2 - La télédétection optique

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1 Introduction à la télédétection 2 - La télédétection optique OLIVIER DE JOINVILLE

2 Table des matières I - Principes d'acquisition des images 5 A. Acquisition d'une image Le scanner...6 Le push-broom...7 La matrice...8 Avantages - Inconvénients...9 B. Traitement de l'image brute Corrections radiométriques Corrections géométriques...10 II - Les deux domaines de la télédétection 13 A. La géométrie Notion de résolution spatiale (ou géométrique) Choix de la résolution pour l'identification et l'interprétation Variétés des échelles d'observation...18 B. La radiométrie La résolution radiométrique La résolution numérique Visualisation des images en couleur

3 Principes d'acquisition des images I - I Acquisition d'une image 5 Traitement de l'image brute 9 A. Acquisition d'une image Fondamental : Acquisition d'un signal numérique pour un pixel Le rayonnement issu de la terre arrive sur les détecteurs. Les photons, en percutant chaque détecteur arrachent des électrons aux atomes du semi-conducteur (chaque détecteur est composé de semi-conducteurs, souvent du silicium dopé). Ces électrons sont comptés et l'on peut donc mesurer l'intensité d'un courant électrique. Ce courant est ensuite numérisé et amplifié dans un appareil que l'on appelle un CAN (Convertisseur Analogique Numérique). Il va déterminer la valeur du compte numérique de chaque pixel en fonction de son intensité. Si l'on a décidé de coder l'image sur un octet, le compte numérique va prendre une des 256 valeurs comprises entre 0 (noir) et 255 (blanc). L'image se forme ligne après ligne du fait de l'acquisition avec une barrette. 5

4 Principes d'acquisition des images Formation d'une image à partir de l'analyse du rayonnement par une barrette de détecteurs Energie associée à un photon émis à une longueur d ' onde : Q=h. J, où =c / Hz c= m.s 1,célérité de la lumière h=6,62.10 e 34 J.s, constantede Planck Une image satellite peut être acquise de 3 manières différentes : 1. Le scanner Définition C'est une méthode d'acquisition avec un seul détecteur qui assure le balayage du paysage dans les lignes et dans les colonnes. Ce système est encore utilisé pour les satellites météo mais est devenu obsolète pour les satellite d'observation de la terre. Les premiers satellites d'observation de la Terre (Landsat 1 en 1972) fonctionnaient suivant ce principe. Acquisition des lignes : Rotation complète du satellite (Météosat) Rotation d'un miroir : Landsat TM, AVHRR. Acquisition des colonnes : 6 Rotation d'un miroir : Météosat Avancée du satellite : Landsat TM.

5 Principes d'acquisition des images Prise de vue par scanner 2. Le push-broom Définition C'est une méthode d'acquisition avec une barrette de détecteurs qui scanne une bande du paysage. C'est une technique d'acquisition très adaptée à l'observation de la terre par satellite. Elle a débuté avec le lancement de SPOT1 en Les lignes sont acquises simultanément par des détecteurs alignés. Les colonnes sont acquises au cours de l'avancée du satellite et en fonction du pilotage en roulis, tangage, lacet. Le push-broom (à gauche) et la barrette d'un capteur push-broom (à droite) Avantages : Simplicité et souplesse d'emploi Qualité géométrique Inconvénients : Problèmes d'égalisation radiométrique d'un détecteur à l'autre. 7

6 Principes d'acquisition des images Acquisition par push-broom Le satellite est lancé de telle manière que le pas en ligne soit égal au pas en colonne, ce qui nécessite de coordonner tous les paramètres indiqués ci-avant, à savoir : hauteur du satellite (H), focale (f), taille du détecteur (pas_det), vitesse de défilement par rapport au sol (Vsol), période d'échantillonnage d'une ligne à l'autre (Tech). 3. La matrice Définition C'est une méthode d'acquisition avec une matrice de détecteurs qui prend une image du paysage. Excepté pour le capteur POLDER, ce système n'est pas utilisé en imagerie satellite. POLDER est utilisé pour observer/mesurer : 8 les aérosols, les terres émergées, les nuages, les océans.

7 Principes d'acquisition des images Acquisition d'une image par matrice 4. Avantages - Inconvénients Barrettes Largeur de la fauchée plus importante : pixels contre en matricielles Capacités stéréoscopiques Acquisition en continu : essentiel pour le satellite Post-traitements importants : en effet, du fait que l'avion ne vole pas toujours droit, il faut rééchantillonner en recalculant la trajectoire à partir des données GPS et INS. Pour le satellite, la trajectoire est nettement plus stable et prévisible. Matriciels Stabilité géométrique du fait que les pixels sont solidaires sur l'ensemble de la matrice. Investissement initial plus coûteux compensé par des post-traitements moins onéreux que le push-broom. B. Traitement de l'image brute 1. Corrections radiométriques Il est nécessaire d'en faire au moins pour 2 raisons : la lumière solaire qui éclaire les objets est perturbée par sa traversée de l'atmosphère et n'éclaire pas tous les objets sous un même angle la lumière réfléchie par les objets est également perturbée au cours de sa traversée de l'atmosphère en direction du capteur. 9

8 Principes d'acquisition des images Perturbations du rayonnement électromagnétique dans l'atmosphère - Présence de gaz et/ou de poussières pouvant absorber et/ou réfléchir le rayonnement et donc en modifier les propriétés spectrales Il faut donc faire des corrections par rapport à des valeurs étalonnées par des radiomètres sur des surfaces connues. Cet appareil fournit des mesures précises de réflectance dans les longueurs d'onde visibles et proche infrarouge sur une surface très petite (cf. figure ci-après). Etudiants utilisant un radiomètre aux environs de Forcalquier 2. Corrections géométriques Les images issues directement du satellite ne sont pas superposables à une carte. Il faut en effet prendre en compte des corrections dues : 10

9 Principes d'acquisition des images à la rotation de la terre pendant la prise de vue (non négligeable : pour une image SPOT, le temps de prise de vue est de 9 secondes), à la courbure de la terre, à la visée oblique, au relief. La rotation de la terre et la courbure de terre sont bien connues, les corrections à appliquer sont donc précises. L'obliquité de la visée (détermination de l'angle, cf. figure ci-après) est connue grâce aux senseurs stellaires, en revanche la connaissance du relief est soumise à l'acquisition au préalable d'un MNT. Les données SRTM (Shuttle Radar Topographic Model) fournissent gratuitement un MNT mondial, à un pas de 90 m. Des données à 30 m (payantes) existent également. Mise en évidence d'une parallaxe (AB) provenant d'une méconnaissance du relief (point M situé à l'altitude 0 (A) au lieu de Zm) 11

10 Les deux domaines de la télédétection II - II La géométrie 13 La radiométrie 20 A. La géométrie Définition : Géométrie Connaissance parfaite de la trajectoire des satellites exigée du fait de l'acquisition indépendante de chaque ligne Localisation de chaque pixel au sol (géoréférencement) Notion de résolution spatiale (ou géométrique). Définition : Radiométrie Science de la mesure des radiations électromagnétiques l'interprétation physique du compte numérique de chaque pixel Notion de résolution radiométrique, numérique et spectrale et de 1. Notion de résolution spatiale (ou géométrique) Définition La résolution spatiale ou géométrique est la distance la plus petite permettant de discriminer deux objets voisins. Si l'on veut séparer 2 arbres distants de 10 m, il faut disposer d'une résolution inférieure ou égale à 10 m. Cette résolution s'exprime en mètres ou en kilomètres et mesure le côté d'un pixel. Ainsi, pour une image à 20 mètres de résolution, chaque pixel représente une superficie correspondant à 20 x 20 mètres au sol. Ainsi une résolution grossière (plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres) ne permettra pas de distinguer des objets de petite taille comme des bâtiments, des petites parcelles agricoles. A contrario, une résolution plus fine (de quelques dizaines de mètres à un mètre) autorise par exemple l'identification des réseaux de communication les plus fins (routes, chemins...). Une très bonne résolution entraîne une diminution de la fauchée (cf. figure ciaprès). 13

11 Les deux domaines de la télédétection Diagramme montrant la diminution de fauchée pour les satellites à très haute résolution On constate qu'ikonos (1 m de résolution) a une fauchée de 11 km alors que Landsat (15 m de résolution) a une fauchée de 180 km. Vue d'un stade de football à différentes résolutions Ici on peut constater que même un grand stade de football est difficilement visible sur une image à 30 mètres ou à 10 mètres. 14

12 Les deux domaines de la télédétection Mêmes vues avec différentes résolutions L'image à 5 mètres de résolution est plus floue sur les bords car chaque pixel intègre une surface plus importante, donc la séparation entre les toits et les rues est moins nette. 2. Choix de la résolution pour l'identification et l'interprétation Image d'une voiture à différentes résolutions C'est à partir de 20 cm que l'on peut être certain d'identifier une voiture (sans l'environnement autour) et à partir de 10 cm que l'on peut reconnaître sa marque. Reconnaissance et identification d'une voiture dans son environnement Les seuils de résolution sont plus lâches que dans la figure précédente. 15

13 Les deux domaines de la télédétection Choix du pas de l'image en fonction de la taille d'un objet (interprétation, identification) Actuellement, la résolution des capteurs satellites tend à se rapprocher de la résolution des capteurs aériens, mais elle n'est pas prête de l'égaler. C'est une règle empirique provenant d'une multitude d'observations. 3. Variétés des échelles d'observation Nous avons 3 sortes de résolution : a) La faible résolution Pixel ~ 1 à 100 km : météorologie, étude de l'atmosphère (bilan radiatif,...) Échelle globale ou continentale 16

14 Les deux domaines de la télédétection Image Météosat b) La moyenne résolution Pixel ~ 100 à m : agriculture, forêt, océanographie, environnement Échelle régionale ou continentale Instrument végétation SPOT4 c) Haute résolution Pixel ~ 5 à 100 m : agriculture, cartographie, géologie, gestion des risques Échelle régionale ou locale 17

15 Les deux domaines de la télédétection Arcachon 5 m (image spot5) d) Très haute résolution Pixel métrique et submétrique Détection d'objets de dimension métrique et sub-métrique, permettant l'élaboration de documents cartographiques à très grande échelle (mieux que 1:5 000) La statue de la Liberté vue par Quickbird B. La radiométrie Définition On appelle radiométrie toute science ou technique dont le sujet d'étude est lié au rayonnement électromagnétique. La radiométrie se traduit par une représentation numérique de la réflectance spectrale d'un objet pour une longueur d'onde donnée. Cette représentation s'appelle compte numérique. 18

16 Les deux domaines de la télédétection Applications : Aide à la photo-interprétation et à la détection d'objets. Estimation de grandeurs physiques liées au sol et/ou à l'atmosphère. Tableau des différentes longueurs d'onde des rayonnements électromagnétiques Spectre visible : µm, le monde tel que l'homme le voit (VIS) Proche et moyen infra rouge : µm, signature de la végétation, de l'humidité des sols (PIR et MIR) Infrarouge thermique : 3 50 µm, signatures en fonction de la température (IRT) Micro-ondes : cm, rugosité, humidité, biomasse,océanographie, objets métalliques et artificiels, radar 1. La résolution radiométrique Définition La résolution radiométrique d'un système de télédétection décrit sa capacité à reconnaître des petites différences dans le spectre électromagnétique. Plus la résolution radiométrique d'un capteur est fine, plus le capteur est sensible à de petites différences dans l'intensité de l'énergie reçue. Il existe des capteurs très perfectionnés capables de détecter de nombreuses bandes spectrales, on les appelle capteurs hyperspectraux (exemple ETM+ de Landsat 7, Aster, Modis,...). 2. La résolution numérique Définition La résolution numérique représente la gamme de valeurs possibles attribuées au compte numérique d'un pixel. 19

17 Les deux domaines de la télédétection L'estuaire de la Seine représenté avec 3 codages différents On constate que même avec 4 valeurs, l'image est déjà interprétable. 3. Visualisation des images en couleur Méthode Pour visualiser des images satellite en couleur sur un ordinateur, il faut affecter un canal spectral du capteur (pour SPOT : vert, rouge et infrarouge) à un canal RVB visualisation de l'ordinateur. C'est ce que l'on appelle une composition colorée. Affichage d'une composition colorée Dans un paysage urbain, on préférera plutôt la couleur naturelle, comme le montre la figure ci-après (sauf si l'on s'intéresse aux espaces verts de cette ville). 20

18 Les deux domaines de la télédétection Comparaison couleurs naturelles IRC 21