FR2770296A1 - Procede d'analyse de particules atmospheriques et appareil d'analyse de particules atmospheriques pour la mise en oeuvre d'un tel procede - Google Patents

Abstract

Dans ce procédé d'analyse on expose des moyens collecteurs de particules à l'atmosphère à analyser pour former sur ceux-ci un dépôt de particules atmosphériques, on prend des vues des moyens collecteurs exposés et on analyse les images fournies à l'issue de l'étape de prise de vues en vue de la quantification des particules déposées. L'étape de prise de vues consistant à former une image constituée d'éléments d'image associés à une valeur numérique de luminance, au cours de l'étape d'analyse d'images, on détecte les particules en effectuant une opération de filtrage de chaque image, et l'on classe les particules détectées selon un ensemble de classes de particules.

Description

La présente invention est relative à un procédé d'analyse de particules atmosphériques ainsi qu'à un appareil d'analyse pour la mise d'un tel procédé, pour le contrôle de la pollution atmosphérique particulaire.

Les particules atmosphériques, c'est-a-dire les particules en suspension dans l'atmosphère proviennent de sources de différentes natures.

Elles peuvent être d'origine naturelle, comme par exemple le pollen, ou artificielle, comme celles qui sont émises par les gaz d'échappement de moteurs à combustion ou rejetées dans l'atmosphère par des installations industriels.

En ce qui concerne la pollution de nature industrielle, certaines réglementations ou recommandations en vigueur imposent une limitation des retombées des particules rejetées dans l'atmosphère au voisinage d'usines.

Afin de se conformer à ces réglementations ou recommandations, il est nécessaire de contrôler la qualité de l'atmosphère en surveillant les retombées particulaires néfastes pour l'environnement.

Une première technique connue d'analyse de la pollution atmosphérique consiste à exposer des collecteurs de particules à l'atmosphère à analyser et à peser les collecteurs avant et après exposition afin de déterminer la quantité de particules collectées.

Cette technique d'analyse est inefficace pour la détection de particules de masse très faible et ne permet pas de connaître la nature des particules recueillies. Or il est important de connaître cette nature pour pouvoir agir sur la cause de leur émission.

Une autre technique d'analyse connue est basée sur la mesure directe de l'opacité de collecteurs de particules exposés à l'atmosphère à analyser.

Cette dernière technique présente également un certain nombre d'inconvénients, notamment en raison du fait qu'elle ne permet pas de déterminer la nature des particules détectées.

Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.

Elle a donc pour objet un procédé d'analyse de particules atmosphériques, comprenant les étapes suivantes
- exposition de moyens collecteurs de particules à l'atmosphère à analyser pour former sur ceux-ci un dépôt de particules atmosphériques
- prise de vues desdits moyens collecteurs exposés et
- analyse d'images fournies à l'issue de l'étape de prise de vues, en vue de la quantification desdites particules déposées sur lesdits moyens collecteurs,
caractérisé en ce que ladite étape de prise de vues consistant à former au moins une image constituée d'un ensemble d'éléments d'image associés chacun à au moins une valeur numérique de luminance, au cours de l'étape d'analyse d'images, on détecte les particules en effectuant une opération de filtrage de chaque image par traitement desdites valeurs numériques de luminance, et l'on classe les particules détectées selon un ensemble de classes de particules.

Le procédé suivant l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes
- lesdites classes de particules étant affectées chacune d'une valeur de densité particulaire, ladite étape de traitement de chaque image comporte en outre une étape de calcul de la masse en particules de chaque classe à partir de la valeur de densité particulaire de chaque classe
- ladite étape de calcul de la masse en particules de chaque classe consiste à calculer la masse individuelle de chaque particule et à sommer la masse calculée des particules de chaque classe
- en variante, ladite étape de calcul de la masse en particules de chaque classe consiste à déterminer, pour chaque classe, une loi statistique de distribution différentielle des tailles de particules et à calculer la masse totale desdites particules à partir de ladite loi de distribution et de la valeur de densité particulaire correspondante
- ladite valeur de densité particulaire est obtenue pour chaque classe de particules par apprentissage préalable en exposant lesdits moyens collecteurs à une source de particules correspondantes, en déterminant la masse des particules déposées, en formant au moins une image desdits moyens collecteurs, en analysant ladite image pour la détermination du volume particulaire, et en estimant la valeur de densité particulaire à partir des valeurs massiques et volumiques déterminées
- au cours de l'étape de tri des particules, on détermine la valeur d'un ensemble de caractéristiques des particules détectées, et l'on compare les valeurs déterminées avec des valeurs prédéterminées associées aux classes de particules
- lesdites caractéristiques de particules sont choisies parmi les niveaux de gris ou les niveaux de couleur de la ou chaque image obtenue à l'issue de l'étape de prise de vues, la texture, la surface particulaire, l'exodiamètre, la largeur, le mésodiamètre, l'allongement, l'indice de forme et le volume individuel des particules détectées de chaque image vectorielle
- au cours de l'étape de tri des particules, on effectue un premier tri par classes de couleurs ou de niveaux de gris puis, pour chaque classe de couleurs ou de niveaux de gris, un deuxième tri par classes d'indices de forme et, pour chaque classe d'indices de forme, un troisième tri par tailles particulaire, et pour chaque classe de tailles de particules, on calcule la masse desdites particules déposées;
- on analyse au moins une image d'une portion de surface des moyens collecteurs exposés à l'atmosphère à analyser, on analyse différentes images de portions de surface de moyens collecteurs vierges par détection de variations desdites valeurs numériques de luminance et l'on compare lesdites variations détectées avec une valeur de seuil de validation de analyse d'images de la portion de surface exposée ;
- il est prévu une étape de comptage du nombre de particules détectées, postérieure à ladite étape de filtrage, l'étape d'exposition desdits moyens collecteurs étant répétée tant que le nombre de particules est inférieur à une valeur de seuil
- il est prévu en outre une étape de mesure de l'opacité desdits moyens collecteurs exposés, ladite étape d'exposition à l'atmosphère étant maintenue tant que l'opacité desdits moyens collecteurs est inférieure à une deuxième valeur maximale de seuil
- le dispositif comporte en outre une étape de comptage du nombre de particules segmentées, postérieure à l'étape de filtrage, l'étape d'exposition étant répétée tant que le nombre de particules segmentées est inférieur à une valeur de seuil ;
- il est prévu une étape consistant à affecter à chaque secteur de vent une proportion de chaque classe de particules ;
- on prévoit en outre une étape de calcul du flux de particules émis par chaque source de particules, à partir de la position desdites sources, de la vitesse du vent, de la concentration en particules provenant de chaque source et de coefficients de diffusion atmosphérique.

L'invention a également pour objet un appareil d'analyse de particules atmosphériques pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini ci-dessus, comportant au moins un dispositif d'exposition à l'atmosphère à analyser de moyens collecteurs de particules, et des moyens de prise de vues desdits moyens collecteurs, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de traitement d'image comprenant un algorithme de détection du contour desdites particules et un algorithme de reconnaissance adapté pour le triage des particules détectées selon un ensemble de classes de particules.

Cet appareil peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes
- le dispositif d'exposition comporte un boîtier comprenant une tête ayant sensiblement la forme d'une sphère tronquée munie d'une ouverture pour l'exposition desdits moyens collecteurs de particules, et des moyens de transfert, pilotés par une unité de commande de l'exposition desdits moyens collecteurs, assurant le transfert de ces derniers entre une position de stockage et une position d'exposition à travers ladite ouverture
- le dispositif d'exposition comporte en outre lesdits moyens de prise de vues et lesdits moyens de traitement d'images ;
- en variante, lesdits moyens de prise de vues et lesdits moyens de traitement d'images sont disposés à distance du dispositif d'exposition, dans une unité centrale de contrôle de pollution atmosphérique ;
- lesdits moyens collecteurs comportent un ensemble de plaquettes collectrices, lesdits moyens de transfert comportant une chaîne équipée de moyens moteurs pilotés par ladite unité de commande;
- en variante, lesdits moyens collecteurs comprennent un ensemble de plaquettes collectrices empilées, lesdits moyens de transfert comportant un plateau de transfert desdites plaquettes d'une première pile de stockage de plaquettes vierges vers ladite ouverture, puis de ladite ouverture vers une deuxième pile de stockage de plaquettes exposées, sous le contrôle de ladite unité de commande ;
- selon une autre variante, lesdits moyens collecteurs comprennent une bande collectrice, prélevée à partir d'un cylindre distributeur, lesdits moyens de transfert comportant un cylindre récepteur de bande exposée associé à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande ;
- les moyens collecteurs de particules comportent une surface réceptrice desdites particules, colorée avec une couleur complémentaire de celle des particules à analyser; et
- l'appareil comporte des moyens d'enduction des moyens collecteurs d'une matière de piégeage des particules
D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description suivante, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique d'un appareil d'analyse de particules atmosphériques suivant un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue schématique d'un appareil d'analyse suivant un autre mode de réalisation;
- la figure 3 représente une vue d'un appareillage d'analyse suivant un troisième mode de réalisation ;
- la figure 4 est un organigramme illustrant les différentes phases du procédé d'analyse suivant l'invention; et
- la figure 5 est un organigramme illustrant les différentes phases de la procédure d'exposition des moyens collecteurs à l'atmosphère à analyser.

En référence aux figures 1 à 3, l'appareil d'analyse de particules atmosphériques suivant l'invention comporte un ou plusieurs dispositifs 10 d'exposition à l'atmosphère à analyser de moyens collecteurs de particules.

Sur les figures 1 à 3, on a considéré que l'appareil d'analyse comporte un seul dispositif d'exposition 10 de moyens collecteurs. I1 peut toutefois être muni de plusieurs dispositifs d'exposition répartis en des emplacements déterminés, de préférence au voisinage d'une installation industrielle.

Le dispositif d'exposition 10 comporte un axe général de symétrie X-X' supposé vertical.

Il comporte un boîtier 12 muni à son extrémité inférieure 14 d'un piétement 16 et dont l'extrémité supérieure 18 forme une tête 20 généralement en forme de sphère tronquée délimitant une ouverture supérieure 22 pour l'exposition de moyens collecteurs de particules 24.

Le dispositif d'exposition 10 comporte des moyens de transfert associés à des moyens moteurs 25 pour assurer le transfert des moyens collecteurs 24 d'une première position de repos et de stockage dans laquelle ils se situent à l'intérieur du boîtier 12 vers une position d'exposition de ceux-ci à l'atmosphère, à travers l'ouverture 22, sous le contrôle d'une unité de commande d'exposition 26.

Le boîtier 12 est fixé de façon amovible sur le piétement 16 de façon à pouvoir être ôté pour permettre l'accès à l'intérieur du dispositif 10, en vue de l'extraction et du remplacement des moyens collecteurs 24 et de la maintenance de l'appareil.

Selon un premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, les moyens collecteurs 24 sont constitués par un ensemble de plaquettes collectrices 28 et les moyens de transfert comportent une chaîne 30 sur laquelle sont fixées les plaquettes collectrices 28, de préférence de façon régulièrement espacée, et deux roues dentées 31 et 32, dont l'une, 32, est entraînée en rotation par les moyens moteurs 25.

L'ouverture 22 et les plaquettes 24 ont chacun une forme générale circulaire, le diamètre de l'ouverture 22 étant légèrement supérieur à celui des plaquettes 24.

Un joint d'étanchéité 33 est disposé sur le bord périphérique de l'ouverture 22 et coopère avec le bord complémentaire des plaquettes 24, en position d'exposition à l'atmosphère, pour assurer une étanchéité à l'air des plaquettes en position de stockage.

Dans ce mode de réalisation, les moyens moteurs 25 assurent le transfert des plaquettes en entraînant en rotation la chaîne 30 selon un mouvement pas à pas, de leur position de stockage dans laquelle elles se situent dans le boîtier 12, vers la position active dans laquelle elles sont successivement exposées à travers l'ouverture 22, puis à nouveau vers la position de stockage.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les moyens collecteurs 24 sont constitués par des plaquettes collectrices 34, similaires aux plaquettes utilisées dans le mode de réalisation de la figure 1 mais disposées selon deux piles 36 et 38 servant l'une, 36, au stockage de plaquettes vierges, et l'autre, 38, au stockage de plaquettes exposées.

Les piles de plaquettes 36 et 38 reposent chacune sur un vérin, respectivement 40 et 42, piloté par une unité de commande d'exposition 44.

La pile 36 de stockage de plaquettes vierges et le vérin correspondant 40 sont situés dans l'axe X-X' de symétrie du dispositif 10, de façon coaxiale à l'ouverture 22, tandis que la deuxième pile 38 de stockage de plaquettes exposées et le vérin 42 correspondant sont disposés de façon désaxée.

Une table de transfert, désignée par la référence numérique 46, également pilotée par l'unité de commande d'exposition 26 assure le transfert des plaquettes de la première pile 36 vers la deuxième pile 38.

La table de transfert 46 comporte une partie fixe 48 assurant le support des plaquettes 34 au cours de leur transfert et une partie mobile 50 pilotée par l'unité de commande 44 assurant le transfert actif, par poussée, des plaquettes de la première pile vers la deuxième.

Pour effectuer l'exposition d'une plaquette 34 à l'atmosphère à analyser, le premier vérin 40 est actionné de manière à élever la pile jusqu'à ce que la plaquette supérieure affleure la surface externe du boîtier 12 du dispositif à travers l'ouverture 22.

Lorsque l'exposition est suffisante pour disposer d'un nombre suffisant de particules, le premier vérin 40 est actionné de manière à positionner la plaquette exposée au voisinage de la table de transfert 46.

Le deuxième vérin 42 est actionné, également sous la commande de l'unité de commande 44, vers le bas, d'une distance correspondant à la hauteur de la plaquette exposée.

L'organe mobile 50 est alors actionné pour effectuer le transfert de cette plaquette en direction de la deuxième pile.

Comme mentionné précédemment, en référence à la figure 1, l'ouverture 22 est également munie du joint d'étanchéité 33 évitant toute pénétration de particules et d'humidité à l'intérieur du boîtier 10.

Les plaquettes collectrices 32 sont conformées de façon à pouvoir s'emboîter l'une dans l'autre de manière à améliorer l'étanchéité du dispositif et éviter une contamination des surfaces actives des plaquettes après leur exposition.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, les moyens collecteurs 24 sont constitués par une bande collectrice 52 transparente ou translucide, prélevée séquentiellement à partir d'un cylindre distributeur 54 et les moyens de transfert comportent en outre un cylindre récepteur 56 autour duquel les portions de bandes successivement exposées à l'atmosphère sont enroulées. Ce cylindre récepteur est entraîné en rotation par l'intermédiaire de moyens moteurs non représentés pilotés par l'unité de commande de manière à prélever successivement une longueur de bande correspondant à la dimension de l'ouverture 22.

De préférence, une entretoise est prévue sur le bord de la bande collectrice 52 afin d'éviter un contact direct entre les portions de bande exposées sur le cylindre récepteur 56.

Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'exposition comporte des rouleaux de guidage 58 et 60 disposés au voisinage de l'ouverture 22 et légèrement en saillie par rapport à l'extrémité supérieure du boîtier 10 de manière à présenter successivement les portions de bande vers l'extérieur pour la collecte des particules à analyser.

Il est également possible, en variante, de disposer la bande collectrice 52, le cylindre distributeur 54, le cylindre récepteur 56 et les rouleaux de guidage 58 et 60 dans une cassette amovible et interchangeable pour rendre plus aisée l'opération de chargement et de déchargement, dans le boîtier, des moyens collecteurs de particules.

Dans les différents modes de réalisation représentés aux figures 1 à 3, les moyens collecteurs sont de préférence munis d'une matière de piégeage des particules, appropriée pour l'utilisation envisagée et se présentant par exemple sous la forme d'un gel transparent.

Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 3, dans lequel la bande est prélevée à partir d'un cylindre distributeur, l'enduction de gel de la bande s'effectue au cours du prélèvement d'une portion de bande, à l'aide d'un dispositif de projection ou d'enduction, de type classique, désigné par la référence numérique 64.

L'appareil d'analyse comporte de plus, comme cela est représenté sur la figure 3, des moyens de prise de vues 65 des moyens collecteurs exposés associés à des moyens de traitement d'images 66 constitués par un calculateur dans lequel sont stockés des algorithmes, notamment un algorithme de détection de particules et/ou un algorithme de reconnaissance et/ou de classement des particules.

Les moyens de prise de vues 65 peuvent être constitués par un microscope associé à une caméra de prise de vues ou par un scanner 65-a à haute définition, comme représenté schématiquement sur la figure 3. Ils peuvent être soit intégrés au dispositif d'exposition des moyens collecteurs, comme dans le mode de réalisation de la figure 3, soit placés à distance dans une unité centrale de contrôle de pollution atmosphérique assurant le traitement des moyens collecteurs exposés puis transportés jusqu'à l'unité centrale.

En outre, les moyens de traitement d'images peuvent également être intégrés au dispositif d'exposition ou disposés à distance, dans l'unité centrale de contrôle de la pollution.

Dans le cas où les moyens de prise de vues sont intégrés au dispositif d'exposition, et où les moyens de traitement d'images sont situés à distance, un dispositif d'acquisition et de transmission de données d'images, avantageusement associé à des moyens de compression de données de type classique, sont disposés en sortie des moyens de prise de vues, en vue de la transmission des données d'images vers les moyens de traitement.

On notera que dans les différents modes de réalisation décrits précédemment, la tête du dispositif d'exposition présente une symétrie axiale et a sensiblement la forme d'une sphère tronquée afin d'éviter les perturbations engendrées par l'écoulement de l'air à proximité des moyens collecteurs de particules, en position active, et d'obtenir ainsi un dépôt de particules relativement homogène et non perturbé.

Afin de diminuer les perturbations, il est également possible, en variante, de positionner les moyens collecteurs, en position active à une hauteur supérieure à celle du sommet de la tête.

La surface active des moyens collecteurs est de préférence transparente. Elle peut être en outre colorée, ou disposée au moment de la mesure sur un support coloré, avec une couleur complémentaire de celle des particules à détecter et à analyser afin d'augmenter le contraste entre la surface collectrice et les particules.

On va maintenant décrire en référence aux figures 4 et 5, le procédé d'analyse des particules atmosphériques collectées selon l'invention mis en oeuvre à l'aide de l'appareil d'analyse décrit précédemment.

Dans la suite de la description, on considérera que les moyens collecteurs de particules sont constitués par des plaquettes collectrices disposées par piles (figure 2).

En se référant tout d'abord à la figure 4, au cours d'une première phase, on procède à l'exposition des moyens collecteurs 24 à l'atmosphère à analyser. La première étape 68 de cette phase d'exposition consiste à effectuer une préparation des plaquettes par enduction d'un gel de piégeage, appliqué sur la face active de ces dernières.

Pour ce faire, le gel est par exemple pulvérisé sur les plaquettes, éventuellement chauffées dans une étuve à une température voisine de 42"C pour former un film homogène. On notera que l'épaisseur du film de piégeage ainsi obtenue est de préférence inférieure à la profondeur de champ des moyens de prise de vues afin d'obtenir une détection de particules efficace.

Après pulvérisation du gel, les plaquettes sont disposées en piles, comme mentionné précédemment, et ainsi protégées de la pollution ambiante, puis disposées à l'intérieur du dispositif d'exposition 10.

Après cette phase préalable de préparation des plaquettes, le dispositif d'exposition de ces dernières est positionné en un lieu dont on souhaite contrôler ou surveiller l'atmosphère.

Les plaquettes sont alors exposées successivement, selon la procédure suivante décrite ci-dessous.

La première étape 70 constitue une étape de transfert de plaquette en position de stockage et de changement de plaquette.

Ainsi, comme cela sera décrit en détail par la suite, les deux premières plaquettes, ainsi que la dernière plaquette, ne sont pas exposées. Elles sont directement transférées en position de stockage (étape 70).

Lors de l'étape 72 suivante, la surface active des moyens collecteurs est exposée à l'atmosphère ambiante. Au cours de cette étape, les particules se déposent sur celle-ci et sont piégées dans le gel.

Au cours de l'étape 74 suivante, une cellule optique, ou les moyens de traitement d'image, mesure l'opacité du prélèvement et compare la valeur de l'opacité mesurée avec une valeur de seuil prédéterminée.

Lorsque la valeur limite d'opacité est atteinte, le dispositif procède au changement de plaquettes (étape 70).

Cette procédure permet d'adapter le temps d'exposition aux variations de pollution et d'obtenir un dépôt optimal pour l'analyse d'images.

Dans le cas où l'opacité est inférieure à la valeur de seuil, la durée de prélèvement est comparée à une durée maximale (étape 76). Cette durée maximale d'exposition est fixée lors de l'analyse d'images proprement dite effectuée ultérieurement et correspond à une durée d'exposition atteinte lorsque chaque champ scruté par les moyens de prise de vues contient plus de cinq particules jointives, par exemple. Par ailleurs, une durée minimale d'exposition est fixée, qui correspond à une durée minimale atteinte lorsque chaque champ scruté contient moins de cinq particules, par exemple.

Si la durée maximale d'exposition est atteinte, le procédé retourne à l'étape 70, la plaquette correspondante est transférée en position de stockage et l'on place la plaquette suivante en position d'exposition.

Si tel n'est pas le cas, l'unité de commande d'exposition 44 vérifie si le prélèvement en cours constitue le dernier prélèvement programmé par l'utilisateur (étape 78).

Si tel n'est pas le cas, le procédé retourne à l'étape 72 précédente pour poursuivre l'exposition de la plaquette. Si tel est le cas, la procédure d'exposition des plaquettes s'achève.

En se référant à la figure 5, après la phase d'exposition des moyens collecteurs à l'atmosphère à analyser, on procède à une phase d'analyse des particules collectées.

Cette phase débute par une étape 80 consistant à scruter différents champs de chaque plaquette et à former des images des plaquettes exposées.

Comme mentionné précédemment, la formation des images est obtenue à l'aide d'un microscope associé à une caméra de prise de vues, ou par un scanner à haute résolution ayant un grossissement ou une résolution permettant une détection efficace des plus petites particules à détecter, et de moyens d'éclairage appropriés.

A l'issue de cette étape 80, on dispose d'images des moyens collecteurs exposés, constituées chacune d'un ensemble d'éléments d'images ou pixels associés chacun à une valeur numérique de luminance pour les images en noir et blanc, ou à plusieurs valeurs numériques de luminance pour les images en couleur, ces valeurs étant par exemple codées sur 8 bits.

Si la qualité des images est insuffisante, on procède alors à une étape 82 ultérieure, facultative, au cours de laquelle on effectue une opération de restauration d'images en utilisant les images des plaquettes non exposées.

Pour ce faire, par exemple, on calcule la valeur moyenne des valeurs numériques associées aux éléments d'images de champs scrutés situés sur plusieurs zones centrales et sur des zones situées à la périphérie de chaque plaquette. On procède alors à la restauration de l'image lorsqu'au moins une valeur moyenne diffère de plus de 20% de la moyenne des valeurs moyennes. Si cette valeur de seuil est dépassée, on procède alors à l'opération de restauration de l'image, selon une technique classique consistant à transformer l'image pour la rendre aussi proche que possible de l'image idéale, c'està-dire telle qu'elle aurait du être obtenue dans des conditions opératoires, en particulier d'éclairage, optimales.

A l'issue de l'étape 80 ou de l'étape 82 de restauration d'images, on effectue une opération de traitement (étape 84) permettant la détection des particules, et en particulier en repérant les contours de ces dernières.

Pour ce faire, on filtre les images délivrées à l'issue de l'étape 80 de formation d'images, ou à l'étape de restauration 82, par exemple par comparaison des valeurs numériques de luminance associées aux éléments d'images avec une ou plusieurs valeurs de seuil, ce qui permet de détecter les contours des particules. Bien entendu, d'autres techniques classiques de détection peuvent également être adoptées.

Une variante pour la détection des particules lorsque les intensités des niveaux de gris ou de couleur ne sont pas homogènes à l'intérieur des particules ou lorsque le bruit de fond est important consiste à déterminer le contour de chaque particule. Le principe consiste à repérer les discontinuités locales dans l'image suivant des profils afin de former les frontières des particules. Soit on procède à une détection des contours de seuillage selon la technique courante dite des multiniveaux de gris soit par filtrage par transformation d'image au moyen de masques de convolution. Les filtres proposés à la détection des variations locales de l'intensité suivent une approche de type gradient connues telles que
PREWITT, SOBEL, KIRSH. Le contour d'orientation téta, est validé alors par un maximum de la dérivée directionnelle dans cette direction. Une deuxième démarche utile lorsque l'image est peu bruitée consiste en une direction des passages en zéro. L'opérateur est de type Laplacien. C'est une approximation discrète sous la forme d'un masque de convolution de trois par trois pixels. Une dernière démarche sur des images bruitées consiste à appliquer une démarche connues : la détection par un filtre optimal de type CANNY
DERICHE. Il répond à trois critères : bonne localisation, bonne détection, et non multiplicité des réponses. La détection par contour valide une particule repérée par un contour fermé, c'est-à-dire un ensemble connexe de pixels appartenant à la frontière de la forme particulaire. Dans le cas d'un traitement en couleur, on effectue ce même traitement sur les valeurs de luminance de chaque couleur primaire. Les informations sont ensuite fusionnées.

Au cours de cette étape 84 de traitement, on élabore, pour chaque image délivrée par les moyens de prise de vues, une image vectorielle constituée par un ensemble d'éléments d'images associés chacun à un vecteur dont les composantes correspondant aux valeurs de luminance de chaque couleur primaire retenue sont déterminées à partir de la ou des valeurs de luminance et en fonction du résultat de l'étape de seuillage.

On attribue ainsi la valeur numérique correspondant aux valeurs numériques de luminance, codées sur 8 bits, aux composantes vectorielles du vecteur associé aux pixels dont la valeur de luminance, c'est-à-dire le niveau de gris ou de couleur, se situe entre deux seuils de détection et la valeur numérique 0 pour les autres pixels.

On obtient donc, par exemple, pour des images formées en noir et blanc sur 256 niveaux de gris, un vecteur à une dimension dont la composante vectorielle correspond à la valeur du niveau de gris codée sur 8 bits si le pixel associé correspond à un élément d'image d'une particule et la valeur binaire 0 si le pixel ne correspond pas à un élément d'image d'une particule.

Lors de l'étape 86 suivante, on effectue une opération de séparation des particules juxtaposées en utilisant par exemple une segmentation par morphologie mathématique.

Pour ce faire, on exécute un traitement localisé sur les formes de tailles supérieures à 10 par 10 pixels et reconnues non conformes vis-à-vis d'un critère utilisant les informations du contour réalisé lors de l'étape 84 de dét effectuées (étape 90), consistant à qualifier de "correct" les prélèvements obtenus si le nombre N de particules segmentées est inférieur à cette valeur de seuil. Dans le cas où cette valeur de seuil est dépassée, on réduit, manuellement ou automatiquement, la durée d'exposition des moyens collecteurs sur le site de prélèvement considéré et l'on décide que les mesures et les prélèvements effectués doivent être rejetés.

Par ailleurs, on mesure par exemple la valeur moyenne et les écarts types des niveaux de gris ou de couleurs de cinq champs des moyens collecteurs non exposés.

Si au moins une valeur moyenne ainsi calculée diffère de plus de 20% des moyennes des valeurs moyennes de ces cinq champs, les mesures issues des prélèvements sont rejetées.

Si la différence est inférieure à 20% sur l'ensemble des champs scrutés, les prélèvements sont conservés.

De plus, si des écarts-types calculés pour chaque champ sont inférieurs à 20% de la valeur moyenne des niveaux de gris ou de couleur de ce champ, le prélèvement est conservé. Sinon, il est rejeté.

De même, les prélèvements sont conservés si le nombre moyen de particules détectées par champ est supérieur à 5. Si tel n'est pas le cas, l'opérateur augmente la durée de prélèvement pour la série de prélèvements suivante.

En outre, les prélèvements sont conservés si le nombre de particules détectées par champ se situe dans des limites statistiques fixées préalablement, comprises par exemple entre 100 et 1000 particules. Lorsque ces limites sont dépassées, une alarme est déclenchée, indiquant par exemple que les prélèvements ont été soumis à une perturbation au cours du dépôt, telle que le dépôt d'un végétal, d'une déjection d'oiseau ou une perturbation climatique.

Pour les prélèvements non rejetés c'est-à-dire qualifiés de corrects, le procédé se poursuit par une étape 92 d'érosion-reconstruction des particules détectées permettant d'éliminer les fines particules et les excroissances irrégulières dans le contour de ces dernières.

Cette opération d'érosion-reconstruction est une opération de type classique et ne sera donc pas décrite en détail par la suite. On notera toutefois qu'elle consiste à effectuer d'une part une érosion des objets détectés, par exemple de deux pixels et à reconstruire les objets érodés en utilisant un élément structurant constitué par un objet carré ou hexagonal.

A l'issue de cette étape 92 d'érosion-reconstruction, le procédé se poursuit par une phase de reconnaissance de formes proprement dite.

Cette phase débute par une étape 94 de triage des particules permettant d'effectuer une classification des particules selon différents types de particules connues.

Pour ce faire, à partir de l'image vectorielle préalablement traitée selon la procédure décrite précédemment, et éventuellement de l'image brute fournie par les moyens de prise de vues, on mesure la valeur d'un ensemble de caractéristiques représentatives de la nature des particules.

Ainsi, par exemple, on détermine au cours de cette étape la valeur C du niveau de gris ou du niveau par couleur, obtenue à partir de l'image brute, et des caractéristiques géométriques des particules, obtenues à partir de l'image vectorielle traitée, à savoir
- la surface S
- la texture, c'est-à-dire la disposition et les dimensions relatives des pixels de chaque particule détectée, obtenue à l'aide d'un algorithme classique, par exemple par décomposition en série de Fourrier, permettent de déterminer les fréquences caractéristiques d'apparition de pixels ou d'ensembles de pixels sensiblement identiques
- l'exodiamètre L, constitué par le diamètre de féret maximal après rotation de 180" ;
- la largeur 1, constituée par le diamètre de féret dans la direction perpendiculaire à la direction de I'exodiamètre ;
- le mésodiamètre, constitué par le diamètre de féret minimal après rotation de 1800;
- l'allongement A, constitué par le rapport L/l
- l'indice de forme F selon la relation suivante
F-4.51TI.L2 (1)
et
- le volume individuel des particules V selon la relation prenant en compte le facteur de forme telle que la relation suivante
4 1 V = F. #-0,5.S1,5 + (1 - F)#L( ) (2)
3 2
L'algorithme de classement des particules, stocké dans les moyens de traitement d'images, compare la valeur des caractéristiques ainsi mesurées avec des valeurs prédéterminées, obtenues par apprentissage préalable à partir de particules parfaitement identifiées, et délimitant des classes de particules.

Par exemple, l'algorithme de classement se fait suivant l'ordre suivant
- premier tri par classes de couleurs ou de niveaux de gris
- dans chaque classe de couleurs, deuxième tri par classes d'indices de forme ; et
- dans chaque sous-classe de couleurs ou niveaux de gris et de formes de particule, troisième tri par tailles de particule, par exemple apprécié à partir de la longueur L.

Ainsi, le tri par classes de couleurs vise à séparer les particules en au moins les classes suivantes
- première classe : particules noires et opaques, correspondant à des particules carbonées
- deuxième classe : particules blanches et opaques, correspondant à des particules de matériaux à base de produits calcaires
- troisième classe : particules rouges et opaques, correspondant à des particules d'oxydes minéraux, tels que du fer ferrique ; et
- quatrième classe : particules jaunes et translucides correspondant à des particules de matériaux vitreux et cristallins, tels que du sable.

Comme mentionné précédemment, dans chacune de ces classes de couleurs, le deuxième tri vise à séparer les particules en au moins les sous-classes de particules suivantes, en fonction de la valeur du facteur de forme F
- première sous-classe : facteur de forme compris entre 0 et 0,1 : fibres filaires ;
- deuxième sous-classe : facteur de forme compris entre 0,1 et 0,3 : particules très allongées ;
- troisième sous-classe : facteur de forme compris entre 0,3 et 0,5 : particules allongées ;
- quatrième sous-classe : facteur de forme compris entre 0,5 et 0,7 : particules carrées ;
- cinquième sous-classe : facteur de forme compris entre 0,7 et 0,9 : particules polygonales ; et
- sixième sous-classe : facteur de forme compris entre 0,9 et 1 : particules rondes.

Comme mentionné précédemment, pour chacune de ces sous-classes, on effectue un tri par tailles, généralement suivant la valeur de la longueur L des particules.

Postérieurement à cette étape de triage 94, on effectue une étape 96 de calcul de la pollution surfacique des moyens collecteurs par comptage du nombre de particules de chaque classe et par calcul de la surface couverte par les particules.

On détermine ainsi la pollution atmosphérique à partir du nombre de particules détectées de chaque type, par unité de surface.

Le procédé d'analyse se poursuit par une étape 98 de calcul de la masse en particules de chaque classe.

Pour ce faire, au cours de la phase préalable d'apprentissage servant à définir des classes de particules pour le tri des particules détectées, on affecte à chacune des classes de particules une valeur de densité particulaire, par exemple en exposant le dispositif d'exposition à une source de particules connues et en déterminant la masse des particules déposées, en analysant les images des moyens collecteurs ainsi exposés pour la détermination du volume particulaire, comme décrit précédemment, et en estimant la valeur de la densité particulaire à partir des valeurs massique et volumique ainsi déterminées.

Après cette phase d'apprentissage préalable, chaque classe est affectée d'une valeur de densité particulaire.

Au cours de l'étape 98, on calcule la masse individuelle de chaque particule à l'aide de la valeur du volume V déterminée préalablement au cours de l'étape de triage 94 et de la valeur de densité particulaire et l'on somme la masse ainsi calculée de chaque particule pour obtenir la valeur de la masse en particule de chaque classe.

Il est à noter qu'au cours de la phase préalable d'apprentissage, l'affectation de la valeur de la densité particulaire est par exemple effectuée pour chaque classe de couleurs et éventuellement pour chaque sous-classe associée à la forme des particules.

En variante, la masse en particules de chaque classe est déterminée de façon globale en déterminant, pour chaque classe, la loi statistique de distribution différentielle des tailles de particules. Comme cela est classique, la distribution différentielle, ou densité de distribution des particules q(L) s'écrit selon la relation suivante
q(L) - a.L".exp(-b.L") (3) dans laquelle a,b,m et n sont des constantes caractéristiques d'une source de pollution.

A partir de cette formule il est possible d'obtenir une évaluation de la distribution des volumes de particule de chaque classe et ainsi d'obtenir une valeur globale de la masse des particules de cette dernière.

On conçoit que cette procédure de calcul de masse des particules s'effectuant de façon globale, et non de façon individuelle, les calculs mis en oeuvre sont considérablement simplifiés et allégés.

Si on le souhaite, le procédé peut se poursuivre par une étape 100 de calcul de la proportion de particules provenant d'une ou de plusieurs sources données de particules.

Pour ce faire, après avoir positionné le dispositif à proximité immédiate de chaque source, on réalise des prélèvements à proximité de la ou de chaque source et on enregistre les données délivrées par l'appareil d'analyse en mettant en oeuvre la procédure d'analyse décrite précédemment.

On obtient ainsi les caractéristiques de reconnaissance des particules émises par chaque source, c'est-à-dire la signature de chaque source.

Ensuite, au cours de l'analyse des particules atmosphériques, c'est-à-dire lorsque le dispositif se situe dans un environnement à étudier, on identifie la signature particulière de chacune des sources à partir de ces résultats expérimentaux obtenus préalablement. On estime alors la proportion des particules provenant de chacune de sources.

En variante, on positionne l'appareil d'analyse dans l'environnement de plusieurs sources en repérant leur distance par rapport à l'appareil, ainsi que la direction et la force du vent correspondant à chacune d'entre elles.

Pour chaque couple secteur/force de vent caractéristique de chaque source, l'appareil enregistre les classes de particules dominantes c'est-à-dire les classes statistiquement représentatives de ce couple.

Une banque de données est constituée à partir de ces paramètres caractéristiques de chaque source, permettant ainsi d'estimer la proportion de particules provenant de chaque source dans les résultats issus de l'analyse.

A l'issue de l'étape 100 mentionnée précédemment, le procédé peut se poursuivre par une étape 102 de calcul du flux de chaque source de particules à partir de la position de ces dernières, de la vitesse du vent, de la concentration en particules provenant de chaque source et de coefficients de diffusion atmosphérique.

Ainsi, par exemple, pour un appareil d'analyse repéré par des coordonnées cartésiennes X,Y et Z=0, pour une source positionnée en X=Y=0 et à Z=H, le flux émis par la source est estimé par la relation suivante

dans laquelle C représente la concentration en particules associées à la source au niveau de l'appareil soit en (X,Y,0),
V est la vitesse du vent, sigy et sigz sont des coefficients connus de diffusion atmosphérique dépendants de X et des conditions météorologiques, de la rugosité du sol, ....

La relation liant les coefficients de diffusion sigy et sigz, la distance X à laquelle est située l'appareil d'analyse et la turbulence propre à l'atmosphère est connue et, généralement, sig2y et sig2z varient linéairement en fonction de X.

Bien que cette relation représente le flux émis par une seule source, l'homme du métier pourra extrapoler l'estimation du flux émis par plusieurs sources et détecté par plusieurs dispositifs d'exposition pour estimer le flux émis par chacune de ces sources.

On notera que dans le procédé qui vient d'être décrit, le dépôt de particules s'effectuant de façon homogène sur la surface active des moyens collecteurs, seule une faible portion de la surface active des moyens collecteurs est scrutée par l'analyseur d'images, par exemple 10% de cette dernière, les résultats ainsi obtenus étant extrapolés sur la totalité de la surface active.

Une procédure de vérification de l'homogénéité des dépôts permet de valider les mesures ainsi obtenues, en analysant différentes images de portions de surfaces de moyens collecteurs vierges par détection de variations de valeurs numériques de luminance associées aux éléments d'images délivrés par les moyens de prise de vues et à comparer ces variations détectées avec une valeur de seuil de validation de l'analyse de la portion de surface exposée à l'atmosphère à analyser.

On simplifie alors grandement les traitements d'images ainsi que leur durée, les calculs n'étant effectuées que pour des portions de surfaces exposées réduites.

Claims (23)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'analyse de particules atmosphériques, comprenant les étapes suivantes

- exposition de moyens collecteurs (24) de particules à l'atmosphère à analyser pour former sur ceux-ci un dépôt de particules atmosphériques

- prise de vues des moyens collecteurs (24) exposés et

- analyse d'images fournies à l'issue de l'étape de prise de vues, en vue de la quantification desdites particules déposées sur les moyens collecteurs de particules,

caractérisé en ce que l'étape de prise de vues consistant à former au moins une image constituée d'un ensemble d'éléments d'image associés chacun à au moins une valeur numérique de luminance, au cours de l'étape d'analyse d'images, on détecte les particules en effectuant une opération de filtrage de chaque image par traitement desdites valeurs numériques de luminance pour la détection desdites particules, et l'on classe lesdites particules détectées selon un ensemble de classes de particules.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites classes de particules étant affectées chacune d'une valeur de densité particulaire, ladite étape de traitement de chaque image comporte en outre une étape de calcul de la masse en particules de chaque classe à partir de la valeur de densité particulaire de chaque classe.

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de calcul de la masse en particules de chaque classe consiste à calculer la masse individuelle de chaque particule et à sommer la masse calculée des particules de chaque classe.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape de calcul de la masse en particules de chaque classe consiste à déterminer, pour chaque classe, une loi statistique de distribution différentielle des tailles de particules et à calculer la masse totale desdites particules à partir de ladite loi de distribution et de la valeur de densité particulaire correspondante.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que ladite valeur de densité particulaire est obtenue pour chaque classe de particules par apprentissage préalable en exposant lesdits moyens collecteurs (24) à une source de particules correspondantes, en déterminant la masse des particules déposées, en formant au moins une image desdits moyens collecteurs (24), en analysant ladite image pour la détermination du volume particulaire, et en estimant la valeur de densité particulaire à partir des valeurs massiques et volumiques déterminées.

6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape de tri dés particules, on détermine la valeur d'un ensemble de caractéristiques des particules détectées, et l'on compare les valeurs déterminées avec des valeurs prédéterminées associées aux classes de particules.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites caractéristiques de particules sont choisies parmi les niveaux de gris ou les niveaux de couleurs de la ou chaque image obtenues à l'issue de l'étape de prise de vues, la texture, la surface particulaire, l'exodiamètre, la largeur, le mésodiamètre, l'allongement, l'indice de forme et le volume individuel des particules détectées de chaque image vectorielle.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'au cours de l'étape de tri des particules, on effectue un premier tri par classes de couleurs ou de niveaux de gris puis, pour chaque classe de couleurs ou de niveaux de gris, un deuxième tri par classes d'indices de forme et, pour chaque classe d'indices de forme, un troisième tri par tailles particulaire, et pour chaque classe de tailles de particules, on calcule la masse desdites particules déposées.

9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il consiste à analyser au moins une image d'une portion de surface des moyens collecteurs (24) exposés à l'atmosphère à analyser, à analyser différentes images de portions de surface de moyens collecteurs (24) vierges par détection de variations desdites valeurs numériques de luminance et à comparer lesdites variations détectées avec une valeur de seuil de validation de l'analyse d'images de la portion de surface exposée.

10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de comptage du nombre de particules détectées, postérieure à ladite étape de filtrage, l'étape d'exposition desdits moyens collecteurs étant répétée tant que le nombre de particules est inférieur à une valeur de seuil.

11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de mesure de l'opacité desdits moyens collecteurs (24) exposés, ladite étape d'exposition à l'atmosphère étant maintenue tant que l'opacité desdits moyens collecteurs (24) est inférieure à une deuxième valeur maximale de seuil.

12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de comptage du nombre de particules segmentées, postérieure à l'étape de filtrage, l'étape d'exposition étant répétée tant que le nombre de particules segmentées est inférieur à une valeur de seuil.

13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape consistant à affecter à chaque secteur de vent une proportion de chaque classe de particules.

14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de calcul du flux de particules émis par chaque source de particules, à partir de la position desdites sources, de la vitesse du vent, de la concentration en particules provenant de chaque source et de coefficients de diffusion atmosphérique.

15. Appareil d'analyse de particules atmosphériques, pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, comportant au moins un dispositif (10) d'exposition à l'atmosphère à analyser de moyens collecteurs (24) de particules, et des moyens de prise de vues (65) desdits moyens collecteurs (24), caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de traitement d'image (66) comprenant un algorithme de détection du contour desdites particules et un algorithme de reconnaissance adapté pour le triage des particules détectées selon un ensemble de classes de particules.

16. Appareil selon la revendication 15, caractérisé en ce que le dispositif d'exposition comporte un boîtier (12) comprenant une tête (20) ayant sensiblement la forme d'une sphère tronquée munie d'une ouverture (22) pour l'exposition desdits moyens collecteurs (24) de particules, et des moyens de transfert (30;46;56), pilotés par une unité de commande (26) de l'exposition desdits moyens collecteurs (24), assurant le transfert de ces derniers entre une position de stockage et une position d'exposition à travers ladite ouverture.

17. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que le dispositif d'exposition comporte en outre lesdits moyens de prise de vues (65) et lesdits moyens de traitement d'images (66).

18. Appareil selon la revendication 16, caractérisé en ce que lesdits moyens de prise de vues (65) et lesdits moyens de traitement d'images (66) sont disposés à distance du dispositif d'exposition, dans une unité centrale de contrôle de pollution atmosphérique.

19. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que lesdits moyens collecteurs (24) comportent un ensemble de plaquettes collectrices (28), lesdits moyens de transfert comportant une chaîne (30) équipée de moyens moteurs (25,31) pilotés par ladite unité de commande (26)

20. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que lesdits moyens collecteurs (24) comprennent un ensemble de plaquettes collectrices empilées, lesdits moyens de transfert comportant un plateau de transfert (46) desdites plaquettes (34) d'une première pile (36) de stockage de plaquettes vierges vers ladite ouverture, puis de ladite ouverture vers une deuxième pile (38) de stockage de plaquettes exposées, sous le contrôle de ladite unité de commande (26).

21. Appareil selon l'une quelconque des revendications 16 à 18, caractérisé en ce que lesdits moyens collecteurs (24) sont constitués par une bande collectrice (52), prélevée à partir d'un cylindre distributeur (54), lesdits moyens de transfert comportant un cylindre récepteur (56) de bande exposée associé à des moyens moteurs pilotés par l'unité de commande.

22. Appareil selon l'une quelconque des revendications 15 à 21, caractérisé en ce que les moyens collecteurs (24) de particules comportent une surface réceptrice desdites particules, colorée avec une couleur complémentaire de celle des particules à analyser.

23. Appareil selon l'une quelconque des revendications 15 à 22, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (64) d'enduction des moyens collecteurs (24) d'une matière de piégeage des particules.