GEO-2522: Séances 2 et 3

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 platesformes 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.
y
x
H
E
z
• 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
E
E0
z

E
E0
t

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).
LE SPECTRE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
Bandes Micro-ondes
Appelation
1012
1 km
1010
Longueur d'onde (nm)
1 mm
104
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 X
2.752 - 5.217 cm
10.9 - 5.75 GHz
Bande C
5.217 - 7.692 cm
5.75 - 3.9 GHz
Bande S
7.692 - 19.355
cm
3.9 - 1.55 GHz
Bande L
19.355 - 76.923 cm
1.55 - 0.39 GHz
76.923 cm - 1 m
0.39 - 0.3
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
102
Visible
Ultraviolet
1 nm
Couleurs spectrales
Rayons-X
10-2
1 pm
10-6
100.0 - 56.0 GHz
Bandes Infrarouge
Micro-ondes
10-4
0.300 - 0.536 cm
Ondes radio
108
1
Fréquence
Bande W
Bande P
1m
106
Longueur d'onde
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
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)
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
Rappel: 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)
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
objets
108
Capteur
52
0
Échantillonnage spatial
Signal vidéo (Voltage Convertisseur
Analogique/
variable dans le
Numérique
temps)
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
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
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
64 +
1
1
0
0
0 0
16
valeurs possibles : -127 à + 127
= +90
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
 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 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
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)
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 (m)
Interaction avec la surface
Loi de conservation de l’énergie
𝐼 =𝑅+𝐴+𝑇
Ou l’équivalent
𝑅 𝐴 𝑇
1= + +
𝐼 𝐼 𝐼
𝜚=
𝑅
= 𝑟é𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐼
𝛼=
𝐴
= 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑝𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐼
𝜏=
𝑇
= 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒
𝐼
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
(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)..
Luminance reçu par le capteur en
ignorant l’atmosphère
• Dans le cas le plus simple: réflexion isotrope
𝜚
𝐿=𝐸∗
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 bleue
Bande PIR
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
FILTRE
Formation d’images
couleur: imagerie
multispectrale
Bande verte
Bande rouge
Bande PIR
SPECTRE
FILTRE
BLEU

BLEU
VERT

VERT
ROUGE
 ROUGE
SPECTRE
ROUGE
PIR
IROC1
FILTRE
 BLEU
 VERT
 ROUGE
SPECTRE
FILTRE
SPECTRE
VERT

BLEU
BLEU

BLEU
ROUGE

VERT
VERT

VERT
IROC 2
 ROUGE
PIR
 ROUGE
SPECTRE
FILTRE
PIR

BLEU
IRCO1

VERT
IROC 2
 ROUGE
FILTRE
SPECTRE
FILTRE
IRCO 2
 BLEU
IRCO1
 VERT
PIR
 ROUGE
Images hyperspectrales
Caractérisation des images du rayonnement solaire
réfléchi
•
•
•
•
Résolution spatiale
Résolution radiométrique
Résolution spectrale
Résolution temporelle
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
Perte du détail (flou)
Landsat, 30 m
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
Landsat (15m x 15 m)
Image panchromatique
QuickBird (0,6 m x 0,6 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
Vmax
Vmax
3Vmax
4
3Vmax
4
Vmax
2
Résolution
radiométrique
Vmax
4
Vmax
2
Vmax
4
0
00
2 n. gris
01
10
0
11
4 n. gris
Résolution
radiométrique
000 001 010 011 100 101 110 111
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
0.40
0.60
VIS
0.80
1.00
PIR
1.20
1.40
1.60
1.80
IRCLO
2.00
2.20
2.40
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