GEO2522-Séance 1 LES IMAGES NUMÉRIQUES DE TÉLÉDÉTECTION

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 plates-formes 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)


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.


E

H

z

y

x

zE 0

E

E

t

E 0


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 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

10 -6

10 -4

10 -2

1

10 2

10 4

1 nm

1 m

10 10

10 8

1 mm10 6

1 m

10 12 1 km

1 pmRayonsgamma

Rayons-X

Ultraviolet

Visible

Infrarouge

Micro-ondes

Ondes radio

Lo

ng

ueu

r d

'on

de

(nm

)

Couleurs spectrales

Violet : 390 - 455 nmBleu foncé : 455 - 485 nmBleu clair : 485 - 505 n mVert : 505 - 550 nmJaune-Vert : 550 - 575 nmJaune : 575 - 585 nmOrangé : 585 - 620 nmRouge : 620 - 760 nm

Domaines spectrauxBleu : 400 - 500 nmVert : 500 - 600 nmRouge : 600 - 700 nm

Bandes Infrarouge

Proche : 0.8 - 1.5 mCourtes longueurs d'onde: 1.5 - 3.0 mMoyennes longueurs d'onde: 3.0 - 5.0 mLongues longueurs d'onde: 5.0-15.0 mLointain : 15.0 m - 1mm

0.300 - 0.536 cm

0.536 - 0.652 cm

0.652 - 0.833 cm

0.833 - 2.752 cm

2.752 - 5.217 cm

5.217 - 7.692 cm

7.692 - 19.355 cm

19.355 - 76.923 cm

76.923 cm - 1 m

100.0 - 56.0 GHz

56.0 - 46.0 GHz

46.0 - 36.0 GHz

36.0 - 10.9 GHz

10.9 - 5.75 GHz

5.75 - 3.9 GHz

3.9 - 1.55 GHz

1.55 - 0.39 GHz

0.39 - 0.3 GHz

Appelation Longueur d'onde Fréquence

Bandes Micro-ondes

Bande W

Bande V

Bande Q

Bande K

Bande X

Bande C

Bande S

Bande L

Bande P

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).

100

00.2 m 0.5 1.0 5 10 20 100 m 0.1 cm 1.0 cm 1.0 m

Longueur d'onde (pas à l'échelle)

Micro-ondes

H 20

H 20

H 20

H 20

02

C0 2

C0 2 03

02 , 03

Tran

smis

sion

Atm

osph

ériq

ue (%

)

UV Visible IR réfléchiInfrarougethermique

Visionhumaine

Camérasphotographiques

Capteurs électro-optiques

Radars imageurs


Les zones spectrales d’intérêt

• Le visible (0,4-0,7 m) • Le PIR (0,7-1,1 m) • L’IROC (1,1-3 m)• L’IRT (8-14 m)• Les micro-ondes (3cm –30 cm)

Partie optique

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.

Quelle est la propriété de base du rayonnement EM que l’on mesure?

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

• 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.


• 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.


• 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

Signal vidéo (Voltage variable dans le temps)

ConvertisseurAnalogique/Numérique

52

108

0

Capteur objets

Échantillonnage spatial

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

Y

X

Axe transversal

Axe longitudinal

Unité d'échantillonnage spatial

Trajectoire de vol

Station d'échantillonnage


• Deux façons d’échantillonner Balayage et instantané

Ligne

de vol

Fauchée du radar

Optique instantané

Optique balayage

Radar (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 positionner un échantillon spatial par rapport aux autres


• 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

En 16 bits donc 216 (65536) valeurs possibles : 0-65535

2021222324252627

0 1 0 1 1 1 0 1 64 + 16 +8 +4 + 1 = 93

256 (28) valeurs possibles : 0-255

Codification

CodificationLe 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

Donc 16 bits avec signe valeurs possibles : - 32767 à +32767

20212223242526

0 1 0 1 0 0 0 0

64 + 16 = +90

valeurs possibles : -127 à + 127

1 1 0 1 0 0 0 0

1 64 + 16 = - 90

Le résultat de ce double échantillonnage = image

numériqueImage numérique = un tableau des nombres entiers

= une matrice = un raster

1413121141

54535251

44434241

34333231

24232221

14131211

45

333231

232221

131211

33

ccccC

bbbb

bbbb

bbbb

bbbb

bbbb

B

aaa

aaa

aaa

A

x

x

x

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

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 + ba = gainb = offset

Exemple des fonctions d’étalonnages utilisées pour les images du capteur ETM+ de Landsat

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