Rayonnement, transfert radiatif, télédétection -...

Université Paris 7UFR des Sciences de la Terre, de l’environnement et des planètes

L3 Géosciences fondamentales

Rayonnement, transfert radiatif, télédétection - suite

Stéphane Jacquemoud

Janvier 2007

VI. Les capteurs de télédétectionVI.1. Capteurs passifs dans le visible et l’infrarougeVI.2. Capteurs actifs dans le domaine optiqueVI.3. Capteurs actifs dans le domaine des hyperfréquences

VII. Application : bilans radiatif et d’énergie à la surface de la TerreVIII. Application : altimétrieIX. Application : composition minéralogique et biochimique

ConclusionRéférencesPrincipales revuesAdresses Web utiles

Deuxième partie : les application

VI. Les capteurs de télédétection

La photographie

Film noir & blancpanchromatique (IGN)

Film couleursnaturelles (IGN)

Les radiomètres passifs ponctuels

Flux énergétique émis par la source :

( ) ( )2 , , coss sd L dS dφ θ ϕ θ ϕ θ ω=

( ) ( ),, sd

Id

φ θ ϕθ ϕ

ω=

Intensité énergétique de la source :

( ) ( ) 2

cos, , r

rdA

d I d Ir

θφ θ ϕ θ ϕ= Ω =

Flux énergétique atteignant le détecteur :

( ) 2

cos,r r

rd

E IdA r

φ θθ ϕ= =

Eclairement énergétique du détecteur

θ αdS

r

dω dA

dΩ

Systèmes à balayage optique et mécanique :

METEOSAT

Barette de détecteurs : SPOT-HRV

Miroir oscillant : LANDSAT-MSS

Les radiomètres passifs imageurs

• Champ instantané d'observation(IFOV = Instantaneous Field of View) : cône d'analyse d'uncapteur donnée dépendant de son angle d'ouverture. Il permet de calculer la taille du pixel

hauteur capteur

optique

Angle de visée

• Champ global d'observation: taille du territoire observé par le satellite

• Résolution spectrale

Vecteur Capteur Mode Altitude IFOVTaille du

pixelChamp globald'observation

ER2 AVIRIS - 20 km 1 mrad 20 m 10,6 km

NOAA 5 AVHRR - 1 515 km 1,3 mrad 1,1 km 2 700 km

MSS - 920 km 0,086 mrad 79 m 185 kmLANDSAT

TM - 720 km 0,0425 mrad 30 m 185 km

XS 0,024 mrad 20 mSPOT 1, 2 et 3 HRV 1 et 2

P830 km

0,012 mrad 10 m60 km

ADEOS POLDER - 797 km 6 × 7 km 2400 km

MS 4 mIKONOS

P681 km

1 m11 km

VNIR 15 m

SWIR 30 mTERRA ASTER

TIR

705 km

90 m

60 km

Première image IKONOS acquise le 12 octobre 1999 Washington (DC)

Image (60 km × 75 km) de la baie de San Francisco (CA) acquise par Terra–ASTER le 3 mars 2000

Visible - proche infrarouge Infrarouge thermique

Cube AVIRIS (224 bandes spectrales entre 400 et 2500 nm) acquis le 20 août 1992 par l’avion ER-2 de la NASA (altitude : 20 km, vitesse : 730 km h-1) sur le site de Moffett Field, CA (sud de la baie de San Francisco)

400 nm

2500 nm

Première séquence ADEOS-POLDER (POLarization and Directionality of the Earth’s

Reflectance) acquise sur l’Europe de l’ouest et l’Afrique

du nord le 9 septembre 1996

1

3

2

4

6

5

Images du satellite GMS (Geostationary Meteorological Satellite ou "Himawari") acquises le 16 septembre 1995 à 03:00 UTC

canal visible (0,5 - 0,9 µm)

canal vapeur d’eau (6,5 - 7,0 µm)

canal infrarouge (10,5 - 12,5 µm)

tem

ps d

e pa

rcou

rs d

u si

gnal

∆t

θ

hauteur h

h et cos =

2 dcos

2

c td

c th

θ

θ

∆=

∆⇒ =

repérage GPS

d

Principe du LIDAR (LIght Detection And Ranging)

Capteurs actifs dans le domaine optique

GLAS- poids : 300 kg- altitude : 600 km- précision radiale de l’orbite : 5 cm- durée de vie : 3-5 ansEmetteur- laser Nd:Yag- longueurs d’onde : 532 nm et 1064 nm- fréquence de pulsation : 40 HzRécepteur- télescope : 1 mRésolution- précision absolue verticale : 1 m pour un pente de 10°- taille du pixel : 70 m- espacement entre deux pixels : 170 m

Satellite ICESat (Ice, Cloud, and land Elevation Satellite) lancé le 12 janvier 2003

( ) ( )( )

( )( )

3 4

0 2 2

4 ,,

,,r

t

PR

PS G

π θ ϕσ θ ϕ

θ ϕλ θ ϕ

=

λ = longueur d'onde d'émission (en m)R = distance cible-antenne (en m)S = surface visée (en m2)G(θ,ϕ) = gain de l'antennePr(θ,ϕ) = puissance reçue (en W)Pt(θ,ϕ) = puissance émise (en W)

Coefficient de rétrodiffusion radar (Radio Detection And Ranging) σ0 :

σ0 dépend des paramètres suivants :

- fréquence ν = c / λ- angle d’incidence (θ,ϕ)- polarisation (HH, VV, HV, VH)- caractéristiques diélectriques du milieu : constante diélectrique ε- géométrie de la surface

⇒ couple d’images : interférométrie radar

Capteurs actifs dans les hyperféquences

San Francisco

Faille de San Andreas

Golden GateBridge

Image de la baie de San Francisco (42 km × 58 km) acquise le 3 octobre 1994 par le radar à ouverture synthétique SIR- C/X-SAR embarqué sur la navette spatiale Endeavour2.4 cm < X < 3.75 cm < C < 7.5 cm⇒ tectonique

Silicon Valley

Berkeley

Stanford

Un des nouveaux radars météorologiques de Météo-France, implanté à Bollène (Vaucluse). Seul apparaît ici son radôme, qui masque l'antenne qu'il protège. Ce radar permet d'améliorer la couverture radar du sud-est méditerranéen, auparavant gênée par l'obstacle des Cévennes et des contreforts alpins

Radar de Nîmes : 8 septembre 2002

VII. Application : bilans radiatif et d’énergie à la

surface de la Terre

( )1N glob L LR R R Rα ↓ ↑= − + −

⇐ visibilité horizontale vis= 5 km

visibilité horizontale vis= 25 km ⇒

Paris (45°50’ lat N, 2°16’ long E)22 juin 2002, 12 h TU

Rayonnement dans le courtes longueurs d’onde

Nuages hauts Transmittance Nuages moyens Transmittance Nuages bas Transmittancecirrus 0.83 altocumulus 0.50 stratocumulus 0.34cirrostratus 0.80 altostratus 0.41 stratus 0.25

nimbostratus 0.18brouillard 0.17

Transmittance des nuages

Albédo

Rayonnement atmosphérique

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/index.html

4a aLR Tε σ↓ =

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/index.html

Rayonnement terrestre

4sLR Tε σ↑ =

http://science.hq.nasa.gov/oceans/physical/SST.html

Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) - Mai 2001

Rayonnement net

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/index.html

RN = rayonnement netLE = flux de chaleur latente dans l'air

= chaleur latente de vaporisation de l’eau (2454 kJ kg−1) × masse d’eau évaporée par unité de tempsH = flux de chaleur sensible G = flux de chaleur dans le solS = photosynthèse

RN

LE

G

H

RN

LE ou C

G

H

JOUR NUIT

NR LE G H s= + + +

Bilan d’énergie

Source : Daniel Richard (IPGP)

Variations journalières sur un sol nu du nord de l’Espagne

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/index.html

http://geography.uoregon.edu/envchange/clim_animations/index.html

Sαααα S L↓↓↓↓L↑↑↑↑

H λλλλE

G

bilan radiatifbilan d’énergiebilan de matière

H2OCO2 O2NH3 ...

ΦΦΦΦ

Physique de l’environnement: étude des interactions entre les organismes vivants et leur environnement (Monteith, 2000) → échanges d’énergie et de matière dans le continuumsol-plante-atmosphère

Couplage des bilans

flux solaire moyen (moyenne globale et annuelle) à la limite de l'atmosphère : 342 W m−2

J.T. Kiehl, K.E. Trenberth, 1997, Earth’s annual flobal mean energy budget, Bulletin of the American Meteorological Society, 78(2):197-208.

VIII. Application : altimétrie

15 April 1999 : topographie de Mars mesurée par le lidar MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter) embarqué sur la sonde MGS (Mars Global Surveyor)

D.E. Smith, M.T. Zuber, S.C. Solomon, R.J. Phillips, J.W. Head, J.B. Garvin, W.B. Banerdt, D.O. Muhleman, G.H. Pettengill, G.A. Neumann, F.G. Lemoine, J.B. Abshire, O. Aharonson, C.D. Brown, S.A. Hauck, A.B. Ivanov, P.J. McGovern, H.J. Zwally & T.C. Duxbury, 1999, The Global Topography of Mars and Implications for Surface Evolution, Science, 284(5419):1495-1503, 28 May 1999

MOLA- masse : 25.85 kgEmetteur- laser Nd:Yag pulsé- longueur d’onde : 1064 nm- fréquence de pulsation : 10 Hz- angle d’ouverture : 0.4 mradRécepteur- miroir parabolique : 50 cm- photodiode avalanche au silicium- Field Of View : 0.85 mradRésolution- précision verticale relative : 37.5 cm- précision verticale absolue : < 10 m- taille du pixel : 130 m- espacement entre deux pixels : 330 m

bassin d’impact Hellas (~9 km de profondeur, ~2300 km de large)

canyon Valles MarinerisMont Tharsis

Altimétrie laser grâce au LIDAR aéroporté LVIS (Laser

Vegetation Imaging Sensor)

Emetteur- laser Nd:Yag pulsé- longueur d’onde : 1064 nm- fréquence de pulsation : 100-500 HzRécepteur- miroir parabolique : 20 cm- détecteur Si:APD- Field Of View : 8 mradRésolution- précision verticale relative sur le couvert : 30 cm- précision verticale relative sur le sol : 3 cm- précision verticale absolue : 0.15 m sur sol nu- taille du pixel : 1-80 m (25 m en moyenne)- champ de visée horizontal à 8 km : 0.9 km

J.B. Blair, D.L. Rabine & M.A. Hofton, 1999, The Laser Vegetation Imaging Sensor: a Medium-Altitude, Digitisation-only, Airborne Laser Altimeter for Mapping Vegetation and Topography,ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing, 54 1999 115–122

Restitution de la topographie du sol et de la

structure verticale et horizontale du couvert

végétal avec une précision inégalée à ce jour

LIDAR-hauteur du sol LIDAR-hauteur du couvert

LIDAR = LIght DetectionAnd Ranging (λ = 1064 nm)

InSAR bande P InSAR bande X

InSAR = Interferometric Synthetic Aperture Radar (bande X : λ = 3 cm / bande P : λ = 72 cm)

H.E. Andersen, R.J. McGaughey, W.W. Carson, S.E. Reutebuch, B. Mercer & J. Allan, 2003, A Comparison of Forest Canopy Models Derived from LiDAR and InSAR Data in a Pacific NorthWest Conifer Forest, in Proceedings ISPRS Workshop 3-D reconstruction from airborne laserscanner and InSAR data, Dresden, Germany, 8-10 October 2003

s - scarpls - landslidetf - tideflatotf - old tideflatgf - fluted glaciated surfacegbr - glaciated bedrock surface

R.A. Haugerud, D.J. Harding, S.Y. Johnson, J.L. Harless, C.S. Weaver & B.L. Sherrod, 2004, High-Resolution Lidar Topography of the Puget Lowland, Washington - A Bonanza for Earth Science, GSA Today,13(6):4–10

Région de Seattle (WA, USA) - 1.5 km ×××× 1.5 km

Altimètre LiDAR et géomorphologie

Altimètre LiDAR et prévention des risques naturels dans les Alpes

h = hauteur maximum de la falaisel = longueur de la zone boiséed = distance d’entrée dans la zone boiséeα = pente moyenne

h

α

ld

Source : Luuk Dorren (CEMAGREF Grenoble)http://www.rockfor.net/

Mo

dèle

nu

mé

riqu

e d

’éléva

tion

Mo

dèle

nu

mé

riqu

e d

e terrain

Altimètre LiDAR et risque hydrologique dans le Val de Loire

Source : Laurent Coudercy (DIREN Centre)

Localisation: la Loire, 1870 km2

Objectifs:- cartographie des zones innondables- amélioration des modèles hydrauliques- contrôle des zones submergéesAquisition : printemps 2002 & 2003

Fréquence d’impulsion : 25 000 HzLargeur de bande : 680 mAltitude de vol : 950 mDistance entre bandes : 500 mChevauchement des bandes : 180 mVitesse de l’avion : 75 m/sTaille du faisceau au sol : 25 cm2

Résultat : 1 point / 4 m2 sous végétation

Altimètre radar et hauteur des océans

http://www.jason.oceanobs.com/

Novembre 1993 : situation normale

Novembre 1997 : El Niño

Interférométrie radar et déformations de la croute terrestre

Source : Howard Zebker (Stanford University)http://www.stanford.edu/group/radar/eq.gif

IX. Application : minéralogie et biochimie des surfaces

Une feuille

Un sol

Un couvert végétal

La Terre

150 µm

5 m

50 cm

70 km

G. Vane & A.F.H. Goetz, 1988, Terrestrial imaging spectroscopy, Remote Sensing of Environment, 24:1-29.

E.S. Arcybashev & S.V. Belov, 1958, The reflectance of tree species, In Russian Data on Spectral Reflectance of Vegetation, Soil, and Rock Types (D. Steiner & T. Guterman, eds), pp. 232. Juris Druck + Verlag Zurich.

Réflectance spectrale et/ou directionnelle

Sol argileux

H2O

Fe2O3 OH

Réflectance des sols

J.B. Adams, M.O. Smith & P.E. Johnson, 1986, Spectral Mixture Modeling: A New Analysis of Rock and Soil Types at the Viking Lander 1 Site, Journal of Geophysical Research, 91(B8):8098-8112

Un radiomètre multispectral :

- 0.465 µm (bleu) - 0.871 µm (infrarouge) - 0.545 µm (vert) - 0.946 µm (infrarouge) - 0.669 µm (rouge) - 0.993 µm (infrarouge)

Un modèle de mélange :

( ) ( )1

n

s i ii

f Rρ λ λ=

= ×∑

avec fi la fraction et Ri(λ) la réflectance du minéral i

⇒ palagonite= argile provenant de l'hydratation brutale du verre volcanique⇒ andésite= roche volcanique gris-noir contenant entre 52% et 63% de silice

Réflectance spectrale des sols : les modèles de mélange

Viking 1 Lander, Mars, 20 juillet 1976

Image (30 km × 37 km) de la mine de Cu-Au-Ag d’Escondida (désert de l’Atacama, Chili) acquise par Terra–ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) le 23 avril 2000⇒ télédétection de la minéralogie

1 : 0.52-0.60 µm2 : 0.63-0.69 µm3 : 0.76-0.86 µm

4 : 1.600-1.700 µm5 : 2.145-2.185 µm6 : 2.185-2.225 µm7 : 2.235-2.285 µm8 : 2.295-2.365 µm9 : 2.360-2.430 µm

10 : 8.125-8.475 µm11 : 8.475-8.825 µm12 : 8.925-9.275 µm13 : 10.25-10.95 µm14 : 10.95-11.65 µm

Composition coloréedes bandes 1, 2, 3

Composition coloréedes bandes 4, 6, 8

Elle joue un rôle primordial dans les échanges avec l’atmosphère→ changements climatiques (échanges de CO2)

Elle joue un rôle important dans la physico-chimie des sols→ respiration (rapport C/N), altération chimique (carbonates)

Elle contribue à la stabilité des sols→ érosion gravitaire, éolienne ou pluviale

La végétation = source d’information sur les processus de surface

Elle cache les surfaces terrestres : état de surface, compositionminéralogique des sols, topographie

La végétation = source de bruit pour le géologue

Elle est un indicateur de l’activité volcanique→ réseau hydrothermal, dégazage (SO2, CH4, CO2, etc.)

Savan

e -N

ige

r

Bette

rave à

sucre -

Bro

om

s Barn

AVIRIS, MODIS, MERIS POLDER, MISR

Réflectance de la végétation

Chlorophylle(µg cm−2) Matière sèche (g m−2)

G. Le Maire, 2005, Modélisation des flux et des stocks de carbone à l’échelle régionale (forêts et cultures), Ph.D. Thesis, University of Paris-Sud, 201 pp.

S.L. Ustin, D.A. Roberts, J.E. Pinzón, S. Jacquemoud, M. Gardner, G. Scheer, C.M. Castañeda & A. Palacios-Orueta, 1998, Estimating canopy water content of chaparral shrubs using optical methods, Remote Sensing of Environment, 65:280-291.

Eau(mg H2O / g poids sec)

L. Arnold, S. Gillet, O. Lardiere, P. Riaud & J. Schneider, 2002, A test for the search for life on extrasolar planets, Astronomy & Astrophysics, 392:231-237.

red-edge

Recherche de vie sur des exoplanètes

Responsable : Stéphane Jacquemoud, Pr.

Parcours RechercheMéthodes physiques

en télédétection(S. Jacquemoud, STEP)

Parcours Professionnel Télédétection et géomatiqueappliquées à l’environnement

(C. Mering, GHSS)

Avec le concours de

Master STEP, Spécialité Télédétection