WO2002082027A2 - Method for obtaining a simulated digital representation of the radiative state of a heterogeneous three-dimensional scene - Google Patents

Method for obtaining a simulated digital representation of the radiative state of a heterogeneous three-dimensional scene Download PDF

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WO2002082027A2
WO2002082027A2 PCT/FR2002/001181 FR0201181W WO02082027A2 WO 2002082027 A2 WO2002082027 A2 WO 2002082027A2 FR 0201181 W FR0201181 W FR 0201181W WO 02082027 A2 WO02082027 A2 WO 02082027A2
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incident
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radiation
emission
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Philippe Gastellu-Etchegorry
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Universite Paul Sabatier Toulouse Iii
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
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    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/007Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry for earth observation
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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    • G01J2005/0077Imaging

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining a simulated digital representation of the radiative energy state, in the visible range and / or outside the visible range -in particular in the range understood from ultraviolet to thermal infrared- , of a heterogeneous three-dimensional scene, in particular a portion of space likely to extend in the field of vision of a satellite sensor above the ground of a planet such as Earth.
  • Such a simulated digital representation makes it possible either to determine the radiative energy state at any point on the scene, or to produce digital images of the scene each seen from a point outside the scene (for example a satellite or airborne sensor) located in one direction of observation (different simulated images seen in different directions of observation are generally produced simultaneously).
  • the decomposition of the scattered radiation in the form of spherical harmonics is supposed to solve this problem.
  • this solution is imprecise, since it can only be stored a finite number of decomposition coefficients.
  • the fact of multiplying a dimension of the scene by a factor m leads to multiplying the quantity of information to be processed by a factor m 6 .
  • the drawbacks indicated above therefore prevent any practical industrial application.
  • the invention therefore generally aims to overcome these drawbacks by proposing a method which makes it possible to obtain simulated digital representations of large scenes, having a large number of cells, with sufficient radiometric precision, and with calculation times. and storage capacities compatible with practical industrial operation.
  • the invention more particularly relates to such a method making it possible to simulate planetary remote sensing images - notably terrestrial - from space, for any experimental configuration (heterogeneous or non-heterogeneous landscape, any lighting and observation directions, etc. ).
  • the invention also more particularly relates to such a method making it possible to obtain radiometric images making it possible to calibrate modern satellite sensors on the ground before their launch.
  • the invention aims in particular to enable a better understanding of satellite measurements and consequently to improve their design, their exploitation and ultimately contribute to a better evaluation of the possibilities offered by satellite sensors.
  • the invention also aims to provide a simulated three-dimensional representation of the radiation balance of the studied landscape, essential information for many environmental applications such as the study of the functioning of vegetation (photosynthetic activity, gas flow, etc.).
  • the invention relates to a method for obtaining a simulated digital representation of the radiative energy state of a heterogeneous three-dimensional scene, in which:
  • the scene is divided into a plurality of elementary cells comprising cells, called turbid cells, having known radiative properties assumed to be homogeneous in the whole of each cell,
  • - transfer functions are memorized for each turbid cell making it possible to determine, in each direction of a discrete plurality of N v directions of space, said directions of re-emission ⁇ v> predetermined in an independent space reference cells, an energy re-emitted by the turbid cell as a function of an intercepted radiation due to an incident radiation which it receives formed of at least one incident ray defined by an incident direction ⁇ sk belonging to a plurality N s of directions of space, called incident directions ⁇ S; and an incident energy Wi n ( ⁇ Sk ), a fraction of which, called intercepted energy Wj nt ( ⁇ sk ), is intercepted by the turbid cell,
  • a cell re-emitted energy W 0Ut ( ⁇ vj ) is calculated, cell after cell, by each turbid cell in each of the re-emission directions ⁇ yj, this re-emitted energy W out ( ⁇ vj ) being considered as coming from a diffused volume energy d iff ( ⁇ vj ) in the direction of re-emission ⁇ y j by the whole of the turbid cell, this volumetric energy diffused being calculated by considering that it is emitted completely starting from a single point of the turbid cell, said point equivalent origin of diffusion M s> k ( ⁇ vj ), characterized in that: - one defines in a reference mark of l space independent of the cells a plurality of M sectors, called incidence sectors ⁇ * ⁇ , i, in number M less than the incident directions ⁇ s> and containing all the N s incident directions ⁇ s>
  • the sector diffusion transfer function T ( ⁇ M) *, ⁇ vj ) is a weighted average of diffusion transfer functions T ( ⁇ s , ⁇ vj ) stored for each incident direction ⁇ sk and each re-emission direction ⁇ vj initially defined.
  • the sector diffusion transfer function T ( ⁇ M! I, ⁇ Vj ) is defined according to the following formula I:
  • K (i) is the number of incident directions ⁇ Sk in the sector ⁇ Mji .
  • T ( ⁇ M ⁇ i , ⁇ j) are pre-calculated in order to avoid repetitive calculation of these.
  • the number M of incidence sectors ⁇ M, i is greater than 2 and less than 20, in particular between 4 and 14, for example and preferably equal to 6, and much less than the number N s of incident directions ⁇ s which is greater than 100, in particular between 100 and 1000.
  • the possible incident directions ⁇ s of the incident rays are determined and chosen from the same discrete plurality of directions of l space that the directions of re-emission ⁇ v . This plurality of directions is determined absolutely in a reference frame of space, independently of the cells.
  • an equivalent point of origin is determined for each ray ⁇ sk incident on the turbid cell.
  • the subscript "k" indicates that the position of the point M s> k ( ⁇ y j ) depends on the incident direction ⁇ sk .
  • the turbid cells being formed of polyhedra for each incident ray in a direction ⁇ g and which enters a point Pin on one of its faces, called the entry face, the equivalent point of origin of the diffusion M s> k ( ⁇ vj ) according to the re-emission direction ⁇ vj is determined as the point located in the turbid cell, on the incident direction ⁇ sk , and at a distance ⁇ r k ( ⁇ sk ) from the input face by the following formula II :
  • ⁇ sk is the angle formed by the incident direction ⁇ sk with a predetermined fixed direction of space, called the reference direction,
  • ⁇ VJ is the angle formed by the re-emission direction ⁇ vj with the reference direction
  • .d ⁇ f is a coefficient, called projection factor
  • This projection applies to the material included in the turbid cell knowing that this material is oriented in the direction ⁇ f , with ⁇ f included in the sector 2 ⁇ , and that the probability of having
  • the scattering point M S ⁇ k ( ⁇ Vj ) depends on the scattering directions ⁇ vj and incident ⁇ sk , which considerably improves the accuracy of the results.
  • one calculates and uses as an equivalent origin point of diffusion, for each incident ray, at least one average origin point of diffusion M sk independent of the direction of re-emission ⁇ vj) and one calculates the scattered energy of sector W d i f ⁇ ( ⁇ M7 * , ⁇ j ) from each incident ray of incident direction ⁇ sk as scattered at this point mean origin of scattering M s - In this way, the calculation time and memory space required.
  • the reference direction is the direction orthogonal to the diametral plane separating the upper and lower hemispheres.
  • the simulated digital representation comprises at least one simulated image seen from outside the scene in a direction of observation oriented towards an outside observer, fixed and predetermined with respect to the scene
  • the direction of observation is oriented in the upper hemisphere.
  • the direction of reference orthogonal to the diametral plane separating the two upper and lower hemispheres is the vertical of a ground zone of a planet, the scene extending from said ground zone of the planet.
  • the method makes it possible to simultaneously obtain Nv images seen according to Nv directions of observations oriented towards the upper hemisphere.
  • two average origin points M S ( ⁇ Î) and M s ( ⁇ -J ' ) are calculated respectively associated with the diffusion in the rising directions belonging to said upper hemisphere and respectively the descending directions belonging to said lower hemisphere, these two average origin points M s ( ⁇ f) and M s ( ⁇ l) being used as equivalent origin origin points for all the rays incident on the turbid cell.
  • the calculation of the re-emitted energy W 0Ut ( ⁇ Vj ) remains simple even when the cells receive several incident rays, as is generally the case.
  • the points M S ( ⁇ Î) and M s ( ⁇ -l) are calculated respectively as energetic barycenters of the origin point of diffusion means M sk ( ⁇ Î) and M s ( ⁇ -l- *), calculated on the different rays incident on the turbid cell, with the iterative relationships:
  • M S ( ⁇ Î), t sk ( ⁇ Î) indicates the x, y and z coordinates of the point M sk ( ⁇ t), and W int is the energy intercepted without counting the energy W ] nt ( ⁇ sk ) which has just been intercepted. After this last interception, the intercepted energy is therefore: Wi nt + W ⁇ nt ( ⁇ sk ).
  • This calculation is performed sequentially during any interaction with a cell.
  • the method is further characterized in that before calculating the re-emitted energies W 0Ut ( ⁇ vj ) by each cell, each mean origin point M 3 ( ⁇ T) and M S ( ⁇ > 1 ') is replaced by an equivalent emission point which is the nearest point Pe chosen from a plurality of possible emission points Pe regularly distributed in each cell, for which all the possible trajectories of the rays emanating from all the points Pe according to all possible re-emission directions ⁇ vj have been previously calculated and recorded.
  • the prior calculation of all the possible trajectories of the rays in the scene is carried out for a grid of several points inside the origin cell, and not only for the center of the cell. So any ray path from the point
  • Pe of any cell with coordinates (X, Y, Z) in the scene, determined from an origin cell (0,0,0), is obtained by translation (X, Y, Z) of the path of a parallel radius from the corresponding point Pe in the origin cell (0,0,0).
  • the method is characterized in that one calculates by successive iterations a radiation re-emitted by each cell comprising at least one ray re-emitted in at least one direction of re-emission ⁇ vj , by calculating and memorizing at each iteration:
  • the method is characterized in that one defines beforehand in the scene, independently of the cells, in particular by triangularization, geometric elements which represent different elements of the landscape, and the energy is calculated re-emitted W out ( ⁇ vj ) taking into account these geometric elements as mainly reflecting and / or absorbing elements.
  • the invention thus makes it possible for the first time to produce simulated images taking into account simultaneously and with high radiometric precision, on the one hand, the translucent media (for example vegetation, grasses, leaves of trees ...) thanks to the division into turbid cells, but also the opaque environments (walls, roofs, floors, bodies of water, natural reliefs ...) thanks to the geometric elements.
  • the diffusion, absorption and emission mechanisms are systematically taken into account using very precise physical modeling (transfer functions for translucent media and parametric models for opaque media).
  • the scene comprises a portion of soil from a planet, in particular the Earth, and a portion of space extending above this portion of soil.
  • the invention then makes it possible to take into account with precision the three-dimensional nature of the atmosphere and of the planetary surfaces as regards the propagation of the radiation. This aspect is essential for obtaining images with good radiometric accuracy.
  • the "atmosphere-earth” interaction mechanisms are extremely complex, in particular due to the three-dimensional nature of the atmosphere and of terrestrial surfaces.
  • the scene comprising a portion of soil from a planet, an upper column of the scene, above the portion of soil is defined as an atmospheric column divided into cells, called atmospheric cells having , like turbid cells, known radiative properties assumed to be homogeneous throughout each atmospheric cell.
  • All atmospheric cells of the same altitude that is to say located in the same plane perpendicular to the reference direction, have the same dimensions and physical properties (density, extinction coefficients, etc.).
  • the dimensions of the atmospheric cells increase with altitude. Indeed, the gases and aerosols being less dense at altitude, the size of the cells can increase without compromising the radiometric precision.
  • the method is characterized in that the atmospheric column comprises a lower zone, called the lower atmosphere, in contact with the ground portion (defining a landscape zone up to the planetary ground), and an upper zone, called the upper and intermediate atmosphere.
  • the radiative behavior diffusion, absorption, thermal emission, transmittance
  • the radiation reflected by the lower atmosphere to the upper and intermediate atmosphere is determined from the backscattered radiation determined at runtime 3), 5) the final radiation rising in the atmospheric column is determined - in particular at its face superior- from sum of the reflected radiations determined in executions 2) and 4) after propagation through the upper and intermediate atmosphere.
  • the upper and intermediate atmosphere comprises an upper zone, called the upper atmosphere, which in embodiment 3) only diffuses radiation upwards, all the radiation arriving in this upper atmosphere being scattered upwards.
  • the intermediate atmosphere zone of the upper and intermediate atmosphere located under the upper atmosphere
  • the invention extends to a software product capable of being loaded into the random access memory of a computer system for the implementation of a method according to the invention so as to produce a computer device according to the invention.
  • This software product is a computer program suitable for loading into the internal RAM of a computer. It can be offered in the form of a recording medium or made available for download on an information transmission network (internet).
  • the invention also extends to a recording medium adapted to be able to be read by a reader connected to a computer system, characterized in that it comprises a recorded program adapted to be able to be loaded into random access memory of the computer system and the program to implement a method according to the invention.
  • a recording medium according to the invention therefore comprises a software product according to the invention and makes it possible, when read on a reader of a computer, the software product being loaded into random access memory, to obtain simulated digital representations - in particular simulated images - of the radiative energy state of a heterogeneous three-dimensional scene.
  • FIG. 1 is a general functional flow diagram of a method according to the invention
  • - Figure 2 is a diagram illustrating an example of the three-dimensional scene of a method according to the invention
  • - Figure 3 is a diagram illustrating an example of a portion of soil and, partially, an atmospheric portion of a heterogeneous three-dimensional scene terrestrial cut into parallelepiped cells in a process according to the invention
  • FIGS. 4a to 4c illustrate examples of incidence sectors defined in a method according to the invention
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the different stages of taking into account the atmosphere-soil coupling in a method according to the invention
  • FIG. 6 is a block diagram illustrating the determination of an emission point
  • FIGS. 7a and 7b are diagrams illustrating the determination of the means of origin points of diffusion of a turbid cell in a method according to the invention
  • FIG. 8 is a general chronological flowchart of the successive steps of a method according to the invention.
  • FIG. 9 is a chronological flowchart of the calculation of emission points of the turbid cells during the first iteration of a method according to the invention.
  • FIG. 10 is a chronological flowchart of the calculation of an emission point of an opaque cell in a method according to the invention.
  • FIG. 11 is a chronological flowchart of the calculation of emission points of the turbid cells in subsequent iterations (other than the first) of the method according to the invention.
  • FIG. 12 is a chronological flowchart of the steps implemented by the atmosphere module of a method according to the invention.
  • FIG. 1 represents a diagram of the various functional modules of a method according to the invention.
  • the input module 1 makes it possible to define the geometric characteristics of the three-dimensional scene that one wishes to represent.
  • the scene comprises a portion of soil 6 of a planet, in particular the Earth, and a portion of atmosphere 7 extending from the elements of the portion of soil to a predetermined altitude.
  • the input module 2 makes it possible to define the optical (leaf reflectance pg, leaf transmittance ⁇ fî , etc.) and thermal (T ⁇ of the three-dimensional scene that one wishes to represent) characteristics.
  • a module called the model module 4 creates a computer model 5 representative of the scene, represented in FIGS. 2 and 3.
  • the scene is divided into a plurality elementary cells which in the example shown and preferably are cubic. Alternatively, these cells can be parallelepiped.
  • the input module 1 independently of the cells, of the geometric elements which represent different landscape elements mainly reflecting and / or absorbing -notably the relief of the ground (including the bare ground surfaces, aquatic surfaces and roads, but excluding plant surfaces), walls and roofs of buildings, and tree trunks.
  • These geometric elements are defined by triangularization of the landscape, that is to say by a mesh representing the landscape as a juxtaposition of polygons (triangles and parallelograms) according to the coordinates of the extreme points of the geometric elements entered and according to the fineness of the spatial mesh chosen. in the input module 1.
  • the input module 3 makes it possible to define in a benchmark of the space independent of the cells the mode of discretization of different directions of the space according to which the radiation can propagate. At least a plurality of directions and their spatial distribution are defined. For each plurality of directions, the number N of directions ⁇ is defined, and possibly specific distribution densities of these directions in certain angular sectors. We can thus define N s incident directions ⁇ s , and
  • an additional particular direction is defined corresponding to the direction, called the initial incident direction ⁇ °, of a main light source such as the sun.
  • Nt-1 defined directions. Consequently, any model 5 contains:
  • each turbid cell having known radiative properties assumed to be homogeneous throughout the turbid cell; in particular, turbid cells, called leaf cells 71, represent the vegetation (grasses, crops, meadows, crowns of trees, etc.) and turbid cells, called atmospheric cells 72, represent the atmosphere; ,
  • the atmosphere portion advantageously comprises several discrete atmosphere levels:
  • a low atmosphere level 11 the cells 72 of which have the same dimension as the cells of the soil portion 6 and which extend above the leaf 71 or opaque cells 73 of the soil portion 6; an intermediate atmosphere level 12 extending above the low atmosphere 11, and the cells 72 of which have a larger dimension;
  • a high atmosphere level 13 whose cells 73 have an even larger dimension - in particular each occupy an entire horizontal layer of the scene -.
  • the turbid cells 71, 72 are characterized by specific optical and geometric properties defined by means of the entry 1,2.
  • a leaf angular orientation is defined represented by a LAD coefficient and a leaf biomass represented by a LAI coefficient.
  • gases exponent m
  • aerosols solid or liquid particles; exponent p
  • vertical profiles (varying according to altitude z) of albedo of simple diffusion ⁇ m (z) and ⁇ p (z), extinction coefficient ⁇ TM (z) and ⁇ ⁇ z), absorption extinction coefficient ⁇ "(z) and ⁇ ⁇ (z), of diffusion transfer function T m ( ⁇ sk , ⁇ vj ) and T p ( ⁇ sk , ⁇ vj ), as well as a temperature profile T (z).
  • ⁇ TM, ⁇ TM, a and ⁇ ⁇ are determined at any altitude z from knowledge of the total atmospheric optical thicknesses associated with gas absorption ⁇ TM, with gas diffusion ⁇ TM , with absorption of aerosols ⁇ ⁇ and there diffusion of aerosols ⁇ p .
  • the density profiles of gases and aerosols are assumed to decrease exponentially with altitude. Ozone is the only exception. Consequently: ⁇ (z) ⁇ 7T - .. eexxpp [[- g ⁇ T]
  • a scale factor H m is used for gases uniformly mixed in the atmosphere, ie all gases other than ozone and water vapor.
  • a scale factor H H ⁇ O is used for water vapor.
  • An analytical law is used to represent the profile of ozone, since it is mainly centered around 20-30km of altitude.
  • the uniformly mixed gases are essentially N 2 , O 2 , CO 2 , CH and N 2 O.
  • a scale factor H p is used to represent the density profile of aerosols.
  • optical thicknesses ⁇ TM ( ⁇ ) and ⁇ TM ( ⁇ ) are calculated at any wavelength ⁇ from a table of optical thicknesses ⁇ TM ( ⁇ ) and ⁇ ⁇ ⁇ ,) at wavelengths ⁇ i pre-defined. Values are calculated with atmospheric models like 6-S (Nermote EF, Tanré D., Deuzé JL, Herman M. and Morcrette J.-J., "Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum, 6S: An overview", IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 35, pp. 675-686, May 1997) for standard atmospheric conditions such as a tropical atmosphere. The user can give particular values, if necessary.
  • the model module 4 calculates ⁇ TM ( ⁇ , d) by interpolation on the quantity of atmospheric water that can be precipitated d and on the wavelength ⁇ .
  • is the depolarization factor. It depends on the anisotropy of the molecules and is always small.
  • the ⁇ 0 coefficient of Angstrom ⁇ depends on the type of aerosols present. It is generally between 0.5 and 2.
  • the calculation of the diffusion and absorption rate by atmospheric aerosols at any altitude z therefore requires the knowledge of 4 parameters: the optical thickness ⁇ ⁇ ( ⁇ 0 ) at a pre-defined wavelength ⁇ 0 , the coefficient ⁇ , the simple diffusion albedo ⁇ p and the scale factor H p .
  • the angular distribution of the aerosol diffusion is modeled with the sum of two P P ( ⁇ ) functions from Henyey-Greenstein (Lenoble, 1993):
  • asymmetry factor g represents the front diffusion surplus compared to the rear diffusion. It is therefore zero if P p ( ⁇ ) is symmetrical. It depends on the type of aerosol and the wavelength.
  • a geometric module 9 calculates and stores the incident directions ⁇ s and the re-emission directions ⁇ v as a function of the values entered in the input module 3.
  • the geometric module 9 calculates and stores, in the reference frame of the space independent of the cells, a plurality of M volume sectors, called incidence sectors ⁇ ⁇ j, in number M less than the N s incident directions ⁇ s but containing all the N s incident directions ⁇ S) complementary to each other in l solid solid angle and forming a partition of the solid solid angle.
  • the number M of incidence sectors, entered using the entry module 3, is greater than 2 and less than 20.
  • a module called the optical module 8 calculates and stores for each type of turbid cell four transfer functions from the optical and geometric properties of the elements contained in the cell entered by the input modules 1, 2:
  • This function calculates the energy transmitted W tt ( ⁇ ) through the turbid cell, and therefore also the energy intercepted Wj propel t ( ⁇ ) by the turbid cell, according to each of the N s +1 pre-defined incident directions ⁇ s , (cf. publication” Modeling Radiative Transfer in Heterogeneous 3-D Vegetation Canopies "JP. Gastellu-Etchegorry et al Remote Sens. Environ. 58: 131-156 (1996));
  • a heat transfer function T (u f , T f , ⁇ f , ⁇ vj ) ui makes it possible to calculate the thermal energy re-emitted by the cell in the re-emission direction, ⁇ VJ , taking into account the quantity of material u f present as well as the temperature T f and the emissivity ⁇ f of this material (Thesis "Modeling of radiative and energy balances of plant cover", P. Guillevic, Paul Sabatier University, 13/12 / 1999. Paragraph m A3.2 p47 to 49).
  • a transmittance transfer function T ( ⁇ ) is used which is the same for each type of cell and each direction ⁇ , and which does not depend in particular the path of the ray in the cell or the amount of material present in the cell.
  • T ( ⁇ li, ⁇ ) exp [-GG, ⁇ ) .uf (i). ⁇ li] where ⁇ li is the distance of the ray path in the cell, uf (i) is the quantity of leaf area per unit of volume G (j, ⁇ ) is a projection factor of the leaves perpendicular to the direction ⁇ considered, defining a type of vegetation.
  • ⁇ li the distance of the ray path in the cell
  • uf (i) is the quantity of leaf area per unit of volume
  • G (j, ⁇ ) is a projection factor of the leaves perpendicular to the direction ⁇ considered, defining a type of vegetation.
  • T ( ⁇ 1 ;, ⁇ ) [T (/ 2)] u ⁇ ⁇ l
  • a module simulates the propagation of the radiation in the scene by successive iterations, and, at each iteration, by ray tracking through the cells of the scene, as explained below, and provides a simulated digital representation of the radiation state of the scene.
  • This representation can include remote sensing images 11, for all rising ⁇ VJ * re-emission directions and / or three-dimensional matrices 12 representative of the radiation balance of the scene.
  • FIG. 8 is a general flow diagram of the different steps implemented in a process for obtaining according to the invention, by the radiative module 10.
  • the radiative module 10 predefines in a source cell with coordinates (0,0,0) (FIG. 3) a plurality of possible emission points Pe, regularly distributed within of the cell.
  • the radiative module 10 calculates beforehand and records all the possible trajectories through the scene of the rays that can be emitted from each possible emission point Pe according to the different directions of re-emission ⁇ v> by ray tracking.
  • This initial calculation 14 therefore provides n 3 .N linked list which are stored, where n 3 is the number of points Pe and N is the total number of directions ⁇ other than the initial direction ⁇ °.
  • a linked list therefore corresponds to a possible path in a given direction and from a given point Pe.
  • Any linked list item is a structure that contains the coordinates of the entry point and the length of the path in the current cell as well as the index that indicates the next cell.
  • the solar illumination at the top of the atmosphere 7 is first of all determined. This solar illumination is defined by the initial incident direction ⁇ ° and by an initial incident energy Wu, ( ⁇ °) as shown in FIG. 2.
  • a first step 16 of a module simulates the propagation of solar radiation " W m ( ⁇ °) through the atmosphere and determines 17 the direct solar illumination incident on the ground portion 6 (this is ie the energy resulting from the transmission of solar radiation through the atmosphere and incident on the ground portion 6).
  • the direct solar illumination of the portion of soil 6 is determined by simulation of the part of the initial solar radiation not intercepted by atmospheric cells.
  • the re-emitted energy W 0U t ( ⁇ vj ) is determined, cell after cell, by diffusion by each cell of the soil portion 6 in each of the re-emission directions ⁇ vj.
  • first of all at least one emission point Pe is calculated.
  • FIG. 9 represents the different stages of the calculation of the points Pe-i, Pet.
  • FIG. 7a schematically represents the determination of the mean origin point of diffusion M sk ( ⁇ t) and FIG. 7b represents an example of calculation of a mean origin point M s ( ⁇ t) with three incident rays of incident energy W * n ( ⁇ sl ), W * nt ( ⁇ s2 ), and W int ( ⁇ s3 ) respectively in the general case of three distinct incident directions ⁇ sl) ⁇ s2> ⁇ s3 .
  • the same calculation is made but all the incident directions are confused with ⁇ s .
  • FIGS. 7a, 7b are plotted in the plan, the cell being seen in elevation, but must be considered in space, the cells being volumes.
  • any ray path from a possible emission point Pe is determined from the linked lists stored for the origin cell (0,0,0) by translation ( X, Y, Z) of the path (linked list) of a parallel ray coming from the corresponding point Pe in the origin cell (0,0,0).
  • the energy scattered by the turbid cell is calculated in each of the re-emission directions ⁇ j , that is to say the energy W 0Ut ( ⁇ y *) assuming that this energy is re-emitted from the Pe point which is either the Pet point or the Pe * point! depending on whether the direction ⁇ * is rising or falling.
  • FIG. 10 represents the calculation 24 of the emission point Pe in an opaque cell from the direct solar illumination calculated in step 17, in the first iteration.
  • steps 33 to 35 are repeated for each surface element of each opaque cell and on all the opaque cells, as shown diagrammatically by the arrow 36. In the case where no geometrical element intercepts the incident ray, as determined during the step 33, we immediately pass to the subsequent geometric element by iteration as represented by the loop 37 in FIG. 10.
  • the input module 2 made it possible to define parametric laws making it possible to determine the diffusions originating from the geometric elements from the energies intercepted by these geometric elements in the different directions. It is therefore sufficient to apply these parametric laws to determine the energy scattered W d * f ⁇ ( ⁇ Vj ) at the point of emission Pe by each geometric element in each direction of re-emission ⁇ VJ *. We then calculate 31 the re-emitted energy W out ( ⁇ vj ) corresponding to this energy diffused by application of the transmittance transfer function T (Q, j), if the cell contains turbid material.
  • the energy intercepted W int ( ⁇ M , i) by each sector is initialized to zero at each step 40 of iteration initialization.
  • At least one point of emission of the re-emitted radiation is calculated for each cell, during each iteration In.
  • the first iteration there is a calculation 41 for the turbid cells and a calculation 42 for the opaque cells.
  • the calculation 41 of the emission points Pet and Pe-i for the turbid cells is explained in more detail in FIG. 11.
  • a radius is chosen on the turbid cell according to the incident direction ⁇ sk and with an incident energy Wifried( ⁇ sk ).
  • step 50 the scattered energies of sector W d ig ( ⁇ M) i, ⁇ v j ) scattered by each of the M sectors ⁇ * M , i are calculated in the re-emission directions ⁇ Vj by the average origin points M s ( ⁇ t) and M s ( ⁇ l) determined in step 48, using the sector broadcast transfer function calculated according to formula (I) above.
  • W diff ( ⁇ M; i , ⁇ V j) W int ( ⁇ M , i ) .T ( ⁇ M) i, ⁇ VJ )
  • the sum of these sector scattered energies is then calculated to determine the scattered volume energy W d jf ⁇ ( ⁇ v j ) by the turbid cell in each re-emission direction ⁇ vjt, i.e. the sum of the different sector energies diffused by the different impact sectors ⁇ M.L is performed from step 51, the two emission points are determined
  • step 52 the energy re-emitted out ( ⁇ Vj ) by the turbid cell in the direction of re-emission ⁇ vj is thus determined from the two emission points Pet and? El depending on whether the direction of re-emission ⁇ Vj is rising or falling. This calculation is repeated on all the turbid cells of the soil portion 6 of the model 5.
  • the calculation 42 of the emission point Pe is similar to the calculation 24 described in relation to FIG. 20 for the first iteration II.
  • the re-emitted energy W out ( ⁇ vj ) by the opaque cell 73 is also calculated during step 52 with a parametric expression as described previously in step 31 of the first iteration II.
  • the parametric expression is adapted to the case of a more or less isotropic incident radiation and no longer monodirectional according to the direction ⁇ s.
  • the whole calculation is reiterated for all the cells of the portion of soil 6 and this iteration is represented by the loop 53 in FIG. 4.
  • the energy re-emitted during an iteration In corresponds to the incident energy of the subsequent iteration In + 1.
  • the atmosphere module performs a step 55 shown in more detail in FIG. 12. In fact, this atmospheric backscatter calculation 55 may not be carried out at all the executions of the calculation of the radiative module 10. As shown diagrammatically in FIG. 5, atmospheric diffusion is taken into account during a first execution El. During a second execution E2 of the radiative calculation, the radiative module 10 calculates the radiation reflected by the ground portion 6 towards the atmosphere portion 7 (corresponding to the upper and intermediate atmosphere 13) from the incident radiation on the upper face of the cells of the lower atmosphere 11 as determined during the first execution E1. During this second execution E2, the step 55 for calculating atmospheric backscatter is therefore not executed.
  • the radiation backscattered by the upper 13 and intermediate atmosphere 12 (step 55) to the lower atmosphere 11 (and to the ground portion 6) is determined from the determined reflected radiation.
  • the radiative module 10 determines the radiation reflected by the ground portion 6 and the lower atmosphere 11 towards the upper 13 and intermediate atmosphere 12, from the backscattered radiation as determined during the third execution E3.
  • the calculation 55 of atmospheric backscatter is therefore not executed.
  • the reflection of the radiation by the ground portion 6 and the lower atmosphere 11 is first determined according to the rising directions of re-emission, that is to say say belonging to the upper hemisphere.
  • the expression of the convolution is: B O A O'J' ⁇ -J,)
  • the transfer function is precomputed by the optical module 8 by simulating the energy W B o A (i'j l * . ⁇ s .) Backscattered by the atmosphere, in any pixel (i'j 1 ) and for any direction falling ⁇ s i knowing that the only energy source is a pixel (ij) from the top of the lower atmosphere 11 which sends energy W B o A (i » ⁇ v ) in an upward direction ⁇ v f.
  • This preliminary calculation is carried out iteratively on all the rising directions ⁇ v i.
  • the use of the FT BA - BA function greatly reduces the calculation times, because it avoids simulating the atmospheric backscatter for each energy W B o A (iJ » ⁇ v * r) from any pixel at the top of the lower atmosphere 11 , according to each of the rising directions ⁇ vf .
  • the computation time is therefore appreciably reduced by a factor equal to the number of pixels of the lower atmosphere 11, a term generally greater than 500, or even much more.
  • step 57 The reflection by the ground portion 6 and the lower atmosphere 11 of the atmospheric backscatter previously calculated during step 57 is then calculated 58. During the reflection calculation 58, only the uplink re-emission directions are taken into account. Finally, in step 59, the radiation transmitted at all levels and in particular at the top of the atmosphere is calculated, according to the rising re-emission directions, that is to say towards the sensor 60 (observer), which can be, for example, an airborne or satellite sensor. The energy transmitted from the top of the lower atmosphere 11 to the sensor 60 is calculated using a transfer function denoted FT BA - sensor ( ⁇ i, ⁇ j, ⁇ v î, ⁇ s î).
  • the invention can be the subject of numerous variants compared to the embodiment described above. It is possible to produce not only remote sensing images, but also a three-dimensional radiative energy balance of the scene.
  • the remote sensing images can be of the satellite type or others.
  • the invention also makes it possible to obtain simulated digital representations of scenes other than terrestrial scenes.
  • the various functions mentioned above can be easily implemented by computer programming, that is to say by computer programs.
  • the method according to the invention has been implemented and programmed in C language on an IBM Risc 6000® workstation in a Linux environment. It was possible to simulate images representing natural and urban landscapes with a calculation time of around 4 hours for complex landscapes. These calculation times can be less than 15 min, and even much less, for relatively simple landscapes.

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Abstract

The invention concerns a method for obtaining a simulated digital representation of the radiative energy state of a heterogeneous three-dimensional scene cut out into a plurality of elementary cells (71, 72, 73). It consists in: defining a plurality of incidence sectors fewer in number than the incident directions; calculating cell by cell, an intercepted sector energy equal to the sum of intercepted energies of incident rays in the incidence sector; using a sector diffusion transfer function enabling to calculate a diffused sector energy at the original point of diffusion in the re-emission direction Φvj ; calculating the diffused volume energy as the sum of diffused sector energy.

Description

PROCEDE D'OBTENTION D'UNE REPRESENTATION PROCESS FOR OBTAINING A REPRESENTATION
NUMERIQUE SIMULEE DE L'ETAT RADIATIF D'UNE SCENESIMULATED DIGITAL RADIATIVE STATE OF A SCENE
TRIDIMENSIONNELLE HETEROGENETHREE-DIMENSIONAL HETEROGENEOUS
L'invention concerne un procédé d'obtention d'une représentation numérique simulée de l'état énergétique radiatif, dans le domaine visible et/ou en dehors du domaine visible -notamment dans le domaine compris de l'ultraviolet à l'infrarouge thermique-, d'une scène tridimensionnelle hétérogène, notamment une portion d'espace susceptible de s'étendre dans le champ de vision d'un capteur satellitaire au-dessus du sol d'une planète telle que la Terre.The invention relates to a method for obtaining a simulated digital representation of the radiative energy state, in the visible range and / or outside the visible range -in particular in the range understood from ultraviolet to thermal infrared- , of a heterogeneous three-dimensional scene, in particular a portion of space likely to extend in the field of vision of a satellite sensor above the ground of a planet such as Earth.
Une telle représentation numérique simulée permet soit de déterminer l'état énergétique radiatif en tout point de la scène, soit de réaliser des images numériques de la scène vue chacune d'un point extérieur de la scène (par exemple un capteur satellitaire ou aéroporté) situé selon une direction d'observation (différentes images simulées vues selon différentes directions d'observation sont en général produites simultanément).Such a simulated digital representation makes it possible either to determine the radiative energy state at any point on the scene, or to produce digital images of the scene each seen from a point outside the scene (for example a satellite or airborne sensor) located in one direction of observation (different simulated images seen in different directions of observation are generally produced simultaneously).
L'obtention de telles représentations numériques simulées capables de fournir avec une grande précision radiométrique l'état radiatif d'une scène tridimensionnelle (et non pas seulement l'aspect visuel général comme dans les techniques de synthèse d'images virtuelles) est importante dans certaines applications, par exemple pour le calcul précis de variables biophysiques (biomasse, étude de la végétation...) ou biochimique à partir de mesures satellitaires, ou pour l'étalonnage au sol de capteurs satellitaires à haute résolution spatiale (pouvant maintenant atteindre de l'ordre de 1 m ou moins).Obtaining such simulated digital representations capable of providing with high radiometric precision the radiative state of a three-dimensional scene (and not only the general visual aspect as in virtual image synthesis techniques) is important in certain applications, for example for the precise calculation of biophysical variables (biomass, study of vegetation ...) or biochemical from satellite measurements, or for the ground calibration of satellite sensors with high spatial resolution (can now reach l '' order of 1 m or less).
La publication "Modelling Radiative Transfer in Heterogeneous 3-D Végétation Canopies" J-P. Gastellu-Etchegorry et al Remote Sens. Environ. 58 : 131-156 (1996) décrit un procédé d'obtention de telles images numériques. Il repose sur une approche itérative: à l'itération n, il y a diffusion de l'énergie Wout(Ω) selon les directions (Ω) de l'espace, compte tenu de la distribution spatiale de l'énergie interceptée W*nt, et non absorbée, à l'itération précédente n-1. L'itération n=l comprend l'éclairement par une source externe mono-directionnelle (telle que le soleil), alors que l'itération 2 comprend la diffusion de l'énergie interceptée à l'itération 1, et l'émission thermique, s'il y a lieu. Ce procédé souffre de deux inconvénients :The publication "Modeling Radiative Transfer in Heterogeneous 3-D Vegetation Canopies" JP. Gastellu-Etchegorry et al Remote Sens. About. 58: 131-156 (1996) describes a method for obtaining such digital images. It is based on an iterative approach: at iteration n, there is diffusion of the energy W out (Ω) according to the directions (Ω) of space, taking into account the spatial distribution of the intercepted energy W * nt , and not absorbed, in the previous iteration n-1. The iteration n = l includes the illumination by an external source mono-directional (such as the sun), while iteration 2 includes the diffusion of the energy intercepted in iteration 1, and thermal emission, if applicable. This process suffers from two drawbacks:
1) Comme l'indique cette publication, les temps de calcul restent extrêmement longs et les capacités mémoires nécessaires sont extrêmement importantes par rapport aux dimensions de la scène. Ainsi, toute simulation appliquée à un paysage forestier de 50mx50x20m avec des cellules de 20cm, avec 150 directions et avec une précision radiométrique compatible avec la précision usuelle des capteurs (satellitaires et autres) requiert un temps de calcul de l'ordre de la semaine, selon le type de station de travail utilisée. Ce temps calcul est essentiellement du à la méthode des harmoniques sphériques initialement employées pour gérer les diffusions multiples. Cette méthode est en effet très longue et est appliquée à toute cellule et à tout rayon, à chaque itération.1) As this publication indicates, the computing times remain extremely long and the memory capacities required are extremely large compared to the dimensions of the scene. Thus, any simulation applied to a 50mx50x20m forest landscape with 20cm cells, with 150 directions and with radiometric precision compatible with the usual precision of sensors (satellite and others) requires a calculation time of the order of a week, depending on the type of workstation used. This calculation time is essentially due to the method of spherical harmonics initially used to manage multiple diffusions. This method is indeed very long and is applied to any cell and to any radius, at each iteration.
2) Les diffusions multiples sont mal prises en compte, affectant grandement la précision du modèle. La principale cause d'imprécision est la méconnaissance de l'anisotropie du rayonnement incident qui est diffusé. En effet, toute diffusion dépend de la distribution angulaire du rayonnement incident. Celle-ci n'est bien connue qu'à l'ordre 1, c'est à dire à l'itération 1, car la direction solaire est unique. Pour les itérations n>l, le rayonnement incident peut provenir de n'importe quelle direction et est a priori anisotrope. La mémorisation de la distribution angulaire du rayonnement incident à chaque itération, pour chaque cellule, requiert de très importants volumes mémoire (de l'ordre de la centaine de giga-octets pour un paysage de 50mx50mx20m). En théorie, la décomposition du rayonnement diffusé sous forme d'harmoniques sphériques est supposée résoudre ce problème. En pratique, outre les problèmes de temps calcul et de volume mémoire de stockage sus-indiqués, cette solution est imprécise, car il ne peut être stocké qu'un nombre fini de coefficients de décomposition. En outre, le fait de multiplier une dimension de la scène d'un facteur m conduit à multiplier la quantité d'informations à traiter d'un facteur m6. Les inconvénients indiqués ci-dessus empêchent donc toute application industrielle pratique. L'invention vise donc de façon générale à pallier ces inconvénients en proposant un procédé qui permet d'obtenir des représentations numériques simulées de scènes de grandes dimensions, ayant un grand nombre de cellules, avec une précision radiométrique suffisante, et avec des temps de calcul et des capacités de mémorisation compatibles avec une exploitation industrielle pratique.2) Multiple diffusions are poorly taken into account, greatly affecting the accuracy of the model. The main cause of imprecision is the ignorance of the anisotropy of the incident radiation which is diffused. Indeed, any scattering depends on the angular distribution of the incident radiation. This is only well known in order 1, ie in iteration 1, because the solar direction is unique. For iterations n> l, the incident radiation can come from any direction and is a priori anisotropic. Memorizing the angular distribution of the incident radiation at each iteration, for each cell, requires very large memory volumes (of the order of a hundred gigabytes for a landscape of 50mx50mx20m). In theory, the decomposition of the scattered radiation in the form of spherical harmonics is supposed to solve this problem. In practice, in addition to the problems of computation time and storage memory volume mentioned above, this solution is imprecise, since it can only be stored a finite number of decomposition coefficients. In addition, the fact of multiplying a dimension of the scene by a factor m leads to multiplying the quantity of information to be processed by a factor m 6 . The drawbacks indicated above therefore prevent any practical industrial application. The invention therefore generally aims to overcome these drawbacks by proposing a method which makes it possible to obtain simulated digital representations of large scenes, having a large number of cells, with sufficient radiometric precision, and with calculation times. and storage capacities compatible with practical industrial operation.
L'invention a plus particulièrement pour objet un tel procédé permettant de simuler des images de télédétection planétaire -notamment terrestre- depuis l'espace, pour toute configuration expérimentale (paysage hétérogène ou non, directions d'éclairement et d'observation quelconques, etc.).The invention more particularly relates to such a method making it possible to simulate planetary remote sensing images - notably terrestrial - from space, for any experimental configuration (heterogeneous or non-heterogeneous landscape, any lighting and observation directions, etc. ).
L'invention a aussi plus particulièrement pour objet un tel procédé permettant d'obtenir des images radiométriques permettant d'étalonner les capteurs satellitaires modernes au sol avant leur lancement.The invention also more particularly relates to such a method making it possible to obtain radiometric images making it possible to calibrate modern satellite sensors on the ground before their launch.
L'invention vise en particulier à permettre de mieux comprendre les mesures satellitaires et par suite d'améliorer leur conception, leur exploitation et finalement contribuer à une meilleure évaluation des possibilités offertes par les capteurs satellitaires.The invention aims in particular to enable a better understanding of satellite measurements and consequently to improve their design, their exploitation and ultimately contribute to a better evaluation of the possibilities offered by satellite sensors.
L'invention a aussi pour objectif de fournir une représentation tri-dimensionnelle simulée du bilan radiatif du paysage étudié, information essentielle à de nombreuses applications environnementales telles que l'étude du fonctionnement de la végétation (activité photosynthétique, flux gazeux, etc.).The invention also aims to provide a simulated three-dimensional representation of the radiation balance of the studied landscape, essential information for many environmental applications such as the study of the functioning of vegetation (photosynthetic activity, gas flow, etc.).
Pour ce faire, l'invention concerne un procédé d'obtention d'une représentation numérique simulée de l'état énergétique radiatif d'une scène tridimensionnelle hétérogène, dans lequel :To do this, the invention relates to a method for obtaining a simulated digital representation of the radiative energy state of a heterogeneous three-dimensional scene, in which:
- on découpe la scène en une pluralité de cellules élémentaires comprenant des cellules, dites cellules turbides, ayant des propriétés radiatives connues supposées homogènes dans l'ensemble de chaque cellule,the scene is divided into a plurality of elementary cells comprising cells, called turbid cells, having known radiative properties assumed to be homogeneous in the whole of each cell,
- on mémorise pour chaque cellule turbide des fonctions de transfert permettant de déterminer, dans chaque direction d'une pluralité discrète de Nv directions de l'espace, dites directions de ré-émission Ωv> prédéterminées dans un repère de l'espace indépendant des cellules, une énergie ré-émise par la cellule turbide en fonction d'un rayonnement intercepté dû à un rayonnement incident qu'elle reçoit formé d'au moins un rayon incident défini par une direction incidente Ωsk appartenant à une pluralité Ns de directions de l'espace, dites directions incidentes ΩS; et une énergie incidente WinSk), dont une fraction, dite énergie interceptée Wjntsk), est interceptée par la cellule turbide,- transfer functions are memorized for each turbid cell making it possible to determine, in each direction of a discrete plurality of N v directions of space, said directions of re-emission Ω v> predetermined in an independent space reference cells, an energy re-emitted by the turbid cell as a function of an intercepted radiation due to an incident radiation which it receives formed of at least one incident ray defined by an incident direction Ω sk belonging to a plurality N s of directions of space, called incident directions Ω S; and an incident energy Wi nSk ), a fraction of which, called intercepted energy Wj ntsk ), is intercepted by the turbid cell,
- pour au moins une portion, dite portion de sol, de la scène, on calcule, cellule après cellule, une énergie ré-émise W0Utvj) par chaque cellule turbide dans chacune des directions de ré-émission Ωyj, cette énergie ré-émise Woutvj) étant considérée comme issue d'une énergie volumique diffusée diff(Ωvj) dans la direction de ré-émisssion Ωyj par l'ensemble de la cellule turbide, cette énergie volumique diffusée
Figure imgf000006_0001
étant calculée en considérant qu'elle est émise totalement à partir d'un point unique de la cellule turbide, dit point origine équivalent de diffusion Ms>kvj), caractérisé en ce que : - on définit dans un repère de l'espace indépendant des cellules une pluralité de M secteurs, dits secteurs d'incidence ΔΩ* ι,i, en nombre M inférieur aux directions incidentes Ωs> et contenant toutes les Ns directions incidentes Ωs>
- for at least one portion, called the portion of the ground, of the scene, a cell re-emitted energy W 0Utvj ) is calculated, cell after cell, by each turbid cell in each of the re-emission directions Ω yj, this re-emitted energy W outvj ) being considered as coming from a diffused volume energy d iff (Ω vj ) in the direction of re-emission Ωy j by the whole of the turbid cell, this volumetric energy diffused
Figure imgf000006_0001
being calculated by considering that it is emitted completely starting from a single point of the turbid cell, said point equivalent origin of diffusion M s> kvj ), characterized in that: - one defines in a reference mark of l space independent of the cells a plurality of M sectors, called incidence sectors ΔΩ * ι, i, in number M less than the incident directions Ω s> and containing all the N s incident directions Ω s>
- pour calculer, au moins pour la portion de sol, l'énergie volumique diffusée ^fvj) dans chaque direction de ré-émission Ωvj à chaque cellule turbide :- to calculate, at least for the portion of soil, the volume energy scattered ^ fvj ) in each re-emission direction Ω vj to each turbid cell:
. on calcule, pour chaque secteur d'incidence ΔΩ ,J, une énergie, dite énergie interceptée, de secteur Wi„t(ΔΩ*-V|* jj)> égale à la somme des énergies interceptées
Figure imgf000006_0002
des rayons incidents sur la cellule turbide dans des directions incidentes Ωsk appartenant au secteur d'incidence ΔΩ* M,i,
. we calculate, for each incident sector ΔΩ, J, an energy, called intercepted energy, of sector Wi „ t (ΔΩ * - V | * j j) > equal to the sum of the intercepted energies
Figure imgf000006_0002
incident rays on the turbid cell in incident directions Ω sk belonging to the incidence sector ΔΩ * M , i,
. on utilise une fonction, dite fonction de transfert de diffusion de secteur T(ΔΩM,i,Ω j) permettant de calculer pour chaque secteur d'incidence ΔΩ-y-* * et chaque direction de ré-émission Ωvj, une énergie, dite énergie diffusée de secteur Wdif^ΔΩ-M^Ωyj), diffusée au point origine équivalent de diffusion
Figure imgf000007_0001
dans la direction de ré-émission Ωvj à partir de l'énergie interceptée de secteur
Figure imgf000007_0003
du secteur d'incidence
Figure imgf000007_0002
. we use a function, called sector diffusion transfer function T (ΔΩM, i, Ω j ) allowing to calculate for each incidence sector ΔΩ-y- * * and each re-emission direction Ω vj , an energy, said scattered energy of sector W d if ^ ΔΩ-M ^ Ω yj ), scattered at the equivalent origin point broadcast
Figure imgf000007_0001
in the re-emission direction Ω vj from intercepted sector energy
Figure imgf000007_0003
of the bearing sector
Figure imgf000007_0002
. pour chaque direction de ré-émission Ω j( on calcule l'énergie volumique diffusée W^QVj) par la cellule turbide comme la somme des énergies diffusées de secteur
Figure imgf000007_0004
diffusées par chaque secteur d'incidence ΔΩ- -y dans cette direction de ré-émission ΩVj.
. for each re-emission direction Ω j ( we calculate the scattered volume energy W ^ Q Vj ) by the turbid cell as the sum of the sector scattered energies
Figure imgf000007_0004
scattered by each incidence sector ΔΩ- -y in this re-emission direction Ω Vj .
Avantageusement et selon l'invention, la fonction de transfert de diffusion de secteur T(ΔΩM)*,Ωvj) est une moyenne pondérée de fonctions de transfert de diffusion T(Ωsvj) mémorisées pour chaque direction incidente Ωsk et chaque direction de ré-émission Ωvj initialement définies.Advantageously and according to the invention, the sector diffusion transfer function T (ΔΩ M) *, Ω vj ) is a weighted average of diffusion transfer functions T (Ω s , Ω vj ) stored for each incident direction Ω sk and each re-emission direction Ω vj initially defined.
Avantageusement et selon l'invention, la fonction de transfert de diffusion de secteur T(ΔΩM!i,ΩVj) est définie selon la formule I suivante :Advantageously and according to the invention, the sector diffusion transfer function T (ΔΩ M! I, Ω Vj ) is defined according to the following formula I:
Σ T(Ωsk> Ωvj).ΔΩsk Σ T (Ω sk> Ω vj ) .ΔΩ sk
(I) T(ΔΩMjiVJ) = ^ Kd) k Σ=o ΔΩs s k κ (i) où ]Σ^ΔΩ Λ = ΔΩM,i,(I) T (ΔΩ Mji , Ω VJ ) = ^ Kd) k Σ = o ΔΩ s s k κ (i) where ] Σ ^ ΔΩ Λ = ΔΩ M , i,
et où K(i) est le nombre de directions incidentes ΩSk dans le secteur ΔΩMji.and where K (i) is the number of incident directions Ω Sk in the sector ΔΩ Mji .
Les fonctions T(ΔΩMιi,Ω j) sont pré-calculées afin d'éviter le calcul répétitif de celles-ci.The functions T (ΔΩ Mιi , Ω j) are pre-calculated in order to avoid repetitive calculation of these.
Avantageusement et selon l'invention, le nombre M de secteurs d'incidence ΔΩM,i est supérieur à 2 et inférieur à 20, notamment compris entre 4 et 14, par exemple et de préférence égal à 6, et très inférieur au nombre Ns de directions incidentes Ωs qui est supérieur à 100, notamment compris entre 100 et 1000. En outre, avantageusement et selon l'invention, les directions incidentes Ωs possibles des rayons incidents sont déterminées et choisies dans la même pluralité discrète de directions de l'espace que les directions de ré-émission Ωv. Cette pluralité de directions est déterminée de façon absolue dans un repère de l'espace, indépendamment des cellules.Advantageously and according to the invention, the number M of incidence sectors ΔΩM, i is greater than 2 and less than 20, in particular between 4 and 14, for example and preferably equal to 6, and much less than the number N s of incident directions Ω s which is greater than 100, in particular between 100 and 1000. In addition, advantageously and according to the invention, the possible incident directions Ω s of the incident rays are determined and chosen from the same discrete plurality of directions of l space that the directions of re-emission Ω v . This plurality of directions is determined absolutely in a reference frame of space, independently of the cells.
Avantageusement et selon l'invention, pour chaque rayon Ωsk incident sur la cellule turbide, on détermine un point origine équivalent MS)kyj) de la diffusion du rayon incident par la cellule turbide dans la direction de ré-émission ΩVJ-. L'indice "k" indique que la position du point Ms>k(Ωyj) dépend de la direction incidente Ωsk. Les cellules turbides étant formées de polyèdres pour chaque rayon incident selon une direction Ωg et qui entre en un point Pin de l'une de ses faces, dite face d'entrée, le point équivalent origine de la diffusion Ms>kvj) selon la direction de ré-émission Ωvj est déterminé comme le point situé dans la cellule turbide, sur la direction incidente Ωsk, et à une distance Δrksk) de la face d'entrée par la formule II suivante:Advantageously and according to the invention, for each ray Ω sk incident on the turbid cell, an equivalent point of origin is determined. M S) kyj ) of the scattering of the incident ray by the turbid cell in the re-emission direction Ω VJ -. The subscript "k" indicates that the position of the point M s> k (Ωy j ) depends on the incident direction Ω sk . The turbid cells being formed of polyhedra for each incident ray in a direction Ω g and which enters a point Pin on one of its faces, called the entry face, the equivalent point of origin of the diffusion M s> kvj ) according to the re-emission direction Ω vj is determined as the point located in the turbid cell, on the incident direction Ω sk , and at a distance Δr ksk ) from the input face by the following formula II :
(H) Δrksk) =(H) Δr ksk ) =
G(Ωy]).|μsk|.uf G (Ω y] ). | Μ sk | .u f
G(Ωsk).|μ G(Ωsk) G(ΩV1 G (Ω sk ). | Μ G (Ω sk ) G (Ω V1
aVeθ A [ [l-exp[-G(Ωsk).uf.Δlk3k)] ] ] aVeθ A [ [l-exp [-G (Ω sk ) .u f .Δl k3k )]] ]
où θsk est l'angle formé par la direction incidente Ωsk avec une direction fixe prédéterminée de l'espace, dite direction de référence,where θ sk is the angle formed by the incident direction Ω sk with a predetermined fixed direction of space, called the reference direction,
ΘVJ est l'angle formé par la direction de ré-émission Ωvj avec la direction de référence,
Figure imgf000008_0001
et Δl (Ωsk) est le trajet du rayon incident à travers la cellule, fg Ωf) G(Ωsk) = ,2 .|Ωsf|.dΩf est un coefficient, dit facteur de projection
Θ VJ is the angle formed by the re-emission direction Ω vj with the reference direction,
Figure imgf000008_0001
and Δl (Ω sk ) is the path of the incident ray through the cell, fg Ω f ) G (Ω sk ) =, 2. | Ω sf | .dΩ f is a coefficient, called projection factor
perpendiculaire à la direction Ωs . Cette projection s'applique à la matière comprise dans la cellule turbide sachant que cette matière est orientée selon la direction Ωf, avec Ωf compris dans le secteur 2π, et que la probabilité d'avoirperpendicular to the direction Ω s . This projection applies to the material included in the turbid cell knowing that this material is oriented in the direction Ω f , with Ω f included in the sector 2π, and that the probability of having
l'orientation Ωf est stirJ1. On a s i.the orientation Ω f is st ir J1 . We have s i.
2π f fCΩf) G(ΩVj) = 1 .jΩVJf|.dΩf est un facteur de projection perpendiculaire à la2π f fCΩf) G (Ω Vj ) = 1 .jΩ VJf | .dΩ f is a projection factor perpendicular to the
2π direction Ωyj.2π direction Ωy j .
De la sorte, le point de diffusion MSιkVj) dépend des directions de diffusion Ωvj et incidentes Ωsk, ce qui améliore considérablement la précision des résultats.In this way, the scattering point M SιkVj ) depends on the scattering directions Ω vj and incident Ω sk , which considerably improves the accuracy of the results.
Avantageusement et selon l'invention, on calcule et on utilise en tant que point origine équivalent de diffusion, pour chaque rayon incident, au moins un point origine moyen de diffusion Msk indépendant de la direction de ré-émission Ωvj) et on calcule l'énergie diffusée de secteur Wdifï(ΔΩM7 *j) à partir de chaque rayon incident de direction incidente Ωsk comme diffusée à ce point origine moyen de diffusion Ms - De la sorte, on diminue encore les temps calcul et l'espace mémoire nécessaire.Advantageously and according to the invention, one calculates and uses as an equivalent origin point of diffusion, for each incident ray, at least one average origin point of diffusion M sk independent of the direction of re-emission Ω vj) and one calculates the scattered energy of sector W d i f ï (ΔΩ M7 * , Ω j ) from each incident ray of incident direction Ω sk as scattered at this point mean origin of scattering M s - In this way, the calculation time and memory space required.
Avantageusement et selon l'invention, on calcule, et on utilise en tant que point origine équivalent de diffusion, pour chaque rayon incident, deux points origine moyens de diffusion : un point Msk(ΩÎ) associé à une diffusion de rayonnement selon un premier hémisphère prédéterminé de l'espace, dit hémisphère supérieur, et un point M^Ω- ) associé à la diffusion de rayonnement selon un deuxième hémisphère prédéterminé de l'espace, dit hémisphère inférieur, les deux hémisphères supérieur et inférieur étant choisis de façon que la direction de référence soit orthogonale au plan diamétral séparant ces deux hémisphères. On réalise ainsi un bon compromis entre d'une part une bonne précision de résultats, et d'autre part des temps de calcul et un espace mémoire nécessaire raisonnables. Avantageusement et selon l'invention, la direction de référence est la direction orthogonale au plan diamétral séparant les hémisphères supérieur et inférieur.Advantageously and according to the invention, one calculates, and one uses as point of origin equivalent of diffusion, for each incident ray, two points of origin means of diffusion: a point M sk (ΩÎ) associated with a radiation diffusion according to a first predetermined hemisphere of space, called upper hemisphere, and a point M ^ Ω-) associated with the scattering of radiation according to a second predetermined hemisphere of space, called lower hemisphere, the two upper and lower hemispheres being chosen so that the reference direction is orthogonal to the diametral plane separating these two hemispheres. We thus achieve a good compromise between on the one hand a good precision of results, and on the other hand computing times and a reasonable necessary memory space. Advantageously and according to the invention, the reference direction is the direction orthogonal to the diametral plane separating the upper and lower hemispheres.
Dans le cas où la représentation numérique simulée comprend au moins une image simulée vue de l'extérieur de la scène selon une direction d'observation orientée vers un observateur extérieur, fixe et prédéterminée par rapport à la scène, avantageusement et selon l'invention, la direction d'observation est orientée dans l'hémisphère supérieur. Avantageusement et selon l'invention, la direction de référence orthogonale au plan diamétral séparant les deux hémisphères supérieur et inférieur est la verticale d'une zone de sol d'une planète, la scène s'étendant à partir de ladite zone de sol de la planète. Avantageusement et selon l'invention, le procédé permet d'obtenir simultanément Nv images vues selon Nv directions d'observations orientées vers l'hémisphère supérieur.In the case where the simulated digital representation comprises at least one simulated image seen from outside the scene in a direction of observation oriented towards an outside observer, fixed and predetermined with respect to the scene, advantageously and according to the invention, the direction of observation is oriented in the upper hemisphere. Advantageously and according to the invention, the direction of reference orthogonal to the diametral plane separating the two upper and lower hemispheres is the vertical of a ground zone of a planet, the scene extending from said ground zone of the planet. Advantageously and according to the invention, the method makes it possible to simultaneously obtain Nv images seen according to Nv directions of observations oriented towards the upper hemisphere.
Avantageusement et selon l'invention, on choisitAdvantageously and according to the invention, one chooses
Msk(Ωt)=MS)kvjvj =20°)) et Msk(Ωi)=Ms>kvjvj =160°)). Ces choix sont en général de très bons compromis, surtout pour la simulation d'images de télédétection.M sk (Ωt) = M S) kvjvj = 20 °)) and M sk (Ωi) = M s> kvjvj = 160 °)). These choices are generally very good compromises, especially for the simulation of remote sensing images.
Dans la plupart des applications pratiques, avantageusement et selon l'invention, on calcule deux points origine moyens MS(ΩÎ) et Ms(Ω-J') respectivement associés à la diffusion selon les directions montantes appartenant audit hémisphère supérieur et respectivement les directions descendantes appartenant audit hémisphère inférieur, ces deux points origine moyens Ms(Ωf ) et Ms(Ωl) étant utilisés en tant que points origines équivalents de diffusion pour l'ensemble des rayons incidents sur la cellule turbide. De la sorte, le calcul de l'énergie ré-émise W0UtVj) reste simple même lorsque les cellules reçoivent plusieurs rayons incidents, comme cela est généralement le cas. Pour chaque cellule turbide, les points MS(ΩÎ) et Ms(Ω-l) sont respectivement calculés en tant que barycentres énergétiques des points origine moyens de diffusion Msk(ΩÎ) et Ms (Ω-l-*), calculés sur les différents rayons incidents sur la cellule turbide, avec les relations itératives :In most practical applications, advantageously and according to the invention, two average origin points M S (ΩÎ) and M s (Ω-J ' ) are calculated respectively associated with the diffusion in the rising directions belonging to said upper hemisphere and respectively the descending directions belonging to said lower hemisphere, these two average origin points M s (Ωf) and M s (Ωl) being used as equivalent origin origin points for all the rays incident on the turbid cell. In this way, the calculation of the re-emitted energy W 0UtVj ) remains simple even when the cells receive several incident rays, as is generally the case. For each turbid cell, the points M S (ΩÎ) and M s (Ω-l) are calculated respectively as energetic barycenters of the origin point of diffusion means M sk (ΩÎ) and M s (Ω-l- *), calculated on the different rays incident on the turbid cell, with the iterative relationships:
. o , _Wint.ts(Ωt) + Wintsk). (Ωt U Wint + intCΩd-. o , _W int .t s (Ωt) + W intsk ). (Ωt U Wint + intCΩd-
, . f Q K , VvWtJΩ-l) + W*,tsk).t,k(ΩJ) et u«*J Wiπt + Wintsk) où ts(ΩÎ) indique les coordonnées x, y et z du point,. f QK , VvWtJΩ-l) + W *, tsk ) .t, k (ΩJ) and u "* JW iπt + W intsk ) where t s (ΩÎ) indicates the coordinates x, y and z point
MS(ΩÎ), tsk(ΩÎ) indique les coordonnées x, y et z du point Msk(Ωt), et Wint est l'énergie interceptée sans compter l'énergie W]ntsk) qui vient d'être interceptée. Après cette dernière interception, l'énergie interceptée est donc : Wint + Wιntsk).M S (ΩÎ), t sk (ΩÎ) indicates the x, y and z coordinates of the point M sk (Ωt), and W int is the energy intercepted without counting the energy W ] ntsk ) which has just been intercepted. After this last interception, the intercepted energy is therefore: Wi nt + W ιntsk ).
Ce calcul est effectué de manière séquentielle lors de toute interaction avec une cellule.This calculation is performed sequentially during any interaction with a cell.
Avantageusement et selon l'invention, le procédé est en outre caractérisé en ce qu'avant de calculer les énergies ré-émises W0Utvj) par chaque cellule, chaque point origine moyen M3(ΩT) et MS(Ω>1') est remplacé par un point d'émission équivalent qui est le point Pe le plus proche choisi parmi une pluralité de points d'émission Pe possibles régulièrement répartis dans chaque cellule, pour lesquels toutes les trajectoires possibles des rayons issus de tous les points Pe selon toutes les directions de ré-émission Ωvj possibles ont été préalablement calculées et enregistrées.Advantageously and according to the invention, the method is further characterized in that before calculating the re-emitted energies W 0Utvj ) by each cell, each mean origin point M 3 (ΩT) and M S (Ω> 1 ') is replaced by an equivalent emission point which is the nearest point Pe chosen from a plurality of possible emission points Pe regularly distributed in each cell, for which all the possible trajectories of the rays emanating from all the points Pe according to all possible re-emission directions Ω vj have been previously calculated and recorded.
Ainsi, avantageusement et selon l'invention, le calcul préalable de toutes les trajectoires possibles des rayons dans la scène est effectué pour une grille de plusieurs points à l'intérieur de la cellule origine, et non pas uniquement pour le centre de la cellule. Ainsi, tout trajet de rayon issu du pointThus, advantageously and according to the invention, the prior calculation of all the possible trajectories of the rays in the scene is carried out for a grid of several points inside the origin cell, and not only for the center of the cell. So any ray path from the point
Pe d'une cellule quelconque de coordonnées (X,Y,Z) dans la scène, déterminées à partir d'une cellule origine (0,0,0), est obtenu par translation (X,Y,Z) du trajet d'un rayon parallèle issu du point Pe correspondant dans la cellule origine (0,0,0).Pe of any cell with coordinates (X, Y, Z) in the scene, determined from an origin cell (0,0,0), is obtained by translation (X, Y, Z) of the path of a parallel radius from the corresponding point Pe in the origin cell (0,0,0).
Lors de toute diffusion, il est choisi les deux points Pe les plus proches des points origine moyens MS(ΩÎ) et Ms(Ωi).During any diffusion, the two points Pe closest to the average origin points M S (ΩÎ) and M s (Ωi) are chosen.
Avantageusement et selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce qu'on calcule par itérations successives un rayonnement ré-émis par chaque cellule comprenant au moins un rayon ré-émis dans au moins une direction de ré-émission Ωvj, en calculant et mémorisant à chaque itération :Advantageously and according to the invention, the method is characterized in that one calculates by successive iterations a radiation re-emitted by each cell comprising at least one ray re-emitted in at least one direction of re-emission Ω vj , by calculating and memorizing at each iteration:
- le rayonnement incident sur la cellule issu des rayons réémis par les autres cellules adjacentes comme déterminé à l'itération précédente,- the radiation incident on the cell originating from rays re-emitted by the other adjacent cells as determined in the previous iteration,
- le rayonnement ré-émis par la cellule issu notamment de la diffusion du rayonnement intercepté dû au rayonnement incident sur la cellule. En outre, avantageusement et selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce que l'on définit préalablement dans la scène, indépendamment des cellules, notamment par triangularisation, des éléments géométriques qui représentent différents éléments du paysage, et on calcule l'énergie ré-émise Woutvj) en prenant en compte ces éléments géométriques en tant qu'éléments principalement réfléchissants et/ou absorbants.- the radiation re-emitted by the cell originating in particular from the diffusion of the intercepted radiation due to the radiation incident on the cell. In addition, advantageously and according to the invention, the method is characterized in that one defines beforehand in the scene, independently of the cells, in particular by triangularization, geometric elements which represent different elements of the landscape, and the energy is calculated re-emitted W outvj ) taking into account these geometric elements as mainly reflecting and / or absorbing elements.
L'invention permet ainsi pour la première fois de réaliser des images simulées prenant en compte simultanément et avec une grande précision radiométrique, d'une part, les milieux translucides (par exemple la végétation, les herbes, les feuilles des arbres...) grâce au découpage en cellules turbides, mais aussi les milieux opaques (murs, toits, sols, étendues d'eau, reliefs naturels...) grâce aux éléments géométriques. Les mécanismes de diffusion, absorption et émission sont systématiquement pris en compte à l'aide de modélisations physiques très précises (fonctions de transfert pour les milieux translucides et modèles paramétriques pour les milieux opaques).The invention thus makes it possible for the first time to produce simulated images taking into account simultaneously and with high radiometric precision, on the one hand, the translucent media (for example vegetation, grasses, leaves of trees ...) thanks to the division into turbid cells, but also the opaque environments (walls, roofs, floors, bodies of water, natural reliefs ...) thanks to the geometric elements. The diffusion, absorption and emission mechanisms are systematically taken into account using very precise physical modeling (transfer functions for translucent media and parametric models for opaque media).
Par ailleurs, dans certaines applications avantageuses de l'invention, la scène comprend une portion de sol d'une planète, notamment la Terre, et une portion d'espace s'étendant au-dessus de cette portion de sol. L'invention permet alors de prendre en compte avec précision la nature tridimensionnelle de l'atmosphère et des surfaces planétaires pour ce qui est de la propagation du rayonnement. Cet aspect est essentiel pour obtenir des images avec une bonne précision radiométrique. En effet, les mécanismes d'interaction "atmosphère-terre" sont extrêmement complexes, en particulier du fait de la nature tridimensionnelle de l'atmosphère et des surfaces terrestres. Ainsi, avantageusement et selon l'invention, la scène comprenant une portion de sol d'une planète, on définit en partie supérieure de la scène, au-dessus de la portion de sol, une colonne atmosphérique découpée en cellules, dites cellules atmosphériques ayant, comme les cellules turbides, des propriétés radiatives connues supposées homogènes dans l'ensemble de chaque cellule atmosphérique. Toutes les cellules atmosphériques de même altitude, c'est-à-dire situées dans un même plan perpendiculaire à la direction de référence, ont les mêmes dimensions et propriétés physiques (densité, coefficients d'extinction, etc.). Avantageusement et selon l'invention, les dimensions des cellules atmosphériques croissent avec l'altitude. En effet, les gaz et aérosols étant moins denses en altitude, la dimension des cellules peut augmenter sans nuire à la précision radiométrique. En outre, avantageusement et selon l'invention, le procédé est caractérisé en ce que la colonne atmosphérique comprend une zone inférieure, dite basse atmosphère, au contact de la portion de sol (définissant une zone de paysage jusqu'au sol planétaire), et une zone supérieure, dite atmosphère haute et intermédiaire. De la sorte, on constate que l'on arrive à prendre en compte le comportement radiatif (diffusion, absorption, émission thermique, transmittance) de l'atmosphère avec une bonne précision, et ce malgré la complexité de ses mécanismes tridimensionnels. Ainsi, à partir d'un rayonnement solaire prédéterminé défini par un rayon incident sur la face supérieure de chaque cellule de la couche supérieure de la colonne atmosphérique, on réalise des exécutions successives suivantes :Furthermore, in certain advantageous applications of the invention, the scene comprises a portion of soil from a planet, in particular the Earth, and a portion of space extending above this portion of soil. The invention then makes it possible to take into account with precision the three-dimensional nature of the atmosphere and of the planetary surfaces as regards the propagation of the radiation. This aspect is essential for obtaining images with good radiometric accuracy. Indeed, the "atmosphere-earth" interaction mechanisms are extremely complex, in particular due to the three-dimensional nature of the atmosphere and of terrestrial surfaces. Thus, advantageously and according to the invention, the scene comprising a portion of soil from a planet, an upper column of the scene, above the portion of soil, is defined as an atmospheric column divided into cells, called atmospheric cells having , like turbid cells, known radiative properties assumed to be homogeneous throughout each atmospheric cell. All atmospheric cells of the same altitude, that is to say located in the same plane perpendicular to the reference direction, have the same dimensions and physical properties (density, extinction coefficients, etc.). Advantageously and according to the invention, the dimensions of the atmospheric cells increase with altitude. Indeed, the gases and aerosols being less dense at altitude, the size of the cells can increase without compromising the radiometric precision. In addition, advantageously and according to the invention, the method is characterized in that the atmospheric column comprises a lower zone, called the lower atmosphere, in contact with the ground portion (defining a landscape zone up to the planetary ground), and an upper zone, called the upper and intermediate atmosphere. In this way, we note that we manage to take into account the radiative behavior (diffusion, absorption, thermal emission, transmittance) of the atmosphere with good precision, despite the complexity of its three-dimensional mechanisms. Thus, from a predetermined solar radiation defined by an incident ray on the upper face of each cell of the upper layer of the atmospheric column, the following successive executions are carried out:
1) on détermine le rayonnement incident sur la face supérieure des cellules de la basse atmosphère issu du rayonnement solaire après propagation dans l'atmosphère haute et intermédiaire (dans le domaine des grandes longueurs d'onde, le rayonnement incident comprend aussi le rayonnement thermique atmosphérique).1) determining the incident radiation on the upper face of the cells of the lower atmosphere from the solar radiation after propagation in the upper and intermediate atmosphere (in the field of long wavelengths, the incident radiation also includes atmospheric thermal radiation ).
2) on détermine le rayonnement (rayonnement thermique et rayonnement réfléchi dû au rayonnement incident déterminé à l'exécution 1)) montant issu de la basse atmosphère,2) the radiation (thermal radiation and reflected radiation due to the incident radiation determined during execution 1)) is determined, amount coming from the lower atmosphere,
3) on détermine le rayonnement rétrodifrusé par l'atmosphère haute et intermédiaire vers la basse atmosphère à partir du rayonnement réfléchi déterminé à l'exécution 2),3) the radiation backscattered by the upper and intermediate atmosphere towards the lower atmosphere is determined from the reflected radiation determined during execution 2),
4) on détermine le rayonnement réfléchi par la basse atmosphère vers l'atmosphère haute et intermédiaire à partir du rayonnement rétrodifrusé déterminé à l'exécution 3), 5) on détermine le rayonnement final montant dans la colonne atmosphérique -notamment au niveau de sa face supérieure- issu de la somme des rayonnements réfléchis déterminés aux exécutions 2) et 4) après propagation à travers l'atmosphère haute et intermédiaire.4) the radiation reflected by the lower atmosphere to the upper and intermediate atmosphere is determined from the backscattered radiation determined at runtime 3), 5) the final radiation rising in the atmospheric column is determined - in particular at its face superior- from sum of the reflected radiations determined in executions 2) and 4) after propagation through the upper and intermediate atmosphere.
De préférence, l'atmosphère haute et intermédiaire comprend une zone supérieure, dite atmosphère haute, qui dans l'exécution 3) ne diffuse du rayonnement que vers le haut, tout le rayonnement arrivant dans cette atmosphère haute étant diffusé vers le haut. Dans l'exécution 3), seule l'atmosphère intermédiaire (zone de l'atmosphère haute et intermédiaire située sous l'atmosphère haute) est donc susceptible de diffuser du rayonnement vers la basse atmosphère. L'invention s'étend à un produit logiciel apte à être chargé dans la mémoire vive d'un système informatique pour la mise en œuvre d'un procédé selon l'invention de façon à réaliser un dispositif informatique selon l'invention.Preferably, the upper and intermediate atmosphere comprises an upper zone, called the upper atmosphere, which in embodiment 3) only diffuses radiation upwards, all the radiation arriving in this upper atmosphere being scattered upwards. In execution 3), only the intermediate atmosphere (zone of the upper and intermediate atmosphere located under the upper atmosphere) is therefore capable of diffusing radiation towards the lower atmosphere. The invention extends to a software product capable of being loaded into the random access memory of a computer system for the implementation of a method according to the invention so as to produce a computer device according to the invention.
Ce produit logiciel est un programme d'ordinateur adapté pour être chargé en mémoire vive interne d'un ordinateur. Il peut être proposé sous la forme d'un support d'enregistrement ou mis à disposition pour téléchargement sur un réseau de transmission d'informations (internet). L'invention s'étend aussi à un support d'enregistrement adapté pour pouvoir être lu par un lecteur relié à un système informatique, caractérisé en ce qu'il comprend un programme enregistré adapté pour pouvoir être chargé en mémoire vive du système informatique et le programmer pour mettre en oeuvre un procédé selon l'invention. Un support d'enregistrement selon l'invention comprend donc un produit logiciel selon l'invention et permet, lorsqu'il est lu sur un lecteur d'un ordinateur, le produit logiciel étant chargé en mémoire vive, l'obtention de représentations numériques simulées -notamment d'images simulées- de l'état énergétique radiatif d'une scène tridimensionnelle hétérogène.This software product is a computer program suitable for loading into the internal RAM of a computer. It can be offered in the form of a recording medium or made available for download on an information transmission network (internet). The invention also extends to a recording medium adapted to be able to be read by a reader connected to a computer system, characterized in that it comprises a recorded program adapted to be able to be loaded into random access memory of the computer system and the program to implement a method according to the invention. A recording medium according to the invention therefore comprises a software product according to the invention and makes it possible, when read on a reader of a computer, the software product being loaded into random access memory, to obtain simulated digital representations - in particular simulated images - of the radiative energy state of a heterogeneous three-dimensional scene.
L'invention s'étend à un procédé, un produit logiciel et un support d'enregistrement caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques apparaissant ci-dessus ou ci-après. D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent de la description suivante qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles : - la figure 1 est un organigramme fonctionnel général d'un procédé selon l'invention,The invention extends to a method, a software product and a recording medium characterized in combination by all or some of the characteristics appearing above or below. Other objects, characteristics and advantages of the invention appear from the following description which refers to the appended figures in which: FIG. 1 is a general functional flow diagram of a method according to the invention,
- la figure 2 est un schéma illustrant un exemple de la scène tridimensionnelle d'un procédé selon l'invention, - la figure 3 est un schéma illustrant un exemple de portion de sol et, partiellement, une portion atmosphérique d'une scène tridimensionnelle hétérogène terrestre découpée en cellules parallélépipédiques dans un procédé selon l'invention,- Figure 2 is a diagram illustrating an example of the three-dimensional scene of a method according to the invention, - Figure 3 is a diagram illustrating an example of a portion of soil and, partially, an atmospheric portion of a heterogeneous three-dimensional scene terrestrial cut into parallelepiped cells in a process according to the invention,
- les figures 4a à 4c illustrent des exemples de secteurs d'incidence définis dans un procédé selon l'invention,FIGS. 4a to 4c illustrate examples of incidence sectors defined in a method according to the invention,
- la figure 5 est un schéma illustrant les différentes étapes de prise en compte du couplage atmosphère - sol dans un procédé selon l'invention,FIG. 5 is a diagram illustrating the different stages of taking into account the atmosphere-soil coupling in a method according to the invention,
- la figure 6 est un schéma de principe illustrant la détermination d'un point d'émission,FIG. 6 is a block diagram illustrating the determination of an emission point,
- les figures 7a et 7b sont des schémas illustrant la détermination des points origine moyens de diffusion d'une cellule turbide dans un procédé selon l'invention,FIGS. 7a and 7b are diagrams illustrating the determination of the means of origin points of diffusion of a turbid cell in a method according to the invention,
- la figure 8 est un organigramme chronologique général des étapes successives d'un procédé selon l'invention,FIG. 8 is a general chronological flowchart of the successive steps of a method according to the invention,
- la figure 9 est un organigramme chronologique du calcul de points d'émission des cellules turbides lors de la première itération d'un procédé selon l'invention,FIG. 9 is a chronological flowchart of the calculation of emission points of the turbid cells during the first iteration of a method according to the invention,
- la figure 10 est un organigramme chronologique du calcul d'un point d'émission d'une cellule opaque dans un procédé selon l'invention,FIG. 10 is a chronological flowchart of the calculation of an emission point of an opaque cell in a method according to the invention,
- la figure 11 est un organigramme chronologique du calcul de points d'émission des cellules turbides aux itérations subséquentes (autres que la première) du procédé selon l'invention,FIG. 11 is a chronological flowchart of the calculation of emission points of the turbid cells in subsequent iterations (other than the first) of the method according to the invention,
- la figure 12 est un organigramme chronologique des étapes mises en œuvre par le module atmosphère d'un procédé selon l'invention.- Figure 12 is a chronological flowchart of the steps implemented by the atmosphere module of a method according to the invention.
La figure 1 représente un schéma des différents modules fonctionnels d'un procédé selon l'invention. Sur cette figure, on a représenté en pointillés les modules de saisie 1, 2 et 3 qui permettent à l'utilisateur de saisir les différents paramètres de configuration selon l'application envisagée.FIG. 1 represents a diagram of the various functional modules of a method according to the invention. In this figure, we have represented in dotted the input modules 1, 2 and 3 which allow the user to enter the various configuration parameters according to the envisaged application.
Le module de saisie 1 permet de définir les caractéristiques géométriques de la scène tri-dimensionnelle que l'on souhaite représenter. Dans l'exemple représenté, la scène comprend une portion de sol 6 d'une planète, notamment la Terre, et une portion d'atmosphère 7 s'étendant à partir des éléments de la portion de sol jusqu'à une altitude prédéterminée.The input module 1 makes it possible to define the geometric characteristics of the three-dimensional scene that one wishes to represent. In the example shown, the scene comprises a portion of soil 6 of a planet, in particular the Earth, and a portion of atmosphere 7 extending from the elements of the portion of soil to a predetermined altitude.
Le module de saisie 2 permet de définir les caractéristiques optiques (réflectance foliaire pg, transmittance foliaire τ, etc.) et thermiques (T^ de la scène tri-dimensionnelle que l'on souhaite représenter.The input module 2 makes it possible to define the optical (leaf reflectance pg, leaf transmittance τ , etc.) and thermal (T ^ of the three-dimensional scene that one wishes to represent) characteristics.
A partir des paramètres saisis dans les modules de saisie 1 et 2, un module, dit module maquette 4, crée une maquette informatique 5 représentative de la scène, représentée figures 2 et 3. Dans cette maquette 5, la scène est découpée en une pluralité de cellules élémentaires qui dans l'exemple représenté et de préférence, sont cubiques. En variante, ces cellules peuvent être parallélépipédiques.From the parameters entered in the input modules 1 and 2, a module, called the model module 4, creates a computer model 5 representative of the scene, represented in FIGS. 2 and 3. In this model 5, the scene is divided into a plurality elementary cells which in the example shown and preferably are cubic. Alternatively, these cells can be parallelepiped.
Dans la maquette 5, il est également défini grâce au module de saisie 1, indépendamment des cellules, des éléments géométriques qui représentent différents éléments de paysage principalement réfléchissants et/ou absorbants -notamment le relief du sol (y compris les surfaces de sol nu, les surfaces aquatiques et les routes, mais à l'exclusion des surfaces végétales), des murs et des toits de bâtiments, et des troncs d'arbres-. Ces éléments géométriques sont définis par triangularisation du paysage, c'est à dire par un maillage représentant le paysage en tant que juxtaposition de polygones (triangles et parallélogrammes) selon les coordonnées des points extrêmes des éléments géométriques saisis et selon la finesse du maillage spatial choisie dans le module de saisie 1.In the model 5, it is also defined by the input module 1, independently of the cells, of the geometric elements which represent different landscape elements mainly reflecting and / or absorbing -notably the relief of the ground (including the bare ground surfaces, aquatic surfaces and roads, but excluding plant surfaces), walls and roofs of buildings, and tree trunks. These geometric elements are defined by triangularization of the landscape, that is to say by a mesh representing the landscape as a juxtaposition of polygons (triangles and parallelograms) according to the coordinates of the extreme points of the geometric elements entered and according to the fineness of the spatial mesh chosen. in the input module 1.
Le module de saisie 3 permet de définir dans un repère de l'espace indépendant des cellules le mode de discrétisation de différentes directions de l'espace selon lesquelles le rayonnement peut se propager. On définit au moins une pluralité de directions et leur répartition spatiale. Pour chaque pluralité de directions, on définit le nombre N de directions Ω, et éventuellement des densités de distribution spécifiques de ces directions dans certains secteurs angulaires. On peut ainsi définir Ns directions incidentes Ωs, etThe input module 3 makes it possible to define in a benchmark of the space independent of the cells the mode of discretization of different directions of the space according to which the radiation can propagate. At least a plurality of directions and their spatial distribution are defined. For each plurality of directions, the number N of directions Ω is defined, and possibly specific distribution densities of these directions in certain angular sectors. We can thus define N s incident directions Ω s , and
Nv directions de ré-émission Ωv.N v re-emission directions Ω v .
De préférence, les directions incidentes Ωs possibles des rayons incidents sont déterminées dans la même pluralité discrète de directions de l'espace que les directions de ré-émission Ωv (NS=NV=N). De surcroît, on définit une direction particulière supplémentaire correspondant à la direction, dite direction incidente initiale Ω°, d'une source de lumière principale telle que le soleil. Il y a donc N-t-1 directions définies. En conséquence, toute maquette 5 contient :Preferably, the possible incident directions Ω s of the incident rays are determined in the same discrete plurality of directions of space as the directions of re-emission Ω v (N S = N V = N). In addition, an additional particular direction is defined corresponding to the direction, called the initial incident direction Ω °, of a main light source such as the sun. There are therefore Nt-1 defined directions. Consequently, any model 5 contains:
- des cellules turbides, chaque cellule turbide ayant des propriétés radiatives connues supposées homogènes dans toute la cellule turbide ; en particulier, des cellules turbides, dites cellules foliaires 71, représentent la végétation (herbes, cultures, prairies, couronnes d'arbres, ...) et des cellules turbides, dites cellules atmosphériques 72, représentent l'atmosphère ; ,- turbid cells, each turbid cell having known radiative properties assumed to be homogeneous throughout the turbid cell; in particular, turbid cells, called leaf cells 71, represent the vegetation (grasses, crops, meadows, crowns of trees, etc.) and turbid cells, called atmospheric cells 72, represent the atmosphere; ,
- des cellules dites cellules opaques 73 contenant au moins une partie d'un élément géométrique tel que décrit ci-dessus, et éventuellement de la matière turbide (végétation ou atmosphère). Comme on le voit figure 2, la portion d'atmosphère comprend avantageusement plusieurs niveaux d'atmosphère discrets :- cells called opaque cells 73 containing at least part of a geometric element as described above, and possibly turbid material (vegetation or atmosphere). As can be seen in FIG. 2, the atmosphere portion advantageously comprises several discrete atmosphere levels:
- un niveau d'atmosphère basse 11, dont les cellules 72 ont la même dimension que les cellules de la portion de sol 6 et qui s'étendent au- dessus de cellules foliaires 71 ou opaques 73 de la portion de sol 6 ; - un niveau d'atmosphère intermédiaire 12 s'étendant au- dessus de l'atmosphère basse 11, et dont les cellules 72 ont une dimension plus grande ;a low atmosphere level 11, the cells 72 of which have the same dimension as the cells of the soil portion 6 and which extend above the leaf 71 or opaque cells 73 of the soil portion 6; an intermediate atmosphere level 12 extending above the low atmosphere 11, and the cells 72 of which have a larger dimension;
- un niveau d'atmosphère haute 13 dont les cellules 73 ont une dimension encore plus grande -notamment occupent chacune toute une couche horizontale de la scène-.- A high atmosphere level 13 whose cells 73 have an even larger dimension - in particular each occupy an entire horizontal layer of the scene -.
Les cellules turbides 71, 72 sont caractérisées par des propriétés optiques et géométriques spécifiques définies grâce aux modules de saisie 1,2. Ainsi, pour chaque type de végétation, il est défini une orientation angulaire foliaire représentée par un coefficient LAD et une biomasse foliaire représentée par un coefficient LAI. Pour l'atmosphère, il est défini pour les gaz (exposant m) et les aérosols (particules solides ou liquides ; exposant p) des profils verticaux (variant selon l'altitude z) d'albédo de diffusion simple ωm(z) et ωp(z), de coefficient d'extinction α™(z) et α^z), de coefficient d'extinction par absorption α"(z) et α^(z), de fonction de transfert de diffusion Tmskvj) et Tpskvj), ainsi qu'un profil de température T(z).The turbid cells 71, 72 are characterized by specific optical and geometric properties defined by means of the entry 1,2. Thus, for each type of vegetation, a leaf angular orientation is defined represented by a LAD coefficient and a leaf biomass represented by a LAI coefficient. For the atmosphere, it is defined for gases (exponent m) and aerosols (solid or liquid particles; exponent p) vertical profiles (varying according to altitude z) of albedo of simple diffusion ω m (z) and ω p (z), extinction coefficient α ™ (z) and α ^ z), absorption extinction coefficient α "(z) and α ^ (z), of diffusion transfer function T m ( Ω sk , Ω vj ) and T psk , Ω vj ), as well as a temperature profile T (z).
Les coefficients d'extinction α™, α™, a et α^ sont déterminés à toute altitude z à partir de la connaissance des épaisseurs optiques atmosphériques totales associées à l'absorption gazeuse τ™, à là diffusion gazeuse τ, à l'absorption des aérosols τ^ et à là diffusion des aérosols τp. Pour cela, les profils de densité volumique des gaz et des aérosols sont supposés décroître exponentiellement avec l'altitude. L'ozone est le seul gaz qui fait exception. Par suite : α(z) 7T -..eexxpp[[--gτT]| où le facteur d'échelle H spécifie le type de profil exponentiel.The extinction coefficients α ™, α ™, a and α ^ are determined at any altitude z from knowledge of the total atmospheric optical thicknesses associated with gas absorption τ ™, with gas diffusion τ , with absorption of aerosols τ ^ and there diffusion of aerosols τ p . For this, the density profiles of gases and aerosols are assumed to decrease exponentially with altitude. Ozone is the only exception. Consequently: α (z) 7T - .. eexxpp [[- gτT] | where the scale factor H specifies the type of exponential profile.
Il est utilisé un facteur d'échelle Hm pour les gaz uniformément mélangés dans l'atmosphère, c'est à dire tous les gaz autres que l'ozone et la vapeur d'eau. Il est utilisé un facteur d'échelle HH∑O pour la vapeur d'eau. Il est utilisé une loi analytique pour représenter le profil de l'ozone, car celui-ci est surtout centré autour de 20-30km d'altitude. Les gaz uniformément mélangés sont essentiellement N2, O2, CO2, CH et N2O. D'autre part, il est utilisé un facteur d'échelle Hp pour représenter le profil de densité volumique des aérosols.A scale factor H m is used for gases uniformly mixed in the atmosphere, ie all gases other than ozone and water vapor. A scale factor H H∑O is used for water vapor. An analytical law is used to represent the profile of ozone, since it is mainly centered around 20-30km of altitude. The uniformly mixed gases are essentially N 2 , O 2 , CO 2 , CH and N 2 O. On the other hand, a scale factor H p is used to represent the density profile of aerosols.
Les épaisseurs optiques τ™(λ) et τ™(λ) sont calculées à toute longueur d'onde λ à partir d'une table d'épaisseurs optiques τ™(λ ) et τ^λ,) à des longueurs d'onde λi pré-définies. Les valeurs
Figure imgf000018_0001
sont calculées avec des modèles atmosphériques comme 6-S (Nermote E. F., Tanré D., Deuzé J.L., Herman M. and Morcrette J.-J., "Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum, 6S: An overview", IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 35, pp. 675-686, May 1997) pour des conditions atmosphériques standards telles qu'une atmosphère tropicale. L'utilisateur peut donner des valeurs particulières, si nécessaire. La forte variabilité spatiale et temporelle de la vapeur d'eau atmosphérique explique que la table stocke l'épaisseur optique τ™(λ*,dk) de H2O pour K valeurs d'épaisseur d'eau pouvant être précipitée dk. Par suite, le module maquette 4 calcule τ™(λ,d) par interpolation sur la quantité d'eau atmosphérique pouvant être précipitée d et sur la longueur d'onde λ.
The optical thicknesses τ ™ (λ) and τ ™ (λ) are calculated at any wavelength λ from a table of optical thicknesses τ ™ (λ) and τ ^ λ,) at wavelengths λi pre-defined. Values
Figure imgf000018_0001
are calculated with atmospheric models like 6-S (Nermote EF, Tanré D., Deuzé JL, Herman M. and Morcrette J.-J., "Second simulation of the satellite signal in the solar spectrum, 6S: An overview", IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, vol. 35, pp. 675-686, May 1997) for standard atmospheric conditions such as a tropical atmosphere. The user can give particular values, if necessary. The high spatial and temporal variability of atmospheric water vapor explains why the table stores the optical thickness τ ™ (λ *, d k ) of H 2 O for K values of water thickness that can be precipitated d k . Consequently, the model module 4 calculates τ ™ (λ, d) by interpolation on the quantity of atmospheric water that can be precipitated d and on the wavelength λ.
La distribution angulaire de la diffusion des gaz est modélisée avec la fonction de phase de Rayleigh (Lenoble J., 1993, Atmospheric radiative transfer, ISBN 0-937194-21-2, Deepak Publishing, Hampton, Virginia, USA) :The angular distribution of the gas diffusion is modeled with the Rayleigh phase function (Lenoble J., 1993, Atmospheric radiative transfer, ISBN 0-937194-21-2, Deepak Publishing, Hampton, Virginia, USA):
Pκ(Ψsv)≈ ^ 1.(l+cos Ψsv)+Pκ (Ψ sv ) ≈ ^ 1. (L + cos Ψ sv ) +
≈0.7552+0J345.cos2Ψsv ≈0.7552 + 0J345.cos 2 Ψ sv
=> PRsv)≈|.(l+cos2Ψsv)=> P Rsv ) ≈ |. (L + cos 2 Ψ sv )
où δ est le facteur de dépolarisation. Il dépend de l'anisotropie des molécules et est toujours petit. Pour une atmosphère terrestre moyenne δ≈0.0279. l'angle Ψgv est l'angle entre les directions Ωs et Ωv. Il vérifie la relation : cosΨsv=[cosθv.cosθs+sinθv.sinθs.cos(Φvs)]where δ is the depolarization factor. It depends on the anisotropy of the molecules and is always small. For an average terrestrial atmosphere δ≈0.0279. the angle Ψgv is the angle between the directions Ω s and Ω v . It checks the relation: cosΨ sv = [cosθ v .cosθ s + sinθ v .sinθ s .cos (Φ vs )]
L'épaisseur optique des aérosols est calculée à toute λ longueur d'onde λ par la loi empirique d'Angstrom : τjî(λ) = τp ;0).[r-]''|î. Le λ0 coefficient d'Angstrom β dépend du type d'aérosols présents. Il est en général compris entre 0.5 et 2. D'autre part, l'on a : τp(λ) = ωpg(λ) et τ^(λ) = (l-ωp).τ^(λ), où ωp est l'albédo de diffusion simple. Le calcul du taux de diffusion et d'absorption par les aérosols atmosphériques à toute altitude z nécessite donc la connaissance de 4 paramètres : l'épaisseur optique τ^(λ0) à une longueur d'onde λ0 pré-définie, le coefficient β, l'albédo de diffusion simple ωp et le facteur d'échelle Hp. La distribution angulaire de la diffusion des aérosols est modélisée avec la somme de deux fonctions PP(Ψ) de Henyey-Greenstein (Lenoble, 1993) :The optical thickness of the aerosols is calculated at any λ wavelength λ by the empirical law of Angstrom: τjî (λ) = τ p ;0 ). [r-] '' | î . The λ 0 coefficient of Angstrom β depends on the type of aerosols present. It is generally between 0.5 and 2. On the other hand, we have: τ p (λ) = ω pg (λ) and τ ^ (λ) = (l-ω p ) .τ ^ (λ), where ω p is the simple diffusion albedo. The calculation of the diffusion and absorption rate by atmospheric aerosols at any altitude z therefore requires the knowledge of 4 parameters: the optical thickness τ ^ (λ 0 ) at a pre-defined wavelength λ 0 , the coefficient β, the simple diffusion albedo ω p and the scale factor H p . The angular distribution of the aerosol diffusion is modeled with the sum of two P P (Ψ) functions from Henyey-Greenstein (Lenoble, 1993):
Figure imgf000020_0001
où le facteur d'asymétrie g représente le surplus de diffusion avant par rapport à la diffusion arrière. Il est donc nul si Pp(Ψ) est symétrique. Il dépend du type d'aérosols et de la longueur d'onde.
Figure imgf000020_0001
where the asymmetry factor g represents the front diffusion surplus compared to the rear diffusion. It is therefore zero if P p (Ψ) is symmetrical. It depends on the type of aerosol and the wavelength.
Un module géométrique 9 calcule et mémorise les directions incidentes Ωs et les directions de ré-émission Ωv en fonction des valeurs saisies dans le module de saisie 3. En outre, le module géométrique 9 calcule et mémorise, dans le repère de l'espace indépendant des cellules, une pluralité de M secteurs volumiques, dits secteurs d'incidence ΔΩ ιj, en nombre M inférieur aux Ns directions incidentes Ωs mais contenant toutes les Ns directions incidentes ΩS) complémentaires les uns des autres dans l'angle solide plein et formant une partition de l'angle solide plein.A geometric module 9 calculates and stores the incident directions Ω s and the re-emission directions Ω v as a function of the values entered in the input module 3. In addition, the geometric module 9 calculates and stores, in the reference frame of the space independent of the cells, a plurality of M volume sectors, called incidence sectors ΔΩ ι j, in number M less than the N s incident directions Ω s but containing all the N s incident directions Ω S) complementary to each other in l solid solid angle and forming a partition of the solid solid angle.
De préférence, le nombre Ns de directions incidentes (le nombre N de directions dans le cas où NS=NV=N) est supérieur à 100, notamment compris entre 100 et 1000.Preferably, the number N s of incident directions (the number N of directions in the case where N S = N V = N) is greater than 100, in particular between 100 and 1000.
De préférence, le nombre M de secteurs d'incidence, saisi grâce au module de saisie 3, est supérieur à 2 et inférieur à 20. La figure 4a représente un exemple avec M=6 ; la figure 4b représente un exemple avec M=10 ; la figure 4c représente un exemple avec M=14. La valeur M=6 représente un bon compromis pour les scènes terrestres.Preferably, the number M of incidence sectors, entered using the entry module 3, is greater than 2 and less than 20. FIG. 4a represents an example with M = 6; FIG. 4b represents an example with M = 10; FIG. 4c represents an example with M = 14. The value M = 6 represents a good compromise for terrestrial scenes.
Un module, dit module optique 8, calcule et mémorise pour chaque type de cellule turbide quatre fonctions de transfert à partir des propriétés optiques et géométriques des éléments contenus dans la cellule saisies par les modules de saisie 1, 2 :A module, called the optical module 8, calculates and stores for each type of turbid cell four transfer functions from the optical and geometric properties of the elements contained in the cell entered by the input modules 1, 2:
(1) une fonction de transfert de transmittance T(Ω), par unité de déplacement et par unité de densité volumique de surface de la matière contenue dans la cellule. Cette fonction permet de calculer l'énergie transmise Wtt(Ω) à travers la cellule turbide, et donc aussi l'énergie interceptée Wj„t(Ω) par la cellule turbide, selon chacune des Ns+1 directions incidentes Ωs pré -définies, (cf. publication "Modelling Radiative Transfer in Heterogeneous 3-D Végétation Canopies" J-P. Gastellu-Etchegorry et al Remote Sens. Environ. 58 : 131-156 (1996)) ;(1) a transmittance transfer function T (Ω), per unit of displacement and per unit of surface density of the material contained in the cell. This function calculates the energy transmitted W tt (Ω) through the turbid cell, and therefore also the energy intercepted Wj „ t (Ω) by the turbid cell, according to each of the N s +1 pre-defined incident directions Ω s , (cf. publication" Modeling Radiative Transfer in Heterogeneous 3-D Vegetation Canopies "JP. Gastellu-Etchegorry et al Remote Sens. Environ. 58: 131-156 (1996));
(2) une fonction de transfert de diffusion initiale T(ΩsVj) mémorisée pour la direction incidente initiale Ω° et chaque direction de ré-émission ΩVJ initialement définies ; cette fonction indique l'énergie que tout élément volumique de la cellule diffuse à la première itération du procédé selon chacune des Nv directions de ré-émission (Ω j), compte tenu de l'énergie Wi,πtSk) interceptée selon la direction incidente initiale (Ω°) ; cette fonction de transfert de diffusion initiale T(Ω°,Ωvj) est préalablement calculée par le module optique 8 ;(2) an initial diffusion transfer function T (Ω s , Ω Vj ) memorized for the initial incident direction Ω ° and each re-emission direction Ω VJ initially defined; this function indicates the energy that any voluminal element of the cell diffuses at the first iteration of the method according to each of the N v directions of re-emission (Ω j ), taking into account the energy Wi, πtSk ) intercepted according to the initial incident direction (Ω °); this initial diffusion transfer function T (Ω °, Ω vj ) is previously calculated by the optical module 8;
(3) une fonction de transfert de diffusion de secteur T(ΔΩM,i,ΩVj) permettant de calculer pour chaque secteur d'incidence ΔΩM)i et chaque direction de ré-émission Ωvj, une énergie, dite énergie diffusée de secteur i-g(ΔΩM>i,Ω j), diffusée au point origine équivalent de diffusion MS)kvj) dans la direction de ré-émission ΩVJ à partir de l'énergie interceptée de secteur Wint(ΔΩM,i) du secteur d'incidence ΔΩM,i. Cette fonction T(ΔΩ ,i,Ωvj) est calculée selon la formule I ci-dessus. Les fonctions de transfert de diffusion T(Ωskv*) sont préalablement calculées par le module optique 8 ;(3) a sector diffusion transfer function T (ΔΩ M , i, Ω Vj ) making it possible to calculate, for each incident sector ΔΩ M) i and each re-emission direction Ω vj , an energy, known as scattered energy sector ig (ΔΩ M> i, Ω j ), scattered at the equivalent origin point of scattering M S) kvj ) in the re-emission direction Ω VJ from the intercepted sector energy Wi n t ( ΔΩ M , i) of the incident sector ΔΩ M , i. This function T (ΔΩ, i, Ωv j ) is calculated according to formula I above. The diffusion transfer functions T (Ω sk , Ω v *) are previously calculated by the optical module 8;
(4) une fonction de transfert thermique T(uf,Tffvj) ui permet de calculer l'énergie thermique ré-émise par la cellule dans la direction de ré-émission ,ΩVJ, compte tenu de la quantité de matière uf présente ainsi que de la température Tf et de l'émissivité εf de cette matière (Thèse « Modélisation des bilans radiatifs et énergétique des couverts végétaux », P. Guillevic, Université Paul Sabatier, 13/12/1999. Paragraphe m A3.2 p47 à 49).(4) a heat transfer function T (u f , T f , ε f , Ω vj ) ui makes it possible to calculate the thermal energy re-emitted by the cell in the re-emission direction, Ω VJ , taking into account the quantity of material u f present as well as the temperature T f and the emissivity ε f of this material (Thesis "Modeling of radiative and energy balances of plant cover", P. Guillevic, Paul Sabatier University, 13/12 / 1999. Paragraph m A3.2 p47 to 49).
Il est à noter que dans un procédé selon l'invention, on utilise une fonction de transfert de transmittance T(Ω) qui est la même pour chaque type de cellule et chaque direction Ω, et qui ne dépend pas en particulier du trajet du rayon dans la cellule ni de la quantité de matière présente dans la cellule.It should be noted that in a method according to the invention, a transmittance transfer function T (Ω) is used which is the same for each type of cell and each direction Ω, and which does not depend in particular the path of the ray in the cell or the amount of material present in the cell.
Par exemple, pour des cellules de végétation foliaire, la fonction de transmittance définie par la loi de Beer-Lambert s'écrit : T(Δli, Ω) = exp[-GG, Ω).uf(i). Δli] où Δli est la distance du trajet du rayon dans la cellule, uf(i) est la quantité de surface foliaire par unité de volume G(j, Ω) est un facteur de projection des feuilles perpendiculairement à la direction Ω considérée, définissant un type de végétation. Dans le procédé de l'invention, on utilise une approximation de cette fonction, et on ne mémorise que N valeurs pour chaque type j de cellule turbide, soit T(Ω)=exp[-G , Ω)]. Pour des cellules de végétation foliaire de densité volumique foliaire U (i), on a donc : T(Δ1;, Ω) = [T(/2)]u^Λl For example, for leaf vegetation cells, the transmittance function defined by Beer-Lambert's law is written: T (Δli, Ω) = exp [-GG, Ω) .uf (i). Δli] where Δli is the distance of the ray path in the cell, uf (i) is the quantity of leaf area per unit of volume G (j, Ω) is a projection factor of the leaves perpendicular to the direction Ω considered, defining a type of vegetation. In the method of the invention, an approximation of this function is used, and only N values are stored for each type j of turbid cell, ie T (Ω) = exp [-G, Ω)]. For foliar vegetation cells with foliar volume density U (i), we therefore have: T (Δ1 ;, Ω) = [T (/ 2)] u ^ Λl
Tous ces calculs étant effectués, un module, dit module radiatif 10, simule la propagation du rayonnement dans la scène par itérations successives, et, à chaque itération, par suivi de rayon à travers les cellules de la scène, comme expliqué ci-après, et fournit une représentation numérique simulée de l'état radiatif de la scène. Cette représentation peut comprendre des images 11 de télédétection, pour toutes les directions de ré-émission ΩVJ* montantes et/ou des matrices tri-dimensionnelles 12 représentatives du bilan radiatif de la scène.All these calculations being carried out, a module, called a radiative module 10, simulates the propagation of the radiation in the scene by successive iterations, and, at each iteration, by ray tracking through the cells of the scene, as explained below, and provides a simulated digital representation of the radiation state of the scene. This representation can include remote sensing images 11, for all rising Ω VJ * re-emission directions and / or three-dimensional matrices 12 representative of the radiation balance of the scene.
La figure 8 est un organigramme général des différentes étapes mises en œuvre dans un procédé d'obtention selon l'invention, par le module radiatif 10.FIG. 8 is a general flow diagram of the different steps implemented in a process for obtaining according to the invention, by the radiative module 10.
Comme cela est illustré schématiquement figure 6 dans l'étape initiale 14, le module radiatif 10 prédéfinit dans une cellule origine de coordonnées (0,0,0) (figure 3) une pluralité de points d'émission possibles Pe, régulièrement répartis au sein de la cellule. Dans l'exemple représenté figure 6, la cellule est vue en élévation et comprend 53=125 points d'émission possibles Pe. En outre, le module radiatif 10 calcule au préalable et enregistre toutes les trajectoires possibles à travers la scène des rayons pouvant être émis à partir de chaque point d'émission possible Pe selon les différentes directions de réémission Ωv> par suivi de rayon. Ce calcul 14 initial fournit donc n3.N liste chaînées qui sont mémorisées, où n3 est le nombre de points Pe et N est le nombre total de directions Ω autres que la direction initiale Ω°. Une liste chaînée correspond donc à un trajet possible selon une direction donnée et à partir d'un point Pe donné. Tout élément de liste chaînée est une structure qui contient les coordonnées du point d'entrée et la longueur du trajet dans la cellule en cours ainsi que l'indice qui indique la cellule suivante.As illustrated diagrammatically in FIG. 6 in the initial step 14, the radiative module 10 predefines in a source cell with coordinates (0,0,0) (FIG. 3) a plurality of possible emission points Pe, regularly distributed within of the cell. In the example shown in FIG. 6, the cell is seen in elevation and comprises 5 3 = 125 possible emission points Pe. In addition, the radiative module 10 calculates beforehand and records all the possible trajectories through the scene of the rays that can be emitted from each possible emission point Pe according to the different directions of re-emission Ω v> by ray tracking. This initial calculation 14 therefore provides n 3 .N linked list which are stored, where n 3 is the number of points Pe and N is the total number of directions Ω other than the initial direction Ω °. A linked list therefore corresponds to a possible path in a given direction and from a given point Pe. Any linked list item is a structure that contains the coordinates of the entry point and the length of the path in the current cell as well as the index that indicates the next cell.
On détermine 15 tout d'abord l'éclairement solaire au sommet de l'atmosphère 7. Cet éclairement solaire est défini par la direction incidente initiale Ω° et par une énergie incidente initiale Wu,(Ω°) comme représenté figure 2.The solar illumination at the top of the atmosphere 7 is first of all determined. This solar illumination is defined by the initial incident direction Ω ° and by an initial incident energy Wu, (Ω °) as shown in FIG. 2.
Une première étape 16 d'un module, dit module atmosphère, simule la propagation du rayonnement solaire "Wm(Ω°) à travers l'atmosphère et détermine 17 l'éclairement solaire direct incident sur la portion de sol 6 (c'est-à-dire l'énergie résultant de la transmission du rayonnement solaire à travers l'atmosphère et incidente sur la portion de sol 6). Lors de cette étape 16 du module atmosphère, il est également déterminé 18 l'éclairement diffus du paysage, c'est-à-dire le rayonnement résultant de la diffusion 19 après interception des rayonnements incidents sur les différentes cellules atmosphériques, augmenté de l'émission thermique 20 des cellules atmosphériques calculé précédemment. L'éclairement solaire direct de la portion de sol 6 est déterminé par simulation de la partie du rayonnement solaire initial non intercepté par les cellules atmosphériques.A first step 16 of a module, called the atmosphere module, simulates the propagation of solar radiation " W m (Ω °) through the atmosphere and determines 17 the direct solar illumination incident on the ground portion 6 (this is ie the energy resulting from the transmission of solar radiation through the atmosphere and incident on the ground portion 6). During this step 16 of the atmosphere module, it is also determined 18 the diffuse illumination of the landscape, that is to say the radiation resulting from the diffusion 19 after interception of the radiation incident on the various atmospheric cells, increased by the thermal emission 20 of the atmospheric cells calculated previously. The direct solar illumination of the portion of soil 6 is determined by simulation of the part of the initial solar radiation not intercepted by atmospheric cells.
Lors de l'étape 22 subséquente, on détermine, cellule après cellule, l'énergie ré-émise W0Ut(Ωvj) par diffusion par chaque cellule de la portion de sol 6 dans chacune des directions de ré-émission Ωvj. Pour chaque cellule, on calcule tout d'abord au moins un point d'émission Pe. On calcule d'une part 23 deux points d'émission Pe-l, Pet pour les cellules turbides, et d'autre part, et simultanément, lors de l'étape 24, un point d'émission Pe pour chaque élément surfacique de toute cellule opaque 73. La figure 9 représente les différentes étapes du calcul des points Pe-i, Pet. A partir du rayonnement solaire direct issu de l'étape 17, on calcule 25 pour la première cellule turbide 71, 72 rencontrée par chaque rayon incident selon la direction solaire Ωs, une énergie interceptée de secteur Wints) égale à l'énergie interceptée par la cellule turbide, et ce par application de la fonction de transfert de transmittance T(Ω> : Wint(Ω°)-=Win(Ω°) [1-|Y(Ω°)]U^-Δli], où Uf(i) est par exemple la densité volumique foliaire d'une cellule de végétation et où Δli es la longueur de la trajectoire du rayon de direction Ω° dans la cellule i. On calcule ensuite 26 deux points origine moyens de diffusion M°(Ωt) et Mg(Ω-l') associés respectivement à la diffusion du rayonnement selon un premier hémisphère supérieur de l'espace, et, selon un deuxième hémisphère inférieur. Pour ce faire, on applique la formule (II) ci- dessus et on choisit par exemple et de préférence M°(Ωt)=MS)vjv=200)) et M°(Ω*i)=MS(kvjv=1600)). Lors de cette première itération Ωs =Ω°.During the subsequent step 22, the re-emitted energy W 0U t (Ω vj ) is determined, cell after cell, by diffusion by each cell of the soil portion 6 in each of the re-emission directions Ω vj. For each cell, first of all at least one emission point Pe is calculated. One calculates on the one hand two emission points Pe-1, Pet for the turbid cells, and on the other hand, and simultaneously, during step 24, an emission point Pe for each surface element of any opaque cell 73. FIG. 9 represents the different stages of the calculation of the points Pe-i, Pet. From direct solar radiation from step 17, 25 is calculated for the first turbid cell 71, 72 encountered by each incident ray in the solar direction Ω s , an intercepted energy from sector Wi nts ) equal to l energy intercepted by the turbid cell, and this by applying the transmittance transfer function T (Ω>: W int (Ω °) - = W in (Ω °) [1- | Y (Ω °)] U ^ - Δli ], where U f (i) is for example the leaf density of a vegetation cell and where Δli is the length of the trajectory of the direction radius Ω ° in cell i. Then we calculate 26 two points of origin scattering means M ° (Ωt) and Mg (Ω-l ') respectively associated with the scattering of radiation in a first upper hemisphere of space, and, in a second lower hemisphere. To do this, apply the formula ( II) above and we choose for example and preferably M ° (Ωt) = M S)vjv = 20 0 )) and M ° (Ω * i) = M S (k ( Ω vjv = 160 0 )). During this first iteration Ω s = Ω °.
La cellule turbide 71, 72 pouvant recevoir plusieurs rayons incidents de direction Ωs, on calcule deux points origine moyens Ms(Ωt) et Ms(Ω*i) en tant que barycentres énergétiques des points Msk(Ωt) et respectivement Ms (Ω*l), et ce lors de l'étape 27 subséquente. Ce calcul est effectué avec les relations itératives susmentionnées.Since the turbid cell 71, 72 can receive several incident rays of direction Ω s , two average origin points M s (Ωt) and M s (Ω * i) are calculated as energy barycenters of the points M sk (Ωt) and respectively M s (Ω * l), and this during the subsequent step 27. This calculation is performed with the iterative relationships mentioned above.
La figure 7a représente schématiquement la détermination du point origine moyen de diffusion Msk(Ωt) et la figure 7b représente un exemple de calcul d'un point origine moyen Ms(Ωt) avec trois rayons incidents d'énergie incidente W*nsl), W*nts2), et Wints3) respectivement dans le cas général de trois directions incidentes distinctes Ωsl) Ωs2> Ωs3. Dans la première itération, le même calcul est effectué mais toutes les directions incidentes sont confondues avec Ωs. De façon plus générale, et lors des itérations subséquentes, pour chaque rayon incident, on détermine les trois points origine moyens de diffusion Msl(Ωt), Ms2(Ωt)et Ms3(Ωt). On fait le barycentre de ces trois points pour trouver le point origine moyen Ms(Ωt). H est à noter que les figures 7a, 7b, sont tracées dans le plan, la cellule étant vue en élévation, mais doivent être considérées dans l'espace, les cellules étant des volumes.FIG. 7a schematically represents the determination of the mean origin point of diffusion M sk (Ωt) and FIG. 7b represents an example of calculation of a mean origin point M s (Ωt) with three incident rays of incident energy W * n ( Ω sl ), W * nts2 ), and W ints3 ) respectively in the general case of three distinct incident directions Ω sl) Ω s2> Ω s3 . In the first iteration, the same calculation is made but all the incident directions are confused with Ω s . More generally, and during subsequent iterations, for each incident ray, the three mean origin points of diffusion M sl (Ωt), M s2 (Ωt) and M s3 (Ωt) are determined. We make the barycenter of these three points to find the mean origin point M s (Ωt). It should be noted that FIGS. 7a, 7b, are plotted in the plan, the cell being seen in elevation, but must be considered in space, the cells being volumes.
On réitère ces différentes étapes 25 à 27 successivement pour toutes les cellules turbides 71, 72 de la portion de sol 6 comme schématisé par la flèche 28 de la figure 5.These different steps 25 to 27 are repeated successively for all the turbid cells 71, 72 of the soil portion 6 as shown diagrammatically by the arrow 28 in FIG. 5.
On calcule ensuite 29 l'énergie diffusée Wdi î(Ω°,Ωvj) diffusée au point origine moyen Ms(Ωt) et MS(Ω -*), selon que la direction de réémission considérée ΩVJ est montante ou descendante, à partir de l'énergie interceptée de secteur
Figure imgf000025_0001
calculée à l'étape 25 précédente et par application de la fonction de transfert de diffusion initiale T(Ω°,ΩVj) précalculée, soit : Wdffl(Ω; Aj)≈ Wιnt(Ω;).T(Ω ,Ω j).
We then calculate 29 the scattered energy W d i î (Ω °, Ω vj ) scattered at the mean origin point M s (Ωt) and M S (Ω - *), depending on whether the direction of re-emission considered Ω VJ is rising or descending, from intercepted sector energy
Figure imgf000025_0001
calculated in step 25 above and by applying the precalculated initial diffusion transfer function T (Ω °, Ω Vj ), that is: W dffl (Ω; A j ) ≈ W ιnt (Ω;). T (Ω, Ω j ).
On détermine ensuite 30 quels sont les points d'émission possibles Pet et Pei les plus proches des points origine moyens Ms(Ωt) et Ms(Ω*i) comme représenté schématiquement figure 6. En effet, on a préalablement calculé, pour chaque cellule, une pluralité de points d'émission Pe possibles, régulièrement répartis dans la cellule. Egalement, le module radiatif 10 a calculé préalablement et enregistré les trajectoires possibles des différents rayons issus selon les directions incidentes Ωsk possibles, et les directions de réémission ΩVJ* possibles, à partir des différents points d'émission Pe possibles de la cellule origine (0,0,0) (calcul initial 14). Dans une cellule quelconque de coordonnées (X,Y,Z), tout trajet de rayon issu d'un point d'émission Pe possible est déterminé à partir des listes chaînées mémorisées pour la cellule origine (0,0,0) par translation (X,Y,Z) du trajet (liste chaînée) d'un rayon parallèle issu du point Pe correspondant dans la cellule origine (0,0,0). Ainsi, on calcule lors de l'étape 31 l'énergie diffusée par la cellule turbide dans chacune des directions de ré-émission Ω j, c'est-à-dire l'énergie W0Ut(Ωy*) en supposant que cette énergie est ré-émise à partir du point Pe qui est soit le point Pet, soit le point Pe*! selon que la direction Ω * est montante ou descendante.We then determine which are the possible emission points Pet and Pei closest to the average origin points M s (Ωt) and M s (Ω * i) as shown diagrammatically in FIG. 6. Indeed, we have previously calculated, for each cell, a plurality of possible emission points Pe, regularly distributed in the cell. Also, the radiative module 10 has previously calculated and recorded the possible trajectories of the different rays coming from the possible incident directions Ω sk , and the possible re-emission directions Ω VJ *, from the different possible emission points Pe of the source cell (0,0,0) (initial calculation 14). In any cell with coordinates (X, Y, Z), any ray path from a possible emission point Pe is determined from the linked lists stored for the origin cell (0,0,0) by translation ( X, Y, Z) of the path (linked list) of a parallel ray coming from the corresponding point Pe in the origin cell (0,0,0). Thus, in step 31, the energy scattered by the turbid cell is calculated in each of the re-emission directions Ω j , that is to say the energy W 0Ut (Ωy *) assuming that this energy is re-emitted from the Pe point which is either the Pet point or the Pe * point! depending on whether the direction Ω * is rising or falling.
La figure 10 représente le calcul 24 du point d'émission Pe dans une cellule opaque à partir de l'éclairement solaire direct calculé à l'étape 17, dans la première itération. On détermine 33 si le rayon incident est ou non intercepté par un élément géométrique de la cellule. Si tel est le cas, on détermine à partir des propriétés optiques connues de l'élément géométrique, l'énergie interceptée par cet élément géométrique et les coordonnées du point d'intersection correspondant lors de l'étape 34. On calcule ensuite 35 le barycentre énergétique des différents points d'intersection correspondant aux différents rayons incidents sur l'élément de surface dans la cellule, ainsi que l'énergie totale interceptée correspondante. On réitère ces étapes 33 à 35 pour chaque élément de surface de chaque cellule opaque et sur toutes les cellules opaques, comme représenté schématiquement par la flèche 36. Dans le cas où aucun élément géométrique n'intercepte le rayon incident, comme déterminé lors de l'étape 33, on passe immédiatement à l'élément géométrique subséquent par itération comme représenté par la boucle 37 figure 10.FIG. 10 represents the calculation 24 of the emission point Pe in an opaque cell from the direct solar illumination calculated in step 17, in the first iteration. We determine 33 if the incident ray is or not intercepted by a geometric element of the cell. If this is the case, the energy intercepted by this geometric element and the coordinates of the corresponding point of intersection during step 34 are determined from the known optical properties of the geometric element. Then the barycenter is calculated. energy of the different intersection points corresponding to the different rays incident on the surface element in the cell, as well as the corresponding total intercepted energy. These steps 33 to 35 are repeated for each surface element of each opaque cell and on all the opaque cells, as shown diagrammatically by the arrow 36. In the case where no geometrical element intercepts the incident ray, as determined during the step 33, we immediately pass to the subsequent geometric element by iteration as represented by the loop 37 in FIG. 10.
Une fois ces itérations effectuées, pour chaque cellule qui contient au moins un élément géométrique (surface), on calcule 38 pour chaque élément géométrique dont l'énergie d'interception est non nulle le point d'émission Pe possible qui est le plus proche du barycentre des points d'interception et qui est extérieur à tout volume circonscrit par des éléments géométriques.Once these iterations have been carried out, for each cell which contains at least one geometric element (surface), 38 for each geometric element whose interception energy is not zero is calculated the possible emission point Pe which is closest to the barycenter of the interception points and which is external to any volume circumscribed by geometric elements.
Le module de saisie 2 a permis de définir des lois paramétriques permettant de déterminer les diffusions issues des éléments géométriques à partir des énergies interceptées par ces éléments géométriques dans les différentes directions. Il suffit donc d'appliquer ces lois paramétriques pour déterminer l'énergie diffusée Wd*Vj) au point d'émission Pe par chaque élément géométrique selon chaque direction de ré-émission ΩVJ*. On calcule ensuite 31 l'énergie ré-émise Woutvj) correspondant à cette énergie diffusée par application de la fonction de transfert de transmittance T(Q,j), si la cellule contient de la matière turbide.The input module 2 made it possible to define parametric laws making it possible to determine the diffusions originating from the geometric elements from the energies intercepted by these geometric elements in the different directions. It is therefore sufficient to apply these parametric laws to determine the energy scattered W d * Vj ) at the point of emission Pe by each geometric element in each direction of re-emission Ω VJ *. We then calculate 31 the re-emitted energy W outvj ) corresponding to this energy diffused by application of the transmittance transfer function T (Q, j), if the cell contains turbid material.
Par ailleurs, à partir de l'émission thermique atmosphérique 20 permettant d'obtenir l'éclairement diffus du paysage 18 et à partir de l'émission thermique de la portion de sol qui peut aussi être calculée 39, on obtient à l'issue de la première itération II du procédé, le rayonnement ré-émis par chacune des cellules de la maquette 5 à partir du rayonnement solaire initial. Dans cette première itération II, on ne prend donc pas en compte les phénomènes de diffusion multiples. En effet, contrairement aux diffusions multiples, la diffusion d'ordre 1 n'est influencée que par un rayonnement Wins) monodirectionnel selon la direction (Ω°). De plus, l'importance des diffusions multiples est beaucoup plus faible que celle des diffusions d'ordre 1.Furthermore, from the atmospheric thermal emission 20 making it possible to obtain the diffuse illumination of the landscape 18 and from the thermal emission of the portion of soil which can also be calculated 39, one obtains at the end of the first iteration II of the process, the radiation re-emitted by each of the cells of the model 5 from the initial solar radiation. In this first iteration II, therefore, multiple diffusion phenomena are not taken into account. In fact, unlike multiple scattering, order 1 scattering is only influenced by W in radiation (Ω s ) monodirectional in direction (Ω °). In addition, the importance of multiple broadcasts is much lower than that of order 1 broadcasts.
Le procédé se poursuit ensuite par itérations successives en calculant et mémorisant à chaque itération In :The process then continues by successive iterations by calculating and memorizing at each iteration In:
- lors d'une étape d'initialisation 40 de l'itération, pour chaque cellule, le rayonnement intercepté W;ntsk) issu de l'interception du rayonnement incident Wi„(Ωsk), sachant que ce dernier est le rayonnement réémis W0UtVJ) par les autres cellules adjacentes comme déterminé à l'itération précédente,- during an initialization step 40 of the iteration, for each cell, the intercepted radiation W; ntsk ) resulting from the interception of the incident radiation Wi „(Ω sk ), knowing that the latter is the re-emitted radiation W 0UtVJ ) by the other adjacent cells as determined in the previous iteration,
- le rayonnement ré-émis WoutVj) par chaque cellule issu notamment de la diffusion du rayonnement intercepté sur la cellule.- the radiation re-emitted W outVj ) by each cell originating in particular from the scattering of the radiation intercepted on the cell.
L'énergie interceptée Wint(ΔΩM,i) par chaque secteur est initialisée à zéro à chaque étape 40 d'initialisation d'itération.The energy intercepted W int (ΔΩ M , i) by each sector is initialized to zero at each step 40 of iteration initialization.
Là encore, on calcule pour chaque cellule au moins un point d'émission du rayonnement ré-émis, lors de chaque itération In. De même que pour la première itération, on distingue un calcul 41 pour les cellules turbides et un calcul 42 pour les cellules opaques. Le calcul 41 des points d'émission Pet et Pe-i pour les cellules turbides est expliqué plus en détail figure 11. On choisit tout d'abord lors de l'étape 43, un rayon incident sur la cellule turbide selon la direction incidente Ωsk et avec une énergie incidente Wi„(Ωsk). Lors de l'étape 44 subséquente, on détermine à quel secteur ΔΩ*,i appartient la direction incidente Ωsk. On calcule ensuite 45, l'énergie interceptée Wints ) du rayon incident par la cellule turbide par application de la fonction de transfert de transmittance T(Ω&) soit : Wmtsk)=Winsk) [l-[r(Ωsk)]Uf(i)-Δl1], où U (i) est par exemple la densité volumique foliaire d'une cellule de végétation et où Δl; est la longueur de la trajectoire du rayon de direction Ωsk dans la cellule i. On incrémente ensuite 46 l'énergie interceptée W*t(ΔΩM>*) pour chaque secteur ΔΩ*vι,i en y ajoutant l'énergie interceptée W* ntsk) par chaque rayon incident.Here again, at least one point of emission of the re-emitted radiation is calculated for each cell, during each iteration In. As for the first iteration, there is a calculation 41 for the turbid cells and a calculation 42 for the opaque cells. The calculation 41 of the emission points Pet and Pe-i for the turbid cells is explained in more detail in FIG. 11. First of all, during step 43, a radius is chosen on the turbid cell according to the incident direction Ω sk and with an incident energy Wi „(Ω sk ). During the subsequent step 44, it is determined which sector ΔΩ *, i belongs to the incident direction Ω sk . We then calculate 45, the intercepted energy Wi nts ) of the incident ray by the turbid cell by application of the transmittance transfer function T (Ω & ) either: W mtsk ) = W insk ) [l- [r (Ω sk )] Uf (i) - Δl1 ], where U (i) is for example the leaf density of a vegetation cell and where Δl; is the length of the trajectory of the direction radius Ω sk in cell i. We then increment 46 the intercepted energy W *t (ΔΩ M> *) for each sector ΔΩ * vι, i by adding to it the intercepted energy W * ntsk ) by each incident ray.
On calcule ensuite 47 deux points origine moyens de diffusion Ms (Ωt) et Msk(Ω-l) associés respectivement à la diffusion du rayonnement selon un premier hémisphère supérieur de l'espace, et, selon un deuxième hémisphère inférieur. Pour ce faire, on applique la formule (II) ci- dessus et on choisit
Figure imgf000028_0001
Lorsque la cellule turbide reçoit plusieurs rayons incidents, on calcule deux points origine moyens Ms(Ωt) et MS(Ω-I') en tant que barycentres énergétiques des points Msk(Ωt) et respectivement Ms (Ω-J'), et ce lors de l'étape 48 subséquente. Ce calcul est effectué avec les relations itératives susmentionnées.
One then calculates 47 two average points of origin of diffusion M s (Ωt) and M sk (Ω-1) associated respectively with the diffusion of the radiation according to a first upper hemisphere of space, and, according to a second lower hemisphere. To do this, we apply the formula (II) above and we choose
Figure imgf000028_0001
When the turbid cell receives several incident rays, two average origin points M s (Ωt) and M S (Ω-I ') are calculated as energy barycenters of the points M sk (Ωt) and respectively M s (Ω-J' ), and this during the subsequent step 48. This calculation is performed with the iterative relationships mentioned above.
On fait ensuite une itération 49 sur les différents rayons incidents Ms sur la cellule turbide.An iteration 49 is then made on the different incident rays M s on the turbid cell.
On calcule ensuite, lors de l'étape 50, les énergies diffusées de secteur Wdi-g(ΔΩM)i,Ωvj) diffusées par chacun des M secteurs ΔΩ* M,i dans les directions de ré-émission ΩVj par les points origine moyens Ms(Ωt) et Ms(Ωl) déterminés à l'étape 48, et ce à l'aide de la fonction de transfert de diffusion de secteur
Figure imgf000028_0002
calculée selon la formule (I) ci-dessus. En appliquant cette fonction de transfert de diffusion de secteur à l'énergie interceptée de secteur Wint(ΔΩM,i), on obtient, pour chaque direction de ré-émission ΩVj, l'énergie diffusée de secteur W ifi(ΔΩM;i,Ωvj), soit :
Then, in step 50, the scattered energies of sector W d ig (ΔΩ M) i, Ωv j ) scattered by each of the M sectors ΔΩ * M , i are calculated in the re-emission directions Ω Vj by the average origin points M s (Ωt) and M s (Ωl) determined in step 48, using the sector broadcast transfer function
Figure imgf000028_0002
calculated according to formula (I) above. By applying this sector diffusion transfer function to the intercepted energy of sector W int (ΔΩM, i), one obtains, for each re-emission direction Ω Vj , the energy scattered from sector W ifi (ΔΩ M; i, Ω vj ), that is:
Wdiff(ΔΩM;iVj)=Wint(ΔΩM,i).T(ΔΩM)i,ΩVJ) On effectue ensuite la somme de ces énergies diffusées de secteur pour déterminer l'énergie volumique diffusée Wdjfï(ΔΩvj) par la cellule turbide dans chaque direction de ré-émission Ωvjt c'est-à-dire qu'on effectue la somme des différentes énergies de secteur diffusées par les différents secteurs d'incidences ΔΩM.L Lors de l'étape 51, on détermine les deux points d'émissionW diff (ΔΩ M; i , Ω V j) = W int (ΔΩ M , i ) .T (ΔΩ M) i, Ω VJ ) The sum of these sector scattered energies is then calculated to determine the scattered volume energy W d jfï (ΔΩv j ) by the turbid cell in each re-emission direction Ω vjt, i.e. the sum of the different sector energies diffused by the different impact sectors ΔΩM.L is performed from step 51, the two emission points are determined
Pet et Pe-i- les plus proches des points origine moyens Ms(Ωt) et MS(Ω>1--). En considérant que l'énergie volumique diffusée
Figure imgf000029_0001
est émise à partir du point d'émission Pet ou Pei prédéterminé, et selon l'énergie interceptée par la matière turbide entre ce point d'émission et le point Pout (ΩVj) de sortie du rayonnement correspondant de la cellule turbide, on détermine avec la fonction de transfert de transmittance T(Ω^) l'énergie ré-émise Woutvj). On réitère le calcul 50 des énergies diffusées et ré-émises pour toutes les directions de réémission Ωyj.
Pet and Pe-i- closest to the average origin points M s (Ωt) and M S (Ω> 1--). In whereas the volume energy diffused
Figure imgf000029_0001
is emitted from the predetermined emission point Pet or Pei, and according to the energy intercepted by the turbid material between this emission point and the point Pout (Ω Vj ) of exit of the corresponding radiation from the turbid cell, it is determined with the transmittance transfer function T (Ω ^) the re-emitted energy W outvj ). One reiterates the calculation 50 of the energies diffused and re-emitted for all the directions of re-emission Ωy j .
On détermine ainsi lors de l'étape 52 l'énergie ré-émise outVj) par la cellule turbide dans la direction de ré-émission Ωvj à partir des deux points d'émission Pet et ?el selon que la direction de ré-émission ΩVj est montante ou descendante. On réitère ce calcul sur toutes les cellules turbides de la portion de sol 6 de la maquette 5.In step 52, the energy re-emitted outVj ) by the turbid cell in the direction of re-emission Ω vj is thus determined from the two emission points Pet and? El depending on whether the direction of re-emission Ω Vj is rising or falling. This calculation is repeated on all the turbid cells of the soil portion 6 of the model 5.
Pour une cellule opaque 73, le calcul 42 du point d'émission Pe est similaire au calcul 24 décrit en relation à la figure 20 pour la première itération II. Après ce calcul, l'énergie ré-émise Woutvj) par la cellule opaque 73 est également calculée lors de l'étape 52 avec une expression paramétrique comme décrit précédemment dans l'étape 31 de la première itération II. La différence est que cette fois-ci, l'expression paramétrique est adaptée au cas d'un rayonnement incident plus ou moins isotrope et non plus monodirectionnel selon la direction Ωs. L'ensemble du calcul est réitéré pour toutes les cellules de la portion de sol 6 et cette itération est représentée par la boucle 53 figure 4. Pour passer d'une itération à la suivante, on considère dans l'étape d'initialisation 40 que l'énergie ré-émise lors d'une itération In correspond à l'énergie incidente de l'itération subséquente In+1. Après un nombre n prédéterminé d'itérations, dépendant de la précision souhaitée, on connaît l'état radiatif des cellules de la portion de sol 6.For an opaque cell 73, the calculation 42 of the emission point Pe is similar to the calculation 24 described in relation to FIG. 20 for the first iteration II. After this calculation, the re-emitted energy W outvj ) by the opaque cell 73 is also calculated during step 52 with a parametric expression as described previously in step 31 of the first iteration II. The difference is that this time, the parametric expression is adapted to the case of a more or less isotropic incident radiation and no longer monodirectional according to the direction Ωs. The whole calculation is reiterated for all the cells of the portion of soil 6 and this iteration is represented by the loop 53 in FIG. 4. To pass from one iteration to the next, it is considered in the initialization step 40 that the energy re-emitted during an iteration In corresponds to the incident energy of the subsequent iteration In + 1. After a predetermined number n of iterations, depending on the desired precision, the radiative state of the cells of the soil portion 6 is known.
On détermine 54 ensuite si une retrodiffusion atmosphérique doit ou non être prise en compte. Dans l'affirmative, le module atmosphère exécute une étape 55 représentée plus en détail figure 12. En effet, ce calcul de retrodiffusion atmosphérique 55 peut ne pas être effectué à toutes les exécutions du calcul du module radiatif 10. Comme représenté schématiquement figure 5, la diffusion atmosphérique est prise en compte lors d'une première exécution El. Lors d'une deuxième exécution E2 du calcul radiatif, le module radiatif 10 calcule le rayonnement réfléchi par la portion de sol 6 vers la portion d'atmosphère 7 (correspondant à l'atmosphère haute 13 et intermédiaire 12) à partir du rayonnement incident sur la face supérieure des cellules de l'atmosphère basse 11 comme déterminé lors de la première exécution El. Lors de cette deuxième exécution E2, on n'exécute donc pas l'étape 55 de calcul de retrodiffusion atmosphérique. Par contre, lors d'une troisième exécution E3 subséquente, on détermine le rayonnement rétrodiffusé par l'atmosphère haute 13 et intermédiaire 12 (étape 55) vers la basse atmosphère 11 (et vers la portion de sol 6) à partir du rayonnement réfléchi déterminé lors de la deuxième exécution E2. Lors d'une quatrième exécution E4, le module radiatif 10 détermine le rayonnement réfléchi par la portion de sol 6 et la basse atmosphère 11 vers l'atmosphère haute 13 et intermédiaire 12, à partir du rayonnement rétrodiffusé tel que déterminé lors de la troisième exécution E3. Lors de la quatrième exécution E4, on n'exécute donc pas le calcul 55 de retrodiffusion atmosphérique.It is then determined 54 whether an atmospheric backscatter should or should not be taken into account. If so, the atmosphere module performs a step 55 shown in more detail in FIG. 12. In fact, this atmospheric backscatter calculation 55 may not be carried out at all the executions of the calculation of the radiative module 10. As shown diagrammatically in FIG. 5, atmospheric diffusion is taken into account during a first execution El. During a second execution E2 of the radiative calculation, the radiative module 10 calculates the radiation reflected by the ground portion 6 towards the atmosphere portion 7 (corresponding to the upper and intermediate atmosphere 13) from the incident radiation on the upper face of the cells of the lower atmosphere 11 as determined during the first execution E1. During this second execution E2, the step 55 for calculating atmospheric backscatter is therefore not executed. On the other hand, during a third subsequent execution E3, the radiation backscattered by the upper 13 and intermediate atmosphere 12 (step 55) to the lower atmosphere 11 (and to the ground portion 6) is determined from the determined reflected radiation. during the second execution E2. During a fourth execution E4, the radiative module 10 determines the radiation reflected by the ground portion 6 and the lower atmosphere 11 towards the upper 13 and intermediate atmosphere 12, from the backscattered radiation as determined during the third execution E3. During the fourth execution E4, the calculation 55 of atmospheric backscatter is therefore not executed.
Lors d'une cinquième exécution E5 subséquente, on détermine le rayonnement final montant dans la colonne atmosphérique -notamment au niveau de la face supérieure de la scène, c'est-à-dire de la portion atmosphère 7- après propagation à travers l'atmosphère. Cette séquence d'exécutions du procédé selon l'invention est représentée schématiquement figure 5.During a fifth subsequent execution E5, the final radiation rising in the atmospheric column is determined - in particular at the level of the upper face of the scene, that is to say of the atmosphere portion 7 - after propagation through the atmosphere. This sequence of executions of the method according to the invention is shown diagrammatically in FIG. 5.
Lors de chaque calcul 55 de retrodiffusion, comme représenté figure 12, on détermine tout d'abord 56 la réflexion du rayonnement par la portion de sol 6 et la basse atmosphère 11 selon les directions de ré- émission montantes, c'est-à-dire appartenant à l'hémisphère supérieur.During each backscatter calculation 55, as shown in FIG. 12, the reflection of the radiation by the ground portion 6 and the lower atmosphere 11 is first determined according to the rising directions of re-emission, that is to say say belonging to the upper hemisphere.
On calcule ensuite 57 la retrodiffusion atmosphérique en tant que convolution de l'énergie montante issue de la basse atmosphère 11 avec une fonction de transfert notée FTBA-BA- Cette dernière indique l'énergie rétrodiffusée WB0A( '-j'-*Ωs .) par l'atmosphère sur chaque pixel (i' j') du haut de la basse atmosphère 11 et pour toute direction descendante Ωv|, sachant l'on a une énergie unité montante
Figure imgf000030_0001
selon une direction montante Ωv-f, à partir d'un pixel (ij). Par suite, la fonction de transfert est notée FTBA-BA(Δi,Δj,Ωvt,Ωsj,), où Δi=i'-i et Δj=j-j'. L'expression de la convolution est : BOAO'J'Λ-J,)
Figure imgf000031_0001
La fonction de transfert est précalculée par le module optique 8 en simulant l'énergie WBoA(i'jl*.Ωs .) rétrodiffusée par l'atmosphère, en tout pixel (i'j1) et pour toute direction descendante Ωsi sachant que la seule source d'énergie est un pixel (i j) du haut de la basse atmosphère 11 qui envoie une énergie WBoA(i »Ωv ) selon une direction montante Ωvf. Ce calcul préliminaire est effectué de manière itérative sur toutes les directions montantes Ωvî. L'emploi de la fonction FTBA-BA diminue beaucoup les temps calcul, car il évite de simuler la retrodiffusion atmosphérique pour chaque énergie WBoA(iJ»Ωv*r) issue de tout pixel du haut de la basse atmosphère 11, selon chacune des directions montantes Ωvf. Le temps calcul est donc sensiblement diminué d'un facteur égal au nombre de pixels de la basse atmosphère 1 1, soit un terme généralement supérieur à 500, voire beaucoup plus.
We then calculate 57 the atmospheric backscatter as a convolution of the rising energy from the lower atmosphere 11 with a transfer function noted FT BA - BA - The latter indicates the backscattered energy WB0A ('-j' - * Ω s .) by the atmosphere on each pixel (i 'j') from the top of the lower atmosphere 11 and for any downward direction Ω v |, knowing that we have a rising unit energy
Figure imgf000030_0001
in a rising direction Ω v - f , from of a pixel (ij). Consequently, the transfer function is noted FT BA - BA (Δi, Δj, Ω v t, Ω s j,), where Δi = i'-i and Δj = j-j '. The expression of the convolution is: B O A O'J'Λ-J,)
Figure imgf000031_0001
The transfer function is precomputed by the optical module 8 by simulating the energy W B o A (i'j l * .Ω s .) Backscattered by the atmosphere, in any pixel (i'j 1 ) and for any direction falling Ω s i knowing that the only energy source is a pixel (ij) from the top of the lower atmosphere 11 which sends energy W B o A (i » Ω v ) in an upward direction Ω v f. This preliminary calculation is carried out iteratively on all the rising directions Ω v i. The use of the FT BA - BA function greatly reduces the calculation times, because it avoids simulating the atmospheric backscatter for each energy W B o A (iJ » Ω v * r) from any pixel at the top of the lower atmosphere 11 , according to each of the rising directions Ω vf . The computation time is therefore appreciably reduced by a factor equal to the number of pixels of the lower atmosphere 11, a term generally greater than 500, or even much more.
On calcule ensuite 58 la réflexion par la portion de sol 6 et la basse atmosphère 11 de la retrodiffusion atmosphérique précédemment calculée lors de l'étape 57. Lors du calcul 58 de réflexion, seules les directions de ré-émission montantes sont prises en compte. On calcule enfin lors de l'étape 59 le rayonnement transmis à tous les niveaux et notamment au sommet de l'atmosphère, selon les directions de ré-émission montantes, c'est-à-dire en direction du capteur 60 (observateur), qui peut être, par exemple, un capteur aéroporté ou satellitaire. L'énergie transmise depuis le sommet de la basse atmosphère 11 jusqu'au capteur 60 est calculée à l'aide d'une fonction de transfert notée FTBA-capteur(Δi,Δj,Ωvî,Ωsî). Cette fonction indique l'énergie montante WBOA(Ï' J',Ω) en tout pixel (i'j') à l'altitude du capteur 60, selon toute direction montante Ωsτ, sachant que la seule source d'énergie est due à un pixel (i j) de la basse atmosphère 11 qui envoie une énergie WBoA(ij>Ωvî) selon la direction montante Ωvτ. Par suite, l'énergie reçue au niveau du capteur 60 est Wcapteur(i* j',Ωst) = ∑i ∑j ∑Ωvî B0A(ij,Ωvt) . FTBA-capteur(i-i' j-j',Ωvt,Ωst) où WBOA J-Ω) est l'énergie totale montante issue de tout pixel (i j) de la basse atmosphère 11. Cette énergie est donc la somme de deux termes qui représentent les énergies que la portion de sol 6 diffuse vers le haut lors des étapes 56 et 58. L'invention peut faire l'objet de nombreuses variantes par rapport au mode de réalisation décrit ci-dessus. Il est possible de réaliser non seulement des images de télédétection, mais également un bilan énergétique tridimensionnel radiatif de la scène. Les images de télédétection peuvent être de type satellitaire ou autres. L'invention permet aussi d'obtenir des représentations numériques simulées d'autres scènes que des scènes terrestres.The reflection by the ground portion 6 and the lower atmosphere 11 of the atmospheric backscatter previously calculated during step 57 is then calculated 58. During the reflection calculation 58, only the uplink re-emission directions are taken into account. Finally, in step 59, the radiation transmitted at all levels and in particular at the top of the atmosphere is calculated, according to the rising re-emission directions, that is to say towards the sensor 60 (observer), which can be, for example, an airborne or satellite sensor. The energy transmitted from the top of the lower atmosphere 11 to the sensor 60 is calculated using a transfer function denoted FT BA - sensor (Δi, Δj, Ω v î, Ω s î). This function indicates the rising energy W BOA (Ï 'J', Ω ) in any pixel (i'j ') at the altitude of the sensor 60, in any rising direction Ω s τ, knowing that the only source of energy is due to a pixel (ij) of the lower atmosphere 11 which sends energy W B o A (ij > Ω v î) in the rising direction Ω v τ. Consequently, the energy received at the level of the sensor 60 is W sensor (i * j ', Ω s t) = ∑i ∑j ∑Ωvî B0A (ij, Ω v t). FT BA -sensor (ii 'j-j', Ω v t, Ω s t) where W BOA J-Ω ) is the total rising energy from any pixel (ij) in the lower atmosphere 11. This energy is therefore the sum of two terms which represent the energies that the portion of soil 6 diffuses upwards during steps 56 and 58. The invention can be the subject of numerous variants compared to the embodiment described above. It is possible to produce not only remote sensing images, but also a three-dimensional radiative energy balance of the scene. The remote sensing images can be of the satellite type or others. The invention also makes it possible to obtain simulated digital representations of scenes other than terrestrial scenes.
Les différentes fonctions mentionnées ci-dessus peuvent être aisément mises en œuvre par programmation informatique, c'est-à-dire par programmes d'ordinateurs. En particulier, le procédé selon l'invention a été mis en oeuvre et programmé en langage C sur station de travail IBM Risc 6000® sous environnement Linux. Il a été possible de simuler des images représentant des paysages naturels et urbains avec un temps de calcul de l'ordre de 4h pour des paysages complexes. Ces temps de calcul peuvent être inférieurs à 15min, et même beaucoup moins, pour des paysages relativement simples. The various functions mentioned above can be easily implemented by computer programming, that is to say by computer programs. In particular, the method according to the invention has been implemented and programmed in C language on an IBM Risc 6000® workstation in a Linux environment. It was possible to simulate images representing natural and urban landscapes with a calculation time of around 4 hours for complex landscapes. These calculation times can be less than 15 min, and even much less, for relatively simple landscapes.

Claims

REVENDICATIONS 1/ - Procédé d'obtention d'une représentation numérique simulée de l'état énergétique radiatif d'une scène (5) tridimensionnelle hétérogène, dans lequel : - on découpe la scène (5) en une pluralité de cellules (71,CLAIMS 1 / - Method for obtaining a simulated digital representation of the radiative energy state of a heterogeneous three-dimensional scene (5), in which: - the scene (5) is divided into a plurality of cells (71,
72, 73) élémentaires comprenant des cellules, dites cellules turbides (71, 72), ayant des propriétés radiatives connues supposées homogènes dans l'ensemble de chaque cellule,72, 73) elementary comprising cells, called turbid cells (71, 72), having known radiative properties assumed to be homogeneous in the whole of each cell,
- on mémorise pour chaque cellule turbide (71, 72) des fonctions de transfert permettant de déterminer, dans chaque direction d'une pluralité discrète de Nv directions de l'espace, dites directions de ré-émission Ωv> prédéterminées dans un repère de l'espace indépendant des cellules, une énergie ré-émise par la cellule turbide en fonction d'un rayonnement intercepté dû à un rayonnement incident qu'elle reçoit formé d'au moins un rayon incident défini par une direction incidente Ωs appartenant à une pluralité discrète de Ns directions de l'espace, dites directions incidentes Ωs> et une énergie incidente W ns]c), dont une fraction, dite énergie interceptée
Figure imgf000033_0001
est interceptée par la cellule turbide,
- transfer functions are stored for each turbid cell (71, 72) making it possible to determine, in each direction of a discrete plurality of N v directions of space, said directions of re-emission Ω v> predetermined in a frame of the space independent of the cells, an energy re-emitted by the turbid cell as a function of an intercepted radiation due to an incident radiation which it receives formed of at least one incident ray defined by an incident direction Ω s belonging to a discrete plurality of Ns directions of space, called incident directions Ω s> and an incident energy W ns ] c ), a fraction of which, called intercepted energy
Figure imgf000033_0001
is intercepted by the turbid cell,
- pour au moins une portion, dite portion de sol (6), de la scène, on calcule, cellule après cellule, une énergie ré-émise W0lltvj) par chaque cellule turbide (71, 72) dans chacune des directions de ré-émission Ωyj, cette énergie ré-émise Wou (Ωyj) étant considérée comme issue d'une énergie volumique diffusée Wdiff Ωyj) dans la direction de ré-émisssion Ωyj par l'ensemble de la cellule turbide, cette énergie volumique diffusée Wdi Ωyj) étant calculée en considérant qu'elle est émise totalement à partir d'un point unique de la cellule turbide, dit point origine équivalent de diffusion Ms>k(Ωyj), caractérisé en ce que :- for at least one portion, called the portion of the ground (6), of the scene, one re- emits energy, cell after cell, W 0lltvj ) by each turbid cell (71, 72) in each of the directions of re-emission Ωy j , this re-emitted energy W or (Ωyj) being considered as coming from a diffused volume energy W d i ff Ωy j ) in the direction of re-emission Ω yj by the whole of the cell turbid, this scattered volumetric energy Wdi Ωy j) being calculated by considering that it is emitted totally from a single point in the turbid cell, known as equivalent origin point of diffusion M s> k (Ωy j ), characterized in that than :
- on définit dans un repère de l'espace indépendant des cellules (71, 72) une pluralité de M secteurs, dits secteurs d'incidence ΔΩ- y, en nombre inférieur aux directions incidentes Ωs et contenant toutes les Ns directions incidentes Ωs,- a plurality of M sectors, called incidence sectors ΔΩ- y, are defined in a reference mark of the space independent of the cells (71, 72) number lower than the incident directions Ω s and containing all the N s incident directions Ω s ,
- pour calculer, au moins pour la portion de sol (6), l'énergie volumique diffusée W^f (Ωvj) dans chaque direction de ré-émission Ωvj par chaque cellule turbide :- to calculate, at least for the portion of soil (6), the volume energy scattered W ^ f (Ω v j) in each re-emission direction Ω v j by each turbid cell:
. on calcule, pour chaque secteur d'incidence ΔΩJ^ J, une énergie, dite énergie interceptée de secteur Wint(ΔΩM,i), égale à la somme des énergies interceptées intsk;i) des rayons incidents sur la cellule turbide dans des directions incidentes Ωs appartenant au secteur d'incidence ΔΩM,-;, . on utilise une fonction, dite fonction de transfert de diffusion de secteur T(ΔΩ*vι,i,ΩVj) permettant de calculer pour chaque secteur d'incidence ΔΩ*v[,i et chaque direction de ré-émission Ωvj, une énergie, dite énergie diffusée de secteur W(iiff(ΔΩ-- f,i->Ωyj), diffusée au point origine équivalent de diffusion MSjk(Ωvj) dans la direction de ré-émission Ωyj à partir de l'énergie interceptée de secteur Wint(ΔΩ ,i) du secteur d'incidence ΔΩM,i,. we calculate, for each incident sector ΔΩJ ^ J, an energy, called intercepted energy of sector W int (ΔΩM, i), equal to the sum of the intercepted energies i nts k ; i) of the incident rays on the turbid cell in incident directions Ω s belonging to the incident sector ΔΩM, - ;,. a function is used, called the sector diffusion transfer function T (ΔΩ * vι, i, Ω Vj ) making it possible to calculate for each incidence sector ΔΩ * v [, i and each re-emission direction Ω v j, an energy, called energy diffused from sector W ( iiff (ΔΩ-- f, i- > Ωyj), diffused at the equivalent origin point of diffusion M Sj k (Ω v j) in the re-emission direction Ωyj from l energy intercepted from sector Wint (ΔΩ, i) from the incident sector ΔΩM, i,
. pour chaque direction de ré-émission Ωvj? on calcule l'énergie volumique diffusée Wdj (Ωvj) par la cellule turbide comme la somme des énergies diffusées de secteur
Figure imgf000034_0001
diffusées par chaque secteur d'incidence ΔΩM^ dans cette direction de ré-émission Ωyj. 21 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fonction de transfert de diffusion de secteur T(ΔΩM,i,Ωyj) est une moyenne pondérée de fonctions de transfert de diffusion T(Ωsk, Ωvj) mémorisées pour chaque direction incidente Ωs , et chaque direction de ré-émission Ωvj.
. for each re-emission direction Ω v j ? we calculate the volume energy scattered Wdj (Ω v j) by the turbid cell as the sum of the sector scattered energies
Figure imgf000034_0001
scattered by each incidence sector ΔΩM ^ in this re-emission direction Ωyj. 21 - Method according to claim 1, characterized in that the sector transfer transfer function T (ΔΩM, i, Ωyj) is a weighted average of diffusion transfer functions T (Ω s k, Ω v j) stored for each incident direction Ω s , and each re-emission direction Ω v j.
3/ - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le nombre M de secteurs d'incidence est supérieur à 2 et ώférieur à 20. Al - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le nombre Ns de directions incidentes est supérieur à 100, notamment compris entre 100 et 1000.3 / - Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the number M of incidence sectors is greater than 2 and ώ lower than 20. A1 - Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the number N s of incident directions is greater than 100, in particular between 100 and 1000.
5/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les directions incidentes Ωs possibles des rayons incidents sont déterminées dans la même pluralité discrète de directions de l'espace que les directions de ré-émission Ωy.5 / - Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the possible incident directions Ω s of the incident rays are determined in the same discrete plurality of directions of space as the directions of re-emission Ωy.
61 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les cellules turbides (71, 72) étant formées de polyèdres, pour chaque rayon incident selon une direction Ωs et qui entre en un point Pin de l'une de ses faces, dite face d'entrée, on détermine le point origine équivalent MSιkvj) de la diffusion du rayon incident par la cellule turbide (71, 72) dans la direction de ré-émission Ωvj, comme le point situé dans la cellule turbide, sur la direction incidente Ωsk, et à une distance Δrksk) de la face d'entrée déterminée par la formule II suivante:61 - Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the turbid cells (71, 72) being formed of polyhedra, for each incident ray in a direction Ω s and which enters at a point Pin of one from its faces, called the input face, the equivalent origin point M Sιkv j) of the scattering of the incident ray by the turbid cell (71, 72) is determined in the re-emission direction Ω v j, as the point located in the turbid cell, on the incident direction Ω sk , and at a distance Δr ksk ) from the input face determined by the following formula II:
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000035_0001
G(Ω5k).|μvi| G(Ωsk) G(ΩV*)G (Ω 5k ). | Μ vi | G (Ω sk ) G (Ω V *)
. . G(Ωv .|μsk|+G(Ωsk).|μvir [1 - eXp[-Uf- ΔIk(Ωsk)-'^- ( M + ]μ,| aV6C L [l-exp[-G(Ωsk).uf.Δlksk)] ] ] . . G (Ω v . | Μsk | + G ( Ω sk) . | Μvi r [1 - eXp [ - Uf - ΔIk (Ωsk) - '^ - ( M + ] μ, | aV6C L [l-exp [-G (Ω sk ) .u f .Δl ksk )]] ]
où θsk est l'angle formé par la direction incidente Ωsk avec une direction fixe prédéterminée de l'espace, dite direction de référence, θyj est l'angle formé par la direction de ré-émission Ωvj avec la direction de référence, μsk=cosθsk, μvj=cosθyj, et Δl (Ωsk) est le trajet du rayon incident à travers la cellule, G(Ωsk) est un facteur de projection de la matière perpendiculairement à la direction Ωsk prédéterminé pour chaque type de cellule,where θ sk is the angle formed by the incident direction Ω sk with a predetermined fixed direction of space, called the reference direction, θ yj is the angle formed by the re-emission direction Ω v j with the direction of reference, μ sk = cosθ sk , μ vj = cosθ yj , and Δl (Ω sk ) is the path of the incident ray through the cell, G (Ω sk ) is a projection factor of the material perpendicular to the direction Ω sk predetermined for each type of cell,
G(ΩVj) est un facteur de projection de la matière perpendiculairement à la direction ΩVJ* prédéterminé pour chaque type de cellule. 7/ - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on calcule et on utilise en tant que point origine équivalent de diffusion, pour chaque rayon incident, au moins un point origine moyen de diffusion Msk indépendant de la direction de ré-émission Ωvj, et on calcule l'énergie diffusée de secteur Wd-^ΔΩ ^Ωyj) à partir de chaque rayon incident de direction incidente Ωsk comme diffusée à ce point origine moyen de diffusion Msk.G (Ω Vj ) is a projection factor of the material perpendicular to the direction Ω VJ * predetermined for each type of cell. 7 / - Method according to claim 6, characterized in that one calculates and uses as an equivalent origin point of diffusion, for each incident ray, at least one average origin point of diffusion M sk independent of the direction of re- emission Ω vj , and the scattered energy of sector W d - ^ ΔΩ ^ Ω yj ) is calculated from each incident ray of incident direction Ω sk as scattered at this point of origin origin of scattering M sk .
8/ - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on calcule et on utilise en tant que point origine équivalent de diffusion, pour chaque rayon incident, deux points origine moyens de diffusion : un point Msk(Ωt) associé à une diffusion de rayonnement selon un premier hémisphère prédéterminé de l'espace, dit hémisphère supérieur, et un point Msk(Ω-l--) associé à la diffusion de rayonnement selon un deuxième hémisphère prédéterminé de l'espace, dit hémisphère inférieur, les deux hémisphères supérieur et inférieur étant choisis de façon que la direction de référence soit orthogonale au plan diamétral séparant ces deux hémisphères.8 / - Method according to claim 7, characterized in that one calculates and uses as an equivalent point of origin of diffusion, for each incident ray, two points of origin of means of diffusion: a point M sk (Ωt) associated with a scattering of radiation in a first predetermined hemisphere of space, called the upper hemisphere, and a point M sk (Ω-l--) associated with the scattering of radiation in a second predetermined hemisphere of space, called lower hemisphere, the two upper and lower hemispheres being chosen so that the reference direction is orthogonal to the diametral plane separating these two hemispheres.
91 - Procédé selon la revendication 8, dans lequel la représentation numérique simulée comprend au moins une image simulée vue de l'extérieur de la scène (5) selon une direction d'observation, fixe et prédéterminée par rapport à la scène, caractérisé en ce que la direction d'observation est orientée vers l'hémisphère supérieur.91 - Method according to claim 8, in which the simulated digital representation comprises at least one simulated image seen from outside the scene (5) in a direction of observation, fixed and predetermined with respect to the scene, characterized in that that the direction of observation is oriented towards the upper hemisphere.
10/ - Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la direction de référence orthogonale au plan diamétral séparant les deux hémisphères supérieur et inférieur est la verticale d'une zone de sol d'une planète, la scène (5) s'étendant à partir de ladite zone de sol de la planète.10 / - Method according to one of claims 8 or 9, characterized in that the reference direction orthogonal to the diametral plane separating the two upper and lower hemispheres is the vertical of a ground area of a planet, the scene ( 5) extending from said soil area of the planet.
11/ - Procédé selon la revendication 6 et l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'on choisit
Figure imgf000036_0001
11 / - Method according to claim 6 and one of claims 8 to 10, characterized in that one chooses
Figure imgf000036_0001
12/ - Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'on calcule deux points origine moyens Ms(Ωt) et Ms(Ω-i) respectivement associés à la diffusion selon les directions montantes appartenant audit hémisphère supérieur et respectivement les directions descendantes appartenant audit hémisphère inférieur, ces deux points origine moyens Ms(Ωt) et MS(Ω4) étant communs et utilisés en tant que points origine équivalents de diffusion pour l'ensemble des rayons incidents sur la cellule turbide (71, 72). 13/ - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'on calcule les points origine moyens Ms(Ωt) et MS(Ω*I) en tant que barycentres énergétiques des points origine moyens de diffusion Msk(Ωt) et respectivement Msk(Ω -), calculés sur les différents rayons incidents sur la cellule turbide. 14/ - Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'avant de calculer les énergies ré-émises W0Utvj) par chaque cellule (71, 72,12 / - Method according to one of claims 8 to 11, characterized in that two average origin points M s (Ωt) and M s (Ω-i) are respectively associated with the diffusion in the rising directions belonging in said upper hemisphere and the descending directions respectively belonging to said lower hemisphere, these two mean origin points M s (Ωt) and M S (Ω4) being common and used as equivalent origin points of diffusion for all the rays incident on the turbid cell (71, 72). 13 / - Method according to claim 12, characterized in that the mean origin points M s (Ωt) and M S (Ω * I) are calculated as energetic barycenters of the mean origin scattering points M sk (Ωt) and respectively M sk (Ω -), calculated on the different rays incident on the turbid cell. 14 / - Method according to claim 13, characterized in that before calculating the re-emitted energies W 0Utv j) by each cell (71, 72,
73), chaque point origine moyen Ms(Ωt) et MS(Ω*I) est remplacé par un point d'émission équivalent qui est le point Pe le plus proche choisi parmi une pluralité de points d'émission Pe possibles régulièrement répartis dans chaque cellule, pour lesquels toutes les trajectoires possibles des rayons issus de tous les points73), each mean origin point M s (Ωt) and M S (Ω * I) is replaced by an equivalent emission point which is the closest Pe point chosen from among a plurality of possible Pe emission points regularly distributed in each cell, for which all the possible trajectories of the rays coming from all the points
Pe selon toutes les directions de ré-émission Ωvj possibles ont été préalablement calculées et enregistrées.Pe according to all possible re-emission directions Ω vj have been previously calculated and recorded.
15/ - Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que pour déterminer les points d'émission Pe possibles, on divise une cellule (71, 72, 73), en une pluralité de zones semblables et on choisit les milieux de ces zones en tant que points d'émission Pe possibles.15 / - Method according to claim 14, characterized in that to determine the possible emission points Pe, a cell (71, 72, 73) is divided into a plurality of similar zones and the media of these zones are chosen by as long as possible emission points Pe.
16/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce qu'on calcule par itérations successives un rayonnement ré-émis par chaque cellule (71, 72, 73) comprenant au moins un rayon ré-émis dans au moins une direction de ré-émission Ωyj, en calculant et mémorisant à chaque itération :16 / - Method according to one of claims 1 to 15, characterized in that one calculates by successive iterations a radiation re-emitted by each cell (71, 72, 73) comprising at least one ray re-emitted in at least a re-emission direction Ωyj, by calculating and memorizing at each iteration:
- le rayonnement incident sur la cellule (71, 72, 73) issu des rayons ré-émis par les autres cellules adjacentes (71, 72, 73), comme déterminé à l'itération précédente, - le rayonnement ré-émis par la cellule issu notamment de la diffusion du rayonnement intercepté dû au rayonnement incident sur la cellule. 17/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que l'on définit préalablement dans la scène (5) indépendamment des cellules (71, 72, 73), des éléments géométriques qui représentent différents éléments de paysage, et en ce que l'on calcule l'énergie ré- émise Woutvj) en prenant en compte ces éléments géométriques en tant qu'éléments principalement réfléchissants et/ou absorbants.- the radiation incident on the cell (71, 72, 73) from the rays re-emitted by the other adjacent cells (71, 72, 73), as determined in the previous iteration, - the radiation re-emitted by the cell resulting in particular from the scattering of intercepted radiation due to radiation incident on the cell. 17 / - Method according to one of claims 1 to 16, characterized in that one defines beforehand in the scene (5) independently of the cells (71, 72, 73), geometric elements which represent different landscape elements, and in that the re-emitted energy W outv j) is calculated by taking into account these geometrical elements as mainly reflecting and / or absorbing elements.
18/ - Procédé selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la scène (5) comprenant une portion de sol (6) d'une planète, et une portion d'atmosphère (7) s'étendant au-dessus de cette portion de sol jusqu'à une altitude prédéterminée, on définit au-dessus de la scène une colonne atmosphérique (7) découpée en cellules, dites cellules atmosphériques (72), ayant des propriétés radiatives connues supposées homogènes dans l'ensemble de chaque cellule atmosphérique (72), toutes les cellules atmosphériques (72) de même altitude ayant les mêmes dimensions et propriétés radiatives.18 / - Method according to one of claims 1 to 17, characterized in that the scene (5) comprising a portion of soil (6) of a planet, and a portion of atmosphere (7) extending au- above this portion of the ground up to a predetermined altitude, an atmospheric column (7) divided into cells, called atmospheric cells (72), is defined above the scene, having known radiative properties assumed to be homogeneous in the whole of each atmospheric cell (72), all atmospheric cells (72) of the same altitude having the same dimensions and radiative properties.
19/ - Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que les dimensions des cellules atmosphériques (72) croissent avec l'altitude.19 / - Method according to claim 18, characterized in that the dimensions of the atmospheric cells (72) increase with altitude.
20/ - Procédé selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce que la colonne atmosphérique (7) comprend une zone inférieure, dite basse atmosphère, au contact de la scène et une zone supérieure, dite atmosphère haute et intermédiaire, et en ce qu'à partir d'un rayonnement solaire prédéterminé défini par un rayon incident sur la face supérieure de chaque cellule (72) de la couche supérieure de la colonne atmosphérique (7), on réalise des exécutions successives suivantes : 1) on détermine le rayonnement incident sur la face supérieure des cellules de la basse atmosphère issu du rayonnement solaire après propagation dans l'atmosphère haute et intermédiaire,20 / - Method according to one of claims 18 or 19, characterized in that the atmospheric column (7) comprises a lower zone, called the lower atmosphere, in contact with the scene and an upper zone, called the upper and intermediate atmosphere, and in that from a predetermined solar radiation defined by an incident ray on the upper face of each cell (72) of the upper layer of the atmospheric column (7), the following successive executions are carried out: 1) one determines the incident radiation on the upper face of the cells of the lower atmosphere from solar radiation after propagation in the upper and intermediate atmosphere,
2) on détermine le rayonnement réfléchi par la zone de paysage et la basse atmosphère dans l'atmosphère haute et intermédiaire à partir du rayonnement incident déterminé à l'exécution 1), 3) on détermine le rayonnement rétrodiffusé par l'atmosphère haute et intermédiaire vers la basse atmosphère à partir du rayonnement réfléchi déterminé à l'exécution 2),2) the radiation reflected by the landscape area and the lower atmosphere in the upper and intermediate atmosphere is determined from the incident radiation determined during execution 1), 3) the radiation backscattered by the upper and intermediate atmosphere to the lower atmosphere is determined from the reflected radiation determined in execution 2),
4) on détermine le rayonnement réfléchi par la zone de paysage et la basse atmosphère vers l'atmosphère haute et intermédiaire à partir du rayonnement rétrodiffusé déterminé à l'exécution 3),4) the radiation reflected by the landscape zone and the lower atmosphere towards the upper and intermediate atmosphere is determined from the backscattered radiation determined during execution 3),
5) on détermine le rayonnement final montant dans la colonne atmosphérique -notamment au niveau de sa face supérieure- issu de la somme des rayonnements réfléchis déterminé aux exécutions 2) et 4) après propagation à travers l'atmosphère haute et intermédiaire 5) the final radiation rising in the atmospheric column is determined - notably at the level of its upper face - resulting from the sum of the reflected radiation determined in executions 2) and 4) after propagation through the upper and intermediate atmosphere
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