Effetto dell'umidità sulla firma spettrale di minerali industriali e minerari e conseguenze sul loro rilevamento mediante imaging iperspettrale

The aim of the project was to understand the impact of water content on the spectral signature of certain terrestrial soils. When a soil is completely dry, the shape of its reflectance spectrum is mainly controlled by the minerals it contains. When the same soil is moist, its reflectance spectrum varies, and in many cases, it is more difficult to recognize the type of minerals. In this research work, a laboratory experiment was set up to measure the spectral reflectance of soil samples taken from industrial sites (bauxite, alumina, bauxaline®, gypsum, calcite, etc.) at different moisture levels. The samples were brought to a saturated state, then gradually dried. At each moisture level, we simultaneously measured their water content (by weighing) and their spectral reflectance in the solar domain using an ASD FieldSpec 3 Hi-Res spectroradiometer. These measurements have enabled us to better understand the impact of moisture on their spectral signatures. They were also used to calibrate the MARMIT model developed jointly by IPGP and ONERA. This model simulates soil reflectance spectra at different surface moisture levels as a function of three input parameters and a calibration relation previously established for each soil. In parallel, criteria related to the shape of the absorption bands (position, amplitude, shape) of the minerals of interest were defined in order to study qualitatively and possibly quantitatively the effect of moisture on the absorption bands and on their detectability. Our results allowed us to define a detection threshold for each mineral of interest. Detection capability on spectra measured in the laboratory and on those simulated with the MARMIT model has been evaluated. Finally, two hyperspectral images acquired on industrial sites (HySpex image on Gardanne and APEX image on Thann) were used to validate the approach on operational case studies. The results suggest that the water content of the soil masks the spectral signature of the minerals it contains. Laboratory data are very similar to those obtained using hyperspectral sensing. For each mineral of interest, it is possible to set a limit below which, in the presence of water, it is no longer possible to recognize the mineral itself.

Lo scopo del progetto era di comprendere l'effetto del contenuto d'acqua sulla firma spettrale di alcuni terreni. Quando un terreno è completamente asciutto il suo spettro ha una certa forma, dovuta principalmente ai minerali contenuti nel terreno stesso. Quando nello stesso terreno è presente un certo contenuto d'acqua, la firma spettrale del suolo varia e in molti casi è più difficile riconoscere il tipo di minerali che lo compongono. Questo progetto è iniziato con un esperimento di laboratorio per misurare, a diversi livelli di contenuto d'acqua, lo spettro di riflettanza di alcuni campioni di suolo provenienti da due siti industriali situati nel sud della Francia, Thann e Gardanne (bauxite, alumina, calcite, gesso). Per prima cosa è stato misurato lo spettro dei campioni totalmente secchi con l'utilizzo di uno spettroradiometro ad alta risoluzione ASD FieldSpec 3. I campioni sono stati pesati da asciutti con una bilancia di precisione, e poi bagnati con uno spruzzino fino alla saturazione. A questo punto sono state fatte altre 12 misurazioni, a diversi livelli di contenuto di acqua, sia dello spettro del campione sia con l'uso della bilancia. In questo modo si è potuto costruire un dataset dei 16 campioni utilizzati. Le misure ci hanno permesso di comprendere al meglio l'effetto dell'umidità sullo spettro di riflettanza dei suoli e sulle loro caratteristiche spettrali. I dati sono poi stati utilizzati per calibrare il modello MARMIT, sviluppato congiuntamente da IPGP e ONERA. MARMIT è in grado di simulare lo spettro di riflettanza di un suolo ad un certo contenuto di umidità in funzione di tre parametri di input e di una relazione di calibrazione precedentemente stabilita per ciascun terreno. Il modello è stato utilizzato per simulare lo spettro dei campioni a contenuti d'acqua diversi da quelli ottenuti tramite le misurazioni. Parallelamente sono stati definiti diversi criteri relativi alla forma delle bande di assorbimento dei minerali di interesse (posizione, ampiezza, forma) al fine di studiare qualitativamente e, se possibile, anche quantitativamente, l'effetto dell'umidità su tali bande e sulla loro rilevabilità. I criteri trovati sono poi stati applicati sia ai dati simulati dal modello MARMIT sia agli spettri di due immagini iperspettrali di Thann e Gardanne. I risultati ottenuti hanno portato a concludere che il contenuto d'acqua del terreno tende a nascondere la firma spettrale dei minerali in esso contenuti. I dati ottenuti in laboratorio sono molto simili ai dati ottenuti con l'utilizzo di rilevamento iperspettrale. Per ogni minerale di interesse è possibile determinare un limite sotto il quale, in presenza di acqua, non è più possibile riconoscere il minerale stesso. In futuro questi dati potranno essere utilizzati per studiare la percentuale di minerali in un determinato terreno anche in presenza di acqua.