La présente invention se rapporte au domaine de la mesure de paramètres atmosphériques, notamment à des fins de surveillance, de prévision et de gestion de la qualité de l'air.

On connaît des techniques permettant de surveiller la qualité de l'air par mesure de concentrations de polluants dans des échantillons d'air prélevés par des stations de mesure. Par exemple, le territoire français est équipé de plusieurs centaines de stations de ce type. De telles stations de mesure constituent toutefois des infrastructures coûteuses et dont la densité est relativement faible sur le territoire.

Les échantillons d'air ainsi prélevés sont généralement utilisés pour estimer la qualité de l'air à l'aide de modèles numériques de chimie transport. Ces modèles numériques nécessitent des temps de calcul importants, conduisant à une limitation de la zone géographique étudiée et/ou du nombre de stations de mesure mis en œuvre dans la zone d'intérêt.

Ce faisant, pour estimer des niveaux de pollution à de fines échelles spatiales, il est nécessaire de recourir à des techniques de lissage et de propagation des données de mesure.

De telles techniques se traduisent par une sous-estimation des niveaux de pollution et plus généralement par une qualité insatisfaisante des analyses et prévisions auxquelles elles donnent lieu.

Un but de la présente invention est de surmonter les inconvénients précités en proposant un procédé et un dispositif capables d'améliorer la qualité des analyses et prévisions de qualité de l'air, tout en réduisant le coût des infrastructures et de leur mise en œuvre.

A cet effet, l'invention se rapporte, selon un premier aspect, à un procédé de mesure d'au moins un paramètre atmosphérique, comprenant une étape d'acquisition et une étape de balayage telles que définies ci-après.

Dans l'étape d'acquisition, on acquiert simultanément une série d'images spectrales de l'atmosphère terrestre avec des systèmes optiques, en particulier des systèmes optiques multi-spectraux travaillant dans un domaine de longueur d'onde allant de l'ultra-violet à l'infrarouge. Par exemple, ces systèmes optiques peuvent être des imageurs et/ou des radiomètres et/ou des spectro-imageurs et/ou des spectro- radiomètres. Par l'expression « image spectrale », ou « image spectrométrique », on entend une image pouvant typiquement comprendre une matrice de N * M pixels, avec N ³ 1 et M > 1. Par exemple, dans le cas particulier d'une image acquise à l'aide d'un radiomètre, N et M peuvent être chacun égaux à 1 de sorte que cette image comprenne un unique pixel.

D'une part, les systèmes optiques mis en œuvre dans le procédé selon l'invention sont situés dans l'atmosphère terrestre et sont fixes relativement à un référentiel terrestre.

D'autre part, les systèmes optiques mis en œuvre dans ce procédé sont orientés de sorte que les images spectrales qu'ils acquièrent contiennent des données de mesure dudit au moins un paramètre atmosphérique le long de lignes de visée respectives desdits systèmes optiques.

D'autre part encore, ces systèmes optiques sont agencés de sorte que, lors de l'étape d'acquisition, il existe au moins un point d'intersection entre deux lignes de visée, de sorte que deux images spectrales simultanément acquises suivant ces deux lignes de visée contiennent des données mutuelles de mesure de l'au moins un paramètre atmosphérique, ces données mutuelles de mesure étant représentatives de l'au moins un paramètre atmosphérique en un point de l'atmosphère terrestre correspondant audit point d'intersection.

Selon l'invention, l'orientation des systèmes optiques est modifiée lors de l'étape de balayage, et les étapes d'acquisition et de balayage sont répétées de manière à acquérir une succession de séries d'images spectrales comprenant un ensemble de données mutuelles de mesure représentatif de l'au moins un paramètre atmosphérique en un ensemble de points de l'atmosphère terrestre.

Un tel procédé permet de réaliser des mesures de paramètres atmosphériques à l'aide d'infrastructures peu coûteuses et améliorant la qualité des analyses et prévisions de la qualité de l'air, en particulier à l'échelle d'une zone géographique dont l'étendue est relativement réduite telle qu'une agglomération urbaine.

A titre d'exemples non limitatifs, l'au moins un paramètre atmosphérique peut être choisi parmi la température atmosphérique et/ou parmi au moins un gaz atmosphérique ayant une signature dans l'ultra-violet et/ou le visible et/ou l'infrarouge tel que 0 ₃ , N0 ₂ , S0 ₂ , CO, PMI, PM2.5, PM10, H ₂ 0, C0 ₂ , CH ₄ , N ₂ 0, NH ₃ .

En effet, les systèmes optiques de l'invention permettent de mesurer des paramètres scientifiques d'intérêt faisant l'objet d'une législation (p. ex. 0 ₃ , N0 ₂ , S0 ₂ , CO ; particules fines PMI, PM2.5, PM10) et/ou faisant l'objet de pics de pollution récurrents (p. ex. O ₃ , N0 ₂ , PM2.5, PM10), ainsi que des produits complémentaires tels que des champs météorologiques (p. ex. T, H ₂ 0), des gaz à effet de serre (p. ex. C0 ₂ , CH ₄ , N ₂ 0), des marqueurs de feux par exemple de forêt (p. ex. S0 ₂ , CO) ou encore des polluants agricoles (p. ex. NH3).

Dans un mode de réalisation, lors de l'étape de balayage, l'orientation des systèmes optiques peut être modifiée de sorte que, entre l'étape d'acquisition précédant cette étape de balayage et l'étape d'acquisition succédant à cette étape de balayage, ledit au moins un point d'intersection passe d'une première coordonnée géographique à une deuxième coordonnée géographique, cette deuxième coordonnée géographique étant différente de ladite première coordonnée géographique en longitude et/ou en latitude et/ou en élévation.

Selon un deuxième aspect, l'invention concerne aussi un procédé d'étude d'au moins un paramètre atmosphérique mettant en œuvre le procédé de mesure ci- dessus décrit.

De préférence, ce procédé d'étude d'au moins un paramètre atmosphérique peut comprendre en outre une étape d'analyse des images spectrales acquises. Une telle étape d'analyse comprend préférentiellement une étape d'inversion des images spectrales exploitant au moins une partie de l'ensemble de données mutuelles de mesure contenues dans ces images spectrales.

Selon un troisième aspect, l'invention concerne aussi un dispositif de mesure d'au moins un paramètre atmosphérique. Ce dispositif comprend un réseau de systèmes optiques agencés pour mettre en œuvre un procédé de mesure d'au moins un paramètre atmosphérique tel que décrit ci-dessus.

Comme indiqué ci-dessus, les systèmes optiques peuvent être des imageurs et/ou des radiomètres et/ou des spectro-imageurs et/ou des spectro-radiomètres. Autrement dit, les systèmes optiques peuvent être des caméras infrarouges.

La distance entre deux systèmes optiques adjacents peut typiquement être comprise entre 10 m et 20 km, de préférence entre 2 km et 5 km, plus préférentiellement égale à 3 km.

Selon une première variante, les systèmes optiques peuvent être fixés sur des supports respectifs solidaires du sol, tels que des pylônes, des bâtiments, des châteaux d'eau ou encore des ballons captifs.

On peut ainsi utiliser des infrastructures déjà existantes.

Selon une deuxième variante, les systèmes optiques peuvent être embarqués sur un ou plusieurs aéronefs stationnaires, tels que des drones ou des ballons atmosphériques. Selon un quatrième aspect, l'invention concerne aussi une utilisation des procédés et/ou du dispositif décrits ci-dessus pour estimer la qualité de l'air et/ou des paramètres météorologiques et/ou climatiques d'une zone géographique dont l'étendue est de préférence comprise entre 100 m et 100 km. De manière non limitative, cette zone géographique peut être une agglomération urbaine, un site industriel, une forêt ou encore un site agricole.

La présente invention permet ainsi de constituer un réseau tomographique de télédétection au sol capable de mesurer la qualité de l'air urbaine à l'échelle résidentielle. Cette solution permet, par exemple, d'informer des usagers ou habitants de leur exposition individuelle aux polluants de l'air grâce à une mesure fiable et en continue à l'échelle locale.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description nullement limitative qui suit et des figures annexées, dans lesquelles :

La figure 1 représente de manière schématique un réseau de systèmes optiques selon l'invention dans une première configuration ;

La figure 2 montre le réseau de systèmes optiques de la figure 1 dans une deuxième configuration.

Les éléments identiques sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures.

L'invention concerne un dispositif et un procédé de mesure d'au moins un paramètre atmosphérique mettant en œuvre une étape d'acquisition simultanée d'une série d'images spectrales de l'atmosphère terrestre à l'aide de systèmes optiques.

Le ou les paramètres atmosphériques peuvent par exemple consister en toute combinaison de gaz atmosphériques ayant une signature dans l'ultra-violet et/ou l'infrarouge tels que 0 ₃ , N0 ₂ , S0 ₂ , CO, PMI, PM2.5, PM10, H ₂ 0, C0 ₂ , CH ₄ , N ₂ 0, NH ₃ . Un autre exemple de paramètre atmosphérique est la température atmosphérique.

Une étape d'acquisition est schématiquement illustrée à la figure 1.

La figure 1 montre un réseau de quatre systèmes optiques 1A-1D. Ces systèmes optiques 1A-1D sont typiquement des caméras telles que des imageurs, des radiomètres, des spectro-imageurs, ou des spectro-radiomètres, capables d'acquérir des images spectrales dans un domaine de longueur d'onde allant de l'ultra-violet à l'infrarouge.

Les systèmes optiques 1A-1D sont situés dans l'atmosphère terrestre et sont fixes relativement à un référentiel terrestre RI. Par l'expression « systèmes optiques fixes », on entend des systèmes optiques ayant une position relative par rapport audit référentiel terrestre RI qui est invariable lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention, indépendamment de l'orientation de ces systèmes optiques qui peut être modifiée lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention.

Pour ce faire, les systèmes optiques 1A-1D peuvent être montés sur des supports respectifs solidaires du sol, tels que des pylônes, des bâtiments, des châteaux d'eau ou encore des ballons captifs. De préférence, ces supports disposent d'une alimentation électrique et/ou internet afin d'alimenter les systèmes optiques. Le dispositif peut aussi comprendre des moyens d'alimentation du type batterie solaire, et/ou des moyens de connexion wifi par exemple 3G ou 4G, et/ou des moyens de connexion à distance de tout autre type.

Alternativement, les systèmes optiques 1A-1D peuvent être embarqués sur un ou plusieurs aéronefs stationnaires, tels que des drones ou des ballons atmosphériques.

A titre d'exemple non limitatif, la distance entre deux systèmes optiques adjacents peut être d'environ 3 km. Plus généralement, en fonction de la zone géographique à étudier, cette distance peut être comprise entre 10 m et 20 km. Bien entendu, la distance entre chaque paire de systèmes optiques adjacents peut être identique ou différente. Dans l'exemple de la figure 1, la distance entre les systèmes optiques IA et IB est identique à la distance entre les systèmes optiques IB et IC et à la distance entre les systèmes optiques IC et 1D.

En référence à la figure 1, les systèmes optiques 1A-1D sont orientés de sorte que les images spectrales qu'ils acquièrent contiennent des données de mesure d'au moins un paramètre atmosphérique le long de lignes de visée 2A1-2D1 respectives desdits systèmes optiques 1A-1D.

Autrement dit, à chacun des systèmes optiques 1A-1D correspond une ligne de visée 2A1-2D1 respective le long de laquelle chacun de ces systèmes optiques 1A-1D acquiert une image spectrale ou une série d'images spectrales. En particulier, le système optique IA acquiert une image spectrale ou une série d'images spectrales le long de la ligne de visée 2A1, le système optique IB acquiert une image spectrale ou une série d'images spectrales le long de la ligne de visée 2B1, etc. (voir figure 1).

Lors de l'étape d'acquisition dans la configuration illustrée à la figure 1, les systèmes optiques 1A-1D sont agencés de sorte qu'il existe au moins un point d'intersection entre deux lignes de visée. Dans cet exemple, il existe un point d'intersection 11 entre les lignes de visée 2A1 et 2B1, et un point d'intersection 12 entre les lignes de visée 2C1 et 2D1. Un tel agencement permet l'acquisition simultanée de deux images spectrales par les systèmes optiques IA et IB, suivant les lignes de visée 2A1 et 2B1. Ces deux images spectrales contiennent des données mutuelles de mesure de l'au moins un paramètre atmosphérique. Ces données mutuelles de mesure sont représentatives de l'au moins un paramètre atmosphérique en un point de l'atmosphère terrestre correspondant dans ce cas au point d'intersection 11.

De même, un tel agencement permet l'acquisition simultanée de deux images spectrales par les systèmes optiques IC et 1D, suivant les lignes de visée 2C1 et 2D1. Ces deux images spectrales contiennent des données mutuelles de mesure de l'au moins un paramètre atmosphérique. Ces données mutuelles de mesure sont représentatives de l'au moins un paramètre atmosphérique en un point de l'atmosphère terrestre correspondant dans ce cas au point d'intersection 12.

Ainsi, lors de l'étape d'acquisition dans la configuration illustrée à la figure 1, une première série comprenant deux images spectrales est acquise, cette série d'images spectrales comprenant un ensemble de données mutuelles de mesure représentatif de l'au moins un paramètre atmosphérique en un ensemble de deux points de l'atmosphère terrestre correspondants aux points d'intersection 11 et 12.

L'invention permet d'acquérir une succession de séries d'images spectrales grâce à la mise en œuvre d'une étape de balayage, selon un principe tomographique.

L'étape de balayage consiste à modifier l'orientation des systèmes optiques 1A- 1D tel qu'illustré par la modification de l'orientation des lignes de visée associées à ces systèmes optiques entre configuration de la figure 1 et la configuration de la figure 2.

Selon l'invention, on répète successivement de telles étapes d'acquisition et de balayage de manière à acquérir une succession de séries d'images spectrales comprenant un ensemble de données mutuelles de mesure représentatif de l'au moins un paramètre atmosphérique en un ensemble de points de l'atmosphère terrestre.

Dans l'exemple des figures 1 et 2, après acquisition des deux images spectrales dans la configuration illustrée à la figure 1 puis modification de l'orientation des systèmes optiques 1A-1D pour parvenir à la configuration illustrée à la figure 2, on réalise une étape d'acquisition dans la configuration de la figure 2.

Plus précisément, dans la configuration de la figure 2, les systèmes optiques 1A-1D sont agencés de sorte qu'il existe un point d'intersection 13 entre les lignes de visée 2A2 et 2B2, un point d'intersection 14 entre les lignes de visée 2C2 et 2D2, et un point d'intersection 15 entre les lignes de visée 2A2 et 2D2. Les lignes de visées 2A2, 2B2, 2C2 et 2D2 correspondent respectivement aux systèmes optiques IA, IB, IC et 1D dans la configuration de la figure 2.

Dans cet agencement, on peut ainsi acquérir simultanément deux images spectrales suivant les lignes de visée 2A2 et 2B2 contenant des données mutuelles de mesure de l'au moins un paramètre atmosphérique. Ces données mutuelles de mesure sont représentatives de l'au moins un paramètre atmosphérique en un point de l'atmosphère terrestre correspondant au point d'intersection 13.

L'agencement illustré à la figure 2 permet aussi l'acquisition simultanée de deux images spectrales suivant les lignes de visée 2C2 et 2D2 contenant des données mutuelles de mesure de l'au moins un paramètre atmosphérique. Ces données mutuelles de mesure sont représentatives de l'au moins un paramètre atmosphérique en un point de l'atmosphère terrestre correspondant au point d'intersection 14.

De plus, dans cette configuration, les deux images spectrales acquises par les systèmes optiques IA et 1D, suivant les lignes de visée 2A2 et 2D2, contiennent en outre des données mutuelles de mesure représentatives de l'au moins un paramètre atmosphérique en un point de l'atmosphère terrestre correspondant au point d'intersection 15.

Par conséquent, l'étape d'acquisition réalisée dans la configuration illustrée à la figure 2 permet d'acquérir une deuxième série de deux images spectrales comprenant un ensemble de données mutuelles de mesure représentatif de l'au moins un paramètre atmosphérique en un ensemble de trois points de l'atmosphère terrestre correspondants aux points d'intersections 13, 14 et 15.

La répétition successive de telles étapes d'acquisition et de balayage peut être réalisée de sorte que l'ensemble de données mutuelles de mesure soit représentatif de l'au moins un paramètre atmosphérique en un ensemble de points de l'atmosphère terrestre situés dans un plan sensiblement horizontal et/ou dans un plan sensiblement vertical et/ou dans un volume de l'atmosphère terrestre.

Pour ce faire, l'orientation des systèmes optiques 1A-1D lors d'une étape de balayage peut être modifiée de sorte que, d'une étape d'acquisition antérieure à cette étape de balayage à une étape d'acquisition postérieure à cette étape de balayage, un ou plusieurs points d'intersection passent chacun d'une première coordonnée géographique à une deuxième coordonnée géographique, cette deuxième coordonnée géographique étant différente de ladite première coordonnée géographique en longitude et/ou en latitude et/ou en élévation.

La densité des lignes de visée et des points d'intersection, c'est-à-dire le nombre de répétition des étapes d'acquisition et de balayage ainsi que le pas ou incrément de l'angle d'orientation des systèmes optiques, peuvent être adaptés en fonction de la topologie de la zone d'intérêt, des résolutions horizontale et verticale souhaitées, de la densité des systèmes optiques et/ou de l'horizon optique de chaque bande ou canal spectral de chaque système optique.

Les systèmes optiques sont de préférence disposés en hauteur, c'est-à-dire dans une configuration maximisant l'horizon géométrique.

Dans un exemple de réalisation, les systèmes optiques 1A-1D sont montés sur des tourelles robotisées (non représentées) permettant d'orienter ces systèmes optiques suivant un angle compris entre -180° et +180° dans une direction longitudinale et suivant un angle compris entre 0° et +90° dans une direction latitudinale. L'angle latitudinal est compté par rapport à l'horizontale au sol positivement vers le zénith. Un tel mode de réalisation permet de scanner un demi- hémisphère supérieur.

Dans un autre mode de réalisation, l'angle latitudinal peut être compris entre - 90° et +90° de manière à scanner aussi un demi-hémisphère inférieur, et d'évaluer ainsi l'apport éventuel de la mesure de la réflectance de surface ainsi que son incidence dans le transfert radiatif (modélisation directe) et dans l'inversion (voir ci- dessous).

Tout type de scannage peut être envisagé sans sortir du cadre de l'invention et les exemples de réalisation qui précèdent ne sont aucunement limitatifs.

La présente invention permet d'étudier des paramètres atmosphériques par analyse des images spectrales acquises selon les principes décrits ci-dessus.

A cet effet, on met de préférence en œuvre une étape d'analyse comprenant une étape d'inversion des images spectrales, en exploitant au moins une partie de l'ensemble de données mutuelles de mesure contenues dans ces images spectrales.

L'analyse peut être réalisée à l'aide d'un logiciel d'inversion multi-lignes de visée bayésien.

Afin de tenir compte de l'évolution temporelle de l'au moins un paramètre atmosphérique, l'analyse peut être réalisée de manière séquentielle, en travaillant en anomalie entre le temps t et le temps t— 1 h. Par exemple, les apriori peuvent être fournis par les champs calculés à t— 1 h pour les gaz et à l'estimation faite à t pour des produits complémentaires du type champs météorologiques tels que T et H ₂ 0. L'apriori initial peut être issu d'une analyse ou prévision réalisée par des centres de météorologie sur la zone géographique étudiée. Un traitement temporel séquentiel permet de s'affranchir d'une partie des évolutions des variables géophysiques (variables atmosphériques ou caractéristiques des surfaces réfléchissantes) et donc de conserver un modèle direct linéaire. Cela permet aussi d'accélérer considérablement les temps de calcul.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples particuliers qui viennent d'être décrits et l'homme du métier pourra réaliser toute adaptation ou mettre en œuvre des étapes ou caractéristiques supplémentaires sans sortir du cadre de l'invention.

Ainsi, on pourra mettre en œuvre une étape de calibration des caméras, par exemple à l'aide d'émetteurs de lumière dont le spectre est bien caractérisé (calibration radiométrique) ou encore en utilisant des cibles noires et blanches dotées de motifs géométriques prédéfinis (calibration géométrique).

Entre autres avantages, cette invention permet :

- d'estimer la qualité de l'air avec une résolution de mesure spatio-temporelle résidentielle inférieure à 250 m/h,

- de produire des résultats d'étude en temps réel par une mesure directe plutôt que par un modèle numérique, cela avec une précision de l'ordre de 15-25%,

- de couvrir complètement une agglomération urbaine avec un réseau de stations de mesure quatre-cent fois plus dense que les réseaux existants,

- de réaliser une caractérisation tridimensionnelle de l'atmosphère,

- d'accéder à des produits complémentaires tels que des champs météorologiques (p. ex. T, H ₂ 0), des gaz à effet de serre (p. ex. C0 ₂ , CH ₄ , N ₂ 0), des marqueurs de feux par exemple de forêt (p. ex. S0 ₂ , CO) ou encore des polluants agricoles (p. ex. NH3).

Les champs d'application de cette invention sont nombreux et comprennent notamment la surveillance locale et en continue de la qualité de l'air urbaine, le suivi de sites industriels par exemple par ciblage de gaz à effet de serre, la sécurité civile par exemple par détection de feux de forêt, l'agriculture, la thermographie infrarouge de bâtiments, la valorisation territoriale, la santé par exemple par étude de corrélation entre pollution et prévalence de maladies...