Les capteurs à antennes

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.
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….
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.
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

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.
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
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 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
variable dans le
temps)
Convertisseur
Analogique/
Numérique
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
Optique instantané
Optique balayage
On se sert de la
direction de
propagation du
RÉM pour
positionner un
échantillon spatial
par rapport aux
autres
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 multicomposante)
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)