p. 1/6 Télédetection - Formation des images SAR Stéphane Derrode École Centrale de Marseille Institut Fresnel (GSM)
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).
p. 3/6 Capteurs 1903 Autres exemples de capteurs imageur :?
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)?
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.
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.
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
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)
p. 9/6 Rayonnement électromagnétique c = λ ν
Longueurs d onde utiles en télédétection p. 10/6
Spectre électromagnétique : HF p. 11/6
Interactions Matière-Énergie EM p. 12/6
Reflections spéculaires et diffuse p. 13/6
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
p. 15/6 Détection passive et active Passive Active
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)
Plate-formes p. 17/6
Prises de vue aérienne p. 18/6
p. 19/6
p. 20/6
p. 21/6 L orbite et sa fauchée Orbite quasi-polaire (hélio-synchrone) : 700Km, T 100min. Orbite équatoriale (geo-synchrone) : 36000Km, T 24h.
L orbite et sa fauchée (suite 1) p. 22/6
L orbite et sa fauchée (suite 2) p. 23/6
p. 24/6 Couverture : Capteurs à grand-champ Résolution kilométrique Couverture 1000 km Exemple AVHRR SSM/I GOES / METEOSAT MODIS SPOT Végétation
p. 25/6 Couverture : Capteurs à petit-champ Résolution décamétrique Couverture 500 km Exemple LANDSAT TM / ETM+ SPOT HRV / HRVIR ERS RADARSAT ENVISAT ASAR
Résolution spatiale p. 26/6
Résolution spatiale et couverture p. 27/6
p. 28/6 Land cover % de pixel Reflectance Contrib. au pixel Bâtiments 15 90 13.5 Sable 15 100 15 Arbre 50 50 25 Eau 20 10 2 Reflectance totale : 58.5
Résolution radiométrique p. 29/6
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 782-785 km 100 mn 35 jours RADARSAT 798 km 100.7 mn 24 jours SIR-C 225 km - -
p. 31/6
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
1- Exemples d images Radarsat Marseille Grand Morin (Seine et Marne) p. 33/6
2- Bandes d hyperfréquences p. 34/6
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.
3- Principe et géométrie d acquisition p. 36/6
Caractéristique d antenne p. 37/6
Distortions de mesure p. 38/6
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)
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.
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.
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
p. 43/6 Rugosité et angle d incidence - Exemple Angle : 30 Angle : 60
Rugosité et longueur d onde - Exemple p. 44/6
p. 45/6 Nappes d hydrocarbure Interprétez la luminosité de l image (déversement de pétrole).
p. 46/6 6- Distortions dues au relief - repliements repliement (foreshortening) repliement (layover)
Distortions dues au relief - Ombres p. 47/6
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.
Le chatoiement (suite) p. 49/6
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).
p. 51/6 Réduction du chatoiement - traitement multi-vues Le traitement multi-vues est effectué lors de l acquisition des données.
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).
Exemples p. 53/6
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 :
La phase de l interférogramme : p. 55/6
Le modèle numérique de terrain : p. 56/6
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
p. 58/6 ERS-1 et ERS-2 Active Microwave Instrumentation (AMI) : Résolution Fauchée < 30m 80-100 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.
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 98... remplacé par ALOS Advanced Land Observing Satellite
p. 60/6 RADARSAT Résolution de 9 10m à 100 100m 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.
p. 61/6 RADARSAT (suite) Différents modes de fonctionnement.
p. 62/6 SIR-C Mission de la Navette Spatial américaine de 1994. Param Bande L Bande C Bande X Résol 30 30 30 30 30 30 λ 23,5 cm 5,8 cm 3,1 cm Pol HH HV VH VV HH HV VH VV VV Fauchée 15-90 km 15-90 km 15-40 km
p. 63/6 ENVISAT ASAR : Résolution 10, 15, 30, 150 m à 1 km en fonction des modes Fauchée 100-400 km Fréquence 5.331 GHz, bande C. Polarisation HH et/ou VV Antenne 10 1.3 m
ASAR (modes d acquisition) p. 64/6
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
10 - Application (1/3) : Fusion de modalités p. 66/6
Application (2/3) : Recalage p. 67/6
Application (3/3) : Détection de Chgts p. 68/6