MATIÈRE 9-9-2014

1. MATIÈRE 9-9-2014 1. Formation d’images numériques de télédétection 2. Initiation aux images satellitales de résolution spatiale moyenne à haute: images du rayonnement solaire réfléchi

2. Formation d’images numériques • Les capteurs passifs et actifs • Le principe de base • Échantillonnage spatiale • Échantillonnage électronique

3. Les capteurs imageurs passifs et actifs • Lorsque la source de rayonnement est naturelle  capteurs passifs • Lorsque la source de rayonnement est artificielle  capteurs actifs (ex. laser, source micro-ondes)

4. La constitution d’un capteur imageur • Système de collecte du rayonnement • Système de détection et de mesure du rayonnement • Système d’enregistrement de données

5. PRINCIPE GÉNÉRAL : Une image numérique est le résultat d’un double échantillonnage par le capteur (actif ou passif) Conversion du RÉM en signal électrique Échantillonnage spatial exhaustif 2-D du RÉM Échantillonnage électronique du signal et conversion à des comptes numériques

6. Échantillonnage spatial 2-D exhaustif par des capteurs passifs dans le domaine optique • Deux façons d’échantillonner le rayonnement provenant de la scène survolée: • l’instantané tous les échantillons sont prélevés en même temps, une matrice d’éléments photosensibles constitue le système de détection, pour chaque élément correspond une unité d’échantillonnage au sol • le balayage  l’image est construite dynamiquement en prélevant des échantillons séquentiellement d’une ligne de balayage à l’autre, un seul élément ou un alignement d’éléments photosensibles constitue le système de détection Balayage: la largeur d’une ligne de balayage est appelée la fauchée Instantané

7. Échantillonnage spatial 2-D: images instantanées Pour pouvoir faire la correspondance unité d’échantillonnage et élément photosensible on emploie une optique de réfraction du RÉM, i.e. un système des lentilles. Ce système est caractérisée par sa distance focale (f) de quelques dizaines à quelques centaines de centimètres Exemple d’une matrice de détecteurs (chaque élément de taille carrée est caractérisée par sa dimension (d) de quelques micromètres

8. Balayeurs Utilisation de l’optique de réflexion, i.e. systèmes de miroirs • Balayeurs à époussette ou à fouet: un seul détecteur. De plus en plus abandonnés en faveur des balayeurs à râteau • Balayeurs à râteau Alignement de détecteurs

9. L’unité d’échantillonnage au sol ou résolution spatiale (géométrique) au sol Peu importe si image instantanée ou image dynamique

10. Exemples • Landsat-ETM7 (Balayeur à fouet) Altitude de vol = 705 km Distance focale =2,44 m Dimension du directeur = 103 mm (bandes rayonnement solaire) Angle instantané de vue =d/f = (103 x 10-6 m /2,44 m) = 42,5 x 10-6 radians Dimension de l’unité d’échantillonnage = angle x altitude de vol = (42,5 x 10-6 rad) x 705 x 10-3 = 30 m • IKONOS (Balayeur à râteau) Altitude de vol = 681 km Distance focale =10 m Dimension du directeur = 12 mm (bande panchromatique) Angle instantané de vue =d/f = (12 x 10-6 m /10 m) = 1,2 x 10-6 radians Dimension de l’unité d’échantillonnage = angle x altitude de vol = (1,2 x 10-6 rad) x 681 x 10-3 = 0,82 m

11. Résolution géométrique vs détail (netteté) visible 25 cm 10 cm 100 cm 50 cm

12. L’équivalent de l’échelle cartographique

13. Échantillonnage électronique

14. Une image numérique • Les valeurs numériques sont des entiers (par convention=codage) toujours positifs L’unité de base = le bit / Deux états possibles 0 ou 1 Un octet ou 8 bits (byte) 2 octets ou 16 bits

15. Un exemple

16. Le résultat de ce double échantillonnage = image numérique Une image numérique de télédétection n’est qu’un tableau de nombre entiers qui représentent la quantité du rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis des objets. Nous pouvons la visualiser comme une image standard et l’analyser visuellement ou par ordinateur

17. Résolution radiométrique: capacité de mesurer de menues variations du flux Elle dépend en grande partie de l’échelle de niveau de gris 8 NG 256 NG 2 NG 4 NG 16 NG

18. Capteurs imageurs actifs dans les micro-ondes: les radars imageurs • Les radars sont aussi des balayeurs • Cependant le balayage se fait par le front d’ondes, émis via une antenne, comme il se propage le long d’une ligne de balayage • La mesure du temps de retour après réflexion du rayonnement est la base de formation d’une image • Plus de détails plus loin dans notre cours

19. INITIATION AUX IMAGES NUMÉRIQUES SATELLITALES: RAYONNEMENT SOLAIRE RÉFLÉCHI ET RAYONNEMENT ÉMIS • Les satellites • Le rayonnement solaire réfléchi par les objets - Les signatures spectrales - Typologie d’images - Interprétation des images • Le rayonnement émis par les objets - Les lois d’émission - Le cycle diurne des températures - Typologie d’images - Interprétation des images

20. 36 000km Satellites géostationnaires: vitesse orbitale = vitesse de la rotation de la terre autour de son axe Image générée par un capteur à bord d’un satellite géostationnaire Satellites à basse altitude à orbite polaire = vitesse orbitale environ 7 km/s; il fait un tour complet dans environ 1.5 h 00 Notre intérêt à des orbites quasi-polaires héliosynchrones 1000km

21. Orbites héliosynchrones • Une telle orbite permet: • De couvrir l’ensemble de la surface terrestre dans un intervalle de temps donné (à l’exception des pôles). Cet intervalle peut aller de de quelques jours à presque 1 mois. • De passer au-dessus du même territoire à la même heure locale • De conserver un angle constant entre le plan orbital et la direction Terre-Soleil tout le long d’une année: satellite héliosynchrone

22. Segments ascendant et descendant • Un satellite à orbite héliosynchrone survole la face de la Terre éclairée par le soleil en allant du nord vers le sud (segment descendant). Il croise l’équateur entre 10h00 et 11h00 heure locale. C’est la configuration la plus courante • Un satellite à orbite héliosynchrone peut survoler la face éclairée de la Terre par le soleil en allant du sud vers le nord (segment ascendant). Il croise l’équateur entre 13h00 et 14h00 heure locale.

23. Couverture de la Terre Orbite 2 Orbite 1 • Pendant que le satellite complète son orbite 1, la Terre a tourné vers l’est. Ainsi après 1.5 h le satellite croise l’équateur à environ 2000 km à l’ouest de son croisement précédent (Orbite 2). • Ainsi lors d’une journée un satellite ne peut pas couvrir l’ensemble de la Terre. Pour revenir au-dessus du même lieu ça lui prendra plusieurs jours (pour LANDSAT 16 jours) 2000 km

24. Télémétrie

25. LE RAYONNEMENT SOLAIRE RÉFLÉCHI ET SES IMAGES PAR SATELLITE Objectifs d’apprentissage: Reconnaître les différents types d’images Être capable de reconnaître les objets sur des images en fonction de leurs signatures spectrales et d’autres traits caractéristiques (texture, taille, forme, etc.) ainsi que de l’échelle/résolution des images

26. Les images numériques du rayonnement solaire réfléchi • (1) Rayonnement solaire aux confins de l’atmosphère; (2) altérations par l’atmosphère: rayonnement reçu à la surface • (3) Réflexion de la surface; (4) ou (5) nouveau passage par l’atmosphère : rayonnement réfléchi cueilli par le système optique du capteur et focalisé sur le détecteur, un matériau photosensible • Phénomène photoélectrique (libération des électrons de la structure cristalline du détecteur par les photons absorbés): création d’un courant électrique (un signal) • Amplification du signal; passage par un convertisseur analogique/numérique: création d’une image numérique conservée sur support informatique

27. Le soleil comme source de RÉM

28. Réflexions par la surface • Le rayonnement solaire direct et indirect (I) pendant le jour illumine les objets terrestres • Les objets peuvent en absorber une partie (A), en transmettre une autre (T), et en réfléchir une autre (R) Absorption  transformation de l’énergie ÉM à une autre forme d’énergie Transmission  Réflexion de volume (surtout un plan d’eau) Réflexion (de surface)  d’intérêt principal pour la télédétection Pour caractériser la réflexion par les objets nous utilisons une quantité adimensionnelle : la réflectance C’est le rapport entre le rayonnement réfléchi et le rayonnement reçu La variation de la réflectance dans le spectre  la signature spectrale

29. LES ROCHES : SIGNATURES SPECTRALES

30. LES SOLS

31. LES VÉGÉTAUX

32. L’EAU

33. La glace et la neige

34. Types de réflexion

35. Mais le capteur ne mesure pas la réflectance, il mesure le flux du rayonnement  variable selon les conditions atmosphériques et de l’éclairement solaire

36. Typologie des images Les capteurs peuvent générer des images du proche UV (environ 0,3 mm) à l’infrarouge à ondes courtes (jusqu’à 3 mm) • Images d’une seule bande spectrale (N&B) ou panchromatiques • Images deux à une dizaine de bandes spectrales ou multispectrales • Images à plusieurs dizaines de bandes ou hyperspectrales)

37. Sensibilité des détecteurs: images panchromatiques (capteurs différents)

38. Les images multispectrales (même capteur)

39. Visualisation de trois bandes en même temps: la couleur (Landsat-7)

40. Images hyperspectrales

41. Typologie des images selon la résolution spatiale (géométrique) • Résolution spatiale grossière : pixel au sol 250 m et +grande •  Faible résolution spatiale: pixel au sol de 100m à 250 m • Moyenne résolution spatiale  : pixel au sol de 10 à 100 m • Haute à moyenne résolution spatiale : pixel au sol de 5 à 10 m • Haute résolution spatiale : <1m à 5 m

42. Couverture des images satellites (fonction de la résolution géométrique) par rapport aux cartes topographiques