Hyperspectral remote sensing and sedimentary facies mapping of an intertidal zone : application to Bourgneuf Bay
Télédétection hyperspectrale et cartographie des faciès sédimentaires en zone intertidale : application à la Baie de Bourgneuf
Résumé
The intertidal mudflat of the Bourgneuf Bay (SW France) is an important physical and ecological environment. Generally, sediment mobility is an important problem for both coastal dynamics (nourishment areas, erosion areas) and the development of shellfish or biological production. It is controlled by hydrodynamics, eolian processes as well as the cohesive sedimentary behaviour. The cohesive phenomenon is itself controlled by the physical properties of sediments. Hyperspectral imaging is an effective tool for sustainable management of complex coastal systems from regional to global scales. Airborne remote sensing images have the potential to provide synoptic maps of the intertidal sediments' distributions.
The main objective of this thesis is to map parameters relevant to the understanding of the sediments' dynamics from hyperspectral remote sensing data DAIS and ROSIS. These parameters include sediment grain size, moisture content and mineralogy, as well as the presence or absence of biofilm, all having an influence on the sediment cohesiveness/erodability. With this purpose in mind, we performed the Modified Gaussian Model [MGM] to extract bio-geophysical properties from reflectance spectra from each pixel of the image mudflat. The MGM algorithm is a powerful tool to deconvolve spectra into two components, firstly Gaussian curves for the absorptions bands (Chl-a, H2O), and secondly a straight line in wavenumber range for the continuum (scattering, grain size). New methodologies in hyperspectral remote sensing have been developed and implemented during this study, such as the Automated MGM approach [AMGM]. This work also contains the analysis of laboratory spectra (ASD Fieldspec3) and sedimentological analysis (laser grain size analysis, XRD, SEM, calcimetry, etc.) that allowed us to find the relationship between the specific absorptions (e.g. chlorophyll-a; H2O), the components of the continuum (e.g. grain size) and the physical properties. It also contains a detailed description of the sediments spectral behaviour with respect to dehydration. Laboratory analyses enabled us to test whether the MGM continuum is a good proxy for water content and grain size estimation. Finally, we applied the AMGM method to DAIS and ROSIS images. We obtained very precise maps of grain size, water content and biomass parameters.
The main objective of this thesis is to map parameters relevant to the understanding of the sediments' dynamics from hyperspectral remote sensing data DAIS and ROSIS. These parameters include sediment grain size, moisture content and mineralogy, as well as the presence or absence of biofilm, all having an influence on the sediment cohesiveness/erodability. With this purpose in mind, we performed the Modified Gaussian Model [MGM] to extract bio-geophysical properties from reflectance spectra from each pixel of the image mudflat. The MGM algorithm is a powerful tool to deconvolve spectra into two components, firstly Gaussian curves for the absorptions bands (Chl-a, H2O), and secondly a straight line in wavenumber range for the continuum (scattering, grain size). New methodologies in hyperspectral remote sensing have been developed and implemented during this study, such as the Automated MGM approach [AMGM]. This work also contains the analysis of laboratory spectra (ASD Fieldspec3) and sedimentological analysis (laser grain size analysis, XRD, SEM, calcimetry, etc.) that allowed us to find the relationship between the specific absorptions (e.g. chlorophyll-a; H2O), the components of the continuum (e.g. grain size) and the physical properties. It also contains a detailed description of the sediments spectral behaviour with respect to dehydration. Laboratory analyses enabled us to test whether the MGM continuum is a good proxy for water content and grain size estimation. Finally, we applied the AMGM method to DAIS and ROSIS images. We obtained very precise maps of grain size, water content and biomass parameters.
Le domaine intertidal de la Baie de Bourgneuf (SO France) représente un environnement important tant sur le plan écologique que physique. La mobilité des sédiments s'avère une problématique importante pour la dynamique côtière (zone d'engraissement, zone d'érosion) et le développement de la production conchylicole ou biologique en général. Elle est contrôlée à la fois par des processus hydrodynamiques, des processus éoliens et par le comportement cohésif des sédiments. Le phénomène de cohésion est lui-même gouverné par les propriétés physiques intrinsèques aux sédiments. La télédétection hyperspectrale aéroportée est utilisée pour fournir des cartes synoptiques précises de la distribution et de la nature des sédiments de la zone littorale.
L'objectif principal de cette thèse est d'obtenir une cartographie des paramètres sédimentaires à partir des images hyperspectrales DAIS et ROSIS. Cela nécessite de caractériser précisément les comportements et les évolutions spectrales en liaison avec les propriétés inhérentes des faciès sédimentaires (granulométrie, contenu en eau, composition). Dans cette perspective, l'utilisation du Modèle Gaussien Modifié [MGM] semble être un outil adapté à l'extraction des propriétés bio-géophysiques. A l'instar de nombreux algorithmes capables de reconnaître les formes spectrales, le MGM permet de déconvoluer un spectre de réflectance en une somme de gaussiennes et d'un ‘continuum', permettant ainsi une estimation respective des effets d'absorption (e.g. Chl-a ; H2O) et de diffusion (e.g. taille des particules). Le travail a nécessité la mise en œuvre de nouvelles méthodologies en télédétection hyperspectrale visant à automatiser le MGM. Ce document contient en outre les mesures radiométriques (ASD Fieldspec3) et les analyses sédimentologiques (Granulométrie Laser, calcimétrie, DRX, MEB) ayant servi à élaborer les relations entre les absorptions, le continuum et les propriétés physiques des sédiments. Il contient également une description détaillée du comportement spectral des sédiments en réponse à la déshydratation. Les analyses ont également permis de montrer que le continuum MGM pouvait être utilisé comme proxy du contenu en eau et de la granulométrie. Par la suite, nous avons appliqué cette méthode d'extraction automatique [MGMA] des paramètres spectraux aux données hyperspectrales DAIS et ROSIS. Des cartes de fractions granulométriques, du contenu en eau et de la biomasse ont été obtenues avec une grande précision.
L'objectif principal de cette thèse est d'obtenir une cartographie des paramètres sédimentaires à partir des images hyperspectrales DAIS et ROSIS. Cela nécessite de caractériser précisément les comportements et les évolutions spectrales en liaison avec les propriétés inhérentes des faciès sédimentaires (granulométrie, contenu en eau, composition). Dans cette perspective, l'utilisation du Modèle Gaussien Modifié [MGM] semble être un outil adapté à l'extraction des propriétés bio-géophysiques. A l'instar de nombreux algorithmes capables de reconnaître les formes spectrales, le MGM permet de déconvoluer un spectre de réflectance en une somme de gaussiennes et d'un ‘continuum', permettant ainsi une estimation respective des effets d'absorption (e.g. Chl-a ; H2O) et de diffusion (e.g. taille des particules). Le travail a nécessité la mise en œuvre de nouvelles méthodologies en télédétection hyperspectrale visant à automatiser le MGM. Ce document contient en outre les mesures radiométriques (ASD Fieldspec3) et les analyses sédimentologiques (Granulométrie Laser, calcimétrie, DRX, MEB) ayant servi à élaborer les relations entre les absorptions, le continuum et les propriétés physiques des sédiments. Il contient également une description détaillée du comportement spectral des sédiments en réponse à la déshydratation. Les analyses ont également permis de montrer que le continuum MGM pouvait être utilisé comme proxy du contenu en eau et de la granulométrie. Par la suite, nous avons appliqué cette méthode d'extraction automatique [MGMA] des paramètres spectraux aux données hyperspectrales DAIS et ROSIS. Des cartes de fractions granulométriques, du contenu en eau et de la biomasse ont été obtenues avec une grande précision.