Les thermographies Quelques notions de base La notion du corps noir La notion du corps gris et l’émissivité La relation entre l’albédo et l’émissivité Les thermographies infrarouge Le cycle diurne des températures Les thermographies de jour et de nuit Les thermographies multispectrales

Les images du rayonnement émis dans l’infrarouge par les objets terrestres Fenêtres atmosphériques utilisées: IR à ondes moyennes (3 – 5 mm) IR à ondes longues ou IR thermique (8 – 14 mm)

Transfert radiatif DE LA SOURCE AU CAPTEUR (IRT- jour et nuit) Émission du rayonnement par les objets Rayonnement secondaire par l’atmosphère réfléchi par la surface Passage par l’atmosphère Détection

1. Émission du RÉM Tout objet à une température supérieure au zéro absolu (-273 C) émet du RÉM Pour étudier l’émission du rayonnement nous faisons appel à un objet idéalisé: le corps noir Un corps noir a la propriété d’absorber toute l’énergie reçue par une source externe et de l’émettre à l’espace ambiant d’une façon isotrope

Émission du corps noir: lois physiques Loi de Planck : exitance spectrale [W m-2 µm-1] où c1 = 3,742 x 10-16 [W m2] c2 = 1,439 x 10-2 [m K] T = la température cinétique du corps noir (en K) Loi de Stefan-Boltzman Corps noir à une Température T (K)  Densité du flux total émis: M = T4 [ W m-2] où  = la constante de Stefan-Boltzmann=5,669 x 10-8 [W m-2 K-4] La loi de déplacement de Wien Longueur d’onde du pic d’émission d’un corps noir à une Température T (K) C = 2898 [μm K]

Émission du corps noir: conséquences des lois physiques Rayonnement spectral émis par divers corps noirs incluant la terre et le soleil. Calculs – Loi de Planck Rayonnement total Selon la loi de S.-B.  T croissant donc Flux total croissant Longueur d’onde où le flux émis est à son maximum, selon la loi de Wien  T croissant donc longueur d’onde du pic d’émission décroissant Émission du corps noir: conséquences des lois physiques

Une ampoule éteinte [à une température ambiante de 27°C (300 Kelvin)] n’émet pas du rayonnement visible, tandis qu’une ampoule dont l’élément est chauffé à 677°C (950 Kelvin) émet la plupart de son énergie dans l’infrarouge moyen et un tout petit peu dans le visible (lumière rouge). Une ampoule incandescente [2223°C (2500 Kelvin)] donne une lumière orangée jaune, bien que seulement 10% de son énergie est émis dans le visible, le reste est émis dans l’infrarouge, et perçu par nous comme de la chaleur Exemples: ÉMISSION DANS LE VISIBLE  SOURCES DONT LA TEMPÉRATURE dépasse les 500 C

Émission à des températures normales Fenêtre IROM: Contrastes thermiques faibles Fenêtre IRT : Contrastes thermiques intéressantes Émission à des températures normales

corps RÉEL VS CORPS noir L’émission spectrale d’un corps réel dévie de celle d’un corps noir. Elle est toujours moindre (à la limite égale) à celle d’un corps noir à la même température cinétique; Cette déviation est décrite par une quantité appelée : l’émissivité spectrale; L’émissivité spectrale est donnée par le rapport entre l’exitance spectrale du corps réel sur l’exitance du corps noir, tous deux à la même température cinétique

corps RÉEL VS CORPS noir L’émissivité d’un corps réel varie entre 0 et 1 Si l’émissivité demeure constante peu importe la longueur d’onde nous disons que l’objet se comporte comme un corps gris La majorité des objets terrestres ont plutôt une émissivité variable selon la longueur d’onde, on parle alors d’un radiateur sélectif

Valeurs de l’émissivité dans la bande spectrale 8-14 µm

1. ÉMISSION ET LUMINANCE MESURÉE À DISTANCE Un capteur de télédétection ne mesure pas l’exitance mais la luminance. Un corps noir est par définition un émetteur isotrope donc: En supposant que l’émissivité ne dépend pas de la géométrie d’observation, nous pouvons donc écrire: Exitance Luminance Angle solide en stéradians [W m-2 sr-1 µm-1] [W m-2 sr-1 µm-1]

2. ÉMISSION ET LUMINANCE MESURÉE À DISTANCE L’atmosphère est un émetteur de rayonnement aussi. Une portion du rayonnement émis est dirigée vers la surface et réfléchie par la suite vers le capteur . On peut l’écrire ainsi: [W m-2 µm-1] Quantité inconnue Quantité inconnue Pour les objets opaques on peut écrire: 2. ÉMISSION ET LUMINANCE MESURÉE À DISTANCE

En conclusion: la luminance totale qui quitte la surface vers le capteur Un partie du rayonnement est dirigée vers la surface et réfléchie par la suite vers le capteur . On peut l’écrire ainsi: [W m-2sr-1 µm-1] Quantité recherchée Quantités inconnues Quantité inconnue

Mais la luminance traverse l’atmosphère La luminance du sol perd en intensité à cause de l’absorption atmosphérique : T  transmittance atmosphérique; L’atmosphère ajoute sa propre luminance (parasite) La [W m-2 µm-1] Quantités inconnues Quantité recherchée Quantité mesurée

EN CONCLUSION Pour estimer la température de surface à partir de la luminance mesurée à distance il faut connaître: Les paramètres atmosphériques: luminance du ciel; transmittance atmosphérique; luminance atmosphérique parasite L’émissivité des objets Si toutes ces quantités sont connues on arrive à estimer l’exitance d’un corps noir et nous n’avons qu’à inverser la loi de Planck pour trouver la température [W m-2 µm-1] où c1 = 3,742 x 10-16 [W m2] c2 = 1,439 x 10-2 [m K] T = la température cinétique du corps noir (en K) Ce que je cherche Quantité connue

EN CONCLUSION Cependant même si les effets de l’atmosphère sont connues, l’émissivité est inconnue et il est impossible de pouvoir la séparer de la luminance du corps noir car j’ai une seule équation avec deux inconnues Alors comment faire? La réponse plus tard (prétraitements)

Implications Si l’on ignore l’émissivité, on sous-évalue les températures de surface Exemple: quantité totale émise par un objet à une température Tcn Un corps apparaîtra plus froid qu’il l’est en réalité si on utilise le rayonnement émis pour estimer sa température

L’émissivité d’un corps gris Émissivité = Le rapport entre l’énergie émise par un corps gris et celle émise par un corps noir à la même température. L’émissivité exprime donc la capacité d’un objet à la fois d’absorber le rayonnement et de l’émettre en fonction de sa température. L’albédo pour sa part exprime la capacité d’objet de réfléchir le rayonnement dans l’ensemble du spectre (réflectance totale). Ainsi l’énergie absorbée est fonction de (1-Albédo). Donc albédo et émissivité sont en étroite relation: Fort albédo --- faible émissivité

Un exemple de la relation albédo -émissivité

Le cycle diurne des températures Comme le soleil est la source principale du rayonnement qu’un corps puisse absorber, les températures des objets suivent le cycle diurne de l’apport énergétique du soleil à la surface, mais chacun à son propre rythme selon sa composition, sa densité, le taux d’humidité etc.

L’acquisition des thermographies Il est préférable d’acquérir au moins deux thermographies une le jour et l’autre la nuit. La connaissance du comportement de l’objet (échauffement –refroidissement) apporte des informations précieuses sur la nature de l’objet, son taux d’humidité etc. La technologie des capteurs est similaire à celle des capteurs du rayonnement solaire réfléchi (balayeurs)

L’acquisition des thermographies Les satellites d’observation de la Terre peuvent acquérir deux images du même territoire une le jour et la nuit; leur acquisition cependant peut différer d’une à quelques jours selon leur résolution spatiale. Le jour en orbite descendante (vers les 10h le matin); la nuit (vers les 10h le soir). Les avions peuvent survoler à n’importe quel moment, sauf la nuit…à leurs risques et périls.

Exemple d’une thermographie de nuit par Landsat

Les thermographies Images mono-spectrales : exemple Landsat Images multi-spectrales : exemple ASTER

Les images du rayonnement émis: exemples Mono-spectrale: Landsat-7 ETM6 : résolution spatiale 60 m x 60 m

ASTER-TIR: 5 bandes à une résolution de 90 m x 90 m

Les images du rayonnement émis: intéressantes pour les études géologiques (milieux arides et semi-arides) ASTER: VIS IRT

1. Fenêtre IR moyen vs fenêtre IR thermique Infrarouge moyen le jour: mélange réflexion solaire + émission

1. Fenêtre IR moyen vs fenêtre IR thermique La nuit: intérêt pour la détection des objets chauds (ex. feux de forêt) Bande 3-5 mm Bande 8-14mm Carte de localisation