MATIÈRE 9-9-2014

1. Formation d’images numériques de télédétection 2. Initiation aux images satellitales de résolution spatiale moyenne à haute: images du rayonnement solaire réfléchi

Formation d’images numériques

• Les capteurs passifs et actifs • Le principe de base - Échantillonnage spatiale - Échantillonnage électronique

Les capteurs imageurs passifs et actifs

• Lorsque la source de rayonnement est naturelle  capteurs passifs • Lorsque la source de rayonnement est artificielle  capteurs actifs (ex. laser, source micro-ondes)

La constitution d’un capteur imageur

• Système de collecte du rayonnement • Système de détection et de mesure du rayonnement • Système d’enregistrement de données

PRINCIPE GÉNÉRAL : Une image numérique est le résultat d’un double échantillonnage par le capteur (actif ou passif) Conversion du RÉM en signal électrique Échantillonnage spatial exhaustif 2-D du RÉM Tra jectoi re de vol Station d'échantillonnage Unité d'échantillonnage spatial Axe transver sal X Y Axe longit udinal 255 108 Voltage variable dans le temps 52 0 Convertisseur Analogique/Numérique Échantillonnage électronique du signal et conversion à des comptes numériques

Échantillonnage spatial 2-D exhaustif par des capteurs passifs dans le domaine optique

• Deux façons d’échantillonner le rayonnement provenant de la scène survolée: - l’instantané  tous les échantillons sont prélevés en même temps, une matrice d’éléments photosensibles constitue le système de détection, pour chaque élément correspond une unité d’échantillonnage au sol - le balayage  l’image est construite dynamiquement en prélevant des échantillons séquentiellement d’une ligne de balayage à l’autre, un seul élément ou un alignement d’éléments photosensibles constitue le système de détection Instantané

Fa uc hé e

Balayage: la largeur d’une ligne de balayage est appelée la fauchée

Échantillonnage spatial 2-D: images instantanées

Pour pouvoir faire la correspondance unité d’échantillonnage et élément photosensible on emploie une optique de réfraction du RÉM, i.e. un système des lentilles. Ce système est caractérisée par sa distance focale (f) de quelques dizaines à quelques centaines de centimètres Exemple d’une matrice de détecteurs (chaque élément de taille carrée est caractérisée par sa dimension (d) de quelques micromètres

Balayeurs

Utilisation de l’optique de réflexion, i.e. systèmes de miroirs • Balayeurs à époussette ou à fouet: un seul détecteur. De plus en plus abandonnés en faveur des balayeurs à râteau • Balayeurs à râteau Alignement de détecteurs

L’unité d’échantillonnage au sol ou résolution spatiale (géométrique) au sol Peu importe si image instantanée ou image dynamique

Exemples

• Landsat-ETM7 (Balayeur à fouet) Altitude de vol = 705 km Distance focale =2,44 m Dimension du directeur = 103 mm (bandes rayonnement solaire) Angle instantané de vue =d/f = (103 x 10 -6 m /2,44 m) = 42,5 x 10 -6 radians Dimension de l’unité d’échantillonnage = angle x altitude de vol = (42,5 x 10 -6 rad) x 705 x 10 -3 30 m = • IKONOS (Balayeur à râteau) Altitude de vol = 681 km Distance focale =10 m Dimension du directeur = 12 mm (bande panchromatique) Angle instantané de vue =d/f = (12 x 10 -6 m /10 m) = 1,2 x 10 -6 radians Dimension de l’unité d’échantillonnage = angle x altitude de vol = (1,2 x 10 -6 rad) x 681 x 10 -3 = 0,82 m

Résolution géométrique vs détail (netteté) visible 25 cm 10 cm 100 cm 50 cm

L’équivalent de l’échelle cartographique

Échantillonnage électronique

111 110 101 100 011 010 001 000

TEMPS

111 110 101 100 011 010 001 000

TEMPS

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

Un exemple

Le résultat de ce double échantillonnage = image numérique

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 visuellement ou par ordinateur

V max 3

V

max 4

V

max 2

V

max 4 0 Résolution radiométrique: capacité de mesurer de menues variations du flux Elle dépend en grande partie de l’échelle de niveau de gris Résolution radiométrique V max 3

V

max 4

V

max 2

V

max 4 0 000 001 010 011 100 101 110 111 Résolution radiométrique 00 01 10 11 2 NG 4 NG 8 NG 16 NG 256 NG

Capteurs imageurs actifs dans les micro ondes: les radars imageurs

• • • • Les radars sont aussi des balayeurs Cependant le balayage se fait par le front d’ondes, émis via une antenne, comme il se propage le long d’une ligne de balayage La mesure du temps de retour après réflexion du rayonnement est la base de formation d’une image Plus de détails plus loin dans notre cours

INITIATION AUX 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 - Typologie d’images - Interprétation des images

36 000km 1000km 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

Orbites héliosynchrones

• Une telle orbite permet: 1) De couvrir l’ensemble de la surface mois.

terrestre dans un intervalle de temps donné (à l’exception des pôles). Cet intervalle peut aller de de quelques jours à presque 1 2) De passer heure locale au-dessus du même territoire à la même 3) 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

2000 km 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)

Télémétrie

LE RAYONNEMENT SOLAIRE RÉFLÉCHI ET SES IMAGES PAR SATELLITE

Objectifs d’apprentissage: - Reconnaître les différents types d’images - Être capable de reconnaître les objets sur des images en fonction de leurs signatures spectrales et d’autres traits caractéristiques (texture, taille, forme, etc.) ainsi que de l’échelle/résolution des images

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

1 2 3 5 4

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 l’énergie ÉM à une autre forme d’énergie  transformation de 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  spectrale la signature

LES ROCHES : SIGNATURES SPECTRALES

LES SOLS

LES VÉGÉTAUX

L’EAU

La glace et la neige

(a) (b) Types de réflexion : a) réflexion spéculaire par un objet sans aspérités apparentes (objet lisse) à la longueur d’onde du RÉM incident, b) réflexion diffuse par un objet avec des aspérités de l’ordre de ou supérieures à la longueur d’onde du RÉM incident (objet rugueux). Ces deux cas ce sont des cas extrêmes. Les objets présentent habituellement un type de réflexion hybride

Figure 7.21

: À gauche : visée du même côté que le soleil (le capteur se trouve à l’Est de Montréal); les surfaces d’eau apparaissent foncées et on remarque l’absence de contraste au centre ville de Montréal à cause de la diminution d’ombrages observables par le capteur. À droite : visée à l’opposé du soleil (le capteur se trouve à l’Ouest de Montréal); l’eau apparaît plus brillante (réflexion spéculaire) et les ombres des édifices sont maintenant beaucoup plus présentes au Centre Ville

(Source de l’image : Laboratoire de télédétection U de M).

.

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 m m) à l’infrarouge à ondes courtes (jusqu’à 3 m m) 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)

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

SPECTRE BLEU VERT ROUGE

  

FILTRE BLEU VERT ROUGE SPECTRE VERT ROUGE PIR

  

FILTRE BLEU VERT ROUGE SPECTRE BLEU VERT IROC

2   

FILTRE BLEU VERT ROUGE SPECTRE ROUGE PIR IROC

1   

FILTRE BLEU VERT ROUGE SPECTRE PIR IRCO

1

IROC

2   

FILTRE BLEU VERT ROUGE SPECTRE ROUGE IRCO

1

PIR

  

FILTRE BLEU VERT ROUGE

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

31J

74 0 .0

31I

46 0 .0

31G 31H 1:250 000 ETM-Landsat RSO-RADARSAT (Standard) HRV-SPOT 31I

72 0 .0

21L

46 0 .0

31H 21E 1:20 000 IKONOS 31G 31H

45 0 .0

31B

74 0 .0

31A 31H 21E

45 0 .

0

31A

72 0 .

0

21D

~160 km