Principes généraux

La télédétection n’est pas précisément définie [Colwell,1966;Lintz and Simonett,1976] mais

peut être résumée en suivant la définition deBarrett[2013] comme permettant la collecte

d’infor-mations sans contact direct avec l’objet étudié. L’imagerie satellitaire correspond à cette définition

en faisant intervenir une plateforme d’acquisition en orbite autour de la Terre ou plus

générale-ment dans l’espace. Les orbites sont diverses, et dans le cas des satellites d’observation qui nous

concerneront ici, principalement réparties soit sur une orbite polaire relativement basse

(500-700km), passant au-dessus des deux pôles géographiques de la Terre, soit géostationnaires pour

un point d’observation terrestre fixe (36 000 km d’altitude). La définition de cette orbite

condi-tionne la plupart des caractéristiques d’observation et de transmission des données vers la Terre.

Plus cette orbite est lointaine plus la résolution spatiale de nos images sera contrainte. Plus

l’or-bite est basse plus le compromis entre résolution temporelle et résolution spatiale de ces mêmes

images sera important. De même une position fixe par rapport à la terre, géostationnaire, permet

CHAPITRE 1. INTRODUCTION

d’avoir un contact continu avec la plateforme tandis qu’une orbite basse implique un

télécharge-ment séquentiel des données acquises tout comme des ordres d’acquisition donnés.

Ces observations sont basées sur l’étude des rayonnements électromagnétiques (excepté dans

le cas de la gravimétrie). Ces rayonnements correspondent à l’énergie transportée par les photons

émis depuis la source. En suivant les lois de la mécanique quantique, l’énergie de ce photon

dé-pend directement de sa fréquence et donc de sa longueur d’onde lorsqu’il se déplace. Ce sont ces

photons qui seront acquis par les capteurs ou radiomètre, sensibles à une ou plusieurs plages de

longueurs d’ondes, et qui fourniront les données utilisées par la suite. Le radiomètre mesure par

conséquent un flux radiatif (en W) qui dépend de la longueur d’onde (enµm), de la surface

ob-servée (enm

²

) et l’angle solide du rayonnement (en stéradiansr). On parle alors d’une mesure de

luminance (ou radiance) qui s’exprime en W.m

⁻²

.sr

⁻¹

.µm

⁻

1.

F

IGURE

1.8 – Spectre d’émission du soleil et de la Terre à différentes températures dans le cas d’un corps

noir (trait plein). Spectre reçu au sol après absorption par l’atmosphère (zone rouge). Spectre au sommet

de l’atmosphère émis par la Terre après absorption par l’atmosphère (zone bleu). En bas les différentes

longueurs d’ondes d’absorption des principaux composants de l’atmosphère.

CHAPITRE 1. INTRODUCTION

Cette énergie réfléchie ou émise par la Terre est contenue sur une grande plage spectrale,

c’est-à-dire sur un grand nombre de longueurs d’ondes différentes. Elles ne recouvrent cependant pas

l’ensemble du spectre émis à l’origine par le soleil ou la Terre du fait de l’absorption d’une partie de

ces longueurs d’ondes par les gaz de l’atmosphère. Cette grande variété de rayonnements induit

une grande variété de capteurs dédiés à chaque type d’acquisition. Ainsi le spectre émis par la

Terre, situé principalement dans les micro-ondes, permet d’observer la Terre quelles que soient les

conditions atmosphériques, mais dans des longueurs d’ondes qui sont inhabituelles pour notre

vision. Au contraire l’énergie réfléchie par la Terre provenant du soleil est située dans le visible

et l’infrarouge. S’il est nécessaire que la partie de la Terre observée soit exposée au rayonnement

solaire, l’intensité de ce rayonnement est également beaucoup plus importante que celui émis par

la Terre, permettant une meilleure transmission de l’information via un rapport signal sur bruit

plus élevé.

La quantité de rayonnements réfléchis mais également captés est la base des considérations

de résolution spatiale et spectrale des capteurs ou spectro-radiomètres passifs. Si la résolution

spatiale désigne simplement la taille d’un pixel au sol dans l’image finale, la résolution spectrale

considère, elle, la diversité et la largeur des sections ou bandes du spectre sur lesquelles sont

ac-quises les données. Un spectro-radiomètre sensible à une unique section du spectre, souvent large

et située dans le visible, acquerra une image dite panchromatique. Un capteur comportant des

cellules sensibles sur plusieurs bandes différentes, de largeur de quelques nm à dizaine de nm

induira un cube de données appelé image multispectrale. Si le capteur est capable de distinguer

l’énergie réfléchie dans plusieurs dizaines à centaines de bandes différentes, souvent très étroites

et contiguës, on parlera alors d’image hyperspectrale, se distinguant de la précédente par un cube

de données bien plus important.

La largeur de ces bandes est primordiale pour pouvoir définir la qualité de l’acquisition. Si l’on

considère tous ces capteurs observant une même surface, le capteur panchromatique va recevoir

beaucoup plus d’énergie que les deux autres capteurs en intégrant l’ensemble des rayonnements

émis ou réfléchis par la surface considérée sur une large plage spectrale. Cela permet notamment

un rapport signal sur bruit au niveau du capteur très favorable. On peut ainsi améliorer notre

acquisition en réduisant la taille des pixels pour obtenir une image mieux définie apportant une

meilleure résolution spatiale. Au contraire les différentes bandes du capteur hyperspectral sont

fines, porteuses chacune d’une petite part de l’énergie totale que l’on retrouvait dans le capteur

panchromatique. Les composants du capteur hyperspectral sensibles à chaque bande risquent

de présenter un ratio signal sur bruit moindre, nécessitant soit une exposition plus longue pour

capter plus d’énergie, au risque de ne pas pouvoir correctement compenser le mouvement de

la plateforme, soit des pixels plus grands et par conséquent une résolution spatiale plus faible.

L’intermédiaire sera alors le capteur multispectral dont la résolution spectrale est meilleure que le

capteur panchromatique et la résolution spatiale meilleure que le capteur hyperspectral du fait de

la largeur plus importante des bandes considérées.

La taille du capteur est par conséquent une notion fondamentale. Si nous considérons le

cap-teur multispectral procurant un bon compromis, il faut maintenant définir la largeur de fauché,

c’est à dire la taille des images au sol acquises. Puisque notre taille de capteur est contrainte, le

choix doit être fait entre une image couvrant une grande surface de la Terre avec une résolution

plus basse (type MODIS, Sentinel-3) ou une résolution spatiale plus importante mais une largeur

de fauché plus faible (Spot, Landsat, Sentinel-2). Cette largeur de fauché contraint le temps de

re-tour du satellite au-dessus de la même zone. Ainsi les capteurs qui proposent une résolution

spa-tiale de l’ordre de la centaine de mètres par pixel du type MODIS (250-500-1000m) ou Sentinel-3

(300m) et une largeur de fauché de l’ordre du millier de kilomètres (2330 pour MODIS, 1350 pour

Sentinel-3) permettent une image quasi journalière de l’ensemble de la Terre. Au contraire les

cap-teurs à bord de Landsat ou Sentinel-2 permettent des résolutions spatiales plus importantes (10

ou 20m pour Sentinel-2, 30 m pour Landsat-8) avec une largeur de fauché plus faible (290km pour

Sentinel-2) qui induisent des temps de retour d’environ 10 jours. Dans le cas de Sentinel-2 la mise

en constellation de deux satellites permet d’obtenir un temps de retour de 5 jours .

CHAPITRE 1. INTRODUCTION

L’observation depuis une position hors atmosphère, implique malgré tout que les rayons

ré-fléchis par le sol ont été influencés deux fois par l’atmosphère. Cette influence implique la

possi-bilité de rayon parvenant au capteur n’ayant eu aucune interaction avec la surface au sol visé, ou

au contraire des interactions multiples via réflexion sur la topographie par exemple. L’ensemble

de ces effets se doit d’être quantifié afin que l’observation soit la plus fidèle à la réalité du terrain.

Une fois l’ensemble de ces corrections effectuées le produit final peut être utilisé par les différentes

techniques de traitement d’image afin d’extraire les informations souhaitées.

Dans le document Fusion de données de télédétection haute résolution pour le suivi de la neige (Page 30-33)