1. Généralités. Le contexte international de l Observation de la Terre

Le contexte international de l’Observation de la

Terre

1. Généralités

1783 : Première ascension en ballon par les frères Montgolfier 1839 : Mise au point de la photographie (NIEPCE, DAGUERRE).

1844 : Premières photographies aériennes réalisées depuis un ballon par G.F. Tournachon dit NADAR

1856 : Le même NADAR fait breveter l’installation d’une chambre

photographique à bord de la nacelle d’un ballon pour la prise de photographies aériennes verticales.

1858-1898 : LAUSSEDAT expérimente systématiquement l'utilisation de la photographie aérienne (ballon) en cartographie et met au point les méthodes de la photogrammétrie.

Historique

SIG, de la télédétection et de la géomatique

1909 : Premières photographies depuis un avion (WRIGHT)

1914-1918 : Utilisation intensive de la photographie aérienne comme moyen de reconnaissance pendant la 1ère guerre mondiale.

1919: Mise au point du premier restituteur stéréoscopique moderne (appareil de POIVILLIERS) pour l’utilisation des photographies aériennes en cartographie topographique.

1919-1939 : Essor de la photographie aérienne pour la cartographie et la prospection pétrolière (Moyen-Orient).

1940 : Apparition des premiers radars opérationnels en Grande-Bretagne (bataille d'Angleterre).

-Depuis 1945 : Développement continu de la photographie aérienne comme méthode opérationnelle de cartographie et de surveillance de

l'environnement. Perfectionnement des appareils et des émulsions (infrarouge).

1957 : Lancement de Spoutnik 1, premier satellite artificiel.

1960-1972 : Développement parallèle de la technique des satellites et des capteurs (mise au point des radiomètres et radars imageurs)

1960 : Lancement de premier satellite météorologique équipé de caméras de télévision pour le suivi des masses nuageuses

1964 -1969 : Embarquement d'appareils photographiques à bord d'engins spatiaux habités.

1972 : Lancement d'ERTS, rebaptisé Landsat 1, premier satellite spécialisé de télédétection des ressources terrestres.

1974-78 : Mise en place, sous l'égide de l'Organisation Météorologique

Mondiale, du réseau des satellites météorologiques géostationnaires.

1978 : Lancement de Seasat, premier satellite spécialisé dans la

télédétection de l'océan, équipé, entre autres capteurs, d'un radar.

1982 : Apparition de la haute résolution spatiale pour l’observation de la Terre - lancement de Landsat 4, équipé du radiomètre « Thematic Mapper ».

2001-2010 : En 2001, l'Agence Spatiale Européenne (ESA) et l'Union européenne ont lancé un programme ambitieux de surveillance globale pour l’environnement et la sécurité (Global Monitoring for Environment and Security - GMES), devenu le programme Copernicus en 2012, afin de rassembler des données satellitaires accessibles et de développer des services opérationnels.

Dans le cadre de Copernicus, l’ESA a développé la constellation des satellites Sentinel qui fournissent des images gratuites, optique et RADAR, dans des résolutions complémentaires.

Depuis 2010, de plus en plus de programmes publics ont été élaborés pour faciliter l’accès aux données THRS (comme le programme GEOSUD http://ids.equipex-geosud.fr/) en France qui fournit des images SPOT 6/7 et Pléiades). Ils permettent d’effectuer des demandes de programmation à coût réduit (p.ex. 1€ /km²), ou gratuitement pour les scientifiques et les acteurs institutionnels nationaux

Depuis 2015: les satellites Sentinel-2 A et B produisent des images à haute résolution spatiale (HR) (jusqu’à 10 m), avec une acquisition systématique globale tous les 5 jours.

Le Groupe d’Observations de la Terre GEO (Group on Earth

Observations) est une organisation inter-gouvernementale créée en février 2005 lors du 3ème sommet d’observation de la Terre à Bruxelles.

GEO est un partenariat volontaire composé de 184 membres, des gouvernements et des organisations internationales (dont :

- African Association of Remote Sensing of the Environment.

- African Centre of Meteorological Application for Development.

- Environmental Information Systems – AFRICA.

- Regional Centre for Mapping of Resources for Development.

- Secretariat of the United Nations Convention to Combat Desertification.

- United Nations Economic Commission for Africa, mais aussi la FAO, le CEOS …).

Chaque membre de GEO possède et opère ses propres systèmes d’observation au sol, aéroportés et satellitaires.

Le rôle de GEO est de coordonner les efforts de ses membres

pour construire un système global de systèmes d’Observation de

la Terre nommé GEOSS (Global Earth Observations System of

Systems)

Composante spatiale de GEO, le comité pour l’Observation de la

Terre CEOS (Committee on Earth Observation Satellites) est un groupe inter-gouvernemental qui fait travailler ensemble un grand nombre

d’agences spatiales dans le monde.

CEOS a pour mission d’améliorer la disponibilité, l’accès et l’utilisation des données d’observation de la Terre pour répondre aux besoins de la population mondiale.

Les besoins correspondent à ceux définis par les 9 domaines à bénéfice sociétal (Societal Benefit Areas ; SBAs) qui sont:

- l’agriculture, - la biodiversité, - le climat,

- les catastrophes naturelles, - les écosystèmes,

- l’énergie,

- la santé, l’eau et le climat (

Figure A

Aujourd’hui, CEOS gère et contribue à la moitié des projets de GEO.

Figure A- Le système de systèmes d’observation de la Terre GEOSS et les neuf domaines à bénéfice sociétal

(http://www.earthobservations.org/geoss.php).

Le contexte africain de l’Observation de la Terre Les agences spatiales africaines L’Afrique a quatre nations dotées d’agences spatiales (Ouedraogo, 2015).

• l'Afrique du Sud, qui est le pays africain le plus avancé dans le domaine

spatial africain. Son agence spatiale, la SANSA (South Africa National Space Agency) a été créée en 2010 ;

• l'Algérie possède deux satellites ainsi qu'une agence spatiale nationale (ASAL) créée en 2002 et qui travaille sur le lancement d'un satellite de construction nationale;

• le Nigeria possède cinq satellites depuis 2003, Son agence spatiale nationale est le NSRDS (National Space Research and Development Strategy) ;

• enfin, l'Egypte a lancé son premier satellite national en 2007, Egypsat1, le NARSS (National Authority for Remote Sensing and Space Sciences).

Ces quatre pays sont les membres de l'ARMC (African Resource Management Constellation).

2- Géomatique

2.1 Définitions :

a- Au sens lexical, la géomatique signifie «l’application de l’informatique à la géographie (par exemple sous la forme de SIG) » (dictionnaire en ligne tout-savoir, 2003).

b- Ou encore, dictionnaire online (dir.ansme.com, 2004) :

« La géomatique est un champ d'activités qui intègre, l'ensemble

des moyens d'acquisition et de gestion des données à référence

spatiale requis pour effectuer les opérations scientifiques,

administratives, légales et techniques dans le cadre du processus

de production et de gestion de l'information sur le territoire

(

).

c- D'une manière générale ;

2.2 Organigramme :

Les différentes étapes de la Géomatique

In English - Remote Sensing (RS):

Remote: Something which is far away

Sensing: Getting information or getting data

2.3 Les outils de la Géomatique

2.4 Relation de la Géomatique avec les

autres Technologies

3- Un peu de Physique

3.1 Éléments de physique du rayonnement

B- Les ondes électromagnétiques EM Les ondes EM sont formées :

- d’un champ électrique E et

- d’un champ magnétique B (fig. 1) : A- Source d'énergie ou d'illumination

À l'origine de tout processus de télédétection se trouve nécessairement une source d'énergie pour illuminer (éclairer) la cible.

Cette source d'énergie elle sous forme de rayonnement électromagnétique.

C- La longueur d'onde équivaut à la longueur d'un cycle d'une onde, ce qui correspond à la distance entre deux crêtes successives d'une onde.

D- La fréquence représente le nombre d'oscillations par unité de temps. La fréquence est mesurée en Hertz (Hz) (c.-à-d. en oscillations par seconde)

C = λ ν

- la longueur d’onde ou amplitude λ : elle est exprimée par une unité de longueur, le mètre ou ses sous-multiples, en particulier :

le micron ou micromètre : µm. 1µm = 10

m

et le nanomètre : nm. 1nm = 10

m

Entre la longueur d’onde et la fréquence existe la relation classique:

où

C

Remarque: La couleur d’une radiation dépend de sa fréquence.

Le spectre des ondes électromagnétiques est présenté ci-dessous. Le

domaine visible n’en couvre qu’une infime partie.

3.2 Quelques Notions de l’optique géométrique:

La réflexion et la réfraction de la lumière se produisent lorsqu’un rayon lumineux atteint une surface parfaitement polie, Si cette surface sépare deux milieux transparents différents, elle s’appelle dioptre.

a- La réfraction :

Est le phénomène par lequel la lumière subit une déviation en passant d’un milieu dans un autre (les deux milieux sont transparents)

Exemple: Un bâton plongé dans l’eau apparaît brisé.

b -La réflexion :

Est le phénomène par lequel la lumière est renvoyée dans le milieu duquel elle provient.

On parle d’une réflexion totale lorsque toute la lumière est réfléchie, sinon on parle de réflexion vitreuse.

Laser

Une tranche polie en verre

Une partie de la lumière réfléchie

Une partie de la lumière réfracté pénètre dans le

verre en traversant le

dioptre

C- Terminologie

- Le rayon qui arrive sur le dioptre est appelé rayon incident.

- La rayon qui a subi une réflexion est appelé rayon réfléchi. Après réflexion, il repart dans le milieu d’où il vient.

- La rayon qui a subi une réfraction est appelé rayon réfracté (ou

émergent) . Après, il pénètre dans le second milieu.

- Une normale est une droite perpendiculaire au dioptre. C’est la normale au point d’incidence.

- Le point d’incidence (I) est le où le rayon incident touche le dioptre et d’où repartent les rayons réfléchi et réfracté.

- Rayon incident : rayon qui tombe sur une surface réflichissante en un point

donné.

4.1. Interactions des ondes avec l'atmosphère;

Avant que le rayonnement utilisé pour la télédétection n'atteigne la surface de la Terre, celui-ci doit traverser une certaine épaisseur d'atmosphère. Les particules et les gaz dans l'atmosphère peuvent dévier ou bloquer le

rayonnement incident. Ces effets sont causés par les mécanismes de diffusion et d'absorption.

4.1.1 La diffusion:

La diffusion se produit lors de l'interaction

entre le rayonnement incident et les particules ou les grosses molécules de gaz présentes dans l'atmosphère.

Les particules dévient le rayonnement de sa trajectoire

initiale.

4.1.2.L'absorption

survient lorsque les grosses molécules de l'atmosphère (ozone, bioxyde de carbone et vapeur d'eau) absorbent l'énergie de

diverses longueurs d'onde.

L'ozone absorbe les rayons ultraviolets qui

sont néfastes aux êtres vivants. Sans cette

couche de protection dans l'atmosphère,

notre peau brûlerait lorsqu'elle est exposée

au Soleil.

Le terme télédétection signifie l’observation de la surface terrestre depuis l’espace par l’utilisation des propriétés des ondes électromagnétiques émises, réfléchies ou diffusées par l’objet observé

pour

l’amélioration de l’exploitation:

-des ressources naturelles, -l’aménagement de territoire

-et la protection de l’environnement. (UN, 1999).

A. la télédétection active:

Dans le cas de la télédétection active la source de radiation est le capteur lui-même (cas de Radar)

Il existe deux types de télédétection (Détection) : la télédétection

passive et la télédétection active.

B. la télédétection passive:

Le cas qui nous intéresse est celui de la télédétection passive, les sources de radiation sont naturelles. Il s'agit donc du soleil, de la Terre et de

l'atmosphère. La source première est

le rayonnement solaire, le récepteur

mesure la lumière émise ou réfléchie

par la surface terrestre .

la cible

Source d’énergie SatCom

Station

Analyse

Application Capteur

A

atmosphère B

B D

E

G

C

F

illumination

Traitement

1. Source d'énergie ou d'illumination (A) : Tout processus de télédétection nécessite une source d'énergie pour illuminer la cible.

7. Application (G) : La dernière étape du processus consiste à utiliser l'information extraite de l'image pour mieux comprendre la cible, pour nous en faire découvrir de nouveaux aspects ou pour aider à résoudre un problème particulier.

6. Interprétation et analyse (F) : Une interprétation visuelle et/ou numérique de l'image traitée est ensuite nécessaire pour extraire l'information que l'on désire obtenir sur la cible.

5.Transmission, réception et traitement (E) : L'énergie enregistrée par le capteur est transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception où l'information est transformée en images (numériques ou photographiques).

4. Enregistrement de l'énergie par le capteur (D) : Une fois l'énergie diffusée ou émise par la cible, elle doit être captée à distance (par un capteur qui n'est pas en contact avec la cible) pour être enfin enregistrée.

3. Interaction avec la cible (C) : Une fois parvenue à la cible, l'énergie interagit avec la surface de celle-ci. La nature de cette interaction dépend des

caractéristiques du rayonnement et des propriétés de la surface.

2. Rayonnement et atmosphère (B) : Durant son parcours entre la source d'énergie et la cible, le rayonnement interagit avec l'atmosphère. Une seconde interaction se produit lors du trajet entre la cible et le capteur.

Explication de Schéma du principe

a- Réflexion / Absorption

Réflexion Spéculaire:

La part de la lumière qui n'est ni absorbée, ni transmise est dite réfléchie.

La réflexion diffuse:

la lumière est réfléchie dans un grand nombre de directions

Végétation

b- cas des feuilles :

la chlorophylle, une molécule que nous retrouvons à l'intérieur des feuilles, absorbe fortement le rayonnement aux

longueurs d'onde du rouge et du bleu, mais réfléchit le vert.

Les feuilles, qui contiennent un maximum de chlorophylle en été, sont donc plus

vertes pendant cette saison.

En automne, les feuilles qui contiennent

alors moins de chlorophylle, absorbent

moins de rouge, et paraissent donc rouges

ou jaunes (le jaune est une combinaison

des longueurs d'onde du vert et du rouge).

Eau

c- cas de l'eau :

l'eau absorbe davantage les grandes

longueurs d'onde du rayonnement visible et du proche infrarouge. Ainsi, l'eau paraît généralement bleue ou bleu-vert car elle réfléchit davantage les petites longueurs d'onde, elle paraît encore plus foncée si elle est observée sous les longueurs d'onde du rouge ou du proche infrarouge.

Lorsque les couches supérieures de l'eau contiennent des sédiments en suspension, la transmission diminue, la réflexion augmente et l'eau paraît plus brillante. La couleur de l'eau se déplacera légèrement vers les plus

grandes longueurs d'onde.

suspension

Par exemple,

l'eau et la végétation peuvent avoir une

signature spectrale

similaire aux longueurs

d'onde visibles, mais

sont presque toujours

différenciables dans

l'infrarouge.

- Healthy plant (left) absorbs a lot of visible light and reflects a large portion of near-infrared light.

- Unhealthy or sparse vegetation (right) absorbs more visible light and

reflects less near-infrared light (illustration by Robert Simmon)

Rappel

L’objet de la télédétection est de distinguer des types de surface (en vue de leur cartographie) ou d’en mesurer certaines caractéristiques, à partir du rayonnement reçu par le capteur.

En télédétection visible et infrarouge proche, les surfaces naturelles se

caractérisent par de très importantes variations de la réflectance selon la longueur d’onde.

La « signature spectrale » des

surfaces correspond aux variations de la réflectance

spectrale (fig)

Courbe de Réflectances spectrales caractéristiques de trois grands types de surfaces naturelles (d’après Lillesand et Kiefer).

A- Influence de la structure cellulaire des feuilles sur leur signature spectrale .

Les longueurs d'onde bleue et rouge sont absorbées par la chlorophylle.

Les vertes sont très faiblement réfléchies par la feuille.

Le rayonnement PIR, lui, est fortement réfléchi par le parenchyme lacuneux.

La réflectance dans les bandes

rouges et proche infrarouge est donc directement liée à la biomasse

végétale. Il est donc possible de déterminer radiométriquement cette biomasse en utilisant l'information contenue dans ces deux bandes

spectrales, en utilisant des indices de végétation.

Visible PIR

Réf: télédétection Zoubiri et Kadi

B- Exemple de Signatures spectrales pour différents types de sols.