Images, couleurs, vision Ce que nous voyons Ce que «voit» SPOT Il semblerait que nos yeux et ceux de SPOT soient différents! I ) Qu appelle -t-on «voir»? Les objets éclairés par le soleil renvoient de la lumière dans toutes les directions. Pour y «voir», SPOT effectue des mesures de cette lumière «renvoyée» et à partir de ces résultats de mesure, nous sommes en mesure d afficher une image satellite. Quand nous regardons un objet, nos yeux effectuent eux aussi des mesures de lumière renvoyée par l objet et transmettent les résultats des mesures à notre cerveau qui les utilisent pour fabriquer une image que nous «voyons». II ) La lumière La lumière que nous appelons lumière du jour est la lumière émise par le Soleil : elle se propage du Soleil jusqu à la Terre à la vitesse de 300000 km/s (il lui faut 8 minutes pour venir du Soleil jusque notre planète ; si le Soleil s éteignait brusquement, les habitants de la Terre ne s en rendraient compte que 8 minutes plus tard!). Cette lumière se propage en ligne droite du Soleil jusqu à nous et, bien que le Soleil émette de la lumière dans toutes les directions (comme le montrent les dessins d enfants!), notre planète est si petite comparée à cette étoile et si éloignée d elle, que les rayons nous parvenant peuvent être considérés comme étant parallèles entre eux. Un vrai Soleil!
La réalité! La Terre Sur cette image agrandie, on constate que les rayons du Soleil paraissent parallèles entre eux. La lumière se propage en ligne droite, mais elle peut changer de direction : voyez ce que l on peut faire en classe avec un simple miroir ou le verre d une montre! Soleil Œil du professeur Miroir ou montre Ce schéma correspond au phénomène de réflexion de la lumière. Il existe un deuxième moyen de changer la direction de propagation de la lumière : utiliser le phénomène de réfraction, c est-à-dire, amener la lumière à se propager dans deux milieux différents (tous deux transparents, quand même : il faut que la lumière traverse les deux milieux). Air Eau Lors du passage d un milieu transparent à un autre, la lumière change de direction : c est le phénomène de réfraction. Entre la direction d où arrive la lumière (rayon incident) et la direction prise par la lumière dans l eau (rayon réfracté), il existe un angle D, appelé angle de déviation. D
Mais là, les choses se compliquent! Au lieu d envoyer des rayons lumineux quelconques, envoyons de la lumière émise par une diode électroluminescente rouge puis par une verte. Air Air Eau Eau La lumière rouge et la lumière verte ont une ou des propriétés différentes : l angle D rouge et D vert sont différents. Quelle grandeur caractérise la couleur de la lumière? La lumière est une vibration à la fois électrique et magnétique : on la désigne sous le nom d onde électromagné tique. Une onde électromagnétique est caractérisée par sa longueur d onde. A une longueur d onde correspond une couleur : on a une radiation lumineuse monochromatique (les diodes électroluminescentes émettent des radiations monochromatiques). Par contre, à une couleur peuvent correspondre plusieurs longueurs d onde, les radiations peuvent s ajouter: on observe de la lumière composée. Air Eau Par exemple, une lumière jaune peut être composée d une radiation rouge et d une radiation verte. Au passage d un milieu à un autre, les deux lumières monochromatiques sont déviées différemment. Cependant, on peut aussi observer une lumière jaune monochromatique, celle d une diode électroluminescente jaune par exemple et dans ce cas on obtiendra le même schéma que dans les cas de lumières issues de diodes électroluminesce ntes verte ou rouge, avec un angle de déviation caractéristique de la lumière monochromatique jaune. Le soleil émet des radiations de différentes longueurs d onde. Le passage de la lumière du soleil de l air à l eau, puis de l eau à l air lors de la traversée d une goutte d eau fait que les différentes radiations monochromatiques sont déviées d un angle différent et on peut observer (dans certaines conditions) un arc-en-ciel. Le domaine des ondes électromagnétiques est très vaste ; toutes ces ondes sont caractérisées par leur longueur d onde ; la lumière visible est un sous -ensemble de
l ensemble des ondes électromagnétiques. Les longueurs d onde de la lumière visible sont comprises entre 400 et 800 nm. III ) Comment voit-on la lumière? Que l on soit un être humain ou un satellite d observation de la Terre, on utilise des capteurs qui mesurent l énergie lumineuse reçue et envoient le résultats de cette mesure à un système capable d utiliser l ensemble de ces résultats pour fabriquer une image : le cerveau pour l être humain, un ordinateur équipé d un logiciel spécialisé pour SPOT. La lumière pouvant être la somme de diverses radiations, les capteurs de lumière sont spécialisés : certains ne voient que du ro uge, d autres ne voient que du bleu, etc. Ces capteurs sont associés à des filtres sélectifs. a) L œil humain L étude de l œil humain montre que nos yeux possèdent différents capteurs de lumière implantés dans la rétine : des capteurs en forme de bâtonnets et des capteurs en forme de cônes. Coupe de la rétine Les bâtonnets ne sont pas sélectifs et mesurent l énergie lumineuse reçue dans sa totalité. Ils nous permettent de savoir si l objet observé est très lumineux ou peu lumineux, mais ne nous permettent pas de le voir en couleurs, les objets sont vus en différentes nuances de gris, mais comme ces capteurs sont très sensibles à la quantité d énergie reçue, ils sont saturés quand la lumière est intense et dans ce cas, ce sont les informations transmises par les cônes qu utilise notre cerveau. Par contre, ils nous permettent de voir dans la pénombre ou la nuit. Les cônes sont des capteurs sélectifs, ils ne voient qu une couleur (en fait ils sont sensibles à l ensemble du spectre visible mais leur sensibilité est maximale pour une bande de longueurs d onde correspondant à une couleur donnée, si bien que les autres couleurs peuvent être considérées comme non-vues).
Par contre, nos yeux ne possèdent pas autant de cônes que de couleurs visibles. Seules trois couleurs sont mesurées par les capteurs de notre rétine : le bleu, le vert et le rouge. Sensibilité des capteurs de l œil humain suivant les longueurs d onde des radiations lumineuses (notre œil ne paraît guère sensible au bleu mais notre cerveau effectue les corrections nécessaires). b) L œil de SPOT : Barrette de capteurs CCD (correspondant aux cônes et bâtonnets de notre oeil) Lentille (correspondant au cristallin de notre œil) Le déplacement du satellite. 3000 points de mesure correspondent à une ligne de 3000 éléments de 20 m de largeur, ce qui correspond à une scène de 60 km de large. Les éléments de la barrette de capteurs enregistrent des mesures sur une ligne de 3000 points durant le temps nécessaire pour que la trace au sol se déplace de 20 m.
L «oeil» de SPOT peut regarder «sur le côté» comme notre œil : un miroir orientable et son actionneur correspondent aux muscles qui nous permettent de regarder à droite ou à gauche sans tourner la tête. Mais, alors que le système optique de notre œil correspond à une simple lentille (le cristallin), le système optique de SPOT est un télescope (il faut orienter et concentrer la lumière par un assemblage de lentilles et miroirs.). Le satellite possède trois sortes de capteurs (comme notre œil possède trois sortes de cônes). Dans chaque série de capteurs, les photorécepteurs sont sensibles à des radiations lumineuses correspondant à un domaine de longueurs d onde ; ce domaine est appelé canal. Canal 1 appelé XS1 : de 500 nm à 590 nm (vert). Canal 2 appelé XS2 : de 610 nm à 680 nm (rouge). Canal 3 appelé XS3 : de 790 nm à 890 nm (infrarouge). Les récepteurs embarqués sur les satellites sont des capteurs CCD (comme dans les camescopes numériques) mais nous allons étudier le principe des mesures effectuées par SPOT en prenant comme capteurs de lumière des photodiodes. c) Comparaison capteurs œil humain / capteurs œil SPOT Vert Rouge Infra rouge 400 500 600 700 800 900 longueur d onde (nm)
IV ) Etude d une photodiode + - 0 2.5V 2.5V 10 k? V E I RI R 1 k? EA0 EA7 Ud Ref Le montage ci-dessus permet de relever les caractéristiques intensité/tens ion de la photodiode pour différents éclairements. I Courbe obtenue dans l obscurité Augmentation de l éclairement Ud La mesure de l intensité du courant dans ce domaine permet de mesurer l éclairement (principe d un luxmètre). V ) Capteur de lumière sélectif On place des filtres devant la photodiode. Par exemple avec un filtre qui laisse passer le rouge et l infrarouge associé à un filtre qui arrête l infrarouge, on obtient un capteur de lumière qui ne «voit» que le rouge.
200 300 400 500 600 700 800 900 En suivant le même principe, on obtient 4 capteurs de lumière : Capteur bleu pour l œil humain Capteur vert pour l œil humain et l œil de SPOT Capteur rouge pour l œil humain et l œil de SPOT Capteur infrarouge pour l œil de SPOT VI ) L ensemble ANACHROM : capteurs sélectifs, interface ORPHY et logiciel Résultats des mesures Observation de feuilles vertes avec ANACHROM
VII ) Obtention d une image sur un écran a) Principe d un écran Un écran comporte, sur sa face intérieure, de nombreux éléments, constitué chacun de trois pastilles capable d émettre de la lumière rouge, verte ou bleue quand elles sont frappées par un faisceau d électrons. L intensité de la lumière émise dépend de l intensité du faisceau issu des différents canons à électrons. Lorsqu on regarde l écran d assez loin, les trois couleurs de l élément se fondent en une seule : elles «s ajoutent» (synthèse additive). Si il n y a pas de faisceau bleu, les faisceaux rouge et vert correspondent à une tache jaune. Trois faisceaux rouge, vert et bleu de forte intensité correspondent à une tache blanche sur l écran. b) Des données numériques au pilotage de l écran
Le codage des couleurs fait que pour une image «vision humaine», à une mesure issue d un capteur bleu correspond une commande pilotant un photophore bleu de l écran. Mais pour une vision SPOT, les couleurs mesurées ne correspondent pas à notre système de vision et, comme pour obtenir une image visible par notre œil, il faut utiliser les couleurs qu il peut voir, il a été nécessaire de «coder» les couleurs et, en particulier, d attribuer une des couleurs visibles par notre œil aux données issues du capteur infrarouge. Structure d une image Une image est formée de 3 fichiers numériques : chacun de ces fichiers pilotent une couleur à l écran. Plusieurs choix sont possibles : XS1 (mesures du vert) vert XS2 (mesures du rouge) rouge XS3 (mesures de l infrarouge) bleu XS1 (mesures du vert) vert XS2 (mesures du rouge) bleu XS3 (mesures de l infrarouge) rouge
XS1 (mesures du vert) bleu XS2 (mesures du rouge) rouge XS3 (mesures de l infrarouge) vert Quoi que l on fasse, les coule urs ne correspondront pas à ce que nous voyons de nos yeux. Un choix a été fait, au niveau international : XS1 (mesures du vert) bleu XS2 (mesures du rouge) vert XS3 (mesures de l infrarouge) rouge Avec ce choix, les champs sont rouges (quand ils sont couverts de végétation en activité) ou bleus (quand ils sont labourés ou qu ils viennent d être moissonnés), mais les fleuves, rivières, étangs, lacs ou océans ont des couleurs qui s étalent du bleu clair au bleu très foncé. VIII ) Pourquoi les champs sont-ils rouges ou bleus? Moyennes des valeurs trouvées dans chaque canal pour un champ rouge (en noir) et pour un champ bleu (en bleu). Explications : Un champ rouge est «vu» comme un champ un peu vert, pas du tout rouge et très infrarouge. Le codage des couleurs signifie que la couleur du champ à l écran sera un peu bleue, pas du tout verte et très rouge donc, au final, une parcelle rouge. Un champ bleu est vu comme étant à peu près équilibré pour chaque couleur (ce qui correspondrait à du blanc) avec une légère prédominance pour les résultats issus du capteur vert ce qui se traduit par un léger excès de couleur bleue, et donne un champ bleu clair.
VIII ) Applications Un champ de betteraves en Avril vient juste d être labouré et ensemencé. C est en fait un sol nu. Un champ de blé en Avril a été semé en Octobre ou Novembre de l année précédente et est couvert de tiges de blé en pleine croissance, hautes de 20 à 25 cm et du plus joli vert. Par contre, en Août, un champ de blé a été moissonné et est, soit à l état de chaume, soit labouré pour les prochaines semailles : c est un sol nu. En Août, un champ de betteraves est couverts de feuilles de betterave et nous apparaît comme une vaste étendue verte. Champ de betteraves en avril Champ de blé en avril
La communauté européenne utilise les images satellites pour suivre les cultures en Europe. Des images sont acquises régulièrement. Pour traiter et analyser une image satellite, il faut avoir des informations terrain : des sites de 500 m de côté ont été sélectionnés dans toute l Europe et régulièrement (au moins deux fois par an) des équipes d enquêteurs vont faire un relevé exhaustif de tout ce qui pousse dans les parcelles contenues dans le périmètre délimité. Ces résultats vérité-terrain permettent de calibrer les valeurs numériques en tenant compte de la diversité climatique et pédologique de l Europe et aussi des diverses pratiques culturales. En étudiant plusieurs images prises à des intervalles réguliers, il est possible de suivre l état d une parcelle et de prévenir les risques de maladies ou de prendre conscience de défauts d irrigation. Des images SPOT avec une résolution de 2,50 m (SPOT 5) commencent à être commercialisées pour ce genre d investigation (certaines coopératives agricoles, dans le cadre d actions de recherche et de développement effectuent des études de préconisation d engrais ou de produits phytosanitaires pour des parcelles suivies par des images satellites en coopération avec l Institut National de Recherche Agricole). Le monde agricole est en pleine évolution, même si tout ne se fait pas en un jour.
Les capteurs de SPOT doivent être recalibrés régulièrement : ils le sont quand le satellite passe au -dessus des zones enneigées du Groënland et aussi quand il passe audessus des vastes étendues d herbe sèche de la Plaine de la Crau. Le développement de nouvelles technologies ne peut faire disparaître les besoins de connaissances du terrain. Vraies ou fausses couleurs, les images font rêver!
Couleurs, vraies ou fausses? Champs rouges, champs bleus sur une image satellite Adrien AUGE Gaultier LAMBERT Antoine MEYER Lycée ROOSEVELT - REIMS