GEO-6333 Bases technologiques

Qu’est-ce qu’un capteur numérique? Un appareil conçu pour la mesure du flux du RÉM à distance. Pour ce faire, il possède: -Un système pour viser un objet et collecter le RÉM provenant de cet objet; -Un système pour traduire le flux à un signal électrique mesurable -Un système pour codifier le signal et enregistrer les mesures sur medium informatique ou les télémétrer vers une station de réception terrestre

Qu’est-ce qu’un capteur numérique? Selon l’origine du rayonnement : -Les capteurs passifs mesurent le flux du RÉM qui existe dans la nature indépendamment d’eux (rayonnement émis par les objets; rayonnement solaire réfléchi) -Les capteurs actifs mesurent le flux du RÉM produit par leur propre source (laser, source micro-ondes) qui lui est retourné après interaction avec les objets.

Qu’est-ce qu’un capteur numérique? Selon la constitution du système de collecte du RÉM: -Les capteurs optiques: on se sert d’éléments d’optique (miroirs, lentilles) pour recueillir le RÉM avec des longueurs d’onde UV proche, visible, infrarouge. Lorsque le capteur est actif les éléments d’optique servent aussi à concentrer le RÉM émis dans un « faisceau » étroit dirigé vers l’objet visé; -Les capteurs à antennes: on se sert des antennes avec leurs circuits électriques pour recueillir le RÉM (micro-ondes). Lorsque le capteur est actif l’antenne sert aussi à concentrer le RÉM émis dans un « faisceau » étroit dirigé vers l’objet visé.

Création DES DONNÉES numériques: PRINCIPE GÉNÉRAL Échantillonnage spatial du RÉM Conversion du RÉM en signal électrique Échantillonnage électronique du signal et conversion à des comptes numériques

Échantillonnage spatial 1-d: Les Profilomètres Domaine optique -Sondeurs atmosphériques (passifs ou actifs) -Domaine électrique Radiomètres hyperfréquences Altimètres radar Diffusiomètres

Échantillonnage spatial 2-D PARTIEL Domaine optique - Altimètres laser Domaine électrique - Diffusiomètres

L’échantillonnage spatial Un exemple d’un échantillonnage 2-D partiel par un capteur LiDAR

Comment se forme une image numérique? Échantillonnage spatial 2-D exhaustif du RÉM

Comment se forme une image numérique? Deux façons d’échantillonner  Balayage et instantané Optique instantané Optique balayage Radar (balayage) On se sert de la direction de propagation du RÉM pour positionner un échantillon spatial par rapport aux autres On se sert du temps aller retour du signal émis par le radar pour positionner un échantillon spatial par rapport aux autres

Échantillonnage spatial 2-D Exhaustif: capteurs imageurs optiques Instantané  [caméra photographiques]  caméra numériques à matrice des CCD (Charge Coupled Device) Balayage espace objet  [caméra photographiques panoramiques]  [balayeurs optico-mécaniques] Balayage espace image mécaniques  [caméra zonales]  balayeurs à peigne ou à râteau Balayage espace image électronique

Capteurs optiques: caméras à instantanés L’ensemble d’échantillons spatiaux couvrant la scène d’intérêt est prélevé Actuellement la plupart à bord d’avions À partir des altitudes orbitaux exemple: caméra à bord de la station spatiale Types d’images générées: panchromatiques; multispectrales (3 VIS standard + 1 PIR certaines)

Capteurs optiques: balayeurs ESPACE- OBJET (optico-mécaniques)) De plus en plus abandonnés en faveur des balayeurs espace- image

Balayeurs à râteau (exemple: HRVIR SPOT-4)

Capteurs optiques: L’UNITÉ D’ÉCHANTILLONNAGE  résolution (géométrique) spatiale Capteur ETM+ de Landsat-7 (balayeur à fouet) Calculs Distance focale = 2,44 m Largeur et hauteur du détecteur (bandes spectrales du visible) = 103  m Altitude de vol = 705 km CVI (103  m /2,44 m) x m/  m = 42,5 x rad (nadir, θ=0 o ) CVIS L =CVIS H = (42,5x10 -6 rad) x 705 km x 10 3 m/km = 30 m Capteur IKONOS (balayeur à râteau) Calculs Distance focale = 10 m Taille d’un détecteur (Bande panchromatique) = 12  m Altitude de vol = 681 km Nombre de d é tecteurs: CVI (12  m /10 m) x m/  m = 1,2 x rad CVIS (axe vertical) (1,2 x10 -6 rad) x m = 0,82 m Fauch é e x 0,82 m 12 km CVI (rad) = d/f CVIS (m) = CVI x H

10 cm 25 cm 50 cm 100 cm

Échantillonnage électronique

Une image numérique Les valeurs numériques sont des entiers (par convention=codage) toujours positifs L’unité de base = le bit / Deux états possibles 0 ou 1 Un octet ou 8 bits (byte) 2 octets ou 16 bits

Une image numérique Le code binaire: un nombre entier positif est formé en assignant à chaque bit d’un groupe (1 octet, 2 octets, …) une puissance de 2 En 16 bits donc 2 16 (65536) valeurs possibles : = (2 8 ) valeurs possibles :

Une image numérique Le code binaire: au cours de divers traitement l’échelle originale peut être transformée à une échelle avec des entiers positifs et négatifs ou des réels. Exemple d’un système « valeur absolue et signe », le nombre entier est formée en assignant à chaque bit d’un groupe moins 1 bit (1 octet, 2 octets, …) une puissance de 2, le dernier bit 0=positif 1=négatif Donc 16 bits avec signe valeurs possibles : à = +90 valeurs possibles : -127 à = - 90

2 niveaux de gris 4 niveaux de gris 256 niveaux de gris Résolution radiométrique

Le résultat de ce double échantillonnage = image numérique

Image numérique = un tableau des nombres entiers = une matrice Une matrice carrée Une matrice rectangulaire Un vecteur ligne

Une image numérique de télédétection n’est qu’un tableau de nombre entiers qui représentent la quantité du rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis des objets. Nous pouvons la visualiser comme une image standard et l’analyser par ordinateur

Est-ce qu’on peut restituer la quantité du flux en sachant la valeur numérique? Oui pourvu que le capteur soit étalonné Le plus souvent: étalonnage linéaire  Luminance = a*VN + b a = gain b = offset Exemple des fonctions d’étalonnages utilisées pour les images du capteur ETM+ de Landsat-7

Et si l’on prend plusieurs mesures du flux en faisant varier une ou plusieurs propriétés du RÉM? Le capteur génère autant des matrices que les mesures prises (ou image multi-composante) Nous pouvons en choisir 3 et les visualiser en simultané comme une image couleur ou analyser l’ensemble par ordinateur Ci-contre exemple d’un capteur imageur du rayonnement solaire réfléchi qui effectue 4 mesures en simultané du flux en faisant varier la longueur d’onde (ici plutôt bandes de longueurs d’onde)

Résolution spectrale

Hyperspectral

Les radars à ouverture DE SYNTHÈSE

Le principe de balayage Des impulsions sont émises à intervalle régulier. Pour chaque impulsion transmise une ligne de balayage est créée. L’antenne concentre l’énergie ÉM dans un faisceau étroit qui est dirigé latéralement vers la surface terrestre d’intérêt (Pourquoi?). Les objets situés le long de la trace du faisceau au sol reçoivent l’énergie à des moments différents selon leur distance au radar. Le rayonnement réfléchi arrive donc à des moments différents au radar qui mesure son intensité

La résolution spatiale: le radar est un balayeur se servant du temps aller-retour des signaux

La direction azimutale Largeur très grande (plusieurs kilomètres à partir des satellites)  utilisation d’une procédure spécifique appelée synthèse d’ouverture afin d’obtenir une résolution en azimut fine

4 m 400 km 2 km 8 m Résolution azimutale de l'antenne réelle Résolution azimutale de l'antenne synthétisée

La résolution radiométrique: problèmes avec le bruit du chatoiement

Les plates-formes de télédétection

Qu’est-ce qu’une plate-forme de télédétection? Tout véhicule aérien ou spatial susceptible de porter un ou plusieurs capteurs de télédétection ainsi que d’autres instruments et appareils accessoires (systèmes de contrôle, de positionnement et de télémétrie, enregistreuses des données, etc.). Capteurs et appareillage accessoire est appelé la charge utile. La plate-forme est un élément fondamental d’une mission de télédétection car elle se doit: -Supporter la charge utile et dans le cas d’une plate-forme dirigée, le personnel (pilotes, techniciens); -Assurer la plus grande stabilité des points de visée des capteurs; -Fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement des appareils; -Assurer les télécommunications; -Protéger équipage et équipement de l’environnement dans lequel ils sont plongés (protection thermique, électrique, mécanique; protection contre les radiations pénétrantes; oxygène pour l’équipage).

Les plates-formes: typologie - Celles qui opèrent à quelques mètres du sol: grues, ou véhicules qui supportent des capteurs pour des études à petite échelle; - Celles qui opèrent entre la dizaine de mètres et la centaine de kilomètres: drones, avions, hélicoptères, ballons, fusées sonde;

- Celles qui opèrent entre 200 et km: les satellites soumis à l'attraction terrestre, qu'ils soient habités ou non. Les plates-formes: typologie Les plus utilisées en télédétection: les avions et les satellites automatiques

Les avions

Les satellites automatiques: éléments d’orbitographie Un satellite automatique a une orbite régulière fixée une fois pour toutes. L’orbite du satellite est plane et peut être représentée par une ellipse dont un des foyers est le centre de la Terre (1 ère loi de Kepler). La position la plus rapprochée de la Terre est le périgée et la plus éloignée, l’apogée En télédétection l’on emploie des orbites quasi-circulaires

Éléments d’orbitographie La vitesse du satellite est constante (2 ème loi de Kepler) Son mouvement est donc périodique et les conditions initiales désirées (position, vitesse et direction du mouvement) au moment où le satellite est abandonné par son lanceur, déterminent complètement ce mouvement

Éléments d’orbitographie On appelle inclinaison l’angle dièdre formé entre le plan orbital du satellite et le plan équatorial de la Terre Ainsi si inclinaison: 0 0  orbite équatoriale; 90 0  orbite polaire; orbite à inclinaison quelconque Entre 0 0 et 90 0  mouvement direct ou prograde; Entre 90 0 et  mouvement rétrograde.

Types d’orbites: géostationnaires ou géosynchrones Le plan orbital coïncide avec le plan équatorial de la Terre (orbite équatoriale) L’altitude orbitale est de km À cette distance, le satellite complète une révolution autour de la Terre à 24 heures. Puisque la Terre compète aussi une révolution autour de son axe à 24 heures, le satellite et la Terre meuvent ensemble (d’où le nom géosynchrone de géo = Terre + synchrone = qui a lieu en même temps). Ainsi, un tel satellite reste toujours directement au-dessus du même territoire (d’où le nom géostationnaire de géo = Terre + stationnaire= qui reste immobile). L’éloignement du satellite de la Terre ne permet pas d’acquérir d’images détaillées de la Terre mais en revanche sa stationnarité permet d’obtenir des images à forte cadence (1 image à toutes les 30 minutes environ). Ainsi il est utilisé pour l’observation des phénomènes dynamiques à grand déploiement (ouragans, fronts nuageux, etc.) Satellites utilisés aussi pour les télécommunications, télévision

Exemple de la couverture obtenue par un capteur optique à bord d’un satellite géostationnaire : GOES-8

Types d’orbites: orbites basses Lorsque le satellite orbite autour de la Terre à une altitude de plusieurs centaines de km ( km environ) nous l’appelons satellite à orbite basse. À cause de sa proximité de la Terre le satellite pour vaincre la gravité terrestre doit se déplacer le long de son orbite à une très grande vitesse: km/h ou environ 7 km/sec!! Ainsi il fait le tour de la Terre à environ 90 minutes. Ces satellites sont d’un intérêt capital pour la télédétection des ressources terrestres car leur proximité de la Terre permet d’acquérir des images détaillées.

Segments d’une orbite Descendant  le satellite se dirige du pôle nord au pôle sud Ascendant  le satellite se dirige du pôle sud au pôle nord

Le plan orbital d’un satellite à orbite basse ne peut pas être équatorial. Il y a toujours une certaine inclinaison. Selon cette inclinaison un capteur à bord d’un satellite, en profitant du mouvement de la Terre, peut couvrir des territoires jusqu’à une certaine latitude de part et d’autre de l’équateur (amplitude zonale) Types d’orbites: orbites basses

Orbites quasi-polaires héliosynchrones Une orbite de grand intérêt est l’orbite quasi-polaire circulaire et héliosynchrone. Le satellite se déplace presque dans la direction nord-sud et on conserve un angle constant entre le plan orbital et la direction Terre- Soleil tout le long d’une année 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 quelques jours à presque 1 mois. - De passer au-dessus du même territoire à la même heure locale (intéressant pour les études diachroniques) Plan orbital

Orbites héliosynchrones

Cependant … selon la saison l’angle du soleil peut varier

Orbite héliosynchrone crépusculaire Intéressante pour l’exposition des panneaux solaires (RADARSAT)

L’orientation de la trace au sol est fonction de l’altitude du satellite L’orientation de la trace au sol est une fonction de l’inclinaison du plan orbital du satellite La trace au sol du satellite

L’espacement entre deux traces successives (même segment orbital) dépend de la fauchée du capteur et de l’orientation de la trace au sol

Exemple: traces d’un satellite héliosynchrone (segment descendant) Orbit 16, day 2 Orbit 2, day 1 Orbit 15, day 2 Orbit 1, day km wide 2875 km at equator 159 km

Exemple: traces d’un satellite à orbite non héliosynchrone (segments descendant et ascendant)

Télémétrie

Résolution temporelle (ne s’applique qu’aux satellites) La fréquence avec laquelle nous pouvons créer des images du même territoire par un capteur satellital

Pour accroître la résolution temporelle Dépointage du capteur: exemple SPOT Constellation des satellites

L’échelle