GEO-6333

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.
Conversion du RÉM en
signal électrique
255
108
52
ol
0
ev
ire d
ecto
Traj
Station d'échantillonnage
Échantillonnage spatial
du RÉM
Voltage variable dans
le temps
Convertisseur
Analogique/Numérique
Unité d'échantillonnage spatial
Axe tran
sversal
X
Y
t
ngi
e lo
Ax
nal
udi
Échantillonnage
électronique du signal
et conversion à des
comptes numériques
Création DES DONNÉES
numériques: PRINCIPE GÉNÉRAL
Échantillonnage spatial 1-d: Les
Profilomètres
e
ire d
ecto
Traj
Unité d'échantillonnage spatial
vol
Station d'échantillonnage
• Domaine optique
- Sondeurs
atmosphériques
(passifs ou actifs)
- Domaine électrique
Radiomètres
hyperfréquences
Altimètres radar
Diffusiomètres
Échantillonnage spatial 2-D
PARTIEL
ire
ecto
Traj
• Domaine optique
- Altimètres laser
• Domaine électrique
- Diffusiomètres
de v
ol
Station d'échantillonnage
Unité d'échantillonnage spatial
Axe tran
sversal
X
Y
Ax
e lo
l
ina
tud
ngi
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
ire
ecto
j
a
r
T
ol
de v
Station d'échantillonnage
Unité d'échantillonnage spatial
Axe tra
nsvers
al
X
Y
al
din
gitu
lon
e
Ax
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
Radar (balayage)
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
ée
ch
u
Fa
• 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: caméras à instantanés
Capteurs optiques: balayeurs ESPACE-OBJET
(optico-mécaniques))
• De plus en plus
abandonnés en faveur
des balayeurs espaceimage
Balayeurs à râteau
(exemple: HRVIR SPOT-4)
Capteur ETM+ de
Landsat-7
(balayeur à fouet)
Calculs
Distance focale =
CVI
2,44 m
(103 m /2,44 m) x 10-6
Largeur et hauteur
m/m = 42,5 x 10-6 rad
du
détecteur
(bandes spectrales
(nadir, θ=0o)
du visible) = 103
m
Altitude de vol =
705 km
CVISL=CVISH =
(42,5x10-6 rad) x 705 km x
103 m/km = 30 m
Capteur IKONOS
(balayeur à râteau)
Distance focale =
10 m
Taille d’un détecteur
(Bande
panchromatique) =
12 m
Altitude de vol =
681 km
Nombre
de
détecteurs: 12 000
CVI (rad) = d/f
CVIS (m) = CVI x H

Capteurs optiques: L’UNITÉ
D’ÉCHANTILLONNAGE  résolution
(géométrique) spatiale
Calculs
CVI
(12 m /10 m) x 10-6
m/m = 1,2 x 10-6 rad
CVIS (axe vertical)
(1,2 x10-6 rad) x
681000 m = 0,82 m
Fauchée
12 000 x 0,82 m 12 km
25 cm
10 cm
50 cm
100
cm
Échantillonnage
électronique
111
110
VOLTAGE
101
100
011
010
001
000
TEMPS
111
110
VOLTAGE
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
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
27
0
26
25
24
23
22
21
1 0 1 1 1 0 1
64 +
16 +8 +4 +
20
256 (28) valeurs possibles : 0255
1 = 93
En 16 bits donc 216 (65536) valeurs possibles : 0-65535
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
26
0
25
24
23
22
21
1 0 1 0 0 0 0
64 +
16
1
1 0 1 0 0 0 0
1
64 + 16
20
valeurs possibles : -127 à + 127
= +90
= - 90
Donc 16 bits avec signe valeurs possibles : - 32767 à +32767
2 niveaux de gris
Résolution
radiométrique
4 niveaux de gris
256 niveaux de gris
Le résultat de ce double
échantillonnage = image numérique
Le résultat de ce double
échantillonnage = image
numérique
Image numérique = un tableau des nombres entiers =
une matrice
 a11

A3 x3  a21
 a31
 b11

b21
B5 x 4  b31

b41
b
 51
a12
a22
a32
a13 

a23 
a33 
b12 b13 b14 

b22 b23 b24 
b32 b33 b34 

b42 b43 b44 
b52 b53 b54 
C1x 4  c11 c12 c13 c14 
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
100
100
0
0
Longueur d'onde
Réflectance transmise
0
100
Résolution spectrale
100
Réflectance
100
Sensibilité
0
0
Réflectance
transmise
Canal 3
Longueur d'onde
Réflectance transmise
Canal 1
R
é
tr fle
an ct
C sm an
an
c
al ise e
2
0
100
0
100
Hyperspectral
Les radars à ouverture DE
SYNTHÈSE
de v
Lign
e
ol

Angle azimutal
de visée

Ro
Fa
uc
hé
e
du
Les angles de visée
() ne sont égaux
aux angles
d'incidence ( ) que
si le terrain est plat
rad
ar
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
2 km
8m
400 km
4m
Résolution azimutale de
l'antenne synthétisée
2 km
Résolution azimutale de
l'antenne réelle
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;
Les plates-formes: typologie
- Celles qui opèrent entre 200 et 40 000
km: les satellites soumis à l'attraction
terrestre, qu'ils soient habités ou non.
Les plus utilisées en télédétection:
les avions et les satellites automatiques
Les avions
Paramètres
À plafond bas
Types d'avions
À plafond moyen
À plafond haut
Altitude
< 9km
9 km - 15 km
> 15km
Vitesse au
sol
Minimale
Maximale
~100 km/h
entre 250-500
km/h
~150km/h
entre 600 -1000
km/h
entre 800-4000
km/h
Stabilité
Modérée
Modérée à élevée
Élevée
Rayon
d'action
< 2500 km
< 5000 km
< 6000 km
Moyenne
Large (>1000
km2)
Couverture
des images
Limitée
(< 1000 km2)
Opération à partir
Opération à partir
Contraintes de n'importe quel
des aéroports
site
Opération à
partir des
grands
aéroports
Coûts
d'opération
Importants
Faibles
Modérés
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 (1ère
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 (2ème 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:
 00  orbite équatoriale;
 900  orbite polaire;
 orbite à inclinaison quelconque
Entre 00 et 900  mouvement
direct ou prograde;
Entre 900 et 1800  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 36 000 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 (400900 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:
27 359 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
Types d’orbites: orbites basses
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)
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 TerreSoleil tout le long d’une année
Plan orbital
-
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)


•
-

Orbites héliosynchrones
Cependant … selon la saison
l’angle du soleil peut varier
Orbite héliosynchrone crépusculaire
Intéressante pour l’exposition des panneaux solaires (RADARSAT)
La trace au sol du satellite
L’orientation de la
trace au sol est une
fonction de
l’inclinaison du plan
orbital du satellite
L’orientation de la trace
au sol est fonction de
l’altitude 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 1
185 km wide
2875 km
at equator
159 km
Exemple: traces d’un satellite à orbite non
héliosynchrone
(segments descendant et ascendant)
NORD
NORD
OUEST
C
D
C
D
EST
OUEST
SUD
SUD
C
D
EST
C
D
C
D
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