LA TELEDETECTION الاستشعار عن بعد Telli MoutiA

Plan du Cours (1) PREMIERE PARTIE : CONNAISSANCES DE BASE 1. HISTORIQUE DE LA TELEDETECTION 2. CAPTEURS OPTIQUES 3. CAPTEURS RADARS 4. GEOMETRIE DES IMAGES

Plan du Cours (2) DEUXIEME PARTIE : TRAITEMENT D'IMAGES 5. INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMERIQUE DES IMAGES, 6. ELABORATION DE PRODUITS 7. ANALYSE MULTI-ECHELLE, 8. PROBLEME INVERSE EN TELEDETECTION 9. INTERFEROMETRIE RADAR

Plan du Cours (3) TROISIEME PARTIE : APPLICATIONS DE LA TELEDETECTION 10. PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES 11. ASPECTS OPERATIONNELS

Introduction Le cours de télédétection n'est pas isolé dans la formation des études universitaire. Il fait abondamment appel aux cours de physique (mécanique, rayonnement électromagnétique, optique, traitement du signal….) D’autre côté; le cours de télédétection est à relier à toutes les matières susceptibles de faire appel à la photo-interprétation (cartographie, urbanisme, géomorphologie, exploitation forestière, etc).

PREMIERE PARTIE : CONNAISSANCES DE BASE HISTORIQUE DE LA TELEDETECTION: L'histoire de la télédétection peut se décomposer en plusieurs histoires plus ou moins indépendantes: Les capteurs, Les porteurs, Les applications informatique, les moyens de traitement.

Histoire des capteurs Les premiers capteurs utilisés en télédétection sont: La chambre photographique: destiné à la mesure des formes du terrain, Les caméras thermiques: permettent de mesurer la température de surface dans des bandes infrarouge (3-5 microns et 8-14microns). Les radars imageurs: permettent d'observer par tout temps (de jour comme de nuit et indépendamment des conditions météorologiques).

B. Histoire des porteurs En 1855 l’avion (le ballon ou le drone) reste le porteur le plus répandu à la télédétection, Depuis le début 1960, des capteurs de télédétection sont embarqués sur des satellites artificiels en orbite autour de la Terre, couvrant une vaste gamme d’altitudes : • Orbites très basses (200 à 400 km): missions de courte durée, • Orbites de 500 à 1500 km, polaires les plus utilisées en observation de la Terre (SPOT, ERS, LANDSAT, RADARSAT, NOAA...) ; • Orbite géostationnaire, utilisée par des satellites météorologiques comme METEOSAT (européen) ou GOES (américain).

C. Histoire des applications Avant la Seconde Guerre mondiale: Les deux applications motrices pour les techniques d'observation à distance ont toujours été l'astronomie et le renseignement militaire. Après la Seconde Guerre mondiale, toutes les applications de la télédétection bénéficiant de programmes réguliers et systématiques d'acquisitions par avion. Plus récemment, les images radar et les thermographies détectent à leur tour des informations inaccessibles jusque là pour la géologie, la surveillance de la pollution, la prévention des catastrophes naturelles et industrielles,

D. Histoire des moyens de traitement Les deux principaux axes de récent développement sont: Les algorithmes d'analyse de scène (appariement stéréoscopique, reconnaissance des formes et des textures, classification,...) Les interfaces graphiques de plus en plus conviviales pour l'affichage et le traitement interactif des images.

2. CAPTEURS OPTIQUES Sont des radiomètres imageurs, mesurent une énergie rayonnée provenant d’une région bidimensionnelle et qu’ils organisent les mesures sous forme d’images. Ils fonctionnent dans les longueurs d’onde optiques.

2. CAPTEURS OPTIQUES Exemple d’image du capteur AVHRR (advanced very high resolution radiometer) du satellite NOAA. Résolution : env. 1 km.

2. CAPTEURS OPTIQUES Exemple le satellite SPOT-4 en action

2. CAPTEURS OPTIQUES Exemple de mesure de la chlorophylle par l'instrument japonais OCTS

3. CAPTEURS RADAR(2) Un radar spatial, les contraintes sont de nature radiométrique pour un raison de la grande distance qui sépare l'antenne et le terrain Un radar aéroporté, les contraintes sont de nature géométrique pour un traitement appelé compensation de mouvement.

3. CAPTEURS RADAR(1) Le radar imageur produit des images de la surface terrestre en émettant, au moyen d’une antenne, des impulsions de micro-ondes dans un plan perpendiculaire à la trajectoire du porteur.

3. GEOMETRIE DES IMAGES Un image de télédétection fournit une représentation bidimensionnelle d'une région appelée scène, représentation dans laquelle chaque pixel correspond à un ou plusieurs points de la scène. Qualité géométrique des images: La qualité géométrique des images de télédétection peut être évaluée selon différents critères: Précision de localisation. • Altération des longueurs. • superposabilité.

DEUXIEME PARTIE : TRAITEMENT D’IMAGES 5. INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMERIQUE DES IMAGES, 6. ELABORATION DE PRODUITS 7. ANALYSE MULTI-ECHELLE, 8. PROBLEME INVERSE EN TELEDETECTION 9. INTERFEROMETRIE RADAR

5. INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMERIQUE DES IMAGES(1) Le traitement des images est utilisé dans de nombreux domaines scientifiques ou industriels: la robotique, l'astronomie, la sécurité, la médecine. Les notions générales présentées ici sont valables pour tous les domaines d'application, mais les illustrations sont évidemment liés aux besoins propres de la télédétection.

5. INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMERIQUE DES IMAGES(2) Codage des images: C’est la représentation sur un certain nombre de niveaux. La plupart des images numériques sont codées sur 8 bits ou 1 octet (c'est-à-dire 256 niveaux), Le résultat du codage est une image numérique dont le volume en octets est : volume = nlig x ncol x nca x noct où nlig est le nombre de lignes ncol est le nombre de colonnes nca est le nombre de canaux noct est le nombre d'octets par pixel

5. INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMERIQUE DES IMAGES(3) 2, Format des images numériques L’image est un tableau bidimensionnel de mesures radiométriques Le fichier qui contient l’image est une simple succession d’octets. La manière dont ces octets doivent se réorganiser pour former une image bidimensionnelle doit donc être spécifiée par un format. Il existe de nombreux formats (JPEG, GIF, EPS, TIF, RASTERSUN, BITMAP...)

5. INTRODUCTION AU TRAITEMENT NUMERIQUE DES IMAGES(4) 3. Composition colorée: La composition colorée est une combinaison visuelle de 2 ou 3 différentes images. Dans l'exemple suivant, 3 canaux d'une scène canal bleu canal rouge canal infrarouge composition colorée

8. ÉLABORATION DE PRODUITS Un produit est une donnée qui se trouve à une phase intermédiaire entre le signal mesuré et l'information utile. Plusieurs niveaux de complexité peuvent être proposés, ils diffèrent par leur coût, leur délai d'exécution, leur géométrie, leur contenu en information, etc. Acquittions Signal brut Produit Exploitation Cartographie, interprétation ,,,

8.2. Caractéristiques des produits analogiques Les produits analogiques sont caractérisés par : • une géométrie : c'est la géométrie du produit numérique à l'échelle, • une échelle : l'échelle d'une carte. • une palette de couleurs. L'échelle dépend de la résolution de l'imprimante (Exprimée en microns ou en nombre de points par pouce)

8.3. ANALYSE MULTI-ECHELLE Les Outils d'analyse multi-échelle: Le variogramme : c'est le graphique qui représente, la variance en fonction de la distance. 2, La transformée de Fourier : La transformée de Fourier d'une image associe à chaque fréquence spatiale l'amplitude de la vague.

8.3. ANALYSE MULTI-ECHELLE Changement d'échelle Le sur-échantillonnage (ou zoom) consiste à extrapoler l'information à une échelle plus recherchée: Les premiers cherchent à obtenir une bonne support pour la valeur du nouveau pixel. Ils utilisent des outils d'interpolation de surfaces comme le "plus proche voisin Les seconds: cherchent à reproduire, à une échelle inférieure au pixel,.

8.3. ANALYSE MULTI-ECHELLE Changement d'échelle 2, Le sous-échantillonnage: comprimer l'image pour la faire sur un nombre réduit de pixels. Utilisée pour transmettre des données avec des débits modérés. L'approche la plus simple: sélectionner un pixel sur N, l'approche la plus rigoureuse: consiste à moyenner des pixels voisins, simulant en quelque sorte l'image qu'aurait fourni un capteur moins résolu ; l'approche la plus efficace: consiste à effectuer un souséchantillonnage sélectif, pour conserver une résolution délicate sur les détails sélectionnés et lisser fortement les autres secteurs.

9. PROBLEME INVERSE EN TELEDETECTION Dans tous les domaines scientifiques, le problème inverse suppose que l'on dispose à la fois : • d'une observation ; • d'une loi physique. Exemple: Réalisons une analogie avec le tir à l'arc. Le tireur peut, après son premier essai, améliorer sa performance grâce à : • une observation (la position de sa première flèche sur la cible) ; • une loi physique (pour tirer plus haut sur la cible, il doit relever son arc d'un petit angle). Comme cette loi est imparfaite, le tireur ne pourra consommer son tir qu'au bout de plusieurs itérations.

9. PROBLEME INVERSE EN TELEDETECTION la simulation est au cœur des problèmes de télédétection, car c'est grâce à elle que l'on peut "retourner en arrière", c'est-à-dire retrouver, par une technique d'inversion, les causes à partir des effets. Objet Simulateur Image Capteur

9. PROBLEME INVERSE EN TELEDETECTION Application à la télédétection Le problème inverse s'appuie sur une observation (l'image) et sur une loi physique (visualisée par la simulation). Permet de résoudre différentes catégories de problèmes Analyser l'objet en connaissant le capteur, Analyser le capteur en connaissant l'objet . Enfin la télédétection s'appuie fréquemment sur une approche hybride dans laquelle on améliore à la fois la connaissance de l'objet et du capteur à partir d'une connaissance approximative de chacun d'eux.

TROISIEME PARTIE APPLICATIONS DE LA TELEDETECTION PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES 13. ASPECTS OPERATIONNELS

TROISIEME PARTIE APPLICATIONS DE LA TELEDETECTION PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES La télédétection a aujourd'hui des applications dans de nombreux domaines thématiques. Il faut distinguer les applications opérationnelles (donnent lieu à un service éprouvé: météorologie) Les applications qui sont encore au stade de la recherche (la faisabilité a été démontrée mais dont les limites sont trop mal connues pour qu'un service opérationnel soit envisagé).

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES Météorologie: La météorologie a été la première application civile de la télédétection spatiale, Il s’agit principalement de satellites géostationnaires (GOES, METEOSAT) ou de satellites défilants (NOAA). Les prévisions s'appuient sur des acquisitions très fréquentes dans les domaines visible et infrarouge,

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES Météorologie: image METEOSAT (juillet 1981), A ces observations il faut ajouter les acquisitions de capteurs radar à basse résolution très utiles en météorologie marine.

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES B. Océanographie: L’océanographie s’appuie sur deux types d’observations : Les images radar sont sensibles à l’état de la surface et permet donc des applications en océanographie . Les images optiques, en particulier multispectrales, sont sensibles à la couleur de l'eau, donc à sa constitution et à la nature du fond en zone peu profonde. Ces deux techniques sont complémentaires pour l'étude des zones côtières.

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES C. Sciences de la Terre: La géologie a utilisé depuis longtemps les images de télédétection car elles montrent le terrain. L’imagerie optique permet d’enrichir la cartographie géologique. Elles permet de détecter de nombreux couleurs changent souvent d’une formation géologique à l’autre (sol, végétation) .

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES D. Biosphère: Les sciences du sol et de la végétation ont tiré un grand bénéfice de la photographie aérienne. La végétation est plus facile à caractériser dans le domaine optique La signature spectrale de la végétation est très caractéristique (très élevée dans le proche infrarouge et très basse dans le rouge)

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES D. Biosphère: Un grand front créater amazonien vu par NOAA-AVHRR (à droite : détail)

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES E. Cryosphère: La neige et les glaces peuvent être étudiées par télédétection. L'étude des glaciers est peu opérationnelle bien qu'elle soit stimulée par l'application aux bilans. Par contre la cartographie des glaces marines a obtenu un stade opérationnel pour le guidage des vent glace. Elle fait un usage important d’images fournies grâce à: grande précision de localisation, la sensibilité à la nature de la glace, et le caractère “ tout temps ”

11.PANORAMA DES APPLICATIONS THEMATIQUES F. Aménagement et urbanisme: Dans le domaine de l’aménagement l’image de télédétection joue un double rôle : c’est une source d’information. c’est un moyen de communication. Un certain nombre d’applications de la télédétection sont directement applicables à l’aménagement : La cartographie tridimensionnelle des bâtiments. L’analyse multispectrale, pour des hautes résolutions. L’analyse de produits “ spécialisés

2. ASPECTS OPERATIONNELS Des considérations physiques permettent, pour une application donnée, de choisir: un capteur. un mode d'acquisition. une procédure de traitement. Pourtant, un certain nombre de contraintes peuvent limiter la faisabilité d'une application, par exemple : la nécessité d'obtenir une image en un temps donné . les difficultés de nature informatique. le besoin de formation des opérateurs. le besoin d'une prise en compte la géométrie des images. la difficulté du choix d'un capteur pour une acquisition, la nécessité d'applications, d'un contrôle de terrain. L'importance variable de ces contraintes fait que certaines applications, comme la météorologie, sont devenues opérationnelles

Conception d’un système spatial La conception d'un système spatial d'observation de la Terre doit être guidée par l'expression d'un besoin thématique. La traduction de ce besoin en paramètres instrumentaux et orbitaux appelée "analyse de mission". Certaines missions spatiales mettent en œuvre, lors de la conception, des bilans de performances (évaluations). Ces évaluations peuvent se faire de deux manières : Au moyens de bilans analytiques : quantifier la qualité des images en fonction de l'état du système . 2. Au moyen de simulateurs d'images: visualiser, à partir d'une cartographie d'un paysage et d'une description d'un capteur, des images représentatives . Ces images simulées peuvent être utilisées pour former les futurs utilisateurs ou pour tester des méthodes de traitement.

Le segment sol Le segment sol est l'ensemble des infrastructures physiques utilisées pour le fonctionnement du satellite. Une partie du segment sol concerne le contrôle du satellite (attitude, orbite, etc.). L'autre partie, concerne la commande d'images ainsi que la réception et le traitement de ces images. Le transfert d'information de l'utilisateur vers le capteur et du capteur vers l'utilisateur se fait à travers un certain nombre d'intermédiaires dont l'intervention prend du temps. .

La “ vérité de terrain (1) De nombreuses applications de la télédétection s’appuient en partie sur l’acquisition d’un minimum de données sur le terrain. En effet, il est souvent nécessaire de : • sélectionner quelques échantillons pour permettre des traitements de classification ; • identifier un objet que l'image décrit de manière ambigüe ; • contrôler ponctuellement le résultat d'un traitement systématique ; • localiser un point visible dans l’image.

La “ vérité de terrain (2) L'acquisition de cette vérité de terrain possède deux types de difficultés : des difficultés de nature thématique, car la collecte d'information doit tenir compte à la fois de l'application envisagée des difficultés de nature logistique (coût et durée du transport, stockage de l'information, risques divers...). .

Conclusion La télédétection est née de la fusion de deux inventions anciennes : la montgolfières et la photographie. La télédétection moderne est née de la photographie aérienne, qui a connu un essor considérable au cours du XX° siècle, surtout au cours de la seconde guerre mondiale…motivée par les objectifs militaires.

Définitions Télé signifie "à distance" et détection veut dire "découvrir" ou "déceler". La télédétection est l'ensemble des connaissances et des techniques utilisées pour déterminer des caractéristiques physiques et biologiques d'objets par des mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci. La télédétection se définit comme un processus ’acquisition d’information à propos d’un objet, d’une surface, d’un phénomène sans contact avec eux.

Définitions 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 information

Exemple real Notre œil est un excellent exemple d’un dispositif de télédétection. Nous sommes capables d’estimer la quantité et la nature de l’énergie de la lumière visible réfléchie ,

Principes de base de la télédétection Le principe de base de la télédétection est similaire à celui de la vision de l'homme. La télédétection est le fruit de l'interaction entre trois éléments fondamentaux : une source d'énergie une cible et un vecteur source d'énergie Un cible

Est la portion de la surface terrestre observée par le satellite. La cible Est la portion de la surface terrestre observée par le satellite. Sa taille peut varier de quelques dizaines à plusieurs milliers de kilomètres carrés.

2. La source d'énergie Est l'élément qui "éclaire" la cible en émettant une onde électromagnétique (flux de photons).

3. Le vecteur Est le plate-forme qui mesure l'énergie solaire (rayonnement lectromagnétique) réfléchie par la cible. Le vecteur peut-être un satellite ou un avion, .Les capteurs embarqués sur le satellite mesurent le rayonnement électromagnétique réfléchi, puis un émetteur renvoie l'image sur Terre vers des stations de réception.

Les étapes de télédétection B B C

A ) Source d’énergie ou d’illumination: cette source d’énergie est le soleil, B) Rayonnement et atmosphère: Sn parcours « aller » entre la source d'énergie et la cible, le rayonnement interagit avec l'atmosphère. Une seconde interaction se produit lors du trajet « retour » entre la cible et le capteur. C) Interaction avec la cible (C) : surface de celle-ci.

D) Enregistrement de l'énergie par le capteur: elle doit être captée à distance par un capteur qui n'est pas en contact avec la cible mais embarqué à bord d’un satellite ou d’un avion pour être enfin enregistrée sous format numérique. E) Transmission, réception et traitement: Cette information enregistrée par le capteur est transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception généralement située au sol où l'information est transformée en images (numériques ou photographiques).

F) Interprétation et analyse :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, G) Application :- La dernière étape du processus consiste à utiliser l'information extraite de l'image pour mieux comprendre la cible, c'est-à-dire la portion d’espace étudiée (une ville, une zone inondée, une forêt, etc…) pour aider à résoudre un problème particulier.

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