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4- Capteurs et sources de données Objectifs d'apprentissage de cette leçon A la fin de cette leçon, vous serez capables de : Distinguer les systèmes passifs des systèmes actifs de télédétection Présenter les caractéristiques d'acquisition de la télédétection passive et active Présenter les types de...

4- Capteurs et sources de données Objectifs d'apprentissage de cette leçon A la fin de cette leçon, vous serez capables de : Distinguer les systèmes passifs des systèmes actifs de télédétection Présenter les caractéristiques d'acquisition de la télédétection passive et active Présenter les types de capteurs utilisés en télédétection passive Citer quelques satellites utilisant les systèmes passifs pour acquérir les informations. Présenter les types de capteurs utilisés en télédétection active Expliquer les caractéristiques orbitales d’un satellite Maintenant que vous avez acquis une première compréhension de ce qu'est la télédétection et des principes qu'elle sous-tend, examinons les systèmes qui acquièrent les données. De manière générale, on peut faire la distinction entre deux manières très essentielles d'acquérir des données de télédétection. Pour générer des informations sur une surface terrestre, nous pouvons soit utiliser le rayonnement EM provenant du soleil, soit utiliser des machines pour envoyer des impulsions, qui renvoient des caractéristiques que nous pouvons ensuite analyser. Le schéma visualisé ci-dessous présente ces techniques, que nous appelons télédétection passive (à gauche) et télédétection active (à droite). Nous allons les expliquer en détail dans cette leçon. Les deux types de télédétection : passive et active (Source : Land in focus, eo-college) Le tableau suivant montre clairement la différence entre les deux types de systèmes. Télédétection passive (optique) Télédétection active (radar) Compter sur l'éclairage de la terre par le soleil (ou des sources de lumière artificielle) Fournit un éclairage en envoyant des micro-ondes Contrôle activement la longueur d'onde, la fréquence et la polarisation du signal transmis Détecte le reflet de la surface de la Terre Acquiert des images de jour comme de nuit Très sensible à la couverture nuageuse Sont en grande partie indépendants de la météo (nuages) Pas besoin de source d'énergie interne Besoin de source d'énergie interne Télédétection passive Dépendance diurne Dans cette section, nous présenterons la première des deux stratégies d'acquisition différentes qui existent pour surveiller les surfaces terrestres à travers le monde. Tout d’abord, nous examinerons les techniques de télédétection optique et micro-ondes qui utilisent le rayonnement provenant du soleil. Généralement, les instruments passifs n’envoient pas eux-mêmes d’impulsions à aucune longueur d’onde, mais s’appuient uniquement sur un rayonnement existant naturellement. Contrairement aux systèmes actifs, ils ne sont pas capables de diriger leur propre énergie EM vers une cible donnée à la surface de la Terre. Les capteurs optiques passifs ne peuvent acquérir des données que pendant la journée. Sans énergie naturelle, rien ne peut être réfléchi sur la surface et par conséquent « rebondi » vers le capteur. Les effets atmosphériques qui affectent la quantité de lumière du jour atteignant le sol ont également un impact sur la qualité des données acquises par les capteurs passifs. Il existe d'autres capteurs passifs, comme les scanners thermiques mesurant la quantité de rayonnement infrarouge émis par un objet, qui peuvent également fonctionner la nuit. Principe de fonctionnement conceptuel des instruments de télédétection passifs et actifs Types d'instruments de télédétection passive La plupart des capteurs fonctionnant passivement utilisent des capteurs multispectraux ou hyperspectraux. Qu'est-ce que cela signifie ? Multispectral Les instruments de télédétection multispectrale (MS) enregistrent des données dans plusieurs bandes spectrales. Le premier satellite multispectral dans l'espace fut le scanner multispectral (MSS) de Landsat, lancé en 1972. Enregistrant dans quatre canaux spectraux (bleu, vert, rouge, proche infrarouge), ces données étaient d'une valeur significative pour l'analyse de la végétation à cette époque. Les capteurs multispectraux de pointe comme Sentinel-2 constituent la base de l’exploration des dynamiques à travers le monde. Avec 13 bandes spectrales, des taux de répétition élevés et une résolution spatiale allant jusqu'à 10 m, la flotte Sentinel a fait entrer la télédétection non commerciale dans une nouvelle ère. Hyperspectral Les systèmes hyperspectraux sont 10 fois plus nombreux, voire plus, que le nombre de canaux spectraux des capteurs MS. L’idée est de fournir des informations dans beaucoup plus de bandes qui couvrent une partie beaucoup plus petite du spectre EM. Cela conduit à des réponses spectrales plus caractéristiques et distinctes qui peuvent être récupérées pour les types de couverture terrestre ou les classes d'utilisation. Les capteurs hyperspectraux présentent généralement des bandes étroites d’une largeur comprise entre 10 et 20 nm, capables de capturer de petites différences spectrales qu’un instrument multispectral ne pourrait pas détecter. Capacités spectrales des capteurs multispectraux et hyperspectraux (Edmund Optics 2019) Capteurs micro-ondes passifs Alors que les capteurs optiques couramment utilisés fonctionnent de manière passive, il existe également des instruments à micro-ondes qui ne fournissent pas leur propre source d'éclairage. La plupart des capteurs radar sont capables de produire des données interprétables quelle que soit l’heure de la journée. Ce n'est pas le cas des capteurs micro-ondes passifs, qui utilisent le rayonnement micro-ondes naturellement disponible (émissions terrestres). L’hypothèse sous-jacente, sur laquelle repose la télédétection passive par micro-ondes, est que tout objet ayant une température finie rayonne constamment de l’énergie. Cette idée doit être vraie pour correspondre au principe de l’équilibre thermique. Comme le montre la figure ci-dessus, il existe un certain nombre de sources clés de signaux micro-ondes passifs que nous pouvons mesurer : (1) les émissions atmosphériques, (2) l'émission d'un objet (en fonction de la température de surface d'un objet donné), (3) la composante réfléchie par la surface. Et (4) la composante souterraine transmise. Nécessité d'une télédétection passive par micro-ondes Les instruments de télédétection passive sont d'un grand intérêt pour le suivi de paramètres essentiels liés à la modélisation et à l'observation hydrologiques tels que l'estimation de l'humidité du sol, les précipitations, la teneur en eau glacée ou l'analyse de la température de surface de la mer. Liste des instruments passifs Sentinel-2 Agence spatiale : Agence spatiale européenne (ESA) Lancement : Sentinel-2A (juin 2015), Sentinel-2B (mars 2017) Résolution spatiale : 10 - 60 m Résolution temporelle : 5 jours à l'équateur Couverture du canal : VIS, NIR, RedEdge , Politique de données SWIR : Gratuit Statut : actif Landsat 8 Agence spatiale : National Aeronautics and Space Administration (NASA), US Geological Survey (USGS) Lancement : février 2018 Résolution spatiale : 15 - 30 m Résolution temporelle : 16 jours Couverture des canaux : VIS, NIR, SWIR, Panchromatique, Cirrus Politique de données : Statut gratuit Statut : actif (Terra) MODIS Agence spatiale : National Aeronautics and Space Administration (NASA) Lancement : décembre 1999 Résolution spatiale : 250 m (bandes 1-2), 500 m (3-7), 1 000 m (8-36) Résolution temporelle : quotidienne - annuelle Canal couverture : VIS, NIR, SWIR, TIR Politique de données : Gratuite Statut : actif SPOT 7 Agence spatiale : (français) Centre national d'études spatiales (CNES) Lancement : février 2014 Résolution spatiale : 1,5 m (bandes 1), 6 m (2-5) Résolution temporelle : 26 jours Couverture des canaux : Panchromatique, VIS, NIR Données politique : Commercial Statut : actif RapidEye Société : Planet Labs Lancement : août 2008 Résolution spatiale : 5 m Résolution temporelle : 1 à 5 jours Couverture des canaux : VIS, Red Edge, NIR Politique de données : Commercial Statut : retiré Ikonos Société : Digital Globe Lancement : avril 1999 Résolution spatiale : jusqu'à 0,82 m Résolution temporelle : 1 à 14 jours Couverture des canaux : VIS, NIR Politique de données : commerciale Statut : retraité Quickbird Société : Digital Globe Lancement : octobre 2001 Résolution spatiale : 0,6 m (Pan), 2,4 m (MSI) Résolution temporelle : 1 à 3,5 jours Couverture des canaux : Panchromatique, VIS, NIR Politique de données : Commercial Statut : retraité WorldView-4 Société : Digital Globe Lancement : septembre 2007 Résolution spatiale : 0,31 m (Pan), 1,24 m (MSI) Résolution temporelle : 1 à 4,5 jours Couverture des canaux : Panchromatique, VIS, NIR Politique de données : Commercial Statut : actif PlanetScope Entreprise : Planet Labs Lancement : 2016 Résolution spatiale : 3 m Résolution temporelle : quotidienne Couverture des canaux : VIS, NIR Politique de données : Commerciale Statut : actif SMOS – un exemple de capteurs radar passifs Agence spatiale : Agence spatiale européenne (ESA) Lancement : novembre 2019 Résolution spatiale : 35 km - 50 km Résolution temporelle : 1 à 30 jours  Couverture des canaux : en bande L Politique de données : Gratuit  Statut : actif Télédétection active Les capteurs actifs à hyperfréquences fournissent leur propre source de rayonnement pour illuminer la cible. Ils sont généralement divisés en deux catégories distinctes : les capteurs imageurs et les capteurs non-imageurs. Capteurs actifs imageurs Le plus répandu des systèmes actifs à hyperfréquences est le radar. De l'anglais (RAdio Detection And Ranging) radar veut dire détection et télémétrie par ondes radio. Les radars transmettent vers la cible un signal radio dans les hyperfréquences et détectent la partie rétrodiffusée du signal. L'intensité du signal rétrodiffusé est mesurée pour discerner les différentes cibles, et le délai entre la transmission et la réception du signal sert à déterminer la distance (ou la portée) de la cible. Dans le cadre de cette formation, un cours entier sera consacré à l'imagerie radar. Les radars actifs possèdent l'immense avantage de pouvoir pénétrer la couche nuageuse dans la plupart des conditions météorologiques. Puisque le radar est un capteur actif, il peut aussi être utilisé pour représenter la surface à n'importe quel moment du jour ou de la nuit. Ce sont là les deux principaux avantages du radar : imagerie sous toutes conditions et de jour comme de nuit. Fait important à comprendre, la différence fondamentale de fonctionnement qui existe entre le radar actif et les capteurs passifs, font qu'une image radar est très différente et possède des propriétés distinctes des images obtenues dans la partie visible et infrarouge du spectre électromagnétique. Ces différences font que, les données radars et les données obtenues dans le visible peuvent être complémentaires puisqu'elles offrent différentes perspectives de la surface de la Terre et apportent donc des informations différentes. Nous allons examiner plus en détail quelques-unes de ces propriétés et différences fondamentales des radars dans les prochains cours. Capteurs actifs non imageurs Les capteurs à hyperfréquences non-imageurs incluent les lidars, les altimètres et les diffusomètres. Dans la plupart des cas, ces instruments tracent le profil de la cible visée dans une seule dimension, contrairement aux capteurs imageurs qui sont bidimensionnels. Les altimètres radars transmettent de courtes impulsions d'hyperfréquences ou lumière et mesurent le temps aller-retour jusqu'aux cibles pour déterminer la distance. Généralement, les altimètres pointent directement au nadir (sous la plate-forme) et peuvent ainsi mesurer la hauteur ou l'élévation de la cible (si l'altitude de la plate-forme est connue précisément). Un exemple de forme d'onde LiDAR renvoyée par deux arbres et le sol. Source : NÉON. L'altimétrie radar et le lidar est utilisée dans les avions pour déterminer l'altitude, et aussi à bord d'avions et de satellites pour la cartographie topographique et l'estimation de la hauteur de la surface de la mer. Les données LiDAR ont toujours été utilisées pour générer des ensembles de données d’altitude à haute résolution. Source : Réseau National de l'Observatoire Ecologique. Les diffusomètres sont des capteurs qui ne fournissent pas d'images. Ils sont utilisés pour prendre des mesures précises de la quantité d'énergie rétrodiffusée par les cibles. La quantité d'énergie diffusée dépend des propriétés de la surface (telle que la rugosité) et de l'angle de contact des ondes avec la cible. Les mesures de diffusion au-dessus des océans peuvent aussi être utilisées pour estimer les vents en se basant sur la rugosité de la surface de la mer. Les diffusomètres au sol sont utilisés pour mesurer précisément la diffusion provenant des différentes cibles afin de caractériser différents matériaux et types de surfaces. Ce concept est semblable au concept de signature de réflectance spectrale dans le visible. Les satellites radar et lidar sont des systèmes actifs. La télédétection radar et la télédétection lidar feront l’objet de cours spécifiques. Caractéristiques d'un satellite : l'orbite et sa fauchée Dans la section précédente, nous avons vu que les capteurs peuvent être placés sur différentes plates-formes. Bien que les plates-formes terrestres ou aéroportées soient utilisées, ce sont les satellites qui fournissent la majeure partie des données recueillies par télédétection de nos jours. Certaines caractéristiques propres aux satellites en font des instruments particulièrement utiles pour l'acquisition d'information sur la surface de la Terre. La trajectoire effectuée par un satellite autour de la Terre est appelée orbite. L'orbite d'un satellite est choisie en fonction de la capacité des capteurs qu'il transporte et des objectifs de sa mission. Le choix d'une orbite est déterminé par l'altitude (la hauteur du satellite au-dessus de la surface de la Terre), l'orientation et la rotation du satellite par rapport à la Terre. Certains satellites ont une altitude très élevée et regardent toujours la même région de la surface de la Terre, ils ont une orbite géostationnaire. Ces satellites géostationnaires ont une altitude d'environ 36 000 kilomètres et se déplacent à une vitesse qui correspond à celle de la Terre, donnant ainsi l'impression qu'ils sont stationnaires. Cette configuration orbitale permet au satellite d'observer et d'amasser continuellement de l'information sur une région spécifique. Les satellites de communication et d'observation des conditions météorologiques sont situés sur de telles orbites. L'altitude élevée de certains satellites météorologiques leur permet d'observer les nuages et les conditions qui couvrent un hémisphère complet de la Terre. D'autres plates-formes spatiales suivent une orbite allant pratiquement du nord au sud ou vice versa. Cette configuration, combinée à la rotation de la Terre (ouest-est), fait qu'au cours d'une certaine période, les satellites ont observé la presque totalité de la surface de la Terre. Ce type d'orbite est appelé orbite quasi polaire à cause de l'inclinaison de l'orbite par rapport à une ligne passant par les pôles Nord et Sud de la Terre. La plupart des satellites sur orbite quasi-polaires ont aussi une orbite héliosynchrone; de cette façon, ils observent toujours chaque région du globe à la même heure locale solaire. Pour une latitude donnée, la position du Soleil dans le ciel au moment où le satellite survole une certaine région au cours d'une saison donnée sera donc toujours la même. Cette caractéristique orbitale assure des conditions d'illumination solaire similaires, lorsqu'on recueille des données pour une saison particulière sur plusieurs années ou pour une région particulière sur plusieurs jours. Ceci est un facteur important lorsqu'on compare deux images successives ou lorsqu'on produit une mosaïque avec des images adjacentes, puisque les images n'ont pas à être corrigées pour tenir compte de l'illumination solaire. De nos jours, la plupart des plates-formes satellitaires sont placées sur orbite quasi-polaire. Elles se déplacent donc vers le nord d'un côté de la Terre, et vers le sud dans l'autre moitié de leur orbite. Ces deux types de passage du satellite se nomment respectivement orbite ascendante et orbite descendante. Si l'orbite est aussi héliosynchrone, l'orbite ascendante du satellite se fait du côté ombragé de la Terre, tandis que l'orbite descendante se fait du côté éclairé par le Soleil. Les capteurs qui enregistrent l'énergie solaire réfléchie par la Terre ne recueillent donc de l'information qu'au cours leur orbite descendante, lorsque le Soleil illumine la Terre. Les capteurs actifs qui possèdent leur propre source d'illumination ou les capteurs passifs qui enregistrent l'énergie émise par la planète (l'énergie infrarouge thermique par exemple) peuvent amasser des données autant lors des orbites ascendantes que descendantes de leurs satellites. Lorsqu'un satellite est en orbite autour de la Terre, le capteur "observe" une certaine partie de la surface. Cette surface porte le nom de couloir-couvert ou fauchée. Les capteurs sur plate-forme spatiale ont une fauchée dont la largeur varie généralement entre une dizaine et une centaine de kilomètres. Pour les satellites à orbite quasi-polaire, le satellite se déplace selon une trajectoire nord-sud. Cependant, vue de la Terre, la trajectoire du satellite semble avoir une composante vers l'ouest à cause de la rotation de la Terre. Ce mouvement apparent du satellite permet à la fauchée du capteur d'observer une nouvelle région à chacun des passages consécutifs du satellite. L'orbite du satellite et la rotation de la Terre travaillent donc de concert, permettant une couverture complète de la surface de la planète après un cycle orbital complet. Les points sur la surface de la Terre qui se trouvent directement en dessous de la trajectoire du satellite sont appelés les points nadir. On définit le cycle de passage du satellite comme étant la période de temps nécessaire pour que le satellite revienne au-dessus d'un point nadir pris au hasard. Le satellite aura alors effectué un cycle orbital complet. La période de temps nécessaire pour compléter un cycle orbital complet varie d'un satellite à l'autre. La durée du cycle orbital ne doit pas être confondue avec la période de revisite. Avec les capteurs orientables, les instruments peuvent observer une surface avant et après les passages de l'orbite au-dessus de la cible, ce qui permet une période de revisite beaucoup plus courte que le cycle orbital. La période de passage au nadir est un facteur important pour plusieurs applications de la télédétection, spécialement lorsque des images fréquentes sont nécessaires (par exemple : pour surveiller la dispersion lors d'un déversement d'hydrocarbures ou pour mesurer l'ampleur d'une inondation). Les satellites à orbite quasi-polaire ont une couverture plus fréquente des régions de latitude élevée par rapport à la couverture des zones équatoriales. Cette plus grande couverture est due à l'élargissement, vers les pôles, de la zone de chevauchement entre deux fauchées adjacentes. Sources et lectures complémentaires Sources & further reading Adão, T., Hruška, J., Pádua, L., Bessa, J., Peres, E., Morais, R. & Sousa J.J. (2017). Hyperspectral Imaging: A Review on UAV-Based Sensors, Data Processing and Applications for Agriculture and Forestry. Edmund Optics (2019). Hyperspectral and Multispectral Imaging. <https://www.edmundoptics.de/knowledge-center/application-notes/imaging/hyperspectral-and-multispectral-imaging/> Elachi, C. & van Zyl, J. (2015²). Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing. Hoboken, USA: John Wiley & Sons, Inc.