec le soutien du labex Numev

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Capteurs infrarouge « low cost »

pour

l’analyse spectrale des plantes

Philippe BORIANNE1,2 – [email protected] Gérard SUBSOL2– [email protected]

(1) Groupe I2P, AMAP, Université de Montpellier / CIRAD, France (2) Equipe-projet ICAR, LIRMM, Université de Montpellier / CNRS, France

(3) Equipe NANOMIR, IES, Université de Montpellier, France

Philippe CHRISTOL3– [email protected]

avec le soutien du labex Numev

AMAP :

2

http://amap.cirad.fr

bioinformAtique et Modélisation de l’Architecture des Plantes et des végétations

→ les tutelles

→ les labex

→ les axes de recherche Biodiversité végétale, actuelle et passée

Biomasse et développement des plantes et végétations

Modélisation du monde végétal

Electronique et Environnement – 26 & 27 octobre 2015 : Capteurs infrarouge « low cost »

La plante et la lumière

3 Electronique et Environnement – 26 & 27 octobre 2015 : Capteurs infrarouge « low cost »

Comportement spectral des plantes Le parenchyme lacuneux (couche de cellules assurant l’échange gazeux) de la plante réfléchit le rayonnement proche infra rouge (Pir), alors que le pigment des feuilles absorbe la lumière rouge (R), verte (V) et bleue(B) pour le convertir en nourriture.

Courbe de réflectance

La plante et la lumière proche infrarouge

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État sanitaire

Essence végétale

→ l’infrarouge et activité chlorophylienne

Electronique et Environnement – 26 & 27 octobre 2015 : Capteurs infrarouge « low cost »

Diagnostic, Identification, Production

Proche Infrarouge en Télédétection

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La surveillance des parcelles, étude de la biodiversité

• des capteurs différents = recalage spatio-temporel, coût

← forte activité chlorophylienne

• des vecteurs plus gros

Indice de végétation par différence normalisée

Electronique et Environnement – 26 & 27 octobre 2015 : Capteurs infrarouge « low cost »

→ capteurs hybrides (Hunt & Hively 2010)

Indice de végétation (NDVI)

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Réponse et Interprétation : les questions clé

résolution des capteurs, atténuation atmosphérique,… !!!

Electronique et Environnement – 26 & 27 octobre 2015 : Capteurs infrarouge « low cost »

→ capteurs hybrides : comment représenter le Visible ?

-1 0 +1

Eau, neige, nuage Sol nu

0,1 0,2 0,3 0,5 0,6 0,8

Prairie arborée Forêt

tropicale

Forêt tempérée

Forêt éparse Télédétection RVBPir, Lillesand 2004

→ diminution de l’altitude : de 50 à 100 m, au sol ?

→ augmentation de la résolution : 5 cm au sol ?

Capteur photosensible – principes de base

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Du rayonnement aux couleurs RVB

Source – Vincent Bockaert

→ Différents capteurs mais un même principe CCD (Charge-Coupled Device), CMOS (Complementarity metal-oxide-semiconductor), Fovéon

Bayer RVBV vs Sony RVBE

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Capteur photosensible – principes de base

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Longueurs d’onde et filtres

Source – Luxorion

→ Contribution complexe des longeurs d’onde → Filtrage des longueurs d’onde

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APN hybride – matériels

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Nativement défiltrés / défiltrables

Source – Sigma

→ très peu de constructeurs : Sigma,Fujifilm

→ entre 2 et 4 000 €

Filtre bloquant IR amovible placé devant le miroir reflex

→ très peu de modèles : Sigma SD14, Fujifilm IS-1,…

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APN hybride – matériels modifiables

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• défiltrage / refiltrage du capteur • nettoyage du capteur • reprogrammation de la mise au point

→ réseaux expérimentaux http://publiclab.org/wiki/infragram-convertible-cameras Toshiba Camileo S10, Canon A480, Canon A2200,…

→ prestataires rares (EOS For Astro, Optic Makario…) http://www.astrosurf.com/luxorion/apn-ir-uv.htm Canon PowerShot SX280 HS - 325€ / 660 €

Mini caméra Mobius (5x3x2 cm)

Canon SX280 HS (11x6x3 cm)

Accessibilité des composants, complexité optique et numérique, coût

Mercury cam (5x2x1 cm)

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APN hybride – choix des filtres

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• Courbe de transmission • λ coupure, bande passante,…

~50 filtres IR recensés (de 720 à 880 µm) : Schott, Roscolux, Kodak, Hoya,… http://www.astrosurf.com/luxorion/apn-ir-uv.htm

Filtres testés

X?! : utilisé par Drones Imaging. Non identifié

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APN hybride – calibrage

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• dans le spectre visible, gris neutre à 18% • dans le spectre infrarouge, c’est intuitif

Calibration de la caméra Moëbius → paramètres donnés sur les forums techniques discutables et discutés → combinatoire importante

Un vrai casse-tête !

Balance des blancs en IR → la couleur de référence dépend du filtre utilisé

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Application mSetup

Source : Chris Fastie (lnfragram)

APN hybride – résultats expérimentaux

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Impact du Visible sur la réponse NDVI ?!

RVB Pir

NDVI / PirVB NDVI / RVB

• défaut de calibrage de l’APN modifié • défaut de recalage des acquisitions Pir et Vis

Nikon Coolpix 990 modifié → filtre bleu Rosco #2007 → image Pir,V,B

Canon SX200

Spectre visible

Spectre hybride

→ hot mirror X-Nite CC1 → image R,V,B

→ ombres portées

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APN hybride – résultats expérimentaux

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→ des différences sensibles dans la réponse NDVI → interprétation du NDVI difficile

Canon – Wratten 87- PirRV

RVB

Pir

bois sapin

fagot

feuilles

cèdres

brique

RVB

Moebius –RPirPir

Source : Chris Fastie (Infragram)

Canon A495 → filtre bleu Wratten 80 → image Pir,V,B

Moebius → filtre rouge Wratten 25A → image R,Pir1,Pir2

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PirVB

Impact du Filtre (et de l’APN) sur la réponse NDVI ?!

A495 –PirVB

APN hybride – résultats expérimentaux

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→ séparation fond / végétation facilitée

APN Canon Powershot SX280HS modifié – filtre X?!

-1 0 +1 chlorophylle

→ identification des essences réellement possible ? → échelle NDVI linéaire ou sigmoïdale ?

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PirVB

NDVI

Impact du rayonnement indirect sur la réponse NDVI ?!

APN hybride – résultats expérimentaux

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-1 0 +1 chlorophylle

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Perspectives & Conclusion

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→ calibration de la réponse NDVI • Effets de bord quand intensités trop faibles • Nature de l’échelle : linéaire, sigmoïdale • Corrélation avec activité chlorophylienne

→ un capteur quadri-bandes ?

Capteur photosensible et grille de Bayer comprenant 4 bandes (R,V,B,Pir)

dans l’esprit du Sony DSC-F828 (R,V,B,E)

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→ des images en 4 x 8 bits

Bayer RVBV vs Sony RVBE

Atelier scientifique

Capteurs infrarouge « low cost » pour

l’analyse spectrale des plantes avec le soutien du labex Numev

Merci de votre attention

juin 2014 – juin 2015

http://amap-collaboratif.cirad.fr/ecipp/

https://www.lirmm.fr/icar/

http://www.ies.univ-montp2.fr/edr/nanomir/

Electronique et Environnement – 26 & 27 octobre 2015 : Capteurs infrarouge « low cost » fin