L’image satellitale : définition

Une image est une représentation numérique de l’énergie électromagnétique captée et enregistrée, quel que soit le dispositif d’enregistrement ou la longueur d’ondes utilisées (figure III-1). L’énergie enregistrée peut être visualisée de façon photographique ou de façon électronique. Il importe donc de distinguer entre image et photographie. Une photographie désigne particulièrement toute image captée et enregistrée sur une pellicule photographique à travers une réaction chimique sur une surface sensible à la lumière. Les longueurs d’onde enregistrées habituellement en photographie varient généralement entre 0,3 et 0,9 mm, ce qui correspond aux portions du visible et d’infrarouge réfléchi.

Toute photographie est donc considérée comme image, mais les images ne sont pas toutes des photographies (CCT, 2005).

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Figure III-3 : Représentation numérique des images Source (CCT, 2005)

Les données captées par les satellites sont enregistrées numériquement au moyen de détecteurs électroniques. L’information est ensuite enregistrée sous forme d’image et retransmise à des stations terrestres de réception. À bord des satellites, le capteur enregistre les images sous forme de bandes spectrales. Chacune des bandes spectrales donne une image en noir et blanc, où les tons de gris varient. En superposant trois bandes spectrales avec des filtres de couleur, il est possible d’obtenir une image en couleurs ou un composé coloré. Chaque composition colorée donne des interprétations différentes sur l’occupation du territoire (CCT, 2005).

III.2.4.1. Les propriétés d’une image satellite

La connaissance des caractéristiques des images satellites constitue un préalable primordial à prendre en considération avant l’exploitation de ce type de support et l’utilisation des données qu’il peut véhiculer. D’une règle générale, les propriétés techniques caractérisant une image satellite peuvent inclure :

- Les différentes résolutions : spatiale, spectrale et radiométrique ; - L’étendue spatiale (la fauchée) ;

- La résolution temporelle ; - Le niveau de bruit.

III.2.4.1.a. La résolution spatiale

La résolution spatiale correspond à la capacité d’un capteur de distinguer des objets terrestres. Elle dépend de la taille des éléments unitaires composant les images qui sont les pixels. Un pixel est généralement de forme carrée, dont les dimensions de ses cotes définissent la résolution spatiale.

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Plus la taille du pixel augmente, plus la résolution est basse : la détection des objets devient donc grossière. Par contre, la résolution spatiale devient plus haute dans le cas des pixels de tailles fines : dans ce cas, le niveau de détail devient plus important. Trois paramètres peuvent influencer la qualité informationnelle de l’image satellite acquise à savoir : la distance entre le capteur et la cible terrestre, le niveau de détail à obtenir, et l’étendue de la région observée. Les plus larges étendues sont couvertes par les capteurs les plus éloignés dont les résolutions spatiales sont plus modestes, tandis que les capteurs de très haute résolution spatiale sont positionnés sur des orbites moins élevées, mais avec couvertures géographiques moins larges. Les images satellites peuvent être classées selon leurs résolutions spatiales, mais il importe de mentionner qu’il existe une confusion terminologique dans les dénominations, notamment entre les classifications civiles et militaires. En se limitant au domaine civil, quatre catégories sont à distinguer (tableau III-1) : Basse Résolution (BR), Moyenne Résolution (MR), Haute Résolution (HR), et Très Haute Résolution (THR).

Abrégé Dénomination Résolution spatiale (m)

BR Basse Résolution 1000 m

MR Moyenne Résolution 80 m

HR Haute Résolution 10 – 30 m

THR Très Haute Résolution < 5 m

EHR Extrême Haute Résolution Non définie pour les applications civiles Tableau III-1 : Classification des images satellites selon leurs résolutions spatiales

Source d’après (Lhomme, 2005)

Par rapport à cette classification (tableau III-1), il convient de préciser notre position. Les images utilisées dans la présente étude sont des images Landsat TM, ETM⁺ et OLI/TIRS, qui ont des résolutions spatiales de l’ordre de 30 m. Elles sont considérées donc comme des images de Hautes Résolutions spatiales (HR).

III.2.4.1.b. La résolution spectrale

La résolution spectrale est définie comme « l’aptitude d’un système de détection à distinguer des rayonnements électromagnétiques de fréquences différentes » (CCT, 2005). Elle correspond à la capacité d’un capteur satellite à discriminer des petites fenêtres de longueurs d’onde (Lhomme, 2005). Cette caractéristique détermine la largeur des bandes spectrales. Les fenêtres des différents canaux d’un capteur deviennent de plus en plus étroites quand sa résolution spectrale tend à être de plus en plus fine. Les bandes spectrales occupent des intervalles du spectre électromagnétique sur lesquelles se fera la mesure de la réflectance par un capteur. À l’issue du calcul de réflectance, une

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seule valeur pourra être obtenue pour chaque bande spectrale. Pour les capteurs multispectraux, une image est acquise pour chaque bande spectrale (Kerle et al., 2004).

Le spectre électromagnétique représente la gamme totale des longueurs d’onde des radiations électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques sont réparties en fonction de leurs longueurs d’onde, leurs fréquences et leurs énergies (figure III-4). Le spectre électromagnétique s’étend continuellement des courtes longueurs d’onde (rayon gamma, rayon X) aux grandes longueurs d’onde (micro-ondes et onde radio). En télédétection, trois portions du spectre électromagnétique sont couramment utilisées : le domaine du visible, le domaine de l'infrarouge IR (proche IR, IR moyen et IR thermique), et le domaine des micro-ondes ou hyperfréquences (Kerle et al., 2004).

Figure III-4 : Le spectre électromagnétique Source (Congedo, 2016)¹²

12 Image publiée par Victor Blacus : http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0

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À travers le calcul des réponses spectrales, il est possible de discriminer des classes de propriétés différentes en comparant leurs différentes réponses sur un éventail de longueurs d’onde. Le niveau de séparation des classes dépend du niveau de la résolution spectrale. Des classes larges et homogènes (comme la végétation et l’eau par exemple) peuvent être séparées en utilisant un intervalle de longueurs d’onde assez large comme le visible et l’infrarouge. Mais ce n’est pas le cas pour des classes plus particulières, qui se rapprochent en matière de réponses spectrales (les différents types de roches par exemple). Leur séparation n’est possible qu’avec l’utilisation d’un intervalle de longueurs d’onde beaucoup plus fin, ce qui fait appel à un capteur ayant une résolution spectrale plus grande (CCT, 2005).

III.2.4.1.c. La résolution radiométrique

Ce paramètre est mesuré en bits (binary digits). Il indique la plage des valeurs de luminosité disponibles. Dans une image, la radiométrie correspond à l’étendue maximale des valeurs numériques (Digital Number DNs). La description de l’information contenue dans une image dépend de ses qualités radiométriques. Par exemple, une image ayant une radiométrie de 8 bits comprend 256 niveaux de luminosités (Richards et Jia, 2006). La résolution radiométrique d’un système de télédétection décrit sa capacité de reconnaître des petites différences dans l’énergie électromagnétique. Plus la résolution radiométrique d’un capteur est fine, plus le capteur est sensible à de petites différences dans l’intensité de l’énergie reçue. La gamme de longueurs d’onde à l’intérieur de laquelle un capteur est sensible se nomme « plage dynamique ». Les données enregistrées sont souvent affichées en tons de gris dont le noir représente une valeur numérique de

"0", et le blanc correspond à la valeur numérique maximale (CCT, 2005). En comparant une image de 2 bits à une image de 8 bits d’une même scène, on peut remarquer l’énorme différence dans le nombre de détails qu’il est possible de distinguer en fonction de la résolution radiométrique (figure III-5).

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Figure III-5 : La même scène avec deux radiométries différentes (1-bit à gauche vs 8-bit à droite) Source : (Khorram et al., 2016a)

III.2.4.1.d. La résolution temporelle

La résolution temporelle (ou répétitivité temporelle) est le paramètre de périodicité. Elle est définie comme « la fréquence de la couverture temporelle d’un système de détection » (CCT, 2005). Pour un capteur donné, cette caractéristique indique le temps nécessaire pour revisiter la même scène terrestre. Il s’agit donc d’un cycle orbital complet à effectuer. La résolution temporelle est fondamentalement en fonction de l’orbite du capteur.

III.2.4.1.e. La fauchée

La fauchée correspond à l’étendue géographique de la scène détectée. Le CCT (2005) la définit comme : « la bande de terrain visée par un système de détection ». Ce paramètre définit la taille du champ global d’observation. La fauchée détermine ainsi la taille maximale de l’image acquise. Selon les capteurs satellites, les fauchées varient d’une dizaine à une centaine de kilomètres. La figue qui suit (figure III-6) illustre cette variation en montrant les dimensions de chacune des fauchées des satellites Landsat TM, SPOT XS, Quickbird, et Ikonos.

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Figure III-6 : Comparaison des étendues spatiales de quelques capteurs satellites Source d’après (Lhomme, 2005)

III.3. Extraction et lecture de l’information spatiale : interprétation des images satellites