GEO-2522: - Rappel des notions de base (GEO-1542) - Les images numériques du rayonnement solaire réfléchi

Les images numériques du rayonnement solaire réfléchi Formation des images: caractéristiques radiométriques Formation des images: caractéristiques géométriques Typologie des images

Rappel: Qu’est-ce que la télédétection? La télédétection est un domaine scientifique et technique dont le but est l’acquisition d’informations sur l’environnement terrestre par le biais de mesures du rayonnement électromagnétique provenant des objets. Les mesures sont prises par des appareils spécialisés, les capteurs, à bord des plates-formes aériennes ou spatiales. Les capteurs modernes génèrent leurs données de mesure du rayonnement sous forme numérique

Rappel: Qu’est-ce que la télédétection numérique? La télédétection numérique porte sur l’acquisition, le traitement et l’analyse des données numériques de la télédétection.

Rappel: Que signifie rayonnement électromagnétique provenant des objets? Un objet (ou cible) désigne la matière peu importe le niveau de sa perception. Ex. Selon la distance qui sépare le capteur de la surface terrestre et les caractéristiques de cet appareil, un objet peut être: une feuille, un arbre, un peuplement forestier ou la forêt dans son ensemble….

Rappel: Que signifie rayonnement électromagnétique provenant des objets? Le rayonnement électromagnétique est une forme d’énergie dynamique générer par une source qui se propage dans l’espace (aussi vide que matériel) . Dans le vide la vitesse est de 3 x 108 m/sec (vitesse de la lumière). Selon les deux théories en usage aujourd’hui cette propagation se fait soit sous forme d’ondes (mouvement ondulatoire) soit sous forme de microparticules, les photons. Ces deux théories ne sont pas en contradiction. Leur usage dépend de l’échelle d’observation (macro ou micro), du type du rayonnement ÉM et de l’appareil de mesure du RÉM. Pour le moment on va se tenir à la notion du rayonnement se propageant en suivant un mouvement ondulatoire.

Rappel: Que signifie rayonnement électromagnétique provenant des objets? Selon la théorie ondulatoire le RÉM comporte deux ondes, une onde électrique et une onde magnétique indissociables. Seule l’onde électrique sera considérée. Un mouvement ondulatoire est en général caractérisée dans l’espace par sa longueur d’onde et dans le temps par sa période (ou son inverse, la fréquence) λ=𝑐∗𝑇=𝑐/𝑓 c= vitesse de propagation

Rappel: Que signifie rayonnement électromagnétique provenant des objets? Un objet terrestre génère du rayonnement naturellement à cause de processus physiques internes (agitation moléculaire, réactions nucléaires, etc.). Un objet peut réagir lorsque soumis à un rayonnement externe et générer son propre rayonnement (phénomènes de réflexion, diffusion, dispersion, fluorescence, etc.). Ce rayonnement externe peut provenir d’une source naturelle comme le soleil ou une source artificielle comme un radar. Le rayonnement émis naturellement ou après interaction avec du rayonnement externe constitue la donnée de base de la télédétection.

Rappel: Que signifie rayonnement électromagnétique provenant des objets? Le RÉM produit naturellement par les objets ou générer par des sources externes couvre un large spectre de longueurs d’onde (ou de fréquences).

Rappel: Que signifie rayonnement électromagnétique provenant des objets? Cependant …pour la télédétection de la surface terrestre toutes les parties du spectre ne sont pas entièrement disponibles (absorption atmosphérique) ou elles ne portent pas une information valable (ondes radio de longueur d’onde > 1m)

Rappel: Les zones spectrales d’intérêt Le visible (0,4-0,7 m) Le PIR (0,7-1,1 m) L’IROC (1,1-3 m) L’IRT (8-14 m) Les micro-ondes (3cm –30 cm) Partie optique

Rappel: Quelle est la propriété de base du rayonnement EM que l’on mesure? Un capteur dans les bandes spectrales d’intérêt mesure l’énergie du rayonnement ÉM (Joule) provenant des objets. Pour qu’il puisse générer des mesures utiles, il faut qu’il observe un objet pendant un court laps de temps (fraction de la seconde). Puisque chaque capteur a sa propre spécification pour ce laps de temps on utilise une quantité normalisée: énergie/laps de temps Flux ou Puissance (Watt=Joule/sec) Chaque capteur mesure le flux du RÉM provenant d’une surface plus ou moins grande selon un angle de visée variable. Puisque chaque capteur a ses propres spécifications on utilise une autre quantité normalisée pour exprimer la mesure de télédétection: Luminance ou Brillance (Watt/unité de surface/par angle solide d’observation)

Rappel: Quelle est la propriété de base du rayonnement EM que l’on mesure? Comme nous le verrons plus tard, un capteur peut prendre plusieurs mesures en quasi-synchronisme du flux du RÉM en faisant varier une ou plusieurs autres propriétés du RÉM telles la longueur d’onde, la polarisation, la phase et la direction de propagation. Ceci dépend du type du rayonnement mesuré. Alors, on peut dire le suivant concernant le postulat de la télédétection: Chaque objet selon ses propriétés physicochimiques et ses caractéristiques géométriques réfléchit ou émet des quantités variables du RÉM. En mesurant à distance la quantité du RÉM provenant des objets, selon une ou plusieurs propriétés du RÉM, nous sommes en mesure de les identifier, de décrire leurs propriétés géométriques et d’extraire des informations sur leurs propriétés physicochimiques.

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.

Qu’est-ce qu’un capteur numérique? Dans notre cours nous mettrons l’accent sur: Des capteurs optiques passifs: le type du rayonnement ÉM mesuré est soit le rayonnement solaire réfléchi par les objets (VIS, PIR, IROC) ou le rayonnement émis par les objets (IRT); Des capteurs à antennes actifs: On mesure le flux du rayonnement émis dans les micro-ondes (environ 1 cm à 1m de longueur d’onde) par une source artificielle qui, après interaction avec la surface terrestre, parvient au capteur. Nous donnerons aussi quelques détails sur un capteur optique actif utilisant une source laser.

Comment opère un capteur numérique? L’opération d’un capteur comporte un double échantillonnage: Un échantillonnage spatial pour la collecte du RÉM Un échantillonnage électronique pour la mesure du RÉM collecté par échantillon spatial 255 Signal vidéo (Voltage variable dans le temps) Convertisseur Analogique/ Numérique 52 108 Capteur objets Échantillonnage spatial Échantillonnage électronique

L’échantillonnage spatial Différents patrons d’échantillonnage: Profiles Échantillonnage 2-D partiel Échantillonnage 2-D exhaustif Autres…

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

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 On se sert de la direction de propagation du RÉM pour positionner un échantillon spatial par rapport aux autres Optique instantané Optique balayage On se sert du temps aller retour du signal émis par le radar pour positionner un échantillon spatial par rapport aux autres Radar (balayage)

Comment se forme une image numérique? Échantillonnage électronique du signal

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

Codification 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 27 26 25 24 23 22 21 20 0 1 0 1 1 1 0 1 256 (28) valeurs possibles : 0-255 64 + 16 +8 +4 + 1 = 93 En 16 bits donc 216 (65536) valeurs possibles : 0-65535

Codification

Codification 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 26 25 24 23 22 21 20 0 1 0 1 0 0 0 0 valeurs possibles : -127 à + 127 64 + 16 = +90 1 1 0 1 0 0 0 0 1 64 + 16 = - 90 Donc 16 bits avec signe valeurs possibles : - 32767 à +32767

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 telle que codifiée par le capteur. Nous pouvons la visualiser comme une image standard et l’analyser par ordinateur

La visualisation d’une image numérique

Oui pourvu que le capteur soit étalonné 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

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)

Les images du rayonnement solaire réfléchi MODULE 1 Les images du rayonnement solaire réfléchi

Bases de physique Soleil  Éclairement solaire et répartition spectrale Passage par l’atmosphère: Perte en intensité (absorption et diffusion atmosphérique) mais création d’une source secondaire d’éclairement due à la diffusion: le firmament Interaction de la surface avec rayonnement reçu (direct + ciel): réflexion; absorption; transmission Passage du rayonnement réfléchi par l’atmosphère et perte de son intensité (absorption et diffusion) Mesure du rayonnement reçu

Éclairement solaire (Wm-2μm-1) ÉCLAIREMENT SPECTRAL REÇU À LA SURFACE (EN IGNORANT L’ATMOSPHÈRE) Longueur d’onde (mm) Éclairement solaire (Wm-2μm-1)

Interaction avec la surface Loi de conservation de l’énergie 𝐼=𝑅+𝐴+𝑇 Ou l’équivalent 1= 𝑅 𝐼 + 𝐴 𝐼 + 𝑇 𝐼 𝜚= 𝑅 𝐼 =𝑟é𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝛼= 𝐴 𝐼 =𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝜏= 𝑇 𝐼 =𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒

Les signatures spectrales variations de la réflectance des objets en fonction de la longueur d’onde

Signatures spectrales

Signatures spectrales

Signatures spectrales Ici la transmittance joue un rôle important  réflexion volumique

Les signatures spectrales

Luminance reçu par le capteur en ignorant l’atmosphère Dans le cas le plus simple: réflexion isotrope 𝐿=𝐸∗ 𝜚 𝜋

Typologie et contenu Selon la sensibilité spectrale du ou des détecteurs employés par le capteur Images panchromatiques: version 1 (0,4-0,7 m) Images panchromatiques: version 2 (0,4-1 m) Images multispectrales VIS-PIR-IRCO une dizaine de bandes spectrales tout au plus Images hyperspectrales VIS-PIR-IRCO une soixantaine, voire même, deux centaines de bandes spectrales

Les images panchromatiques Exemple Version 1 : SPOT-4 Version 2: Landsat-7 ETM8 POURQUOI CES DIFFÉRENCES DE TEINTE? VOIR TEXTE IMAGES PANCHROMATIQUES.PDF

Les images multispectrales Bande PIR Bande bleue

Signature spectrale et teinte de gris 0,45-0,52 micromètres 0,76-0,9 micromètres

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

Images hyperspectrales

Caractérisation des images du rayonnement solaire réfléchi Résolution spatiale Résolution radiométrique Résolution spectrale Résolution temporelle

Taille de la matrice de pixels pour couvrir le même territoire La capacité de distinguer des objets dépend fortement de la résolution spatiale Taille de la matrice de pixels pour couvrir le même territoire IRS panchro, 5 m SPOT panchro, 10 m IRS multi, 20 m Landsat, 30 m Perte du détail (flou)

Résolution spatiale Distance minimale entre deux objets pour qu’ils soient perçus comme des objets séparés Dépend principalement du pixel au sol de l’image ainsi que du contraste entre objets Image panchromatique QuickBird (0,6 m x 0,6 m) Image panchromatique Landsat (15m x 15 m)

Typologie des images selon la résolution spatiale : Résolution spatiale grossière : pixel au sol 100 m et +grande ·   Faible résolution spatiale: pixel au sol de 50m à 100 m ·  Moyenne résolution spatiale  : pixel au sol de 10 à 50 m ·  Haute résolution spatiale : pixel au sol de 1 à 10 m ·  Très haute résolution spatiale : <1m   

Résolution radiométrique: capacité de mesurer des menues variations du flux La résolution radiométrique dépend en grande partie de l’échelle de niveau de gris utilisée 2 n. gris 4 n. gris 8 n. gris 16 n. gris 256 n. gris

Résolution spectrale : intervalle minimale de longueurs d’onde par bande spectrale Le nombre de bandes spectrales est un critère pour caractériser une image en termes de résolution spectrale Résolution spectrale: multi vs. hyper

L’intervalle de temps minimal entre deux acquisitions successives: la résolution temporelle notion appliquée surtout avec des images satellitales 28 septembre 1983 5 septembre 1987 24 juin 1989