La Télédétection par Satellite Applications civiles

Introduction :
C’est l’ensemble des connaissances et technique utilisées pour déterminer des caractéristiques physiques physiques et biologiques d’objets, par des mesures effectuées à distance sans contact matériel avec ceux-ci.
    Les plates-formes utilisées peuvent être des avions ou bien des ballons, aussi bien que des stations au sol. De nos jours ce sont les stellites en  orbite autour de al terre et les navettes spatiales qui servent les buts de cet outil si important que soit devenue la Télédétection .L’objet étant de fournir des informations sur les paysages sous la forme de données images , en utilisant le rayonnement électromagnétique  comme véhicule de ces informations . Le paysage est »Un  complexe d’interrelations entre l’atmosphère et la biosphère. En tant qu’assemblage  dont tous les éléments s’entre déterminent, le paysage est  un système «  (De Keermaeker et Lambin , 1987).
    Ces donnés images sont essentielles pour le suivi des paysages dans les régions dèja bien cartographiées et pour l’établissement d’une première cartographie dans les régions mal ou non cartographiées. Toutes les branches de la géographie, l’agronomie, la géologie, la biologie …sont susceptibles d’être enrichies à un degré ou à un autre par l’utilisation de la télédétection.
    Aussi bien du côté des concepteurs de systèmes de traitement de l’information géographie que  du côté des utilisateurs, la tendance actuelle est d’intégrer la télédétection aux diverses bases de donnes existantes, l’assimilant ainsi à une source de données combinée à d’autres sources dans la cadre des systèmes d’informations géographiques.

II-PRINCIPES
A-Le Rayonnement Electromagnétique :
    Les ondes électromagnétiques correspondent à deux champs, électriques(E) et magnétique (M), se déplacent dans le vide à une vitesse de 299791 Km/sec(vitesse de la lumière).
On caractérise ces ondes par leur vitesse et par trois autres notions :
1-Période : c’est le temps durant lequel se déroule un cycle, qui est le temps de passage entre deux crêtes successives en un  point .
2- Fréquence : (V) c’est le nombre d’oscillations des champs en un temps donné (un cycle par la distance entre deux oscillations des champs, on la mesure en micro-mètre(1u=106 m).
Une relation simple unit la vitesse c à la fréquence  v et à la longueurs d’onde :

    Cette expression montre que pour une vitesse constante, plus la longueurs d’onde est grande et plus la fréquence est faible et inversement : une longueurs d’onde de 1n (onde radio )=3*108 hertz, et une longueurs d’onde de 1mm(rayons X)=3*10 hertz
 

B- Le Spectre Electromagnétique :
 Il présente toutes les gammes d’ondes, depuis les plus petits longueurs d’onde (fréquence plus élevée ) jusqu'au plus grandes (fréquence très basse).
Les ondes les plus utilisées en télédétection sont :
Le visible (rayonnement solaire réfléchi par les surfaces terrestres). La partie visible du spectre va de 0,38 à 0,78 micro-mètre .Toutes les couleurs de l’arc-en-ciel, du violet (proche de 0,38 um ) jusqu’au rouge (environ 0,65 um), en passant par le bleu (0,45) et le vert (0,55 um)
La plupart des satellites d’observation de  la terre  ont des capteurs enregistrant dans cette partie du spectre . Les images ne choquent pas l’œil qui est sensible à cette partie du spectre .
L proche Infrarouge (rayonnement solaire réfléchi par les surfaces terrestres ) centré sur environ 0,9 um , est un peu moins  utilisé et sert à la détection de l’eau dans les plantes , la détection de la neige et de la glace , l’évaluation  de l’humidité du sol
L’infrarouge dit thermique . émis par les surfaces terrestres, de 8 à 12um , est très utilisé en météorologie et en climatologie .
Le domaine des Hyperfréquences . émises par les surfaces terrestres pour les hyperfréquences actives et émises par les surfaces terrestres pour fréquences passives . Ce domaine  est compris entre 2 et 30 cm de longueurs  d’onde . Elles sont de plus en plus utilisées , notamment en océanographie et en agriculture.

C- Emission du rayonnement électromagnétique :

    On distique quatre types de rayonnement par rapport à une surface :
Le rayonnement d’origines  naturelle (soleil) réfléchi par une surface (téléduction passive ) : visible et proche Infrarouge .
Le rayonnement à la fois émis et par la surface : moyen infrarouge .
Le rayonnement  (mis  par la surface terrestre : qui est alors la source d’énergie  que l’on capte (télédétection passive) : moyen infrarouge et surtout  infrarouge thermique et hyperfréquences passives .
 Le rayonnement d ;origine  artificielle : radar , laser, est réfléchi par  une surface (télédétection active)
Lorsqu’un rayonnement arrive à la surface de la terre dans la partie         visible et proche  Infrarouge  du spectre , on a plusieurs possibilités :
Réflexions : tout  corps dont la surface reçoit  une énergie rayonnante peut en réfléchir une partie . On dénote la réflexion spéculaire quand  la surface est lisse , et  la réflexion diffuse qui réfléchit les rayons incidents dans toutes les directions : on dit que la surface est lambertienne.
Absorption : tout corps  dont la surface reçoit un rayon peut en absorber une partie : qui modifie  l’énergie interne du corps rémissions dans une autre (longueurs d’onde) .
Réfraction : c’est la modification de la direction de propagation d’un rayonnement . Elle intervient lorsque les rayons passent d’un milieu doté d’une certaine densité à un milieu d’une autre densité
Réflectance : (Albédo) c’est le rapport entre l’énergie incidente et l’énergie réfléchie, elle est comprise entre le 0(rien n’est réfléchi donc tout est absorbé ou transmis) et 1 (tout est réfléchi).
Emission : tout corps chauffé à une température supérieure à 0 Kelvin (-273,15 C) rayonne dans toutes les directions de l’énergie qui lui a été transîmes sous la forme d’ondes électromagnétiques
Corps noir : c’est un corps idéal qui absorbe toute l’énergie qu’il reçoit (dans le visible et le proche infrarouge d’ou son aspect noir ) et remet la totalité de cette énergie (dans l’infrarouge thermique ) Il est donc en équilibre thermique  avec son environnement.
Les surfaces géographiques sont des corps «gris » Elles n’absorbent qu’une partie de l’énergie qu’elles reçoivent (et réfléchissent ouy transmettent le reste ) et ne reémettent qu’une partie de l’énéngie absorbée dans l’infrarouge thermique .
Selon le premier principe de la thermodynamique : la somme des énergiques réfléchies, absorbées ou transimes est égalé à l’énergie incidente.

III- INTERESTS et APPLICATIONS :
A-    INTERESTS :

1-    Les satellites permettent la couverture d’un grand territoire en passant au-dessus du même point . Pour avoir une idée précise de cette grandeur nous prenons exemple du satellite français SPOT, qui couvre une région de 60*60km. Par contre le satellite Américain  LANDSAT couvre lui une région de 185*185km.
2-    Les régions inaccessibles à l’homme se trouvent ainsi à  la portée des satellites, aidant ainsi au développement de ces mêmes régions .
3-    La répétitivité permet au satellite de passer toujours au-dessus du même point sur terre . SPOT=26 jours, LANDSAT=18jours
4-    La stéréoscopie prend en  considération le relief et la hauteur  des objets . SPOT grâce au système de dépointage de ses miroirs à plus ou moins 27 de la verticale, arrive à « voir » en relief
5-    La multispectralité est la fonction qui permet aux capteurs des satellites d’acquérir de différentes images dans différentes longueurs d’ondes.
6-    Les données numériques captées par le satellite peuvent  être gardées en mémoire , et sont retransmises à une station de réception au sol pour leur exploitation : ce qui constitue un format mathématiquement manipulable   

B-    APPLICATIONS :

Ces données peuvent être exploitées à des fins :
1-    INVENTAIRE :
Participer à dresser l’inventaire des ressources naturelles d’un pays ou d’une grande superficie.
Connaître l’occupation du sol d’un pays en matière de forêt ou de production agrivole.
Tirer un bilan après les catastrophes naturelles :exemple des inondations au Costa Rica suite à des ouragans ; L’éruption du mout St Helen  aux Etats-Unis et la disparition d’une  partie de la forêt.
La connaissance de la superficie exacte d’un pays, d’une région
Dresser des statistiques en Agronomie.

2-    DIAGNOSTIC :

Dresser l’état des lieux : connaître l’état de la végétation et déduire quelles sont les parcelles maladies.
Délimiter les zones sensibles en urbanisme et combattre les constructions  sauvages dans le but d’aménager le territoire.
Estimer les zones à risques : incendie, raz de marée, séismes.
Déterminer les sources de pollution et l’ampleur du phénomène , et ce afin de cerner le problème  de la dégradation du milieu  naturel : connaître la complexité d’un écosystème .
Prévoir et évaluer l’importance d’une  récolte au niveau national pour une année donnée, et ses retombées économiques pour la population  du pays .
Catagraphie :
-permet de dresser des spatio-cartes qui sont géo-reférencées avec une légende de tous les lieux  mentionnes  sur la carte .
-Modèles numériques de terrain : MNT ou toutes les coordonnées (X,Y,Z)et les fonctions d’un réseau routier par exemple, sont numérisées
-Orthophotos : images où toutes les corrections géométriques dues au relief ont  été effectuées et où l’on peut voir le relief.
Combinaisons des SIG : (systèmes d’informations géographiques)
permettent de cerner les zones d’intervention en cas de catastrophe et surtout de dresser des plans d’aménagement du territoire .
facilitent la simulation : exemple étudier le passage d’une future autoroute dans une région.
Etudier les effets atmosphériques sur une image ,cela est rendu possible par la modélisation.

IV- INTRODUCTION aux SATELLITES CIVILS :

1    Le pixel ( picture élément ) est aussi appelé tachète (tache élémentaire) ou encore eldim (élément d’images ).
Un pixel est « la plus petite  surface homogène constituve d’une image enregistrée(Robin Marc) Le pixel est l’élément de résolution d’une image numérique . Pour SPOT le pixel mesure 10*10m. en mode panchromatique .
3-    Résolution spectrale : C’est la capacité d’un capteur à distinguer deux longueurs d’ondes voisines  la largeur de bande.
On parle de haute résolution  spectrale lorsque  la largeur de bande est étroite  et de basse résolution spectrale lorsque la largeur  de bande est importante. Le satellite SPOT (satellite pour l’observation de la terre ) offre deux modes de prise de vue :
Panchromatique (noir et blanc) à basse résolution spectrale de longueurs d’onde  allant de 0,51 à 0,73 um .soit une largeur de bande de 0,22um. Sa résolution au sol est de 10 mètres . Ce mode privilégie la finesse géométrique de l’image .
Multitraitement :XS possède une plus  haute résolution spectrale :
XS=0,5   0,5um . couvre le vert et le jaune pour reconnaître la végétation.
XS2=0,61   0,68μm . couvre le rouge que les plants ne réfléchissent pas.
XS3=0,79    0,89μm cover l’infrarouge porch. 3- Constituents d’un satellite(SPOT)
Système de commande d’altitude : ordinateur de bord.
Générateur solaire : (1300 watts) pour produire l’énergie nécessaire au bon fonctionnement du satellite.
Batteries solaires : de forte capacité, elles sont chargées et déchargées 14 fois par 24 heures , soit plus de 5000 fois par an.
Système de communication de pointe pour l’ensemble des opérations avec la terre .
Capteurs HRV (haute résolution dans le visible ) au nombre de deux, sont les yeux du satellite : ils détectent et mesurent la lumière dans  chaque bande spectrale . Ils sont constitués d’une multitude de détèteurs.
Le détecteur est une photodiode électronique , minuscule carré de 130 microns de cote , sensible à la lumière  et capable de convertir le signal lumineux en un courant électriques proportionnel à l’intensité de cette lumière.
Enregistreurs  magnétiques : pour le stockage des données lorsque SPOT n’est pas dans le rayon d’action(de réception ) d’une des 14 stations de réception au sol disséminées sur la planète .
Gyromètre qui participe à la stabilisation de SPOT sur son orbite, qui commande 16 petits moteurs à réaction fonctionnant à l’hydrazine, carburant spécial contenu dans deux réservoirs en titane d’une capacité  de 75kg chacun.
La plate-forme  de spot , sans compter les panneaux solaires (15,60m), est une boite de 3,50 m de long , de 2m de large et autant de haute . L
Ensemble de satellite pèse 1800 kg. La durée de vie moyenne d’un  satellite d’observation  de la terre étant de 3 ans après son lancement .Pour cela la série des SPOT en est à sixième édition SPOT VI.
4-    Orbite : pour le satellite SPOT , une orbite : « HELIOSYNCHRONE » a ete choisi à 830 km au –dessus de la tere . C’est une orbit qui est synchronisée avec le soleil en fonction de la vitesse de rotation de la terre . D’autres  types de satellite ont une orbite géostationnaire qui est stabilisée pour passer toujouers au-dessus  du même point à la  terre , par SPOT est donc  largement assurée au cours d’un cycle complet de 26 jours (répétitivité du satellite SPOT)
5-    Qualités et défauts géométriques : Une image satellisable présente des défauts géométriques dont les origines sont variées :
L’effet panoramique qui intervient dans le système de visée de spot qui permet des prises de vue au nadir  ( point à la verticale du capteur) et jusqu’à un angle de 27 vers l’ouest ou vers l’est . Ce qui entraîne un effet de importante pour les prises de vue oblique de SPOT et surtout pour les images à grand champ totale d’observation .
La rotation de la terre se traduit par le décalage vers l’Ouest des lignes enregistrées par le satellite : ce  décalage augmente vers  l’Equateuir (vitesse angulaire de rotation terrestre max=465m/s)
La variation  d’altitude du satellite : roulis  décalage perpendiculaire à la face de la scène ; de l’ordre de 700 m maximum ; lacet  effet de l’ordre de 2 entre la trace et l’axe de la scene
Le déphasage de la trace : à la fin du cycle orbital, le satellite théoriquement doit repasser sur  la première trace  du début du cycle .Le déphasage se traduit par un décalage entre la trace de fin de cycle et celle du début . Il peut atteindre 3 km entre la trace de fin de cycle et celle du début . Il peut atteindre 3 km à l’Equateur.
6-Qualités Radio métriques : l’attribut du pixel d’une image satellitaire est une valeur radio métrique comprise entre 0 et 255. Chaque pixel peut aussi prendre toutes les nuances de gris, intermédiaires, les barreaux de l’échelle si l’on veut, le noir= 0, le blanc = 255.
La surface de l’océan  paraîtra noire au satellite : la valeur numérique  du pixel correspondant  sur l’image  sera proche de zéro . Si SPOT vise une surface neigeuse d’un blanc très lumineux, sa valeur  numérique (noir et blanc) chaque point-image ne possède qu’une seule valeur  numérique .

En mode multispectral (XS1,XS2 ;XS3)donc au total trois valeurs numériques pour chaque pixel.
Dans le mode multispectrale (XS), les différences entre ces trois  valeurs caractérisent l’aptitude de l’unité de surface au sol à réfléchir plus ou moins telle ou telle couleur.
Exemple : dans quelle bande le pixel d’un toit de tuiles rouges aura-t-il des valeurs numériques élevées ?
Réponse : évidemment dans la bande XS2, qui couvre le domaine spectral de 0.62 à 0.68 µm, domaine rouge du spectre visible.
La combinaison des trois images prises sur une scène dans les trois bandes spectrales XS permettra donc de restituer des couleurs de la surface terrestre couverte par cette sc♪8ne, tache par tache, de 20mx20m chacune.
On comprend que le mode panchromatique (noir et blanc) avec une résolution au sol de 10m, privilège la restitution des contours, de la forme des objets présents à la surface de la terre. A l’inverse, le monde multispectral favorise le rendu des couleurs et la reconnaissance des matériaux par leur teinte.
On peut dire q’une scène en mode coloré(XS) comprend trois images, une dans chaque couleur, en nous rappelant que l’infrarouge proche, de la bande XS3, est aussi appelé « couleur ».
6-    Qualité du signal recu par les satellites entre le monent oï le signal (luminance)arrive au capteur du satellite et celui oï il est converti en valeur radio métrique , le signal subit diverses manipulations  qui l’altèrent un peu . En entrée, le signal est  « pur » en sortie il est bruité, c.à.d. qu’il intègre le signal pur et du bruit de fond.
7-    Le bruit sur le capteur HRV(haute résolution visible )de SPOT est du :
Aux capteurs (Bégin ; 1986), bruit photonique et  éltronique .
à l’amplification du signal.
à la numérisation du signal.
Aux corrections d’égalisation des détecteurs.
Le bruit est un signal  parasite qui s’additionne au signal utile. Le rapport/ bruit en définit l’ampleur et peut être défini comme suit :

Ls=Le/etL
Ls=luminance constante en sortie.
Le=luminance constante en sortie
EtL= écart type des perturbations aléatoires dans la luminance en sortie .

V-CONCLUSION :

Le cloisonnement essentiel de l’ ;espace n’est pas dans la géographie de la matière ; les problèmes en ce domaine peuvent.
Désormais être résolus technologique ment. Les cloisons essentielles sont dans les esprits. Pour les réduire , il faudra beaucoup de générations , Mais un certain  entendement global vient à nous et ne pourra plus être stoppé.

On doit se rendre compte que l’image n’est pas une fin en soi : elle reste avant tout une source d’information . L’exetraction de l’information contenue dans une image , par des traitements adéquats , un travail de terrain , une comparaison  avec d’autres sources de données, constitue la plus-value : mais l’information qu’on en tire coute cher. Il ne suffit pas donc plus d’afficher de belles images décoratives , il faut les faire entrer dans un processus inédite
En ce sens la teledaction est appelée à s’inserer  encore plus dans le domaine des systèmes d’information géographique . Elle n’est qu’une source de données qui sde doit  d’être confrontée à dautres sources de données , soit pour les enrichir, soit pour son propre enrichissement, dans  tous les cas pour mieux servir une thématique.