provenant des objets

GEO2522-Séance 1
LES IMAGES NUMÉRIQUES DE
TÉLÉDÉTECTION
Matière
• Qu’est-ce que la télédétection numérique?
• Qu’est-ce qu’on mesure en télédétection?
• C’est quoi une image numérique de
télédétection?
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 platesformes aériennes ou spatiales.
Les capteurs modernes génèrent leurs données
de mesure du rayonnement sous forme
numérique
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.
Numérique?
Réponse : codage binaire → 0 et 1
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…. (explications)
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. (explications)
• Pour le moment on va se tenir à la notion du rayonnement se
propageant en suivant un mouvement ondulatoire.
Que signifie rayonnement électromagnétique
provenant des objets?
y
x
H
E
z
E
E0
z

E
E0
t

Que signifie rayonnement électromagnétique
provenant des objets?
Un objet terrestre génère du rayonnement naturellement à cause
de processus physiques internes (agitation moléculaire, réaction
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.
LE SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
Que signifie rayonnement électromagnétique
provenant des objets?
Bandes Micro-ondes
Appelation
Longueur d'onde
Fréquence
Bande W
0.300 - 0.536 cm
100.0 - 56.0 GHz
Bande V
0.536 - 0.652 cm
56.0 - 46.0 GHz
Bande Q
0.652 - 0.833 cm
46.0 - 36.0 GHz
Bande K
0.833 - 2.752 cm
36.0 - 10.9 GHz
Bande L
19.355 - 76.923 cm
Bande X
- 5.217 cm
10.9 des
- 5.75 GHz
Le RÉM produit naturellement par les objets
ou2.752
générer
par
sources
Bande C
5.217 - 7.692 cm
5.75 - 3.9 GHz
externes couvre un large spectre de longueurs
d’onde
de
Bande S
7.692
- 19.355 (ou
cm
3.9 -fréquences).
1.55 GHz
1012
1 km
1010
Bande P
Longueur d'onde (nm)
1m
1 mm
104
102
Visible
Ultraviolet
1 nm
Couleurs spectrales
Rayons-X
10-2
1 pm
10-6
GHz
Proche :
0.8 - 1.5 m
Courtes longueurs d'onde:
1.5 - 3.0 m
Moyennes longueurs d'onde: 3.0 - 5.0 m
Longues longueurs d'onde:
5.0-15.0 m
Lointain :
15.0 m - 1mm
Infrarouge
1 m
10-4
0.39 - 0.3
Bandes Infrarouge
Micro-ondes
1
1.55 - 0.39 GHz
Ondes radio
108
106
76.923 cm - 1 m
Rayons
gamma
Violet
Bleu foncé
Bleu clair
Vert
Jaune-Vert
Jaune
Orangé
Rouge
:
:
:
:
:
:
:
:
390 - 455 nm
455 - 485 nm
485 - 505 n m
505 - 550 nm
550 - 575 nm
575 - 585 nm
585 - 620 nm
620 - 760 nm
Domaines spectraux
Bleu
: 400 - 500 nm
Vert
: 500 - 600 nm
Rouge
:
600 - 700 nm
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).
UV
Visible
100
Transmission
Atmosphérique (%)
Infrarouge
thermique
IR réfléchi
H20
C02
Micro-ondes
03
H20
H20
02
C02
02 , 03
H20
0
0.2 m
0.5
1.0
Vision
humaine
5
10
20
100 m
0.1 cm
1.0 cm
1.0 m
Longueur d'onde (pas à l'échelle)
Caméras
photographiques
Capteurs électro-optiques
Radars imageurs
Les zones spectrales d’intérêt
•
•
•
•
•
Le visible (0,4-0,7 m)
Le PIR (0,7-1,1 m)
Partie optique
L’IROC (1,1-3 m)
L’IRT
(8-14 m)
Les micro-ondes (3cm –30 cm)
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)
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 ceci 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 (microondes). 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 1 m 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
objets
108
Capteur
52
0
Échantillonnage
spatial
Signal vidéo (Voltage
variable dans le
temps)
Convertisseur
Analogique/
Numérique
Échantillonnage
électronique
L’échantillonnage spatial
• Différents patrons d’échantillonnage:
- 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
l
e vo
d
toire
c
e
j
Tra
Station d'échantillonnage
Unité d'échantillonnage spatial
Axe tra
nsvers
al
X
Y
ina
e
Ax
d
gitu
n
o
l
l
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
64 + 16 +8 +4 +
0 1
256 (28) valeurs possibles : 0-255
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
64 +
1
1
1 0
0
0
0 0
16
1
0
valeurs possibles : -127 à + 127
= +90
0
0 0
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 = un raster
 a11

A3 x3  a21
 a31
 b11

b21
B5 x 4  b31

b41
b
 51
C1x 4  c11
a12
a22
a32
a13 

a23 
a33 
Une matrice carrée
b12 b13 b14 

b22 b23 b24  Une matrice
b32 b33 b34  rectangulaire

b42 b43 b44 
b52 b53 b54 
c12 c13 c14 
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
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)
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