Introduction à la télédétection 1- Généralités OLIVIER DE JOINVILLE
Table des matières Table des matières 3 I - Définitions 5 A. Qu'est-ce-que la télédétection?...5 II - Historique 7 A. Images aériennes, films photographiques...7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Premiers clichés...7 Pigeons voyageurs...9 Cerfs-volants...10 A l'ign...12 Les drones...14 Le numérique...14 Comparaison images scannées images numériques...15 B. Images spatiales...16 1. Images analogiques...16 2. Images numériques...18 3. Comparaison d'images numériques aérien et satellitaire...18 III - Les différents types de rayonnements 21 A. Les différents types de rayonnements...21 IV - Applications en imagerie spatiale 25 A. Applications en imagerie spatiale...25 1. Agriculture...25 2. Aménagement du territoire...25 3. Applications maritimes...26 4. Archéologie...26 5. Cartographie 2D ou 3D...27 6. Défense...28 7. Glaciologie...28 8. Études urbaines...30 9. Géologie - Vulcanologie...30 10. Gestion des forêts...32 11. Gestion des ressources en eau...32 12. Météorologie...33 13. Océanographie - Hydrographie...34 14. Risques naturels et industriels...35 15. Télécommunications...36 3
I - Définitions I Qu'est-ce-que la télédétection? 5 A. Qu'est-ce-que la télédétection? Définition : Définition (généraliste) C'est l'ensemble des connaissances et techniques utilisées pour déterminer des caractéristiques physiques et biologiques d'objets par des mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci (JO du 11 décembre 1980). Définition : Définition plus appliquée C'est l'ensemble des connaissances et techniques nécessaires pour interpréter divers «objets» par leurs comportements spectraux et leurs distributions spatiales à l'aide de mesures spécifiques effectuées à distance. Définition : Principe de base Image 1 : Schéma expliquant le principe de la télédétection passive La source d'énergie est l'élément qui "éclaire" la cible en émettant une onde électromagnétique (flux de photons). La cible est la portion de la surface terrestre observée par le vecteur. 5
Définitions Le vecteur ou plate-forme de télédétection mesure l'énergie solaire (rayonnement électromagnétique) réfléchie par la cible. Cela peut être un satellite, un avion, un drône, un hélicoptère, un ULM, un cerf-volant. 2 types de télédétection : 6 active : le vecteur émet une onde vers la cible et en mesure l'écho ; passive : le vecteur ne fait que capter le rayonnement réfléchi.
II - Historique II Images aériennes, films photographiques Images spatiales 7 16 La télédétection existe depuis toujours : notre outil de télédétection est l'oeil... mais ce dernier est limité par 3 facteurs : son spectre (l'oeil ne voit que dans le visible) ; la distance d'observation (l'oeil n'est pas capable de voir une voiture à 800 km de distance) ; son angle d'ouverture. A. Images aériennes, films photographiques 1. Premiers clichés A partir : de ballons 7
Historique Image 2 : Vue aérienne de Paris en 1858 La première photographie aérienne date de 1858, elle est l'oeuvre du photographe et aéropostier Félix Nadar qui a pris un cliché de Paris depuis un ballon captif appelé Le Géant. d'avions (dès la Première Guerre mondiale) Image 3 : Appareil photo monté sur un avion de reconnaissance au début du 20e siècle 1er cliché photogrammétrique en 1925. 8
Historique Image 4 : Cliché aérien annoté pris pendant la première guerre mondiale 2. Pigeons voyageurs Image 5 : Pigeons voyageurs équipés d'appareil photo 9
Historique Ils sont équipés de minuscules caméras de 70 g conçues par le photographe allemand Julius Neubronner. Ces appareils sont munis d'une minuterie automatique qui permet de prendre une photo toutes les 30 secondes pendant le vol des pigeons. Les pigeons étaient-ils disciplinés et revenaient-ils toujours au bon endroit? C'est une autre affaire... 3. Cerfs-volants Image 6 : Concept de prise de vue par les cerfs-volants à la fin du 19e siècle En 1888, c'est la première photographie sous cerf-volant par Arthur Batut. Émile Wenz perfectionne le système trop tributaire des mouvements du cerf-volant. De nombreux systèmes apparaissent : déclenchement par fil, chariot pour monter la nacelle photo, etc. Les cerf-volants sont encore fréquemment utilisés de nos jours pour des prises de vue touristiques ou opérationnelles. 10
Historique Image 7 : Ville de Saint-Malo photographiée par un cerf-volant Image 8 : Essai de cerf-volant au Soudan 4. A l'ign L'IGN dispose de 4 avions Beechcraft pour faire des photos aériennes de la France et des DOM-TOM et parfois certains pays étrangers pour des missions ponctuelles. Image 9 : Avion de l'ign (Beechkraft) sur la base aérienne de Creil, service des activités aériennes 11
Historique Image 10 : Equipement à bord (caméra argentique) Les photos sont prises suivant des bandes de vol avec un recouvrement longitudinal (le long de la trace) et latéral (d'une trace à l'autre) pour assurer la stéréoscopie (cf. image ci-après). Image 11 : Bande de vol avec photos aériennes classiques 5. Les drones Définition : Les drones Ce sont des objets volants sans pilote de taille variable (quelques grammes à plusieurs tonnes). 12
Historique Image 12 : Différents types de drones 6. Le numérique Dans les années 90, on passe au numérique. L'IGN développe une caméra numérique équipées de 4 matrices de 4096pixels * 4096 pixels (R, V, B et IR). Image 13 : Caméra numérique IGN (matrices) Leica développe une caméra numérique, l'ads40, équipées à barrettes (R, V, B et IR). Cette caméra permet de faire de la tristéréoscopie (Arrière, Nadirale, Avant). 13
Historique Image 14 : Caméra ADS 40 de Leïca Image 15 : Principe de la tristéréocopie 7. Comparaison images scannées images numériques La réponse est mauvaise sur les images scannées, car on a un bien plus mauvais rapport signal bruit. La réponse sur les images numériques est linéaire, il y a donc une meilleure visibilité dans les ombres et le bruit est nettement moins important. Image 16 : A gauche image scannée, à droite image numérique 14
Historique Image 17 : Exemple d'image caméra numérique sur la ville d'amiens, bonne visibilité dans les ombres B. Images spatiales 1. Images analogiques En 1946 a lieu le premier cliché spatial avec une fusée V2 qui monte à une altitude de 130 kilomètres, ce sont les débuts de la photographie spatiale qui ne sera effective qu'avec les premiers satellites dédiés. Cette dernière ne concurrence pas totalement la photographie aérienne mais la complète sauf peut-être dans le domaine du renseignement militaire. Années 60 : mise en place d'appareils photos dans les satellites, récupération au sol à l'aide d'une capsule parachutée (CORONA pour les américains et KVR pour les russes). Corona était le premier satellite de reconnaissance américain. Le programme a été mis sur pied en réponse au programme soviétique du Spoutnik et était spécifiquement destiné à obtenir des images de pays du bloc soviétique. Les images étaient mises sur des films qui étaient ensuite replacés à bord d'un véhicule de récupération quittant l'orbite et récupérés par un avion C-119 au cours de son parachutage vers la terre. Les photos Corona étaient des photos stéréo avec une résolution initiale de 8 m portée par la suite à 2 m. Le programme a démarré le 12 août 1960 et s'est terminé le 31 mai 1972. Depuis 1995, les images sont déclassifiées et peuvent être achetées. 15
Historique Image 18 : Le système Corona Image 19 : Une image Corona 2. Images numériques 16 années 70 : premiers détecteurs opto-électroniques : acquisition point à point (scanner, cf. image ci-après a) : Landsat (1972) ; années 80 : premières barrettes de détecteurs : acquisition lignes à lignes (push-broom, cf. Img. 26b) SPOT (SPOT1, 1986) ; années 90 : premières matrices de détecteurs (cf. image ci-après b) : acquisition 2D, très peu utilisé dans le spatial.
Historique Image 20 : Les différents systèmes 3. Comparaison d'images numériques aérien et satellitaire Image 21 : A gauche, caméra numérique ADS à 20 cm de résolution, à droite image IKONOS à 1 m de résolution Capteurs numériques aériens Capteurs satellitaires numériques Disponibilité aléatoire (vent, météo ) Disponibilité permanente Couverture restreinte Couverture mondiale Choix du pas de l'image Pas au sol d'image imposé Stéréoscopie inhérente Stéréoscopie sur demande Tableau 1 : Tableau récapitulatif de complémentarité capteurs numériques aériens-capteurs satellite 17
Les différents types de rayonnements III - Les différents types de rayonnements III 21 A. Les différents types de rayonnements Optique (passif) La lumière du soleil se réfléchit sur la terre qui émet à son tour un rayonnement vers le capteur. Les corps peuvent aussi émettre un rayonnement propre du fait de leur température. Ce rayonnement est perceptible en infrarouge thermique. Image 22 : Le rayonnement Radar (actif) Les capteurs radar (satellite ou aéroportés) existent depuis le début des années 90. L'acquisition, le traitement et l'interprétation de ces images est très différent et complémentaire des images optiques. Ils sont actifs car ils analysent un rayonnement réfléchi qu'ils ont eux-même émis. 19
Les différents types de rayonnements Image 23 : Illustration de la technologie radar Les ondes se réfléchissent sur la montagne et repartent vers le capteur. Image 24 : Ile de la Réunion vue par un capteur radar On voit sur l'image 3D en blanc les lignes de crête. Des informations intéressantes apparaissent sur l'océan : à l'est de l'île l'eau paraît claire, cela signifie que la mer est agitée alors qu'à l'ouest elle est foncée, donc calme. Au sud on voit les mouvements de la houle. Applications 20 Cartographie des zones intertropicales et polaires, côtes maritimes brumeuses ; géologie, hydrologie, exploration minière et pétrolière ; détection des mouvements de surface (par interférométrie) : activité
Les différents types de rayonnements sismique, glissements de terrain, subsidence ; applications maritimes : surveillance du trafic maritime, détection des pollutions marines ; cartographie et suivi des glaces ; gestion des risques : inondations, feux de forêt ; agriculture et forêt : détection de l'état des changements dus à la croissance de la végétation, aux variations d'humidité du sol, aux activités agricoles et forestières (labourage, déforestation) ; surveillance, défense et renseignement. Comparaison image optique, image radar Image 25 : Comparaison image optique image radar Les lignes claires de l'image radar proviennent de la réflexion des ondes radar sur les structures métalliques des bâtiments ainsi que des lampadaires. Laser aéroporté (actif) Le laser aéroporté (ou Lidar, LIght Detection And Ranging) a été conçu dans les années 80. Il s'est fortement développé dans les années 90 et est très utilisé de nos jours pour de multiples applications de cartographie 3D. Son principe est simple : un rayon laser à très haute fréquence émis par un avion est envoyé au sol. A chaque impact, ce rayon géoréférencé et orienté dans l'espace mesure une distance et donc un point 3D au sol. A l'issue du vol, on a donc un semis irrégulier de points 3D que l'on peut facilement projeter sur une grille régulière pour obtenir un MNT. Applications Surveillance côtière ; MNT - MNS ; prévisions des risques d'inondations ; modèle volumique forestier ; cartographie de corridors ; archéologie ; surveillance d'ouvrage d'art. 21
Les différents types de rayonnements Image 26 : Principe du laser aéroporté Image 27 : Ville de Venise : drapage texture photo aérienne sur MNT Lidar 22
Applications en imagerie spatiale IV - Applications en imagerie spatiale IV 25 A. Applications en imagerie spatiale 1. Agriculture Image 28 : Irrigation dans la région de Lethbrigde, Canada - Spot 5-2,5 m couleur Classification des types de cultures et de sol Evaluation de la santé des cultures Estimation de la production totale d'une récolte Surveillance de conformité aux lois et traités. 2. Aménagement du territoire 23
Applications en imagerie spatiale Image 29 : Aménagement du territoire Constitution et mise à jour des bases de données d'occupation du sol aux échelles urbaine, péri-urbaine, régionale et nationale Etudes d'impact sur l'environnement. 3. Applications maritimes Image 30 : Image Radarsat des côtes du pays de Galles prise une semaine après la marée noire Contrôle des activités de pêche et du trafic maritime Localisation des nappes de pollution Gestion de l'environnement côtier et océanique. 4. Archéologie 24
Applications en imagerie spatiale Image 31 : Le très vaste et important site de Ribemont-sur-Ancre (Somme) 5. Cartographie 2D ou 3D Image 32 : cartographie 2D ou 3D Créer ou mettre à jour des cartes topographiques ou des plans cadastraux Optimiser des campagnes de relevés de terrain Renseigner des bases de données cartographiques Mettre en place un projet de développement durable. 6. Défense 25
Applications en imagerie spatiale Image 33 : Défense Produire et distribuer rapidement de l'information géographique (cartes, bases de données...) et du renseignement (surveillance des sites sensibles), sur une zone d'intérêt nationale ou internationale Assurer la cohérence des données géographiques issues de différentes sources : renseignement, cartographiques, topographiques Préparer, simuler et évaluer les missions dans des conditions proches de la réalité avec des modèles 3D : guidage des avions, missiles et drones Organiser les interventions humanitaires, déployer les forces de maintien de la paix. 7. Glaciologie Image 34 : Image Aster d'un glacier situé en Patagonie le 02/05/2000 26
Applications en imagerie spatiale Image 35 : Glacier de Malaspina en Alaska 8. Études urbaines Image 36 : Image Landstat de la région parisienne, août 2000 Suivi de l'évolution du tissu urbain : l'image nous permet de bien délimiter Paris de sa banlieue. 27
Applications en imagerie spatiale 9. Géologie - Vulcanologie Image 37 : Vulcanologie : écoulement de lave au Mont Etna en juillet 2001 Image 38 : Image Landstat 7 de l'anticlinal de Mand en Iran 28
Applications en imagerie spatiale 10. Gestion des forêts Image 39 : Gestion des forêts Mieux connaître les surfaces forestières et les peuplements Disposer de plans actualisés de gestion forestière Estimer les dégâts d'intempéries : incendies, tempêtes, ouragans,... Aménager et surveiller les sites protégés. 11. Gestion des ressources en eau 29
Applications en imagerie spatiale Image 40 : Evolution de lac Tchad On fait de la comparaison d'images d'un instant à l'autre. Image 41 : Tsunami de Banda Acce vu par Landstat 12. Météorologie 30
Applications en imagerie spatiale Image 42 : Météorologie Les 2 satellites les plus connus sont issus de la NOAA pour les USA et Météosat pour l'europe. 13. Océanographie - Hydrographie Image 43 : Illustration du fonctionnement du satellite Topex Poséidon (Jason et Envisat peuvent aussi réaliser de telles missions) 31
Applications en imagerie spatiale Image 44 : Topex Poséidon : hauteur des vagues eet vitesse des vents (juin 1995) Calcul du niveau de la mer et des lacs Bonne connaissance des marées Mesure de la hauteur de vagues Topographie des glaces marines. 14. Risques naturels et industriels 32
Applications en imagerie spatiale Image 45 : Incendies dans le massif des MAures Image 46 : Explosion d'une usine Mettre à jour les plans de prévention des risques localiser rapidement les zones affectées et cartographier les dégâts améliorer les modèles de prévision et de simulation des phénomènes à risques. 15. Télécommunications 33
Applications en imagerie spatiale Image 47 : Classification des bâtiments/hauteur Cette application nécessite la réalisation d'un MNE caricaturé et réalisé à l'aide d'images satellite ou aérienne. 34 Dimensionner de nouveaux réseaux à l'échelle d'une ville ou d'un pays Densifier des réseaux existants Simuler la propagation des ondes en réalisant des cartes de couvertures radio.
Conclusion Questions à se poser : - Quels sont les besoins pour le thème étudié? - Quels outils utiliser pour satisfaire ces besoins? Type de capteurs (satellites, avions, drones)? Logiciels d'interprétation? L'observation de la terre par satellite est un outil : - d'inventaire (occupation des sols,...), - d'analyse (cartographie, évolutions...), - d'aide à la prévision (agriculture,...), - de simulation (risques naturels,...). Enjeux de l'observation de la Terre : - scientifiques, - économiques, - stratégiques. Intérêt - Possibilité de couvrir un large champ : largeur des fauchées allant de 11 km (Ikonos) à 2 500 km (AVHRR). - Disponibilité du système : acquisition systématique, pas de campagne à organiser, fraîcheur de l'information, possibilité de suivi multitemporel. Facilité d'accès pour des régions éloignées. - Qualité géométrique des images : position sur orbite quasi déterministe, peu de perturbations sur les angles d'attitude. Mais...Le satellite ne remplace pas l'avion 35