Introduction à la télédétection radar Ressources naturelles Natural Resources Centre canadien Canada de télédétection, Canada Ressources naturelles Canada
Sommaire du cours À quoi sert la télédétection radar? Notions élémentaires relatives au radar RSO Résolution et angle d incidence Fréquence et polarisation Caractéristiques associées aux images Déplacement topographique Chatoiement Mécanismes de diffusion Introduction aux capteurs
Pourquoi utiliser le radar comme outil de télédétection? On peut controler la source d illumination permet de voir à travers les nuages, la pluie et dans l obscurité Images à haute résolution (3 10 m) Possibilité de représenter et de différencier certaines caractéristiques qui ne peuvent être discernées par les capteurs visibles Certains aspects des surfaces ressortent mieux sur des images radar : glace, vagues océaniques humidité du sol, masse végétale certains objets fabriqués par l homme structures géologiques
RADAR Le terme radar est l acronyme pour Radio Detection And Ranging (détection et télémétrie par onde radio). Un système radar a trois fonctions principales : - Émettre un signal hyperfréquences (radio) vers une scène - Capter le signal rétrodiffusé de la scène - Enregistrer l intensité (détection) du signal de retour et le délai entre ce dernier et le signal émis (télémétrie). Le radar fournit lui-même l énergie requise et peut donc être utilisé aussi bien la nuit que le jour et sous couverture nuageuse. Ce type de système est appelé système de télédétection active.
RADAR Radio Detection And Ranging (détection et télémétrie par ondes radio) Portée Écho Impulsion
Le spectre électromagnétique Toutes les ondes électromagnétiques se propagent à la vitesse de la lumière. Les rayons X, la lumière visible, et les ondes radio en sont quelques exemples. On distingue ces ondes selon les variations de leurs champs électriques et magnétiques. Il est possible de caractériser les ondes électromagnétiques selon la polarisation, et la fréquence ou la longueur d onde (qui est inversement proportionnelle à la fréquence). La télédétection radar n utilise qu une portion du spectre, soit les fréquences qui s étendent de 0,3 GHz à 300 GHz (exprimée en longueurs d onde : 1 m à 1 mm).
Spectre électromagnétique
Qu est-ce qu un radar à synthèse d ouverture (RSO)? Un système radar à visée latérale produisant une image à haute résolution de la surface terrestre (pour les applications de télédétection) Le radar à visée latérale accumule des données d images tout en parcourant sa trajectoire. Ainsi, des bandes continues de la surface terrestre sont illuminées d un côté du radar, parallèlement à sa trajectoire. Les données ainsi accumulées sont ensuite traitées afin de produire une image radar. La direction perpendiculaire à la trajectoire du satellite se nomme portée. La portée proximale correspond au point de l image le plus près du nadir (soit la trace du satellite située directement sous ce dernier) alors que la portée distale correspond au point de l image le plus loin du radar. La direction parallèle à la trajectoire du satellite se nomme azimut. La résolution radar se définit selon les deux directions, soit en portée et en azimut. Le traitement numérique des signaux permet de focaliser l image et d obtenir une meilleure résolution qu avec des radars conventionnels.
Concept de synthèse d ouverture Ouverture synthétique Point où le RSO détecte L objet pour la dernière fois Distance parcourue par le RSO alors que L objet est en vue - ouverture synthétique Trajectoire Point où le RSO détecte L objet pour la première fois Trace Nadir Fauchée Objet
Résolution Puisque le RSO est un système actif, la résolution du capteur se définit selon deux dimensions : la résolution en portée et la résolution en azimut. On ne doit pas confondre la résolution du capteur avec la dimension des pixels, cette dernière résultant du traitement de l image RSO. Portée La résolution en portée d un RSO est limitée par des contraintes inhérentes au radar et au processeur qui affectent les mesures dans le domaine distancetemps. La résolution en portée dépend de la longueur de l impulsion en question; les impulsions courtes produisent une meilleure résolution. Les données radar sont générées selon le domaine distance-temps, mais sont généralement projetées dans le plan distance au sol afin de produire une image. Azimut Pour un radar à ouverture réelle, la résolution en azimut est déterminée par la largeur au sol du faisceau angulaire utilisé pour balayé la bande de terrain. Pour distinguer deux objets, ceux-ci doivent être séparés selon l azimut d une distance supérieure à la largeur du faisceau au sol. Le nom RSO est associé au traitement spécial des données selon l azimut, qui permet d obtenir une résolution des centaines de fois supérieure à la largeur du faisceau émis par l antenne.
Résolution en azimut La résolution d un radar «ordinaire» (c.-à-d. à ouverture réelle) dépend de la largeur du faisceau en azimut. Un radar à synthèse d ouverture (RSO) traite le signal de manière à obtenir une résolution en azimut permettant de discerner des distances inférieures à la longueur de l antenne. Résolution en azimut après traitement largeur initiale du faisceau en azimut
Cellule de résolution Source: Raney, 1998 r R = résolution en portée r A = résolution azimutale
Angle d incidence Désigne l angle entre l illumination radar et la normale à la surface terrestre. Selon l altitude du radar, l angle d incidence varie de la portée proximale à la portée distale, et par conséquent, affecte la géométrie de visée. Angle d incidence local L angle d incidence local tient compte de l inclinaison locale du terrain en tout point de l image. L angle d incidence local détermine en partie la brillance de l image ou la teinte de chaque pixel.
Micro-ondes La plupart des radars de télédétection utilisent des longueurs d onde allant de 0,5 cm à 75 cm. À différentes plages de longueurs d onde correspondent des bandes désignées de façon arbitraire par des lettres. Les bandes les plus couramment utilisées pour l imagerie radar sont énumérées ci-dessous : Bande X : de 2,4 à 3,75 cm (12,5 à 8 GHz). Utilisée pour la reconnaissance militaire et les levés de terrain effectués par des entreprises commerciales. Utilisée sur le RSO CV- 580 de Environnement Canada. Bande C : de 3,75 à 7,5 cm (8 à 4 GHz). Utilisée sur plusieurs RSO spatiaux tels que ERS-1 et RADARSAT. Bande S : de 7,5 à 15 cm (4 à 2 GHz). Utilisée sur le satellite Almaz. Bande L : de 15 à 30 cm (2 à 1 GHz). Utilisée sur les satellites SEASAT et JERS-1. Bande P : de 30 à 100 cm (1 à 0,3 GHz). Utilisée sur le AIRSAR du NASA /JPL. La capacité du signal à pénétrer la pluie et la couche de surface s accroît avec la longueur d onde. Les radars utilisant des signaux dont la longueur d onde dépasse 2 cm sont peu touchés par les effets de couverture nuageuse, alors que la pluie nuit aux signaux dont la longueur d onde est inférieure à 4 cm.
Dimension relative des longueurs d onde des hyperfréquences
Choix de la fréquence radar 1 Facteurs liés à l application : La longueur d onde utilisée doit correspondre aux dimensions des caractéristiques de la surface que l on désire distinguer. Utiliser la bande X pour discerner les types de glace (éléments de petites dimensions) Utiliser la bande L pour la cartographie géologique (éléments de grandes dimensions) pour la pénétration du feuillage, les basses fréquences sont plus efficaces, utiliser la bande P En général, la bande C représente un bon compromis
Comparaison de fréquences : bandes C, L et P Comparaison des fréquences Flevoland, Pays-Bas Image de terres agricoles Bande C Bande L Bande P Les composés couleurs multipolarisés sont une courtoisie de JPL
Choix de la fréquence radar 2 Facteurs liés au système : Basses fréquences : Plus difficile à traiter Nécessite de plus grandes antennes et de plus grandes sources primaires Électronique plus simple Hautes fréquences : Requiert plus de puissance Électronique plus complexe Bonne disponibilité des composants dans la bande X Notons que plusieurs RSO de recherche sont dotés de plusieurs bandes de fréquence p. ex., le AIRSAR de JPL, le SIR-C, et le Convair-580
Polarisation La polarisation est définie comme l orientation du vecteur électrique d une onde électromagnétique. Les antennes d un système radar peuvent être configurées de façon à émettre et à capter un rayonnement électromagnétique polarisé horizontalement ou verticalement. Les ondes émises et captées ayant la même direction de polarisation sont dites en polarisations parallèles. HH désigne des ondes émises et captées horizontalement et VV désigne des ondes émises et captées verticalement. Lorsque les ondes émises et captées sont polarisées perpendiculairement l une par rapport à l autre, elles sont dites en polarisations croisées. Par exemple, HV désigne une émission horizontale et une réception verticale et VH désigne une émission verticale et une réception horizontale. Lorsque l onde radar atteint une surface et en est diffusée, la polarisation peut être modifiée, tout dépendant des propriétés de la surface. Cette transformation modifie l apparence de la scène polarimétrique, ce qui permet souvent de déterminer le type de surface à partir de l image.
Polarisation d une onde électromagnétique Champ électrique POLARISATION VERTICALE POLARISATION HORIZONTALE
Choix de polarisation Les RSO de base ou les RSO opérationnels ne possèdent généralement qu une seule polarisation, p. ex. HH ou VV, par souci d économie. Les systèmes de recherche possèdent habituellement plusieurs polarisations, p. ex. HH, HV, VV, VH (quadruple polarisation) La polarisation multiple permet de distinguer la structure physique des surfaces de diffusion : alignement par rapport au radar (HH c. VV) caractère aléatoire de la diffusion (p. ex. végétation, HV) structures d angle (p. ex. angle de phase HH VV) diffusion de Bragg (p. ex. océans, VV)
Glace de la mer Weddell, Antarctique Bande C, HH Bande L, HV Bande L, HH
Victoria et la péninsule de Saanich, Canada Milieu urbain Banlieue Forêt Agriculture coupes à blanc Bande C, HH Bande L, HV Bande L, HH
Les avantages de la polarimétrie la matrice de diffusion, la matrice de Stokes et la signature de la polarisation peuvent être calculées pour tous les pixels peut s avérer un outil de classification puissant utile pour la classification visuelle et la classification automatisée la matrice de diffusion peut être utilisée afin de synthétiser n importe quelle polarisations transmises ou reçues afin d étudier les propriétés de diffusion de différentes surfaces afin de déterminer la polarisation offrant le plus haut niveau de détectabilité
Les avantages de l imagerie polarimétrique
Déplacement du relief Puisque les radars imageurs captent généralement la scène selon une perspective oblique (c.-à-d. par visée latérale), ils sont sujets aux effets de déplacement unidimensionnel du relief semblables à ceux observés en photographie aérienne. Sur les photos aériennes, les objets élevés sont déplacés de façon radiale par rapport au nadir. Pour l imagerie radar, les distorsions du terrain sont perpendiculaires à la trajectoire (ou à la trace du satellite). Les grands objets sont donc déplacés vers le capteur.
Déplacement topographique d un capteur optique Capteur optique Selon des triangles d similaires = h D H h D = * D H d = h tan θ θ H nadir Surface de référence Capteur optique de mouvement de translation topographique * d = deplacement horizontal d'un sommet de 100 mètres (m)
Déplacement topographique d un capteur radar θ Direction de prise de vue apparente H Sommet Surface de référence Projection orthographique du sommet Projection du sommet de la distance au sol du radar Déplacement horizontal d'un sommet de 100 mètres (m) Aéroporté θ Satellite Source: T. Toutin, 1992, ROS and SEASAT Image Geometric Correction IEEE-IGARS, vol. 30, n o. 3, pp. 603-609.
Ombre radar Les ombres radar apparaissent sur l imagerie radar là où la surface du sol n est pas illuminée par le radar. Puisqu aucun signal n est capté, ces régions paraissent très foncées sur l image. Sur les images, les ombres radar apparaissent dans la direction de la portée-aval, derrière les objets élevés. Elles sont un bon indicateur de la direction de l illumination dans les cas où l annotation est absente ou incomplète. Puisque l angle d incidence augmente lorsque l on passe de la portée proximale à la portée distale, l illumination du terrain devient plus oblique. Les effets d ombre deviennent alors plus importants en s éloignant du capteur. Des informations sur la scène peuvent également être obtenues grâce aux ombres radar comme, par exemple, la hauteur d un objet. L ombrage joue un rôle important dans l interprétation du relief du terrain par imagerie radar.
Ombre radar illumination front d'onde scène distorsion ombre Source: Raney, 1998 Source: Raney, 1998
Effet de rapprochement L effet de rapprochement est l effet par lequel les éléments inclinés vers le radar apparaissent comprimés sur l image radar. L interprète doit tenir compte de cet effet puisque les éléments inclinés apparaissent en tons plus brillants. L effet de rapprochement est maximal lorsque l élément incliné est perpendiculaire au faisceau. L angle d incidence local correspondant est zéro. Ainsi, la base, le point incliné et le sommet d une colline sont captés en même temps et apparaissent donc au même endroit sur l image. Pour une pente ou un flanc de coteau donné, les effets de rapprochement diminuent à mesure que l angle d incidence augmente. En illumination rasante, où l angle d incidence approche 90, les effets de rapprochement sont éliminés, mais des effets d ombre importants peuvent alors apparaître. Ainsi, le choix de l angle d incidence implique un compromis entre les effets de rapprochement et les effets d ombre dans l image.
Effet de rapprochement illumination front d onde scène Source : Raney, 1998 déplacement effet de rapprochement
Déversement radar (repliement) Le déversement radar survient lorsque le signal provenant de la portion supérieure d un objet est capté avant le signal provenant de la portion inférieure. Lors du traitement de l image, la partie supérieure sera alors déplacée, ou «déversée» par rapport à sa base. Le déversement radar survient généralement pour des géométries de visée à petits angles d incidence, comme dans la géometrie d acquisition des capteurs satellitaux.
Déversement radar (Repliement) ilumination i front d onde distorsion scène déversement-radar Source: Raney, 1998
Déplacement du relief (capteur radar) Le type et l importance du déplacement du relief dans une image radar dépendent de l angle avec lequel le faisceau radar touche le sol, ou en d autres mots, de l inclinaison locale du sol. Déversement-radar Effet de rapprochement Ombre 0 90º Angle d incidence local
Atténuation et chatoiement L atténuation et le chatoiement sont les «effets de bruit» inhérents aux systèmes imageurs cohérents qui diminuent la qualité de l image. L atténuation est causée par une variation du temps de propagation de la phase de l écho. Cette variation est due à des cibles multiples dans une cellule de résolution dont la portée diffère de moins d une longueur d onde. Les interférences locales constructives et destructives prennent respectivement l apparence de taches claires et sombres: le chatoiement. Les effets d atténuation et de chatoiement peuvent être réduits en calculant la moyenne d ensembles indépendants de données rattachés à la même parcelle de terrain. Cela peut être exécuté en : Filtrant les données par visées multiples. Il s agit de diviser l ouverture synthétique totale en plusieurs ouvertures de taille moindre produisant des visées indépendantes de la région ciblée fondées sur la position angulaire de la cible. Ainsi, les visées correspondent à différentes bandes de fréquences Doppler. Calculant une moyenne (incohérente) des pixels adjacents. La réduction de ces effets améliore la résolution radiométrique au détriment de la résolution spatiale.
Chatoiement Interférence constructive Résultat Ondes radar cohérentes Interférence destructive Résultat Exemple d une cible homogène Interférence constructive Différents niveaux d interférence (de constructive à destructive) Interférence destructive
Chatoiement Champ de maïs Cible uniforme Texture fine Forêt Cible non uniforme Texture grossière 300 m 300 m
Réflexion diffuse et spéculaire La rugosité de la surface influe sur la réflectivité des micro-ondes et donc sur l intensité des différents éléments apparaissant sur l imagerie radar. Les surfaces horizontales lisses réfléchissent la presque totalité des ondes incidentes dans une direction opposée au radar. Ce type de réflexion est dite spéculaire (du mot latin speculum qui signifie miroir). Les surfaces spéculaires, comme les plans d eau calme et les autoroutes, apparaissent sous forme de régions foncées sur l imagerie radar. Lorsque les micro-ondes entrent en contact avec une surface rugueuse, elles sont diffusées dans plusieurs directions. Ce type d interaction se nomme réflexion diffuse. Les surfaces de végétation produisent une réflexion diffuse et génèrent des teintes claires par imagerie radar.
Réflexion diffuse et spéculaire Réflexion diffuse Réflexion spéculaire Réflecteur en coin
Diffusion 1 En général, les scènes observées à l aide d un RSO contiennent deux types de surface réfléchissante : des diffuseurs répartis et des cibles ponctuelles. Les cibles ponctuelles ont une forme géométrique relativement simple, comme un édifice. L élément dont on se sert habituellement pour représenter les cibles ponctuelles est le réflecteur en coin, lequel résulte de l intersection quasi perpendiculaire de plans (comme l intersection d une rue pavée et d un immeuble élevé).
Diffusion 2 Les diffuseurs répartis sont des régions ou des surfaces produisant de nombreuses réflexions distinctes en différentes directions. La diffusion provenant d un couvert forestier ou de terres cultivées sont des exemples de diffuseurs répartis. Le radar capte la portion du signal qui est diffusée dans la direction du faisceau incident.
Rugosité de surface La rugosité d une surface telle qu elle est perçue par le radar dépend de la longueur d onde du signal et de l angle d incidence du faisceau. En général, une surface est considérée lisse si les variations en hauteur de la surface sont beaucoup plus petites que la longueur d onde du radar. Pour une longueur d onde donnée, la surface semble de plus en plus rugueuse au fur et à mesure que l angle d incidence augmente. Les surfaces rugueuses sont habituellement plus claires sur les images radar que les surfaces lisses composées de la même matière. De façon générale, on définit une surface rugueuse comme ayant des variations en hauteur de l ordre de la moitié de la longueur d onde du radar.
Rugosité de surface Modèles de diffusion Onde incidente Modèle de diffusion Lisse Onde incidente Onde incidente Modèle de diffusion Modèle de diffusion Rugosité moyenne Rugueux
Réflecteurs en coins De petits objets peuvent se transformer en points extrêmement clairs sur l image radar. Cet effet dépend de la géométrie de l objet. Le côté d un édifice ou d un pont combiné à la réflexion du sol constitue un exemple d un réflecteur de coin. Deux surfaces formant un angle droit et qui sont en vue du radar, constituent un réflecteur en coin de type dièdre. L écho d un réflecteur en coin dièdre n est important que lorsque les surfaces réfléchissantes sont orientées perpendiculairement, ou presque, par rapport à la direction d illumination. De fortes réflexions proviennent de réflecteurs en coin de type trièdre. Ceux-ci sont formés de trois plans qui se recoupent perpendiculairement les uns par rapport aux autres et dont les angles rentrants sont orientés vers le radar. Les chercheurs disposent souvent des réflecteurs en coin sur le sol pour qu ils servent de points de référence sur les images radar.
Réflecteurs en coin Dièdre Trièdre
Diffusion dans un volume La diffusion dans un volume fait référence au processus de diffusion multiple qui survient dans un médium, comme le couvert d un champ de maïs ou d une forêt, ou encore dans un sol asséché, le sable ou la glace. La diffusion dans un volume est importante puisqu elle modifie la rétrodiffusion perçue par le radar. Le radar enregistre la rétrodiffusion provenant à la fois de surfaces et de volumes. L intensité résultant de diffusion dans un volume dépend des propriétés physiques du volume (en particulier les variations de la constante diélectrique) et des caractéristiques du radar (longueur d onde, polarisation, angle d incidence).
Réflexions Rétrodiffusion du couvert Rétrodiffusion du sol Réflexion sol - tronc (Réflecteur en coin) Réflexion couvert - sol
Taux d humidité La présence d humidité dans une matière quelconque en augmente la constante diélectrique complexe. La constante diélectrique influe sur la capacité d absorber, de réfléchir et de transmettre des micro-ondes. L humidité présente dans la matière en modifie les propriétés électriques. Cela en affecte l apparence sur l image radar. Des matériaux identiques peuvent prendre différentes apparences à différents moments ou endroits, selon la taux d humidité qu ils contiennent. La réflectivité, et donc l intensité de l image associée pour la plupart de la végétation des surfaces augmente avec le taux d humidité. Les micro-ondes peuvent pénétrer la matière très sèche, comme le sable dans les déserts. La diffusion qui en résulte est affectée à la fois par les propriétés de la surface et par les propriétés de subsurface. En général, plus la longueur d onde du radar est grande, plus le signal pénètre profondément dans la matière.
Comparaison entre RSO spatiaux et RSO aéroportés Avantages des RSO spatiaux Couverture par seconde plus élevée (km 2 /s) Coûts de fonctionnement moindres ($/km 2 ) Aucune contrainte liée aux conditions de vol ou à la proximité d un aéroport Régions balayées plus larges Traitement des données un peu plus simple (pas nécessaire de corriger pour le mouvement) Désavantages Conception, construction et lancement plus coûteux Plus difficile à doter de polarisations et de fréquences multiples Ne peut survoler des régions désignées sur demande Résolution généralement plus faible
Comparaison des géométries de visée RSO SPATIAL RSO AÉROPORTÉ aéroporté 10 100 km spatial 25 >500 km COULOIR IMAGÉ
Choix de la largeur de fauchée Limité par les ambiguïtés liées à la portée et par la capacité de traiter les données. Un compromis entre la résolution en azimut, le nombre de visées et la capacité de traitement. Pour les satellites : généralement de 30 à 150 km Pour les aéronefs : généralement de 10 à 100 km Les faisceaux de RADARSAT possèdent des largeurs de fauchée importantes, obtenues en diminuant la résolution et en utilisant une pondération d antenne précise permettant de contrôler les ambiguïtés associées à la portée RADARSAT et le futur Envisat utilisent le mode ScanSAR afin d obtenir des fauchées très larges
RADARSAT-1
Modes d acquisition du RSO de RADARSAT-1 Prolongés à faible incidence Trace au sol du satellite Large ScanSAR Prolongé à incidence élevée Fin Standard
Introduction à la télédétection radar Notes Page 1 of 1 Introduction à la télédétection radar Notes Diapositive 35 Cette diapositive illustre le fait que les effets d ombre, de rapprochement et de repliement constituent des formes progressives du même phénomène à savoir des distorsions géométriques dans la direction de la portée causées par la géométrie de visée et dues au fait que le radar est essentiellement un appareil servant à mesurer les distances (alors qu une caméra est un appareil servant à mesurer les angles). On peut également considérer l ombre radar et l effet de repliement comme des effets extrêmes ou terminaux de rapprochement. Diapositive 38 Le chatoiement représente le caractère aléatoire de la réflexivité causé par l interférence de diffuseurs multiples à l intérieur d une même cellule de résolution, lorsque la distance par rapport aux centres de diffusion des réflecteurs est aléatoire. En général, seul un pixel associé à un important réflecteur en coin ne manifeste pas un effet de chatoiement. Le chatoiement à l état pur peut être observé sur une image radar dont le rapport signal sur bruit est élevé et lorsque la réflexivité réelle du sol est uniforme. Cependant, le chatoiement est souvent accompagné dans l image radar par d autres sources de bruit et de variations radiométriques, notamment le bruit inhérent au capteur et les changements réels de la réflexivité radar de la scène. La texture associée de la scène est une combinaison des facteurs mentionnés ci-dessus. De façon générale, les scènes correspondant à des surfaces dont la réflexivité est uniforme auront une texture fine puisque le chatoiement sera prédominant. Les scènes illustrant des surfaces à réflexivité non uniforme auront une texture plus grossière, en raison de la distribution spatiale non homogène de la réflexivité de surface.