Radar

Le système RADAR (Radio Detection And Ranging) est un excellent outil de télé- détection. Bien que longtemps considéré comme complexe et condentiel (applications militaires obligent), il est aujourd'hui plus accessible et est utilisé dans de nombreux do- maines (de l'aviation à la cartographie en passant par la géologie, la prospection maritime, etc.).

Principe de la mesure radar

Là encore nous n'entrerons pas dans les détails de la théorie. Son principe, tel qu'énoncé par l'américain Hugo Gernsback en 1891 est :  une onde électromagnétique émise par une source se rééchit sur des cibles, et l'analyse du signal reçu permet de détecter et de localiser ces cibles en supposant que la vitesse de propagation des ondes demeure à peu près constante . En pratique, une antenne radar utilise donc le même principe de

13_{En traitement d'images, géométrie particulière caractérisant les liens entre deux images stéréosco-}

piques. L'homologue d'un point d'une des deux images se trouve sur une droite connue dans l'autre image.

1.5. Techniques d'acquisition de données 3D 27 mesure du temps de vol que les capteurs lasers (Cf. section 1.5.1), mais elle utilise une onde électro-magnétique très haute fréquence et non un rayon laser. Cela lui confère des propriétés très intéressantes (indépendance par rapport aux conditions climatiques et lumineuses, pouvoir de pénétration dans certains matériaux en fonction de la longueur d'onde, dépolarisation du signal donnant des informations sur le milieu traversé, etc.).

Une image radar représente l'amplitude et la phase du signal retour en fonction de l'angle d'incidence et de la position du capteur le long de sa trajectoire (orbite dans le cas d'un satellite). Son interprétation est donc dicile et les propriétés géométriques standard n'y sont pas du tout respectées. Il est tout de même possible de tirer une information 3D de ces données. On peut soit utiliser la radargrammétrie (une technique équivalente à la photogrammétrie mais appliquée à des images radar d'amplitude), ou bien utiliser le principe de l'interférométrie (appliquée à des images radar de phase), ou encore, moins couramment, la radarclinométrie [Paquerault 1998], qui consiste à déduire la hauteur des bâtiments grâce aux ombres qu'ils projettent (selon le principe plus général de "Shape From Shading").

Fig. 1.17  Exemple de M.N.S. (en haut) et M.N.T. (en bas) obtenus par interférométrie radar aéroportée (sur une zone boisée au Canada).

Interférométrie radar

La technique d'interférométrie radar (appelée InSAR ou IfSAR) consiste à eectuer la diérence entre deux images radar de phase [Rosen et Hensley 2000]. L'hypothèse fon- damentale est que la contribution interne liée aux propriétés physiques, géométriques et diélectriques des cibles demeure stable entre les deux prises de vue. Si cette hypothèse de cohérence est vériée, alors l'interférogramme (la diérence entre les deux images de phase) révèle des systèmes de franges liés à la topographie ou à la déformation de la surface. La phase du signal équivaut en eet à deux fois la distance du trajet entre le capteur et la sur-

face imagée, modulo 2π. Cela permet donc de mesurer la diérence de distance-temps avec une précision d'une fraction de la longueur d'onde (précision de quelques millimètres en pratique). La diérence de distance-temps peut être reliée géométriquement à la hauteur des terrains observés.

Il est donc possible de mesurer la topographie d'un terrain par interférométrie radar [Crosetto 2002] : deux images sont acquises depuis deux points de vue diérents au même instant. On utilise typiquement deux antennes placées sur la même plate-forme avec un décalage connu et qui font une acquisition simultanée de la même région. La diérence de phase relative permet alors de construire un M.N.S. (la gure 1.17 représente le modèle d'une zone boisée acquis par cette technique).

Mais on peut aussi mesurer des déplacements par la technique d'interférométrie dite diérentielle. Il existe deux méthodes :

 en utilisant trois images radar, on peut créer deux interférogrammes. La diérence de ces deux jeux de données correspond alors à un interférogramme diérentiel. Celui-ci cartographie les modications verticales de la zone observée, là encore mo- dulo 2π (voir gure 1.18). On peut remplacer un des deux interférogrammes par un M.N.T., ce qui permet de corriger les eets géométriques du relief sur l'autre interférogramme.

 il est aussi possible d'utiliser directement deux images radar acquises par le même capteur depuis le même point de vue à deux instants diérents [Preiss et al. 2003]. Le résultat est là encore une diérence relative de la topographie entre les deux dates mais selon la direction d'acquisition. Lors des deux passages, la géométrie d'acquisition doit être strictement contrôlée an d'éviter toute inuence de la to- pographie sur la mesure et de permettre le calcul de la diérence de phase. Cette situation exige que le capteur répète exactement la même trajectoire que lors du premier passage.

Il existe des systèmes InSar aéroportés : STAR-3i d'Intermap, système nord-américain issu d'un transfert technologique de l'armée américaine vers le privé, premier système ra- dar aéroporté commercial, ainsi qu'une dizaine de prototypes de recherche dans le monde, dont en particulier RAMSES de l'ONERA15 _{et E-SAR du DLR}16 _{qui sont respectivement}

français et allemand. Ces systèmes achent aujourd'hui des précisions proches de celle du lidar aéroporté (entre 30 cm et 3 m.) et sont plus rapides car ils acquièrent des bandes de terrain plus larges. Il semble par contre qu'il y ait de sérieux problèmes d'incohérence spatiale au niveau des reliefs importants et des zones urbaines, auxquels il faut ajouter un problème de réexions multiples de l'écho radar sur les bâtiments trop rapprochés. De plus, la qualité des données (qui est nécessaire pour assurer la cohérence des images diérenciées) est assez dicile à maintenir d'un vol à l'autre. La technique n'a pas en- core proté du même élan que celui qu'a connu le laser au cours de ces dernières années. Faute d'un meilleur développement, elle est rarement utilisée en dehors du continent nord- américain. Néanmoins, en dehors des zones urbaines on obtient beaucoup plus rapidement

15_{Oce National d'Etudes et de Recherches Aerospatiales.}

1.5. Techniques d'acquisition de données 3D 29

Fig. 1.18  Mesure de la subsidence (aaissement progressif, enfoncement) du quartier de la gare Saint-Lazare par interférométrie satellitaire entre 1997 et 1999, suite à des travaux souterrains.

(données ERS/ESA, distribuées par Eurimage, et traités par le BRGM). Les franges concentriques correspondent à des déplacements verticaux de 3 mm

(déplacement maximal : 1,3 cm).

par cette technique des M.N.T. quasi-équivalents à ceux qu'on obtiendrait par relevé laser aéroporté [Gamba et Houshmand 2000].

Il est enn important de noter que l'interférométrie radar temporelle est avant tout une technique de détection de changement géométrique à part entière, plutôt grande échelle. Dans un contexte satellitaire (le seul qui marche correctement actuellement : la condition de reproductibilité de la trajectoire est beaucoup plus simple à respecter pour un satellite que pour un avion) elle permet le contrôle des déplacements de grandes structures avec un précision millimétrique. Ses applications phares sont l'observation de volcans, failles, glaciers, larges portions de terrains, zones touchées par un séisme, etc.