RAPPEL SUR LES 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

Notre intérêt à des orbites quasi-polaires héliosynchrones 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

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

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.

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

Télémétrie

LE RAYONNEMENT SOLAIRE RÉFLÉCHI ET SES IMAGES PAR SATELLITE

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

Le soleil comme source de RÉM

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

LES ROCHES : SIGNATURES SPECTRALES

LES SOLS

LES VÉGÉTAUX

L’EAU

La glace et la neige

Types de réflexion

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

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

Sensibilité des détecteurs: images panchromatiques (capteurs différents)

Les images multispectrales (même capteur)

Signature spectrale et couleur normale

Signature spectrale et couleur normale

Signature spectrale et couleur normale

Signature spectrale et couleur normale

Signature spectrale et couleur normale

Bande bleue Bande verte Bande rouge Bande PIR FILTRE Formation d’images couleur: imagerie multispectrale

Bande bleue Bande verte Bande rouge Bande PIR FILTRE Formation d’images couleur: imagerie multispectrale

Un petit quiz: trouvez les bandes bleue, vert, rouge en sachant la couleur des objets

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

Images hyperspectrales

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

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

Les images thermiques Les lois physiques d’émission L’émission des corps réels Rayonnement solaire et la température des objets

Transfert radiatif Émission du rayonnement par les objets Rayonnement secondaire par l’atmosphère réfléchi par la surface Passage par l’atmosphère Détection

1. Les lois physiques Tout objet à une température supérieure au zéro absolu émet du RÉM Pour étudier l’émission nous avons recours 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

1. Émission du corps noir [W m-2 µm-1] 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]

Rayonnement émis Rayonnement spectrale émis par divers corps noirs incluant la terre et le soleil. Calculs – Loi de Planck Selon la loi de S.-B.  T croissant donc M croissant Selon la loi de Wien  T croissant donc longueur d’onde du pic d’émission décroissant

Émission vs température: exemple 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

Loi de Wien: exemples où C = 2898 [μm K] un feu de forêt à 800 K alors pic d’émission à 2898/800  3,6 μm le soleil est à 6000 K environ alors pic d’émission à 2898/5700  0,5 μm μm où C = 2898 [μm K]

1. Émission d’un corps noir

1. Émission par les objets terrestres Les objets terrestres ne sont pas de corps noirs; la quantité du rayonnement émis par longueur d’onde est moindre de celle prescrit par la loi de Planck. Pour décrire leur émission on introduit une quantité, l’émissivité, qui nous indique la différence entre l’exitance spectrale de l’objet réel et celle du corps noir à la même température cinétique:

1. Émission par les objets terrestres Échantillon de calcaire; sa surface fait 10 cm2 L’émissivité toujours <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

1. Émission par les objets terrestres Émissivité spectrale d’un corps noir, d’un corps gris et d’un radiateur sélectif hypothétique Exitance spectrale d’un corps noir, d’un corps gris et d’un radiateur sélectif hypothétique à la même température cinétique

1. Émission par les objets terrestres: exemples

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

1. Émission par les objets terrestres: une première conclusion L’exitance spectrale d’un corps réel dépend de sa température cinétique, et de son émissivité à la longueur d’onde examinée. En termes pratiques: si l’on mesure l’exitance spectrale d’un objet on peut déduire sa température cinétique seulement si l’on connaît son émissivité spectrale. Est-ce donc possible d’utiliser un capteur de télédétection pour estimer la température des objets au sol? Pour répondre à cette question reprenons les choses du début

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.

Le cycle diurne des températures Avant le lever du soleil, l’air (1), la végétation- les Ohias (sorte d’arbre en Hawaï) (2), la route (3) et le basalte ancien (4) gardent une température uniforme. Dès l’aube, vers 7 heures, l’air, la route et le basalte marquent une augmentation rapide de leur température par réchauffement; la reprise de l’activité biologique des plantes se manifeste par un accroissement de leur température suivie d’un palier.

Le cycle diurne des températures Un autre exemple: observations in situ

Le rôle de l’atmosphère Similaire aux images du rayonnement solaire réfléchi (vapeur d’eau importante comme absorbeur + moindres les effets de brume atmosphérique) Les nuages  objets opaques

Les capteurs Balayeurs à époussette jusqu’à tout récemment les seuls à pouvoir générer d’images thermiques Balayeurs à râteau de plus en plus le standard

Les images du rayonnement émis: exemples Sensibilité spectrale Mono-spectrale: Landsat-7 ETM6 : résolution spatiale 60 m x 60 m (Attention Landsat-5 TM6 120 m x 120 m)

Exemple d’une thermographie de nuit par Landsat

ASTER (satellite TERRA) - un exemple d’un système de capteurs polyvalent Infrarouge thermique 5 bandes spectrales

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

Les images du rayonnement émis: les images TIR (5 bandes) d’ASTER ASTER: VIS IRT

Illustrations

Différents objets

Les objets fantômes

Le relief