2. RÉM et phénomènes de propagation/interaction avec la matière

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1 DEVOIR 1 : Partie 1 1. Généralités 1. Définir la télédétection. 2. Donner trois exemples d application de la télédétection. 3. Quel est le postulat de base de la télédétection? 4. Quelles sont les deux étapes de base en télédétection? 2. RÉM et phénomènes de propagation/interaction avec la matière 1. Comment explique-t-on la nature du REM? 2. Nommer les grandeurs physiques décrivant le REM monochromatique. Est-ce possible de «mesurer» toutes ces grandeurs en télédétection'? (Exemples) 3. L équation d une onde ÉM (champ électrique) dans le vide est donnée par la relation E= 5 cos (1,5 x 10 8 t 0,5 z). Trouver : a) son amplitude; b) sa longueur d onde; c) sa fréquence; d) sa phase et e) sa représentation complexe. 4. De quelle propriété du rayonnement ÉM dépend l énergie transportée par un photon? 5. Compléter le tableau suivant Zone spectrale Longueur d onde (λ) Fréquence (υ) Énergie d un photon 19 GHz 22 GHz 37 GHz 85 GHz 3 cm 5 cm 20 cm 50 cm 10 μm 2.1 μm 0.9 μm 6. Un radar (considérer comme une source ponctuelle) émet un train d ondes vers une cible qui se trouve à une distance de 2 km et mesure la puissance réfléchie. Quelle est la diminution de la puissance reçue en fonction de la distance entre la cible et l antenne? 7. Nous avons deux sources lumineuses monochromatiques de même longueur d onde mais incohérentes spatialement. Si l on place un écran à une distance D (plusieurs longueurs d onde) devant elles, est-ce que nous pouvons observer le phénomène d interférence? Quelle sera l intensité de la lumière à un point de l écran illuminé par les deux sources? 8. La série d étoiles de gauche et celle de droite ont été prises par deux télescopes avec un diamètre de leur système optique différent. Quel est le télescope avec le plus grand diamètre. Discuter du phénomène physique qui explique cette apparence d une source ponctuelle de lumière sur une image.

2 9. Une fusée approche de la terre a une vitesse de 0,2 c (c étant la vitesse de la lumière dans le vide); elle émet une lumière verte d'une longueur d'onde de 0,5 m. Quelle est la longueur d'onde observée sur la terre? Quelle est la couleur correspondante? 10. Quelle est la différence entre réflexion, diffusion et réfraction du RÉM? 11. Si le rayonnement d une fréquence f traverse un milieu avec un indice de réfraction n quelle sera sa longueur d onde? 23. Quelle est la différence entre la diffusion non-sélective et diffusion de Mie? 12. Qu est qu une fenêtre atmosphérique? Nommez-en celles disponibles pour la télédétection de la surface terrestre. À l intérieur de toutes ces fenêtres nommer la propriété intrinsèque de la matière qui joue le plus grand rôle a la modulation du signal capté à distance? 13. Dans l infrarouge il y a certaines fenêtres atmosphériques qui ne sont que peu utilisées en télédétection. Avez-vous une explication pour ça? 14. Quelles sont les portions du spectre où la vapeur d eau, le CO2 et l ozone absorbent le RÉM? 15. Nommer les types d interaction entre le RÉM et une surface? 16. Quelle est la différence entre énergie rayonnée et flux rayonnée? 17. Quelle est la différence entre puissance rayonnée et flux rayonnée? 18. Quelle est la différence entre éclairement et émittance? 19. Quelle est la différence entre éclairement et luminance? 20. Quelle est la différence entre émittance et luminance? 21. Quelle est la différence entre intensité et luminance? 22. Quel terme est employé dans les micro-ondes pour décrite la quantité du rayonnement réfléchie/diffusée dans une direction donnée par une surface étendue? 23. Quel doit être le champ de vue d un capteur si nous voulons mesurer l émittance provenant d une surface?

3 2. Données de télédétection dans la partie optique : capteurs passifs 2.1 Bases de physique : rayonnement solaire réfléchi 1. Calculer l'éclairement moyen solaire atteignant l atmosphère terrestre. Le flux solaire est évalué à 3.8xl0 26 W et la distance moyenne terre-soleil est de 1.5x10 11 m 2. Un capteur du rayonnement solaire réfléchi mesure la réflectance des objets (vrai ou faux) 3. Définir succinctement les phénomènes physiques d interaction entre le rayonnement solaire et la matière dans les fenêtres atmosphériques du visible, du proche infrarouge et de l infrarouge à ondes courtes. 4. Nommer les principaux phénomènes d'atténuation du signal EM par l'atmosphère dans la partie visible et infrarouge (jusqu'a 2.5 m)? Quelles sont les implications des ces phénomènes à la détection des objets sur la surface terrestre? 5. Nommer les trois types de diffusion du rayonnement solaire par les particules atmosphériques et discuter de la relation entre la longueur d onde et la taille des particules par type de diffusion. 6. Comment peut-on voir le jour dans des zones cachées du soleil? 7. Si nous voulons analyser le contenu d une masse d eau via le rayonnement solaire réfléchi quel intervalle spectral choisiriez-vous? 8. Pourquoi les roches contenant du fer nous apparaissent rouges? 9. Pourquoi des sols bien drainés apparaissent brillants dans le visible et le proche infrarouge? 10. Pourquoi la couleur de l eau profonde tire vers le bleu? 11. Les données hyperspectrales du capteur AVIRIS ont été acquises au-dessus d un site où un feu sévissait. (a) Les auteurs sont arrivés à localiser le front du feu. Comment ils ont pu le faire même s il y avait de la fumée? (b) comment vous expliquez l absence de réponse des objets (autres que les nuages) aux alentours de 1300 nm et 1900 nm (c) Est-ce normal que l objet Lake donne une telle réponse spectrale aux alentours de 2000 nm?

4 12. Lors d une expérience nous avons mesuré la luminance provenant d un objet ainsi que celle d une surface étalon (spectralon) dans une bande spectrale donnée. La luminance de l objet était 4 mw/ (cm 2 *sr*µm)) tandis que celle de l étalon était de 30

5 mw/(cm 2 *sr*µm). Quelle est le facteur de réflectance bidirectionnelle de cet objet? (Réponse : ou %) 13. Le soleil est exactement à l horizon. Quelle est la luminance réfléchie vers un capteur visant une surface horizontale lambertienne d un angle de Ignorez le rayonnement provenant du firmament (Réponse : nulle) 14. L éclairement total incident à une surface horizontale est de 100 W/m 2. Si la réflectance hémisphérique-hémisphérique de cette surface est de 0.5, quelle serait son émittance? Si la surface était lambertienne quelle serait la luminance mesurée par un radiomètre visant la surface d un angle quelconque? (Réponse : 50 W/m 2 ; 15.9 W/m 2 /sr). 15. Le tableau suivant montre les luminances mesurées dans une bande spectrale donnée provenant d une cible ainsi que d une surface-étalon approchant une cible lambertienne idéale sous différentes conditions d illumination et de visée (voir figure). Estimer la Fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle (FDRB) de la cible. Discuter de la suffisance des données pour décrire le comportement réflectif de la cible. θ (deg) φ (deg) θ' (deg) φ' (deg) Lcible LÉtalon ,31 1, ,29 1, ,30 1, ,28 1, ,32 1, ,30 1,4

6 2.2 Bases de physique : rayonnement émis dans l infrarouge 1. C est quoi un corps noir et quelles sont les lois physiques de base qui régissent son émission? 2. Quel est l intervalle du spectre électromagnétique que l on qualifie d infrarouge thermique? Qu est-ce qu on mesure avec un capteur passif opérant dans cet intervalle? 3. Générer les courbes d émission des corps noir à -50 C et à +50 C. Chaque courbe doit couvrir l intervalle de 3 m à 12 m avec un pas de 0.5 m. Commenter sur l utilité de la fenêtre atmosphérique de 3 m à 5 m quant à la différentiation des objets à des températures cinétiques habituellement rencontrés sur la terre en fonction de leurs contrastes thermiques. 4. Si la température cinétique du corps noir baisse est-ce que la longueur d onde correspondante au maximum du rayonnement émis par le corps augmente (vrai ou faux). 5. Une ampoule électrique émet une lumière blanche. Pouvez-vous décrire les phénomènes qui donnent naissance à ce type d émission? 6. Un feu de forêt a 600 C présente un maximum d'émission a une longueur d'onde de: A) 13,2 m B) 3,30 m C) 0,76 m D) aucune des ces réponses 7. Calculer la longueur d'onde correspondant au maximum du rayonnement émis par a) une poêle chaude à 300 C et c) le filament en tungstène d'une lampe à 3000 C, si chacun suit le comportement d'un corps noir 8. Dans nombre de publications nous pouvons trouver l affirmation suivante : «Dans la partie de l infrarouge un capteur de télédétection mesure la température des objets». Est-elle juste? 9. C est quoi la température rayonnée et pour quel type de matériau la température rayonnée égale la température cinétique? 10. C est quoi un corps gris et un émetteur sélectif? 11. Un objet très réfléchissant dans la partie du spectre de 0,3 à 3 m aura une teinte pâle sur une thermographie prise à midi heure locale (vrai ou faux). Prouvez à l'aide d'une loi physique votre réponse. 12. En se référant à la figure suivante (fig. 3.18, p.92 de Bonn et Rochon), estimer la teinte de grisé relative des objets selon l'heure d'acquisition des images prises dans l'infrarouge thermique (Echelle : gris pâle/gris moyen/gris fonce/noir)

7 Teintes relatives: HEURE D'ACQUISITION OBJET 4h 10h 13h 21h Roches et sols Végétation Eau Terrain humide *Quels sont les moments les plus propices (jour ou nuit) pour acquérir des images pouvant permettre de distinguer aisément ces classes d'objets? * Le capteur ETM de Landsat-7 possède une bande spectrale dans I'infrarouge thermique (ETM6). Le satellite peut passer au-dessus d'une localité vers 10h le matin (orbite descendante) ou vers 22h le soir (orbite ascendante). En fonction de votre tableau discutez de l'utilité des ces images thermiques si le problème et de différencier les terrains humides des autres objets. 13. L examen des deux images thermiques prise le même jour, une à midi et l autre à minuit révèle que les luminances des certains champs agricoles à nu ne présentent pas des différences significatives contrairement à d autres champs. Quelle conclusion pouvons-nous tirer quant à la distribution de l humidité des sols dans cette zone agricole? 14. La notion de l'inertie thermique des objets est importante en thermographe (voir B. Et R. Pages 89-95). Calculez la valeur de l'inertie thermique P des matériaux suivants étant donné les valeurs associées de conductivité thermique, de chaleur spécifique et de densité. Lequel des ces matériaux montrera le plus grand écart diurne de températures rayonnantes? Acier Basalte Sol Sableux Eau Conductivité thermique. 0,030 0,0050 0,0014 0,0014 Chaleur spécifique 0,120 0,2000 0,2400 1,0000 Densité 7,800 2,8000 1,8 1,0 15. Le concept d'inertie thermique a été utilisé par la NASA pour le satellite HCMM (voir Bonn et Rochon, page 93). L'algorithme utilisé pour le calcul de l inertie thermique apparente des matériaux était le suivant: Papp = N C (1- ) / T * Trouver la signification des termes de cette équation. * Calculer Le Papp à l'aide des paramètres suivants : N = 1000 C = 1,5165 (latitude de 45 et déclinaison solaire +20 ) = 0,20 Tjour = 310K T nuit = 280K 16. C'est quoi la température de brillance et la température apparente? 17. Les deux images qui suivent sont des thermographies de jour et de nuit acquises avec quinze jours de différence par le satellite expérimental HCMM, opérationnel fin des années 1970; résolution au sol 500 m : a) Le relief de la chaîne appalachienne est bien visible le jour mais non perceptible la nuit. Comment pouvons-nous expliquer ce phénomène b) Pourquoi l eau apparaît plus brillante que les matériaux terrestres sur l image de la nuit?

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10 2.3 Bases technologiques 18. Décrire succinctement les méthodes d acquisition d images numériques par les capteurs optiques en mode passif 19 Le flux du RÉM incident à un détecteur photoélectrique d un capteur est de 100 W. Sa longueur d onde moyenne est de 0,6 μm. Si nous savons les suivants : a) l observation a duré 33 μs; b) le détecteur a une efficacité quantique de 0,8 à ces longueurs d ondes, Combien de photo-électrons sont libérés par ce détecteur? 20 Le commentaire reproduit ci-dessous est paru dans l édition du 12 novembre 1995 du journal «La Presse». Trouvez l erreur 21 Quels sont les principaux types d images générées par les capteurs optiques? 22 Un capteur dans une bande spectrale convertit la luminance selon une échelle numérique de 8 bits. On peut écrire l équation de conversion comme suit : Valeur numérique = gain*luminance + décalage Si le gain est de mw/(cm 2 *ster*µm) et le décalage est de 0.0 mw/(cm 2 *ster*µm) quelle est l intervalle des luminances mesurables par le capteur.

11 23 Un capteur à râteau génère une image avec une résolution au sol de 4 m. Le taille de l image est de 612 pixels x 512 lignes. Quelle est la fauchée de ce capteur? 24 Un capteur aéroporté a un champ de vue instantané angulaire de 1 mrad. Présenter sous forme de graphique le changement de la taille de son unité spatiale d échantillonnage au nadir en fonction de l altitude de vol (prenez comme intervalle d altitude entre 1 km et 20 km). 25 Un capteur à bord d'un avion muni d'un détecteur IR vise un feu à 800 C et de 1 m 2 de superficie. L'avion vole à 0,5 km, l'intensité du rayonnement reçue au détecteur est alors de 1x10-5 W cm -2 et la cible occupe tout l'élément de résolution au sol du capteur. Lorsque la hauteur de vol augmente progressivement il s'ensuit une baisse de l'intensité reçue en raison de la plus grande distance cible-capteur ainsi que de la diminution de la superficie occupée par le feu à l'intérieur de l'élément de résolution au sol du capteur. Compléter le tableau suivant et montrer à l'aide d'un graphique la baisse de l'intensité reçue en fonction de l'altitude de vol. Hauteur de vol (km) Intensité au niveau du capteur (W cm -2 ) 1x x10-6 Rapport entre intensité émise et reçue 1 4 Rapport de la surface et de son image 1 4 Facteur de décroissance de l'énergie 1 16