Télédetection - Formation des images SAR

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1 p. 1/6 Télédetection - Formation des images SAR Stéphane Derrode École Centrale de Marseille Institut Fresnel (GSM)

2 p. 2/6 «Télé» et «Détection» Définition 1 : «Méthode d acquisition à distance» Exemples : Téléphone, 3 des 5 sens humains (lesquels), radar (contrôle de vitesse), oiseaux migrateurs (champs magnétique terrestre), sonar (bateaux et chauve-souris).

3 p. 3/6 Capteurs 1903 Autres exemples de capteurs imageur :?

4 p. 4/6 Télédétection et capteurs imageurs Imagerie vidéo : Photographie, vidéo, Noir & blanc, couleur Imagerie médicale : tomodensitométrie, la résonance magnétique, les ultrasons et les rayons-x, pour créer des images de notre corps. Imagerie spatiale ou aérienne : capteurs imageur aéroportés (navette spatiale) ou satellitaires, pour l observation de de la terre. Définition 2 : «La télédétection est la technique qui, par l acquisition d images, permet d obtenir de l information sur la surface de la Terre sans contact direct avec celle-ci. La télédétection englobe tout le processus qui consiste à capter et à enregistrer l énergie d un rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi, à traiter et à analyser l information, pour ensuite mettre en application cette information» La télédétection spatiale : Pour quoi faire (civil / aérien)?

5 p. 5/6 Applications - Catastrophes humaines ➀ Déversements accidentels d hydrocarbures (nappe de pétrole), ➁ Déversements volontaires d hydrocarbures (dégazage), ➂ Surveillance des vois de navigation (rails pour les tankers), ➃ Détermination du type d hydrocarbure. Prestige, 2003.

6 p. 6/6 Applications - Glaces océaniques ➀ Concentration de la glace, ➁ Type, âge et mouvements de la glace, ➂ Détection et surveillance des icebergs, ➃ Identification des chenaux pour la navigation, ➄ Météorologie et recherches sur les changements climatiques.

7 p. 7/6 Deux heures de cours pour... ➀ Onde, rayonnement, interaction onde / matière ➁ Généralité sur les capteurs aéroportés et satellitaires ➂ Principes d acquisition des images RADAR

8 p. 8/6 Introduction à la télédétection ➀ Onde électromagnétique (A) ➁ Perturbations atmosphériques (B) ➂ Interactions rayonnement-cibles (C) ➃ Caractéristiques des capteurs (D) ➄ Acquisition des données (E) ➅ Traitements (F) ➆ Applications (G)

9 p. 9/6 Rayonnement électromagnétique c = λ ν

10 Longueurs d onde utiles en télédétection p. 10/6

11 Spectre électromagnétique : HF p. 11/6

12 Interactions Matière-Énergie EM p. 12/6

13 Reflections spéculaires et diffuse p. 13/6

14 p. 14/6 Système de télédétection ➀ Détection passive active ➁ Plate-formes ➂ L orbite et sa fauchée ➃ Résolutions et ➄ Illustration de la résolution spectrale

15 p. 15/6 Détection passive et active Passive Active

16 p. 16/6 (suite) Passifs : Recevoir une énergie électromagnétique naturellement émise (ou réfléchie) par une cible à imager Exemples : Capteurs optiques Capteurs infrarouge (thermiques) Radiomètres Actifs : Recevoir l onde émise par le capteur et caractériser la cible en fonction de la réflexion de l onde émise Exemples : Lidar Radar Radar à Synthèse d Ouverture (RSO / SAR)

17 Plate-formes p. 17/6

18 Prises de vue aérienne p. 18/6

19 p. 19/6

20 p. 20/6

21 p. 21/6 L orbite et sa fauchée Orbite quasi-polaire (hélio-synchrone) : 700Km, T 100min. Orbite équatoriale (geo-synchrone) : 36000Km, T 24h.

22 L orbite et sa fauchée (suite 1) p. 22/6

23 L orbite et sa fauchée (suite 2) p. 23/6

24 p. 24/6 Couverture : Capteurs à grand-champ Résolution kilométrique Couverture 1000 km Exemple AVHRR SSM/I GOES / METEOSAT MODIS SPOT Végétation

25 p. 25/6 Couverture : Capteurs à petit-champ Résolution décamétrique Couverture 500 km Exemple LANDSAT TM / ETM+ SPOT HRV / HRVIR ERS RADARSAT ENVISAT ASAR

26 Résolution spatiale p. 26/6

27 Résolution spatiale et couverture p. 27/6

28 p. 28/6 Land cover % de pixel Reflectance Contrib. au pixel Bâtiments Sable Arbre Eau Reflectance totale : 58.5

29 Résolution radiométrique p. 29/6

30 p. 30/6 Résolution temporelle et orbites Capteur Altitude Période Répétition SPOT 822 km 101 mn 26 jours LANDSAT 705 km 98.8 mn 16 jours ERS km 100 mn 35 jours RADARSAT 798 km mn 24 jours SIR-C 225 km - -

31 p. 31/6

32 p. 32/6 Principes d acquisition des images RADAR RADAR : RADIO DETECTION AND RANGING 1. Exemples 2. Bandes d hyperfréquences 3. Principe et géométrie d acquisition 4. Résolution en distance et en azimuth 5. Interprétation de l intensité d une image radar 6. Distortions dues au relief 7. Le chatoiement (speckle) - Cours de F. Galland 8. Radar polarimétrique et interférométrie - Cours de A. Rouef 9. Exemples de capteurs radar 10. Quelques applications

33 1- Exemples d images Radarsat Marseille Grand Morin (Seine et Marne) p. 33/6

34 2- Bandes d hyperfréquences p. 34/6

35 p. 35/6 Fenêtre atmosphérique L atmosphère est transparente pour les longueurs d onde moyennes (X à L). Pour les longueurs d onde plus courtes, l atmosphère (troposphère) absorbe les ondes. Pour les longueurs d onde plus longue, elles interagissent avec l ionosphère. Signalons aussi : 22 GHz : absorption totale par la vapeur d eau. 60 GHz : absorption par l oxygène.

36 3- Principe et géométrie d acquisition p. 36/6

37 Caractéristique d antenne p. 37/6

38 Distortions de mesure p. 38/6

39 p. 39/6 4- Résolution en distance (dans le range) d > L 2. Pour améliorer la résolution, il faut réduire L. PB : énergie. Solution : chirp (compression d impulsion par modulation de fréquence)

40 p. 40/6 Résolution en azimuth La largeur du faisceau (A) est une mesure de la largeur du diagramme d illumination. Au fur et à mesure que la distance en portée augmente, la résolution azimuthale augmente (devient plus grossière). La largeur du faisceau est inversement proportionnelle à la longueur de l antenne, donc une antenne longue produira un faisceau plus mince et une meilleure résolution.

41 p. 41/6 Principe de l antenne synthétique Génération d une image au moyen d une antenne synthétique. La cible (en rouge) est illuminée par de nombreuses impulsions radar successives, et l image est formée par une combinaison cohérente de tous les échos reçus. L image obtenue semble résultée d une antenne qui serait la réunion de toutes les antennes élémentaires.

42 p. 42/6 5- Interprétation de l intensité d une image radar La luminance d un pixel dépend dépend de la rugosité apparente, fonction de de l angle d incidence la longueur d onde de l onde EM

43 p. 43/6 Rugosité et angle d incidence - Exemple Angle : 30 Angle : 60

44 Rugosité et longueur d onde - Exemple p. 44/6

45 p. 45/6 Nappes d hydrocarbure Interprétez la luminosité de l image (déversement de pétrole).

46 p. 46/6 6- Distortions dues au relief - repliements repliement (foreshortening) repliement (layover)

47 Distortions dues au relief - Ombres p. 47/6

48 p. 48/6 7- Le chatoiement (speckle) Il est produit de l addition cohérente d un grand nombre d échos élémentaires à l intérieur d un même pixel. Dans une zone homogène, ces échos ont des amplitudes comparables, mais l équirépartition de leur phase entre 0 et 2π rend aléatoire l amplitude qui résulte de la somme cohérente.

49 Le chatoiement (suite) p. 49/6

50 p. 50/6 Réduction du chatoiement - filtrage Le filtrage des images se fait au sol par des moyens numériques. Le filtre moyenneur a tendance à réduire le degré de détail dans les images (notamment en lissant les contours). Filtres particuliers qui lissent plus ou moins en fonction de l homogénéité de la fenêtre (Filtre de Lee, par exemple).

51 p. 51/6 Réduction du chatoiement - traitement multi-vues Le traitement multi-vues est effectué lors de l acquisition des données.

52 p. 52/6 8- Radar polarimétrique Un radar polarimétrique fournit une image dans laquelle chaque pixel est caractérisé par une matrice de type : ( σ HH σ HV ) σ VH σ VV dont les coefficients sont complexes (Amplitude, Phase).

53 Exemples p. 53/6

54 p. 54/6 Interférométrie C est l analyse des différences de phases de la même scène prise à un intervalle de temps très cours : Phase φ = φ propre + φ trajet. L image :

55 La phase de l interférogramme : p. 55/6

56 Le modèle numérique de terrain : p. 56/6

57 p. 57/6 9- Exemples de capteurs radar 1. ERS-1 et ERS-2 (European Remote Sensing) 2. JERS (Japanese Earth Ressource Satellite) 3. RADARSAT (Radar Satellite) 4. SIR-C (Shuttle Imaging Radar) 5. ENVISAT (Environmental Satellite) ASAR

58 p. 58/6 ERS-1 et ERS-2 Active Microwave Instrumentation (AMI) : Résolution Fauchée < 30m km Fréquence f = 5, 3 GHz (λ = 5, 4 cm) bande C. Encodage 16 bits Incidence 23 (20 35). ERS-1 est suivit par un satellite ERS-2 de même caractéristique, ce qui permet de faire de l interferométrie.

59 p. 59/6 JERS Résolution 18 18m Fauchée 75 km Fréquence f = 1, 3 GHz (λ = 23 cm) bande L. Incidence 35. JERS a cessé de fonctionner en remplacé par ALOS Advanced Land Observing Satellite

60 p. 60/6 RADARSAT Résolution de 9 10m à m Fauchée de 45 km à 500 km Fréquence f = 5, 5 GHz (λ = 5.6 cm) bande C. Polarisation HH Incidence de 20 à 50. RADARSAT sera suivit par RADARSAT-II pour l interférométrie.

61 p. 61/6 RADARSAT (suite) Différents modes de fonctionnement.

62 p. 62/6 SIR-C Mission de la Navette Spatial américaine de Param Bande L Bande C Bande X Résol λ 23,5 cm 5,8 cm 3,1 cm Pol HH HV VH VV HH HV VH VV VV Fauchée km km km

63 p. 63/6 ENVISAT ASAR : Résolution 10, 15, 30, 150 m à 1 km en fonction des modes Fauchée km Fréquence GHz, bande C. Polarisation HH et/ou VV Antenne m

64 ASAR (modes d acquisition) p. 64/6

65 p. 65/6 Les capteurs d ENVISAT ASAR MERIS RA-2 & MWR GOMOS MIPAS AATSR DORIS Advanced Synthetic Aperture Radar Medium Resolution Imaging Spectrometer Radar Altimeter et Microwave Radiometer donne l altitude du satellite à 4.5 cm près Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding pollution atmosphérique Advanced Along-Track Scanning Radiometer Mesure de température (IR), à 0.3 près sur la mer Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite Mesure de l orbite à 4.5 cm près et sa vitesse à 0.4 mm/s près. SIAMACHY SCanning Imaging Absorption spectrometer for Atmospheric CHartographY Chimie de l atmosphère

66 10 - Application (1/3) : Fusion de modalités p. 66/6

67 Application (2/3) : Recalage p. 67/6

68 Application (3/3) : Détection de Chgts p. 68/6