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Fondamentaux de la télédétection Objectifs d'apprentissage de ce sujet A la fin de cette leçon, les apprenants seront capables de : Définir la télédétection Retracer l’histoire de la télédétection Expliquer le principe de base de la télédétection Citer les plateformes de télédétection Introduction B...

Fondamentaux de la télédétection Objectifs d'apprentissage de ce sujet A la fin de cette leçon, les apprenants seront capables de : Définir la télédétection Retracer l’histoire de la télédétection Expliquer le principe de base de la télédétection Citer les plateformes de télédétection Introduction Bienvenue dans ce cours passionnant sur la télédétection ! Au cours des prochaines sessions, nous plongerons dans un domaine fascinant qui révolutionne notre façon de percevoir et d'interagir avec notre planète. À la fin de cette leçon, vous serez en mesure de maîtriser les fondamentaux de la télédétection, un outil essentiel dans de nombreux domaines allant de la cartographie à l'observation environnementale en passant par la gestion des ressources naturelles. Au terme de notre parcours dans cette leçon, vous aurez acquis les compétences nécessaires pour définir la télédétection, retracer son évolution au fil du temps, comprendre les principes de base qui la sous-tendent, et identifier les différentes plateformes utilisées dans ce domaine en constante évolution. Qu’est-ce que la télédétection ? La télédétection est la science et l'art d'obtenir des informations sur un objet, une zone ou un phénomène grâce à l'analyse de données acquises par un appareil qui n'est pas en contact avec l'objet, la zone ou le phénomène étudié (Lillesand et al., 2015). La télédétection décrit le processus de surveillance de la surface de la Terre ou de son atmosphère environnante grâce à des mesures prises avec des drones, des avions ou des satellites . En analysant l’ énergie (ou le rayonnement) réfléchie ou émise , la science peut utiliser des instruments de télédétection pour caractériser les zones terrestres. Selon l'application recherchée par la science, les capteurs de télédétection collectent des données couvrant différentes parties du spectre lumineux (électromagnétique) à différentes résolutions. Vous en apprendrez davantage sur ces sujets dans les sujets à venir. Pour détecter à distance des données ou des informations sur une surface donnée, trois éléments essentiels sont nécessaires : a) une plate-forme pour contenir le capteur b) une cible à détecter à partir du capteur c) un capteur adapté pour observer la cible Histoire de la télédétection Saviez-vous? Le terme « télédétection » est en réalité né d'un article non publié rédigé au début des années 1960 par le personnel de la branche géographique de la recherche navale. Avant cela, différents termes étaient utilisés pour décrire les procédures utilisées en observation de la Terre. Si vous souhaitez explorer les étapes historiques qui ont conduit à la télédétection telle que nous la connaissons aujourd'hui, prenez le temps de lire la chronologie ci-dessous. La plupart des termes mentionnés dans la barre de temps interactive apparaîtront lors d'une étape ultérieure de ce cours et constitueront également des connaissances essentielles à mettre en pratique dans les cours pratiques qui suivront après ce cours. Points de rupture dans l'histoire de la télédétection Cette chronologie présente les événements essentiels qui ont ouvert la voie au monde de la télédétection tel que nous le connaissons aujourd'hui. Explorez l'histoire de l'observation de la terre ! 1800 - Découverte de l'infrarouge par Sir W. Herschel L'astronome germano-britannique William Herrschel a découvert le rayonnement infrarouge (IR) par accident. Il a redirigé la lumière du soleil à travers un prisme et a placé un thermomètre juste après la fin du spectre visible (après le rouge). Il en a conclu qu'il devait y avoir une sorte d'énergie invisible. 1839 - Début de la pratique de la photographie Avec l'utilisation réussie des premiers appareils photo, un nouveau monde s'est ouvert et les développements dans le domaine de la photographie ont rapidement suivi. 1859 - Photographie à partir de ballons Les deux hommes à gauche ont été les pionniers de la photographie aérienne ! À l'aide d'un ballon, ils ont pris les premières photographies aériennes des îles britanniques. Ils ont attaché un appareil photo à la nacelle située sous le ballon, ce qui leur a permis de capturer la surface de la terre à une hauteur de 610 m en vue nadir (angle de 90° par rapport à la surface). 1873 - Théorie du spectre électromagnétique par J.C. Maxwell James Clerk Maxwell a formulé la théorie de l'existence du spectre électromagnétique que nous connaissons aujourd'hui. Il a montré que les champs électriques et magnétiques se déplacent sous forme d'ondes à une vitesse de 3*10⁸ m/s, ce qui équivaut à la vitesse de la lumière. Sous la forme d'équations mathématiques et d'observations, Maxwell a construit la théorie de la lumière en tant que rayonnement électromagnétique. 1909 - Photographie à partir d'un avion La première photo aérienne a été prise à partir d'un avion en 1909. À l'époque, les frères Wright étaient célèbres pour avoir effectué le premier vol en avion de l'histoire. Lors d'un voyage de marketing en Italie, Wilbur Wright transportait un passager qui a finalement pris une photo de la surface de la terre. 1916 - Première Guerre mondiale : Reconnaissance aérienne Au cours de la Première Guerre mondiale, les armées se sont fortement appuyées sur les observations ramenées des missions de reconnaissance aérienne. En conséquence, les appareils photo utilisés pour prendre des clichés des champs de bataille et des tranchées ont été améliorés, devenant plus légers et plus faciles à utiliser. 1940 - Seconde Guerre mondiale : Applications de la partie non visible du spectre électromagnétique Les développements les plus importants de la photographie aérienne et de l'interprétation des photos ont eu lieu pendant la Seconde Guerre mondiale. Au cours de cette période, d'autres systèmes d'imagerie tels que la photographie dans le proche infrarouge, la détection thermique et le radar ont été mis au point. La photographie dans le proche infrarouge et l'infrarouge thermique se sont révélés très utiles pour distinguer la végétation réelle du camouflage. Le premier radar imageur aéroporté n'a pas été utilisé à des fins civiles, mais s'est avéré très utile pour les bombardements nocturnes. En tant que tel, le système a été appelé par les militaires "indicateur de position du plan" et a été développé en Grande-Bretagne en 1941. 1950 - Recherche et développement militaires Après la guerre, les systèmes de télédétection ont continué à s'améliorer et ont trouvé de plus en plus d'applications. La photographie infrarouge couleur (CIR) a été appliquée aux sciences végétales. Dans le même temps, les progrès de la technologie radar comprennent le développement du SLAR (side looking airborne radar) et du SAR (synthetic aperture radar). La capacité à résoudre finement les fréquences Doppler à l'aide d'un algorithme d'analyse des fréquences sur le signal radar retourné par le centre de recherche de l'US Air Force a été cruciale pour le développement du radar à synthèse d'ouverture. 1959 - Première photographie spatiale de la Terre (Explorer-6) Le 7 août 1959, le satellite Explorer VI a été lancé dans l'espace. Sept jours plus tard, le 14 août, il a pris la première photo de la Terre depuis un satellite, alors qu'il volait à une altitude d'environ 27 000 km. La photo montre le centre-nord de l'océan Pacifique et sa couverture nuageuse. 1960 - Lancement du premier satellite météorologique TIROS TIROS (Television Infrared Observation Satellite) est le premier satellite météorologique à être lancé. Plus tard, en 1970, le programme TIROS a été rebaptisé NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration). Cette dernière continue aujourd'hui encore à surveiller les conditions météorologiques à l'échelle mondiale. 1971 - Skylab et Salyut 1 Salyut 1 a été la première station spatiale habitée dans l'espace. Lancée par l'Union soviétique en avril 1971, il ne s'est écoulé que deux ans avant que la station spatiale Skylab (exploitée par les États-Unis) ne rejoigne Salyut 1 dans l'espace. Les objectifs de ces missions étaient de mieux connaître l'espace et d'observer comment les hommes peuvent vivre et travailler sur de longues périodes à partir de l'espace. 1972 - Lancement de Landsat-1 (ERTS-1) : Capteur MSS En 1972, le satellite ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite), rebaptisé plus tard Landsat, a été lancé. Il transportait deux types de capteurs : un scanner multispectral à quatre bandes d'ondes (MSS) et trois caméras de télévision vidicon à faisceau de retour (RBV), spécialement conçus pour l'observation de la surface de la Terre. 1982 - Lancement de Landsat-4 : nouvelle génération de capteurs Landsat : TM Le lancement de Landsat 4 s'est accompagné de changements : au lieu du RBV, Landsat 4 a été équipé d'un capteur thématique (TM) plus perfectionné. 1986 - Satellite commercial français d'observation de la Terre SPOT En 1978, le gouvernement français a décidé de développer son propre programme d'observation de la Terre. Ce programme a abouti au lancement du premier satellite SPOT (Satellite pour l'Observation de la Terre) en 1986. Il est équipé d'une bande panchromatique d'une résolution de 10 m et de 3 bandes multispectrales d'une résolution de 20 m. 1987 - Développement de capteurs hyperspectraux Grâce à de nouvelles améliorations dans les domaines de l'informatique, du matériel et des logiciels, la NASA/JPL a pu s'appuyer sur des travaux antérieurs en matière de spectroscopie d'imagerie et développer l'AIS (Airborne Imaging Spectrometer) (1983) et, plus tard, AVIRIS (Airborne visible/infrared imaging spectrometer), qui continue aujourd'hui encore à fournir aux scientifiques de précieuses données d'observation de la Terre. 1991 - Lancement du premier satellite radar ERS-1 par l'ESA L'Agence spatiale européenne (ESA) a lancé son premier satellite de télédétection (ERS-1) en 1991. ERS embarque différents types de capteurs, dont l'AMI, un instrument à micro-ondes actives en bande C (radar de 5 cm). Le programme ERS est principalement axé sur les applications océanographiques, bien qu'il soit également largement utilisé pour la surveillance des forêts tropicales. 1992 - Lancement du satellite radar JERS-1 par le Japon Les objectifs généraux de JERS-1 étaient de générer des ensembles de données globales à l'aide de capteurs SAR et OPS afin d'étudier les ressources, d'établir un système intégré d'observation de la Terre et de vérifier les performances des instruments/systèmes. Les applications de la mission se sont concentrées sur l'étude des phénomènes géologiques géologiques, l'utilisation des sols, l'observation des régions côtières, les cartes géologiques, l'environnement, la surveillance des catastrophes et la démonstration de l'interférométrie SAR à deux passages pour la détection des changements. à deux passages pour la détection des changements. 1995 - Lancement de Radarsat par le Canada Le satellite Radarsat-1, lancé en 1995, s'est révélé être une précieuse source d'informations pendant des décennies. Son successeur, Radarsat-2, poursuit le flux de données du satellite radar. Les données sont accessibles gratuitement. 1995 - Lancement d'ERS-2 par l'ESA Le satellite ERS-2 est équipé de la plupart des instruments du satellite ERS-1, mais il est complété par le capteur GOME, qui mesure la teneur en ozone de l'atmosphère. 1999 - Lancement d'EOS : Mission d'observation de la Terre de la NASA "Terra" avec MODIS et ASTER Toujours active, elle comporte cinq instruments pour observer l'état de l'atmosphère, des terres et des océans, ainsi que leurs interactions avec le rayonnement solaire. 1999 - Lancement d'IKONOS, système de capteurs à très haute résolution spatiale Ikonos dispose d'un système multispectral collectant des informations dans 4 bandes (bleu, vert, rouge et proche infrarouge) avec une résolution spatiale de 4 m. Ikonos dispose également d'un mode panchromatique (0,45-0,90 µm) avec une résolution spatiale de 1 m. 2001 - Lancement de QuickBird, système de capteurs à très haute résolution spatiale QuickBird a été lancé avec des bandes similaires à celles d'Ikonos, mais avec une résolution spatiale de 2,44 m et 0,61 m, respectivement. 2002 - Lancement d'"Aqua" avec MODIS par la NASA Ce satellite transporte six instruments destinés à observer les interactions entre les quatre sphères des systèmes terrestres. La résolution spatiale de l'instrument était plus grossière mais offrait une meilleure résolution temporelle que Landsat. 2002 - Lancement d'Envisat avec des instruments optiques et radar par l'ESA En mars 2002, l'ESA a lancé Envisat, un satellite d'observation de la Terre doté d'une charge utile impressionnante de 10 instruments tels qu'un radar à synthèse d'ouverture (ASAR) et un spectromètre imageur à moyenne résolution (MERIS). 2006 - Premier SAR spatial polarimétrique (ALOS/PALSAR) Le satellite ALOS (Advanced Land Observing Satellite) est le satellite japonais d'observation de la Terre de nouvelle génération, lancé en janvier 2006 par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA). L'instrument PALSAR à bande L’offre des caractéristiques de capteur améliorées, notamment une polarimétrie complète, une visée variable hors-nadir et des opérations ScanSAR, ainsi que des performances radiométriques et géométriques considérablement améliorées. PALSAR est considéré comme une mission exploratoire pour la surveillance de l'environnement mondial, en raison de sa stratégie d'acquisition systématique de données qui a été mise en œuvre pour ALOS. 2008 - Lancement de GeoEye GeoEye, lancé en 2008, a augmenté le niveau de détail des satellites à très haute résolution à 1,64 m de résolution pour la bande multispectrale et à 0,41 m pour la bande panchromatique. 2009 - Lancement de WorldView-2 par DigitalGlobe En 2009, WorldView-2 a été lancé, avec un nombre accru de bandes spectrales : 8 bandes multispectrales à 1,8 m et une bande panchromatique à 0,46 m. 2009 - Lancement de GOSAT Lancé par l'Agence japonaise d'exploration aérospatiale (JAXA), le satellite d'observation des gaz à effet de serre a été le premier satellite délibérément conçu pour mesurer les émissions de gaz à effet de serre. 2013 - Lancement de Landsat-8 par la NASA/USGS L'instrument le plus récent de l'héritage Landsat. Landsat 8 est un satellite d'observation de la Terre américain lancé le 11 février 2013. Landsat 8 assure l'acquisition continue et la disponibilité des données Landsat utilisant une charge utile à deux capteurs, le Operational Land Imager (OLI) et le Thermal InfraRed Sensor (TIRS). Respectivement, ces deux instruments collectent des données d'image pour neuf bandes d'ondes courtes et deux bandes thermiques d'ondes longues. 2014 - Lancement de Sentinel-1 par l'ESA Sentinel-1A a été lancé le 3 avril 2014 en tant que mission radar et est considéré comme la continuation du capteur ASAR d'Envisat. 2015 - Lancement de Sentinel-2 Sentinel-2A est une mission optique lancée le 23 juin 2015 dans la continuité du programme Landsat. Son instrument multi-spectral (MSI) couvre la région spectrale VNIR/SWIR dans 13 bandes et incorpore deux nouvelles bandes spectrales dans la région du red-edge. Il comporte 4 bandes à 10 m, 6 bandes à 20 m et 3 bandes à 60 m (ces dernières pour les corrections atmosphériques). 2016 - Lancement de Sentinel-2 et -3 par l'ESA Sentinel-3A, lancé le 16 février 2016, est la continuation du capteur MERIS sur Envisat. 2018 - GEDI - Le capteur LiDAR de la NASA dans l'espace pour la surveillance en 3D L'étude de la dynamique des écosystèmes mondiaux (GEDI) produit des observations par télémétrie laser à haute résolution de la structure 3D de la surface de la Terre. 2021 – Lancement de Landsat 9 Ce satellite d'environ 3 tonnes, qui a été lancé le 27 septembre 2021 pour prendre la suite de satellites aux caractéristiques proches, dispose d'une caméra permettant de réaliser des images de la surface en lumière visible et proche infrarouge et d'un spectromètre en infrarouge thermique qui doit mesurer la température au sol. Même si la plupart des théories qui s'appliquent aux instruments de télédétection ont été formulées bien avant d'être transformées en technologies physiquement significatives, elles sont toujours valables aujourd'hui : de la volonté de créer des connaissances et de réaliser des progrès militaires excessifs jusqu'à l'utilisation de la télédétection pour de bonnes causes et pour résoudre le problème. les plus grands problèmes environnementaux du monde. Principe de base de télédétection La télédétection (RS) comprend des techniques et des méthodes pour observer la surface de la Terre, généralement par la formation d'une image dans une position – stationnaire ou mobile – à une distance éloignée de cette surface (d'après Buiten & Clevers, 1993). Dans la plupart des cas, la télédétection implique une interaction entre l'énergie incidente et les cibles. Le processus de la télédétection au moyen de systèmes imageurs comporte les sept étapes que nous élaborons ci-après. Notons cependant que la télédétection peut également impliquer l'énergie émise et utiliser des capteurs non-imageurs. 1. Source d'énergie ou d'illumination (A) - À l'origine de tout processus de télédétection se trouve nécessairement une source d'énergie pour illuminer la cible. 2. Rayonnement et atmosphère (B) - Durant son parcours entre la source d'énergie et la cible, le rayonnement interagit avec l'atmosphère. Une seconde interaction se produit lors du trajet entre la cible et le capteur. 3. Interaction avec la cible (C) - Une fois parvenue à la cible, l'énergie interagit avec la surface de celle-ci. La nature de cette interaction dépend des caractéristiques du rayonnement et des propriétés de la surface. 4. Enregistrement de l'énergie par le capteur (D) - Une fois l'énergie diffusée ou émise par la cible, elle doit être captée à distance (par un capteur qui n'est pas en contact avec la cible) pour être enfin enregistrée. 5. Transmission, réception et traitement (E) - L'énergie enregistrée par le capteur est transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception où l'information est transformée en images (numériques ou photographiques). 6. Interprétation et analyse (F) - Une interprétation visuelle et/ou numérique de l'image traitée est ensuite nécessaire pour extraire l'information que l'on désire obtenir sur la cible. 7. Application (G) - La dernière étape du processus consiste à utiliser l'information extraite de l'image pour mieux comprendre la cible, pour nous en faire découvrir de nouveaux aspects ou pour aider à résoudre un problème particulier. Ces sept étapes couvrent le processus de la télédétection, du début à la fin. Plateformes de télédétection Les dispositifs de télédétection sont montés sur des plates-formes spatiales ou aéroportées. Les plates-formes spatiales tournent autour de la Terre sur une orbite. Les plates-formes spatiales peuvent être des satellites ou la Station spatiale internationale. Les plates-formes aéroportées telles que les avions, les hélicoptères, les ballons ou les drones volent dans l'atmosphère terrestre à différentes altitudes de vol. Les altitudes de vol de ces plates-formes varient considérablement et présentent différents (dés)avantages concernant, par exemple, la résolution spatiale possible par rapport à la couverture possible, appelée champ de vision instantané (« IFOV ») dans le graphique. Sur le côté droit (vous l'apprendrez dans la troisième leçon de ce cours). Les véhicules aériens sans pilote (UAV) opèrent à moins de 3 km, tandis que les avions atteignent des hauteurs inférieures à 30 km et que les satellites volent généralement à une altitude de plus de 150 km dans l'espace. Mais techniquement parlant, la télédétection commence chaque fois qu'une caméra avec une configuration donnée cible un objet situé à quelques mètres seulement. Si vous vous promenez dans une forêt et prenez une photo de la canopée et du sous-étage, vous êtes en fait la plateforme du processus de télédétection et votre objectif décide de la superficie que vous allez couvrir en une seule photo. Différentes plates-formes de télédétection (Figure propre compilation utilisant du matériel d'openclipart.org avec une licence CC0 1.0)