11/07/2015 UN IVERSITE DE TUN IS Faculté des Sciences Humaines et Sociales Département de géographie Cours de Télédétection Hamouda SAMAALI Année universitaire 2015-2016 I. Introduction 1- Qu est ce que la télédétection? La télédétection est la technique qui, par l'acquisition d'images, permet d'obtenir de l'information sur la surface de la Terre sans contact direct avec celle-ci. Télé signifie « à distance » et détection veut dire « découvrir » ou « déceler » La télédétection est l ensemble des connaissances et des techniques utilisées pour déterminer des caractéristiques physiques et biologiques d objets par des mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci. 2. HISTORIQUE La télédétection a débuté avec les photographies aériennes : 1822 : caméra de Niepce Vers 1850 : Premières photographies aériennes au bord d un ballon 1909 : premières photographies par avion C est pendant les deux guerres mondiales que la photointerprétation devient une discipline reconnue avec l apparition de revues spécialisées. Depuis 1960, c est l avènement des données satellitaires 1963 : images prises par Mercury 1972 : Lancement de la série Landsat Les années 80 : Lancement de la série SPOT Les années 90 : Lancement des satellites radars ERS et Radarsat 1 11/07/2015 Où? n'importe où à la surface du globe => en général, à l'exception des pôles Quand? - toute l'année => suivi de l'évolution du signal électromagnétique dans le temps - de jour comme de nuit => télédétection optique, infrarouge thermique ou radar Comment? - à l'aide de capteurs opérants dans une ou plusieurs bandes spectrales => sous forme analogique (photographies aériennes, le plus souvent) => sous forme numérique (images satellitaires) Dans quel but? - fournir une vision : globale, objective, instantanée de la surface du sol à un instant donné 3- Le principe de base Processus de la télédétection LE SYSTEME DE TELEDETECTION source capteur Airport Source d énergie Plate-forme ou vecteur Capteur Cible Contexte environnant Signature spectrale Image diffusion absorption émission atmosphère transmission reflexion spéculaire émission reflexion diffuse absorption transmission 2 11/07/2015 LES FORMES DE TELEDETECTION L énergie est naturelle (énergie solaire ou radioactive) Incident Reflechi Forme passive de télédétection Emetteur L énergie est produite (cas du radar) Capteur Incident Reflechi Forme active de télédétection Le processus de la télédétection comporte les étapes suivantes: 1-Source d'énergie ou d'illumination (A) En télédétection dite passive, le soleil constitue la principale source d énergie. En télédétection dite active, la source est fabriquée par l homme 2-Rayonnement et atmosphère (B) - Durant son parcours entre la source d'énergie et la cible, le rayonnement interagit avec l'atmosphère. Une seconde interaction se produit lors du trajet entre la cible et le capteur. 3-Interaction avec la cible (C) - Une fois parvenue à la cible, l'énergie interagit avec la surface de celle-ci. Les interactions sont de trois types: la transmission, la réflexion et l absorption 4-Enregistrement de l'énergie par le capteur (D) - Une fois l'énergie diffusée ou émise par la cible, elle doit être captée à distance (par un capteur qui n'est pas en contact avec la cible) pour être enfin enregistrée. 5-Transmission, réception et traitement (E) - L'énergie enregistrée par le capteur est transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception où l'information est transformée en images (numériques ou photographiques). 6-Traitements, analyses, interprétation et applications (F et G): extraire des informations utiles Quelques champs d applications de la télédétection Météorologie et climat: suivi de l évolution spatio-temporelles de la couverture nuageuse Agriculture: classification des types de culture, l'évaluation de la santé des cultures , la cartographie des caractéristiques du sol Géologie: la cartographie des dépôts de surface , l'exploration minière , l'exploration pétrolière, Hydrologie: la surveillance et la cartographie des inondations , la détection des changements dans les rivières et les deltas , la cartographie des bassins hydrologiques , Occupation du sol: la gestion des ressources naturelles , l'expansion et le développement urbains , la protection de l'habitat sauvage , la délimitation de l'étendue de dommage (tornades, inondations, volcans, tremblements de terre, feux) 3 11/07/2015 II. Les bases physiques de la télédétection 1- Le rayonnement électromagnétique (REM) Un rayonnement est une énergie transportée dans l espace sous forme d ondes. La lumière est la partie visible du REM, celle que l homme capte avec ses yeux. Le rayonnement électromagnétique correspond à une oscillation des champs électrique (E) et magnétique (M). Pour comprendre la télédétection, il est indispensable de saisir les deux composantes du rayonnement électromagnétique que sont la longueur d'onde et la fréquence. La longueur d'onde ( ), est la distance parcourue par l onde à la vitesse V pendant une période T. Elle est mesurée en mètres ou en l'un de ces sousmultiples tels que les nanomètres (nm, 10-9 mètre), micromètres ( m, 10-6 mètre) ou centimètres (cm, 10-2 mètre). = V.T La fréquence ( ) représente le nombre d'oscillations par unité de temps. La fréquence est normalement mesurée en Hertz (Hz) (c.-à-d. en oscillations par seconde) ou en multiples de Hertz. = 1/T V= . (m/s) La période (T) est le temps durant lequel l onde fait une oscillation complète, (exprimée en seconde) Les caractéristiques spatio-temporelles d'une onde Les caractéristiques temporelles T= 2p/w = 1/u (w= pulsation ou fréquence angulaire) Les caractéristiques spatiales: = V.T =2p/k V= u = w/k Dans le vide et à peu de chose prés dans l'air : C= 3.108 m/s (célérité = vitesse de propagation des ondes) indice de réfraction n du milieu considéré : nm = c/vm = vide / m n = 1 dans le vide; n est sensiblement égal à 1 dans l'air; n = 1,33 dans l'eau 4 11/07/2015 Le spectre électromagnétique La répartition des longueurs d ondes définit le spectre électromagnétique s'étend des courtes longueurs d'onde (dont font partie les rayons gamma et les rayons X) aux grandes longueurs d'onde (micro-ondes et ondes radio). La lumière que nos yeux peuvent déceler se trouve dans ce qui s'appelle le " spectre visible". Il est important de noter que c'est la seule portion du spectre que nous pouvons associer à la notion de couleurs. violet : 0.4 - 0.446 m bleu : 0.446 - 0.500 m vert : 0.500 - 0.578 m jaune : 0.578 - 0.592 m orange : 0.592 - 0.620 m rouge : 0.620 - 0.7 m Examinons maintenant la partie de l'infrarouge (IR) du spectre. L'infrarouge s'étend approximativement de 0,7 à 100 m, ce qui est un intervalle environ 100 fois plus large que le spectre visible. L'infrarouge se divise en deux catégories : IR réfléchi et IR émis ou thermique. Le rayonnement dans la région de l'infrarouge réfléchi est utilisé en télédétection de la même façon que le rayonnement visible. L'infrarouge réfléchi s'étend approximativement de 0,7 à 3 m. 2- Interaction du REM avec l atmosphère Avant que le rayonnement utilisé pour la télédétection n'atteigne la surface de la Terre, celui-ci doit traverser une certaine épaisseur d'atmosphère. Les particules et les gaz dans l'atmosphère peuvent dévier ou bloquer le rayonnement incident. Ces effets sont causés par les mécanismes de diffusion et d'absorption. La diffusion est une réflexion d'une partie du rayonnement dans des directions aléatoires due à la composition granulaire de l'atmosphère. Le niveau de diffusion dépend de : - la longueur d'onde ; - la densité de particules et de molécules ; - l'épaisseur d'atmosphère à franchir. La diffusion 5 11/07/2015 Il existe trois types de diffusion : La diffusion de Rayleigh se produit quand la taille des particules < Le REM est surtout dévié : - sur des particules de poussières ; - des molécules gazeuses (azote, oxygène, ...) ; - De façon plus importante dans les + courtes longueurs d'onde du REM Cette forme de diffusion est prédominante dans les couches supérieures de l atmosphère (explication du ciel bleu durant la journée) Au coucher et au lever du soleil, le rayonnement doit parcourir une plus grande distance à travers l'atmosphère qu'au milieu de la journée. La diffusion des courtes longueurs d'onde est plus importante. Ce phénomène permet à une plus grande proportion de grandes longueurs d'onde de pénétrer l'atmosphère. Le parcours du rayonnement à travers l atmosphère La diffusion de Mie se produit quand la taille des particules est peut différente de la du REM Le REM est surtout dévié par des : - aérosols (poussières, pollens, fumées) ; - gouttes d'eau. Ce genre de diffusion affecte les plus grandes longueurs d'onde et se produit surtout dans les couches inférieures de l'atmosphère où les grosses particules sont plus abondantes. Ce processus domine quand le ciel est ennuagé. La diffusion non sélective se produit quand la taille des particules est >>> que la du REM Elle affecte toutes les longueurs d'onde Les gouttes d'eau de l'atmosphère dispersent le bleu, le vert, et le rouge de façon presque égale, ce qui produit un rayonnement blanc (lumière bleue + verte + rouge = lumière blanche). La diffusion non sélective C'est pourquoi le brouillard et les nuages nous paraissent blancs. Un autre phénomène entre en jeu lorsque le rayonnement électromagnétique interagit avec l'atmosphère : c'est l'absorption. L'absorption survient lorsque les grosses molécules de l'atmosphère (ozone, bioxyde de carbone et vapeur d'eau) absorbent l'énergie de diverses longueurs d'onde. L absorption L'ozone absorbe les rayons ultraviolets qui sont néfastes aux êtres vivants. Sans cette couche de protection dans l'atmosphère, notre peau brûlerait lorsqu'elle est exposée au Soleil. le bioxyde de carbone est un gaz qui contribue à l'effet de serre. Ce gaz absorbe beaucoup de rayonnement dans la portion infrarouge thermique du spectre et emprisonne la chaleur dans l'atmosphère. 6 11/07/2015 Parce que ces gaz et ces particules absorbent l'énergie électromagnétique dans des régions spécifiques du spectre, ils influencent le choix de longueurs d'onde utilisées en télédétection. Les régions du spectre qui ne sont pas influencées de façon importante par l'absorption atmosphérique, et qui sont donc utiles pour la télédétection, sont appelées les fenêtres atmosphériques. - La portion visible du spectre correspond à une fenêtre et au niveau maximal d'énergie solaire. - l'énergie thermique émise par la Terre correspond à une fenêtre située à près de 10 m dans la partie de l'infrarouge thermique du spectre Dans la partie des hyperfréquences, il existe une grande fenêtre qui correspond aux longueurs d'onde de plus de 1 mm. 2,5 Eclairement spectral solaire hors atmosphère E (kWm-2 µm-1 2,0 Eclairement spectral solaire au niveau de la mer Courbe du corps noir à 5900°K 1,5 O3 H2O O2 H 2 O 1,0 H2O H2O 0,5 H2O O3 0,0 H2O CO2 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,61,8 2,0 2,22,4 2,6 2,83,0 Longueur d'onde (µm) Absorption atmosphérique du rayonnement électromagnétique dans le visible et le PIR (d après Wolfe et Zissis, 1978) PRINCIPALES FENETRES ATMOSPHERIQUES Fenêtre UV et visible Proche infrarouge Infrarouge moyen Infrarouge thermique Hyperfréquences de 0,35 0,77 1,0 1,19 1,55 2,05 3,35 4,5 8,0 10,2 17,0 2,06 3,0 7,5 20,0 m m m m m m m m m m m m m m m à 0, m 0,91 m 1,12 m 1,34 m 1,75 m 2,4 m 4,16 m 5,0 m 9,2 m 12,4 m 22,0 m 2,22 mm 3,75 mm 11,5 mm et au-delà 7 11/07/2015 3- Interaction REM et cible Le rayonnement qui n'est pas absorbé ou diffusé dans l'atmosphère peut atteindre et interagir avec la surface de la Terre. Lorsque l'énergie atteint la cible, la surface peut absorber (A) l'énergie, la transmettre (T) ou réfléchir (R) l'énergie incidente. Absorption, réflexion, transmission (Bonn & Rochon 1992) En télédétection, nous mesurons le rayonnement réfléchi par une cible. La réflexion spéculaire et la réflexion diffuse représentent deux modes limites de réflexion de l'énergie. Une surface lisse produit une réflexion La réflexion diffuse se produit quand la spéculaire, c'est-à-dire que toute l'énergie surface est rugueuse, ce qui redirige est redirigée dans une même direction l'énergie uniformément dans toutes les (comme c'est le cas d'un miroir). directions. on parle également de : Émission : tout corps dont la température est > à 0°K émet un rayonnement électromagnétique. Ce corps est appelé source. L'absorption élève la température du corps et modifie la longueur d'onde d'émission. On connait certains émetteurs comme le soleil ou les lampes. En fait tout corps dont la température est supérieure à 0°K (-273 ° C) est un émetteur de REM. Ils s'approchent d'un modèle théorique appelé corps noir. On a vu dans la loi de la transformation de l'énergie que A + T + R = 1 Si un corps absorbe tous les rayonnements incidents, alors :A = 1 et T + R = 0 ce corps est appelé corps noir A son tour, ce corps ré-émet un REM dont l'intensité et la fréquence dépendent de son énergie interne :sa température. Il en découle différentes lois physiques dont celle de Wien qui dit que : "plus la température d'un corps noir est élevée plus il émet dans de courtes longueurs d'onde" 8 11/07/2015 Concept du corps noir Absorption totale du rayonnement reçu Emission d'un rayonnement ne dépendant que de la température Repr sentation sch matique d'un corps noir C'est le radiateur parfait qui transforme l'énergie thermique en énergie rayonnante avec le taux maximum que permettent les lois de la thermodynamique. Inversement, le corps noir absorbe toute l'énergie reçue Rayonnement émis par le corps noir La puissance totale ou exitance totale d'un corps noir est donnée par la loi de StefanBoltzman : M= T4 - M est la quantité d'énergie émise par unité de temps, -T est la température absolue du corps en K Émission en fonction des températures du soleil (T =6 000K) et de la Terre (T =300K) courbes de Planck - est la constante de StefanBoltzmann qui vaut 5,67 10-8 W.m-2.K-4 Le Soleil peut être considéré comme un corps noir à 6 000 K, son maximum d'émission est aux alentours de 500 nm (vert-jaune) C.à.d. au voisinage de la sensibilité maximale de l oeil humain (550 nm) La Terre a une température moyenne proche de 300 K, son maximum d'émission est aux alentours de 9 500 nm (IRTh) La plupart des surfaces naturelles ne se comportent pas comme des corps noirs, où mais plutôt comme des corps gris Exitance ou distribution spectrale du rayonnement émis par le corps noir Le rayonnement émis par les corps noirs n'est pas uniforme dans toutes les fréquences; il varie dans le spectre électromagnétique selon la température du corps et un certain nombre de paramètres exprimés par la loi de Plank: = C1 -5/ exp(C2/ T)-1 C1 = 3,74.10-16 W.m-2 C2= 1,44.10-2 m.K De la loi de Plank on peut déduire la loi de Wien qui donne la longueur d'onde lm au maximum d'émettance du corps noir: m = C/T C=2,898 10-3 W.m-2 .K-4 Le soleil considéré comme corps noir (T= 6000°K) émet un maximum d'énergie à m =0,48mm. A température basse on a une émission maximale dans les grandes l 9 11/07/2015 Emissivité des corps gris La plupart des surfaces naturelles sont plutôt des corps gris qui n'obéissent qu'approximativement aux différentes lois des corps noirs. En effet les matériaux rencontrés dans la nature ont un pouvoir réflecteur et peuvent transmettre par transparence une partie de l'énergie incidente. Pour un corps gris la loi de Stefan-Boltzmann devient alors: M= T4 Où est l'émissivité du corps, comprise entre 0 et 1. A température égale, un corps gris émet donc moins d'énergie qu'un corps noir et son émissivité est alors donnée par: = M(corps)/ M(corps noir) Dans le domaine thermique, certaines surfaces naturelles ont des émissivités voisines de 1 et se rapprochent alors des corps noirs. C'est le cas des: Eau, roches sombres comme les basaltes ou asphalte des routes. D'autres matériaux auront des émissivités faibles. C'est le cas des roches siliceuses, le sable sec, certains calcaires et les métaux polis. La plus part des surfaces naturelles ne se comportent pas comme des corps noirs, mais plutôt comme des corps gris Un corps gris, à la différence d un corps noir n absorbe pas toute l énergie reçue : il en transmet et/ou réfléchit une partie. C est le cas des objets observés dans la nature. corps noir : = = 0, =1 corps opaque : = 0, + =1 corps transparent : = 0, + =1 Le REM mesuré par les instruments du satellite a été transformé par la cible. Chacun des objets spatiaux (bois, champ, bâtiment, lac, plage...) transforme différemment le REM en fonction des quantités absorbées, transmises ou réfléchies. C'est grâce à cette combinaison singulière (% réfléchie + % absorbée + % transmise) qu'il va être possible d'identifier la nature d'un objet, cette combinaison est appelé signature spectrale. mesure quantitative des propriétés spectrales d'un objet dans une ou plusieurs bandes spectrales SIGNATURE SPECTRALE DES PRINCIPAUX CONSTITUANTS DE LA NATURE 10 11/07/2015 Dans le visible et le proche infrarouge: La réflectance augmente du bleu (10 à 20%) au proche infrarouge (40 à 50%). Les propriétés optiques des sols sont tout d abord reliées à leur composition minérale. Composé de de minéraux, les sols ont comme eux, une courbe de réflectance qui augmente du visible vers les courtes longueurs d ondes infrarouges, avec la présence de bandes d absorption vers 1,4µm et 1,9 µm dues à la présence de l eau. La différence de réflectance est due à la granulométrie, constitution minéralogique (fer, calcium, matière organique, humidité) et rugosité des sols dont la connaissance est indispensable pour une bonne interprétation des images de télédétection. La signature spectrale de la végétation La réflectance des feuilles est fonction de trois facteurs: la pigmentation, la structure cellulaire et son contenu en eau. Chacun de ces 3 facteurs influence de manière prépondérante différentes parties du spectre. -Dans le visible (0,38 à 0,7 mm) la réponse spectrale des végétaux est surtout liée à leur pigmentation. la chlorophylle, une molécule que nous retrouvons à l'intérieur des feuilles, absorbe fortement le rayonnement aux longueurs d'onde du rouge et du bleu, mais réfléchit le vert. - Dans le proche-infraouge (0,7 à 1,3 mm) ce ne sont plus les pigments qui vont déterminer la réponse spectrale, mais la structure du feuillage. Un des composants des feuilles, le parenchyme lacuneux, réfléchi le rayonnement proche-infrarouge. Lorsque le végétal de dessèche, est malade ou vieilli, en fait lorsque son activité chlorophyllienne baisse, sa réflexion dans le proche-infraouge baisse. Au contraire, les végétaux en bonne santé, en pleine maturation et bien irrigués ont une activité chlorophyllienne très importante et par conséquent une réponse spectrale élevée. Pigmentation Structure cellulaire Contenu en eau Absorption par la chlorophylle 11 11/07/2015 -Dans l'infrarouge moyen (1,3 à 1,9 mm) c'est la teneur en eau des végétaux qui va conditionner leur réponse spectrale. Un végétal chlorophyllien en bonne santé, contenant donc de l'eau, a une réponse spectrale qui va chuter dans l'infrarouge moyen à cause des bandes d'absorption de l'eau. Lorsqu'un végétal est en cours de maturation, souffre d'un stress hydrique ou d'une maladie qui affecte sa teneur en eau, sa réponse spectrale sera plus élevée. De nombreux facteurs influencent le comportement spectral des végétaux. En effet, une zone végétalisée est un milieu vivant sensible aux saisons, aux aléas du climat ou encore aux maladies La signature spectrale de l eau La réponse spectrale de l'eau dépend principalement de sa pureté et des particules en suspension (alluvions, algues...). Pour de l'eau pure, le phénomène principal qui interviendra dans le visible est la diffusion (l'eau est translucide) et dans l'infrarouge l'absorption. Ainsi, l'eau paraît généralement bleue ou bleu-vert car elle réfléchit davantage les petites longueurs d'onde La présence de particules dans l'eau va changer profondément sa réponse spectrale. L'eau "pure", telle qu'on la trouve dans certains lacs ou bassins portuaires ou encore au large des côtes, à une réflectance proche de 0% dans l'infrarouge proche et moyen. Ces longueurs d'ondes sont donc très utilisées pour les études hydrographiques. La signature spectrale des roches et minéraux La réponse spectrale des roches et minéraux dépend fortement de leur composition physico-chimique. Ainsi, la présence d'ions ferreux ou d'eau par exemple va avoir une influence très forte sur la réponse spectrale des roches. La présence d'ions ferreux ou d'eau se traduit par une absorption plus élevée dans les longueurs d'ondes proche-infrarouges. Dans le visible, la pigmentation (couleur) des roches détermine en grand partie la réponse spectrale. Il est bien évident qu'une carrière de craie aura une réflectance beaucoup plus forte qu'une surface de basalte noir. les signatures spectrales de quelques roches 12 11/07/2015 La signature spectrale des sols Tout comme les roches, les sols peuvent être classés dans la catégorie des surfaces minéralisées. Un sol comporte une part minérale (ce qui le rapproche des roches), mais aussi une part organique importante (humus, matière organique non décomposée...). Souvent, ces deux éléments (minéral et organique) sont mélangé ce qui complexifie davantage l'étude des propriétés spectrales. Les paramètres du sol qui affectent la réflectance de manière prépondérante sont notamment: . l'humidité . la présence d'oxyde de fer . la rugosité de surface . la teneur en matière organique . la texture (teneur en sable, limon, argile) Les effets conjugués de tous ces paramètres rendent l'interprétation difficile car, comme le montrent les courbes de réflectance ci-dessous, souvent la présence d'un élément annule les effets de l'autre. 1 2 Réflectance d'un sable en fonction de l'humidité Il convient de relever la forte variation de réflectance dès que le sol s'humidifie (courbe 1 et 2). Une augmentation ensuite du taux d'humidité n'apporte que peu de modification. Les bandes d'absorption de l'eau (1.4, 1.9 et 2.5 m) sont notables comme pour la végétation. Réflectance d'un sol argileux Il apparaît une bande d'absorption supplémentaire en 2.2 m par rapport à la courbe précédente, due à la présence dans l'argile du ion (OH)-. Les pics d'absorption subsistent même pour l'argile sèche. Ils sont dus à la présence d'eau résiduelle fortement liée à l'argile. 13 11/07/2015 Examinons quelques exemples de cibles de la surface de la Terre et voyons comment l'énergie aux longueurs d'onde visible et infrarouge interagit avec celles-ci. Les feuilles: la chlorophylle, une molécule que nous retrouvons à l'intérieur des feuilles, absorbe fortement le rayonnement aux longueurs d'onde du rouge et du bleu, mais réfléchit le vert. L eau: absorbe davantage les grandes longueurs d'onde du rayonnement visible et du proche infrarouge. Ainsi, l'eau paraît généralement bleue ou bleu-vert car elle réfléchit davantage les petites longueurs d'onde Ces exemples démontrent que nous observons des réponses très différentes aux mécanismes d'absorption, de transmission et de réflexion selon la composition de la cible et la longueur d'onde du rayonnement qui lui est propre. En mesurant l'énergie réfléchie ou émise par la cible avec une variété de longueurs d'onde, nous pouvons construire la signature spectrale pour un objet. En comparant les signatures de différents objets, nous pouvons les distinguer les uns des autres, alors que nous ne pourrions peut-être pas les distinguer si nous les comparions avec une seulement longueur d'onde. 14 This document was created with Win2PDF available at http://www.daneprairie.com. The unregistered version of Win2PDF is for evaluation or non-commercial use only.
