Pour observer les océans, on a le plus souvent eu recours à des capteurs héliosynchrones, mais depuis peu, on s’intéresse également aux capteurs géostationnaires pour leur haute répétitivité temporelle. Pour expliquer les différences qu’il existe entre les capteurs, nous allons présenter quelques notions d’orbitographie, puis les caractéristiques qui définissent chaque capteur (résolutions spatiale, spectrale, temporelle, SNR, etc…).
Orbitographie
1.3.1.
Le choix de l’orbite sur laquelle est positionné un satellite est important puisqu’il va influer sur les détails spatiaux que vont contenir les images et sur la durée entre 2 passages sur une même zone.
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Les satellites en orbite héliosynchrone appelés également orbite basse (LEO pour l’anglais Low Earth Orbit) se situent à une altitude pouvant aller de 700 à 2400 km sur une orbite circulaire fixe, passant quasiment par les pôles, avec une période de révolution d’environ 1h30. La rotation de la terre permet un balayage global au bout d’un certain temps. Cette orbite est intéressante pour les satellites qui acquièrent des mesures dans le visible car l’altitude et l’inclinaison peuvent être choisies de manière à ce que l’angle entre le plan de l’orbite et la direction du soleil ne varie pas. Une même zone est donc toujours observée par le capteur à la même heure locale (voir Figure 17). L’altitude restant constante, on peut observer l’évolution d’une même zone dans le temps. Mais la répétitivité temporelle reste limitée à 1 jour sous condition de ciel clair, sauf dans les zones de fortes latitudes où la période de revisite est plus faible compte tenu du recouvrement des zones balayées (voir Figure 18).
Figure 17 : Orbite héliosynchrone (Crédit pour l’image de droite : Philippe Labrot, d'après un schéma de l'atlas de géographie de l'espace de Fernand Verger)
Figure 18 : Balayage de la surface du globe par un satellite héliosynchrone (Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection)
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Les satellites géostationnaires se situent sur une orbite circulaire à haute altitude (36 000 km) et à cette distance, leur période de révolution est la même que celle de la Terre, d’où le terme géosynchrone. Le satellite est donc en permanence en face de la même zone terrestre et permet ainsi d’observer une même zone de façon continue (voir Figure 19). Les capteurs à bord de ces satellites ne peuvent visualiser que 42% de la surface terrestre mais en contrepartie, ils fournissent des images avec une répétitivité très élevée (quelques minutes entre 2 images). Leur utilisation est donc particulièrement favorable au suivi de phénomènes à forte dynamique.
Figure 19 : Orbite d’un satellite géostationnaire (Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection)
Résolution temporelle
1.3.2.
La résolution temporelle d’un capteur est définie par la durée entre deux observations d'une même zone. Elle est liée à l'orbite de la plateforme qui détermine sa fréquence de passage au-dessus d’un même point du globe. On parle aussi parfois de répétitivité temporelle. Elle est bien meilleure pour les satellites géostationnaires que pour les satellites héliosynchrones.
Résolution spatiale
1.3.3.
La taille du pixel représente en largeur et en longueur, la surface d’un détecteur projetée au sol qui correspond à un pixel de l’image. Elle dépend principalement de deux facteurs : la distance entre le capteur et la surface (altitude) et de l'angle solide des détecteurs. L'altitude dépend de la plateforme et est considérée comme étant fixe dans le cas d'une plateforme satellite classique et variable dans le cas d'une plateforme aérienne. L'altitude C et l'angle solide d'un détecteur (d’angle sommet A) permettent de déterminer le pas d’échantillonnage B (1.9.) de la surface observée pour chaque pixel de l'image (Figure 20).
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Figure 20: Grandeurs physiques déterminant la résolution spatiale. (A : angle sommet correspondant à l’angle solide d'un détecteur ; B : pas d’échantillonnage ; C : altitude du couple capteur/plateforme)
(Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection)
𝐵 = 2. 𝐶. tan �𝐴
2�
(1.9.)
La résolution spatiale ou le pouvoir séparateur, représente la distance minimale entre deux objets au sol pour laquelle ces deux mêmes objets sont distincts dans l’image. Cette mesure prend en compte la qualité d'intégration de l'information spatiale par l'instrument. Cette qualité est mesurée par la fonction de transfert de modulation (FTM) de l'instrument (réponse du système optique à une source ponctuelle). Si celle-ci est satisfaisante, l’image est très nette et il est possible de distinguer deux objets espacés d'une distance inférieure à la taille du pixel. Au contraire, si la FTM est peu satisfaisante, un flou dans l'image va apparaître. Un mélange de l'information provenant des pixels voisins est à l'origine de ce flou. Par abus de langage, la résolution spatiale prend souvent le sens de pas d'échantillonnage (Thomas, 2006).
Résolution spectrale
1.3.4.
La résolution spectrale d'une image de télédétection est, par abus de langage, associée à plusieurs notions. En effet, la résolution spectrale définit à la fois le nombre de bandes spectrales, leur position et leur largeur respective. La largeur de bande est intimement liée à la résolution spatiale car toutes deux déterminent la quantité d'énergie qui parvient au détecteur. Une résolution spatiale fine, associée à des bandes spectrales fines, implique donc une quantité d'énergie mesurée faible et donc une sensibilité accrue au bruit (diminution du rapport signal sur
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bruit) ainsi qu'un pouvoir discriminant de l'information réduit. On différencie généralement les capteurs possédant un nombre réduit de bandes spectrales, appelés capteurs multispectraux (4-40 bandes environ), et les capteurs possédant un nombre important de bandes spectrales, appelés capteurs hyperspectraux (>50 bandes).
Certains capteurs multispectraux utilisent un jeu de filtres pour décomposer le rayonnement incident alors que les capteurs super et hyperspectraux utilisent des réseaux capables de décomposer le spectre de façon quasi-continue (Lillesand et al., 2004).
Certains capteurs proposent souvent, en complément d'un jeu de bandes fines, une bande très large appelée « bande panchromatique ». La largeur importante de cette bande permet d'obtenir une résolution spatiale plus fine que celle des bandes multispectrales. Le choix des bandes spectrales et de leur largeur est important car la discrimination entre différentes surfaces ou l’estimation de certains paramètres ne peut se faire qu’à certaines longueurs d'onde.
Rapport signal sur bruit
1.3.5.
De nombreux phénomènes viennent perturber la mesure et sont à l'origine de différents bruits. Le bruit photonique par exemple est lié à l'arrivée aléatoire des photons sur le capteur. Le nombre de photons collectés en un temps T suit une loi de Poisson. Les différentes composantes électroniques du capteur sont chacune à l'origine d'une ou plusieurs sources de bruit comme le bruit thermique qui est dû à la chaleur de l'appareil et qui varie avec le temps d'utilisation, entraînant de légères variations dans le signal mesuré.
Le rapport signal sur bruit (SNR pour Signal-to-Noise Ratio) représente l'importance des bruits de mesure du capteur par rapport au signal. Ce rapport dépend donc entre autre de l'amplitude du signal et peut en conséquence varier en fonction de la longueur d'onde. Plus ce rapport est faible et plus l'information contenue dans l'image diffère de la scène observée par le capteur.
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Résolution radiométrique
1.3.6.
La quantification d'une image de télédétection est la quantité de mémoire utilisée pour coder les informations. Elle est exprimée en bits et correspond au nombre de bits utilisés pour coder la luminance de chaque bande spectrale pour chaque pixel. Le nombre maximal de valeurs de luminance différentes est donc égal à 2n avec n égal à ce nombre de bits. Coder l’information sur un faible nombre de bits réduit donc les possibilités de discrimination de l'information. Pour des applications liées à la couleur de l’eau, il est important que les images soient codées sur plus de 10 bits pour permettre de mesurer des nuances de réflectance très faible.