IMAGES DE TELEDETECTION
EN SCIENCES NATURELLES ET GEOGRAPHIE
FM. BLONDEL Institut National de Recherche Pédagogique
Direction de Programme 5
MOTS CLES : télédétection, photointerprétation, traitement d'images.
RESUME : Suivant les contenus enseignés et les activités proposées aux élèves, les images de télédétection peuvent être considérées comme des documents d'illustration ou comme des données d'observation qu'il faut analyser. Les outils d'analyse d'image accessibles à l'enseignement sont présentés et discutés en fonction de leurs applications.
ABSTRACT : Teachers and students may look at remote sensing imagery products eitber as picturial illustration or as experimental data to analyse. Photointerpretation and image prcxessing tools available in education are presented ans discussed.
1. Introduction
La télédétection est un moyen d'observation fondé sur la propriété des objets presents sur le sol de réféléchir ou de réémettre la lumière qu'ils reçoivent de façon différente suivant leur nature et leur composition. La représentation graphique des données de mesure par des intensités de gris ou des différences de teintes fournit une image de ces objets au sol, analogueàl'image obtenue par photographie aérienne (l,2).
Les images de télédétection intéressent au premier chef les sciences de la Terre en particulieur pour la météorologie et l'étude des climats, la géologie structurale et l'hydrologie marine. Elles sont également très utiles pour la surveillance de l'environnement (pollution atmosphérique ou marine, incendies) et la gestion des ressources (suivi de l'évolution des forêts, surveillance des cultures, occupation des sols). Enfin, la définition accrue des images récentes ouvre la voie aux applications cartographiques; l'IGN effectue une mise àjour de ses cartes d'échelle mouenne à partir des données du satellite Spot 1.
Ces images qui intéressent les sciences de la terre peuvent-elles servir à l'enseignement des mêmes contenus disciplinaires? Devant l'abondance des images existants et à venir, comment choisir celles qui sont adaptées aux enseignements actuels ? La présentation d'images nouvelles et par leur aspect et par leur contenu, implique-t-elle une modification de l'introduction de certaines notions ? Les connaissances et les savoir faire propres àla télédétection sont-ils indispensables àla compréhension de ces images?
Telles sont quelques-unes des questions qui se posent avant toute introduction de la télédétection dans l'enseignement (3). Nous aborderons ici plus précisément le rôle de l'image de télédétection et ies conséquences qui en découlent pour ceux qui voudraient l'utiliser.
2. Rôle des images de télédétection.
La qualité esthétique et la précision de la vision qu'elles procurent, font des images de télédétection d'excellents documents d'illustration de l'enseignement oral et écrit. Leur présence se fait donc de plus en plus fréquente dans les manuels de géographie. Cette capacité intrinséque àillustrer un propos est cependant contrebalancée par la difficulté d'une analyse effective de ces images de la part du lecteur ou de l'élève. en effet, la grande diversité des modes de représentation et de traitement employés par les producteurs d'images ne simplifie pas la tâche du lecteur.
A titre d'exemple, la couleur rouge observée dans certaines zones d'une image donnée est-elle le résultat d'une composition colorée destinée à mettre en évidence la végétation, d'une représentation d'un seul canal par une table de couleurs ou le résultat d'une classification dan laquelle on a affecté la couleur rouge à une classe donnée? La rédaction d'une légende appropriée, fastidieuse si elle est exhausive, ne résoud que partiellement ce problème délicat de la lecture et de l'interprétation.
L'incohérence apparente, pour le lecteur d'images, des multiples visualisations couramment utilisées en télédétection, limite considérablement l'usage qui peut en être fait dans l'enseignement. Ce problême est d'ailleur analogue à celui des représentations imagées de données expérimentales en physique (4), et l'on peut s'étonner que la proposition de normalisation des palettes de couleur faite par M. Farge n'ait pas d'équivalent en télédétection.
L'aspect esthétique indéniagble de certaines images est sans nul doute un facteur de motivation pour les élèves, mais le goût pour "la belle image" s'il est un risque pour le scientifique qui y perd quelquefois la rigueur de son analyse, peut détourner tout autant l'enseignant de son propos initial. Nous pensons préférable d'investir cette motivation esthétique dans la production d'images par les élèves eux-mêmes au cours d'une activité d'analyse et d'interprétation.
Un autre point de vue, plus proche des sciences expérimentales, considère les images de télédétection comme des données d'observation portant sur le rayonnement des objets au sol. Elles sont le résultat de mesures effectuées dans certaines conditions, partiellement reproductibles, qu'il s'agit d'analyser et d'interpréter. Ces données renseignent sur la nature physique et biologique des corps qui émettent et renvoient la lumière de façon différenciée suivant les longueurs d'onde du visible et de !'infra-rouge. Les moyens d'analyse de ces données sont de nature différente et complémentaire: une analyse visuelle des images, restitutions effectuéesà partir des données, fondée sur des méthodes de photointerprétation, et une analyse numérique par ordinateur fondée sur des méthodes de traitement d'images dont une partie est issue de l'alanyse des données et l'autre est plus spécifique. Ces deux types d'analyse sont d'ailleurs imbriqués dans la mesure où certains traitements numériques sont destinés à améliorer la restitution d'images pour en faciliter la photointerprétation .
Dépasser le stade de J'illustration pour aborder les images de télédétection sous un angle plus expérimental suppose un minimum de connaissance et de maîtrise des outlis d'analyse que sont la photointerprétation et le traitement d'images.
3. Les méthodes de photointerprétation
Ces méthodes ont été développées initialement pour l'étude des photographies aériennes (5). Leurs caractéristique principale réside dans leur indépendance relative à l'égard du procédé d'obtention de l'image, ce qui les rend applicables aux différents types d'images rencontrées en télédétection.
La méthode la plus naturelle est la méthode des clés qui procède de façon globaleà partir de la reconnaissance d'objets connus. C'est une démarche rapide qui s'appuie sur la connaissance d'images déjà mémorisées et analysées mais qui suppose une certaine capacité de mémorisation et une assez bonne expérience.
Elle permet aux enseignants de dépasser la simple illustration dans des domaines assez connus, mais elle trouve rapidement ses limites quant il s'agit d'analyser des images
différentes d'un même objet ou d'une même région (l'interprète ne retrouve pas ses clés) et a fortiori des images diverses des régions différentes, ce qui est souvent le cas en télédétection.
Une méthode plus analytique consisteàétudier d'abord l'imageàpartir de ses éléments et de leurs caractères de surface (teintes, formes, textures et structures), puis
à
la recomposer par zones homogènes suivant les informations cherchées et les connaissances recueillies sur le terrain.Cette méthode est plus adaptée à l'analyse d'images nouvelles car elle ne suppose dans la première phase aucune connaissance préalable sur le document analysé. Elle est cependant plus lourde à mettre en oeuvre et tire son intérêt d'une utilisation régulière, principalement dans le cadre de l'enseignement.
Elle a été la plus fréquemment employé par les enseignants pour des études thématiques mais nécessite un allègement pour être utiliséeàplus large échelle.
3. Le traitement numérique des images.
Les logiciels de traitement professionnels comportent généralement trois types de fonctions: la correction géométrique et radiométrique des image, l'amélioration et la restitution sur écran ou sur papier, la classification thématique et la cartographie correspondante (6).
Dans cette panoplie de fonctions dont certaines ne sont pas réalisables sur micro-ordinateur, le choix de celles qu'il faut offrir aux enseignants et aux élèves est dicté par les objectifs supposés et les conditions (scolaires) de leur emploi.
C'est pourquoi nous avons privilégié les aspects qui facilitent, en explicitant parfois les étapes du travail, la compréhension des mécanismes d'interprétation d'image. Les fonctions de correction ont donc été abandonnées au profit de la restitution, indispensable, et surtout de la classification.
La méthode de classification retenue est une méthode supervisée, qui implique la connaissance de quelques sites particuliers sur le terrain. Elle est fondée sur ul algorithme simple (classement des pixels en fonction de bornes définies dans chacun des canaux, d'où son nom de classification "hypercube", et ne fait appel àaucun outil mathématique complexe. Elle est également fiable dans la mesure où ses résultats sont les mêmes quelle que soit la taille de la portion d'image traitée. Ces caractéristiques en font un outil tout à fait accessible à des élèves en Travaux Pratiques.
Enfin, les fonctions proposées, à la différence des logiciels professionnels, s'appuient le plus souvent sur les images imprimées car la production de document de bonne qualité est indispensableàtout enseignement dans ce domaine.
L'ensemble logiciel que nous avons développé pour les micro-ordinateurs disponibles dans l'éducation comporte les foncitons suivantes:
3.1. Restitution d'images
-calcul de l'histogramme dans chaque canal, répartition en 16 classes équiréparties, visualisation et impression de l'histogramme,
-calcul et visualisation d'un histogrammeàdeux dimensions qui indique le nombre de pixels ayant une valeur donnée dans deux cannaux distincts,
- impression d'un canal en 16 niveaux de gris correspondantàl'équipopulation, - composition colorée(16niveaux par couleur) de trois canaux.
3.2. Analyse de sites de test.
- définition de sites carrés, rectangulaires ou ploygonaux par les coordonnées de leurs sonunets,
- pour chaque canal et chaque site, affichage et sauvegarde de la répartition des valeurs numériques, du minimum, de la moyenne et de l'écart-type,
- visualisation comparée de courbes de réponses spectrales. 3.3. Classification
A partir de l'observation des valeurs de sites préalablement étudiés, on définit les bornes de chaque classe dan chaque canal. Les pixels sont classés en comparant leur valeur avec les bornes de chaque classe dans chaque canal. Un signe cartographique est affecté àchaque classe qui permet par la suite de visualiser ou d'imprimer la carte obtenue.
Cet ensemble est destiné autant aux enseignants pour préparer des documents qu'aux élèves pour étudier une image particulière dans le cadre de travaux pratiques.
4. Applications
Ces différents outils d'analyse ont été employés de façon approfondie pour étudier certains thèmes de géographie et de science naturellesàpartir d'images. Miseàpart la représentation de l'espace qui fait partie de la géographie générale, les thèmes les plus largement étudiés ont été : la météorologie et la climatologie, l'agriculture régionale, l'urbanisation, l'étude d'un milieu natuel (la forêt le plus souvent) et la production de matière végétale en relation avec la photosynthèse.
L'intérêt majeu de cette approche réside dans la perception globale qu'elle procure pour l'étude d'un grand nombre de phénomènes. L'aspect technique inhérent à l'analyse d'image qui peut apparaître comme une contrainte nouvelle, en particulier en géographie, est ausi une occasion de proposer aux élèves des activités plus expérimentales dans cette discipline.
Note:
Ce travail a été réalisé avec des enseignants des lycées de St Germain-en-Iaye, Strasbourg, Toulouse, Tours, Amiens et Nice.
Bibliographie
(l) BARIOU R. , Manuel de télédétection, Sodip, Paris, 1978.
(2) SCANVIC J.Y.,La télédétection et les sciences de la Terre. Manuels et Méthodes nO7, BRGM, 1983.
(3)Collectif, Du satelliteàla classe, Images de télédétection en physique, géographie, sciences naturelles, Rencontres Pédagogiques, n° 17, INRP, Paris, 1987, 128 P. (4) FARGE M., Choix des palettes de couleurs, Encyclopaedia UniversaIis, vol. 12, p.1 040-1043.