La tldtection: Un bref survol

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La télédétectionUn bref survol

• François Cavayas
• Département de géographie
• Université de Montréal

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Quest-ce que la télédétection?

• La télédétection est un domaine
  scientifique et technique dont le but est
  lacquisition dinformations sur lenvironnement
  terrestre au moyen des capteurs (à bord des
  plates-formes aériennes ou spatiales) sensibles
  au RÉM provenant des objets terrestres.

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De quelle télédétection sera-t-il question dans
notre cours?

• La télédétection trouve des nombreuses
  applications dans divers domaines détude des
  milieux terrestres. Cependant dans un cours
  dintroduction le temps disponible impose des
  choix
• La Terre et ses enveloppes (sphères)
  lobjet détude de la télédétection
• LA LITHOSPHÈRE Enveloppe rocheuse externe du
  globe terrestre. Seulement les terres émergées
• LATMOSPHÈRE Lenveloppe gazeuse qui entoure la
  Terre. Pour nous latmosphère sera considérée
  comme une  nuisance  et non pas un objet
  détude en soi
• LHYDROSPHÈRE Lenveloppe deau incluant la
  cryosphère. Certains aspects qui concernent
  principalement les eaux continentales
• LA BIOSPHÈRE Lenveloppe vivante de la Terre.
  Certains aspects qui concernent principalement le
  couvert végétal et les impacts de lhomme

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Les notions fondamentales

• Le rayonnement ÉM
• Les capteurs et leurs mesures
• Les plates-formes
• Interprétation et analyse dimages

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Quest-ce que le rayonnement électromagnétique
(RÉM)?

• Le RÉM est une forme d'énergie (énergie
  rayonnante) qui émane dune source et se propage
  aussi bien dans le vide qu'à travers un milieu
  matériel à une vitesse voisine à 3 x 108 m/sec
  (vitesse de la lumière dans le vide).
• Le RÉM nous est familier sous ses différentes
  formes lumière du jour ou dune ampoule, chaleur
  rayonnée par un radiateur, ondes radio, rayons X
  ou UV
• Deux théories sont utilisées pour expliquer les
  phénomènes de production, de propagation et
  dinteraction avec la matière du RÉM la théorie
  ondulatoire et la théorie corpusculaire.

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Théorie ondulatoire

• Une charge électrique crée dans l'espace ambiant
  une "condition" (un champ) de façon que si l'on
  place une autre charge électrique dans cet
  espace, la deuxième charge se soumette à une
  force d'interaction décrite par le vecteur de
  l'intensité du champ électrique E à ce point dans
  l'espace.
• D'une façon analogue un matériau magnétique crée
  dans l'espace environnant un champ de forces
  magnétiques décrit par le vecteur de l'intensité
  du champ magnétique B.
• Une variation dans le temps de l'intensité ou de
  la direction du champ électrique (une
  perturbation) donne naissance automatiquement à
  un champ magnétique à la même région dans
  l'espace et vice versa. Cette perturbation se
  propage dans lespace sous forme dondes
  électromagnétiques

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Les ondes électromagnétiques

• Une telle onde est représentée par deux vecteurs
  perpendiculaires indissociables dont la magnitude
  varie périodiquement avec le temps le champ
  électrique E et le champ magnétique B. La
  direction de propagation du RÉM est
  perpendiculaire au plan défini par ces deux
  vecteurs (ondes transversales)

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Théorie corpusculaire

• Selon cette théorie le RÉM est composé des
  particules élémentaires, les photons ou quanta
  dénergie. Chaque photon possède une énergie q et
  se déplace à la vitesse de la lumière.
• Le momentum, qui est le rapport entre lénergie
  et la vitesse, ce qui caractérise tout corps qui
  se déplace, coïncide avec la direction de sa
  propagation. Le photon possède une polarisation,
  dans un sens similaire à celui dune onde plane
  (plus loin). En dautres mots on peut admettre
  que le photon possède à la fois les propriétés
  dun corpuscule élémentaire et dune onde, comme
  par ailleurs tous les corpuscules élémentaires
  qui composent la matière (p.ex. un électron). La
  différence fondamentale est que le photon a une
  masse pratiquement nulle. Une autre différence
  est que les photons peuvent  peupler  à un
  nombre illimité un état. En dautres mots
  plusieurs photons peuvent (statistiquement)
  posséder le même momentum et la même polarisation
  ce qui nest pas le cas avec dautres particules
  élémentaires qui agissent dune façon
   individualiste , comme les électrons.
• Lorsque un grand nombre des photons peuplent un
  état, cet ensemble possède les caractéristiques
  dune onde plane monochromatique. Le momentum est
  dans la direction de propagation de londe et la
  polarisation est celle de londe. Lénergie du
  photon est reliée à la fréquence V de londe par
  la relation q h.V
• où h est la constante universelle de Planck. On
  peut donc dire que londe, dans le sens classique
  du terme, est un ensemble de photons du même état.

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Théorie corpusculaire

• Cette théorie sapplique dans le cas où l'on
  étudie les échanges d'énergie ÉM en énergie
  localisée dans la matière (énergie cinétique ou
  énergie potentielle) et vice versa.
• En effet lénergie est échangée de façon
  discontinue. La quantité d'énergie ÉM échangée à
  un instant donné dépend du nombre de photons qui
  arrivent à ce même instant sur une parcelle de la
  matière.
• Cela signifie que le RÉM ne peut céder à la
  matière que des quantités d'énergie égales à q,
  2q, 3q, ... , nq, n étant un nombre entier et q
  l'énergie élémentaire du RÉM. Si le nombre de
  photons arrivant à la matière est grand, la
  moyenne dans le temps de lénergie échangée avec
  la matière telle que prédit par la théorie
  ondulatoire de Maxwell sera exacte. Cependant,
  dun instant à lautre, cette énergie fluctuera à
  cause de la nature discontinue et statistique du
  RÉM.

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Les paramètres dune onde ÉM

• Une onde ÉM est décrite pleinement si lon
  connaît une série de paramètres. Nous les
  définirons en considérant le champ électrique
  pour des deux raisons
• Si lon connaît lun des champs nous connaissons
  automatiquement lautre vu leur relation intime
• Les phénomènes dinteraction du RÉM avec la
  matière étudiés en télédétection sont
  principalement dus au champ électrique.
• Pour les décrire nous utiliserons la forme
  dune onde simple sinusoïdale

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Les paramètres dune onde ÉM

• Ces paramètres sont
• La longueur donde ou la fréquence
• Lamplitude
• La phase
• La polarisation
• La direction de propagation

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Les paramètres dune onde ÉM variations dans
lespace

• Les ondes se caractérisent par leur longueur
  donde ? ou la distance nécessaire pour que
  londe atteint la même intensité en allant à la
  vitesse de la lumière après deux passages
  consécutifs par létat déquilibre.

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Les paramètres dune onde ÉM variations dans le
temps

• Les ondes se caractérisent par leur période (T)
  ou le temps nécessaire pour que londe complète
  un cycle
• Le fréquence est linverse de la période.
• Longueur donde période et fréquence sont
  reliées par la relation suivante

où c est la vitesse de propagation de londe
(égale à 3x108 m/sec dans le vide et à peu près
dans lair).
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Le spectre ÉM

• Si lon tient compte de lensemble des sources du
  RÉM (naturelles et artificielles) nous
  construisons un diagramme en fonction de la
  longueur donde (ou de la fréquence) le spectre
  ÉM.
• Le spectre est subdivisé à des zones. Dans chaque
  zone la nature des sources ainsi les phénomènes
  dinteraction avec la matière ont beaucoup de
  similitudes

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Spectre et sources

• Une source naturelle , ex. le soleil, est en
  règle générale une source polychromatique (elle
  émet dans plusieurs longueurs donde)
• Une source artificielle, ex. un laser, est en
  règle générale une source pratiquement
  monochromatique (elle émet à une seule longueur
  donde)

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Cependant pour la télédétection de la surface
terrestre toutes les parties du spectre ne sont
pas entièrement disponibles (absorption
atmosphérique) ou elles ne portent pas une
information valable (ondes radio)
Les fenêtres atmosphériques les parties du
spectre où labsorption atmosphérique nest pas
un obstacle
UV ? ultraviolet VIS ? visible PIR ? proche
infrarouge IROC ? infrarouge à ondes courtes IROM
? infrarouge à ondes moyennes IROL ? infrarouge à
ondes longues, communément appelé infrarouge
thermique IRL ? infrarouge lointain
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Les zones spectrales dintérêt pour la
télédétection de la surface terrestre

• Le visible (0,4-0,7 ?m)
• Le PIR (0,7-1,1 ?m)
• LIROC (1,1-3 ?m) (deux fenêtres)
• LIRT (8-14 ?m)
• Les micro-ondes (3cm 100 cm)

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Les paramètres dune onde ÉM lamplitude

• La valeur maximale (ou minimale) de lintensité
  du champs électrique
• Lénergie transportée par londe ÉM est fonction
  du carré de lamplitude
• Lénergie ÉM à une longueur donde ou une
   bande  de longueurs donde? le paramètre de
  base mesuré par un capteur de télédétection

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Les paramètres dune onde ÉM la phase

• Il est commode de décrire le mouvement périodique
  en utilisant un cercle de rayon égal à
  lamplitude et où à 3600 on fait corresponde la
  période T. On définit alors la fréquence
  angulaire ou pulsation comme suit
• À chaque instant la projection du rayon nous
  donne lintensité de londe et langle de
  projection est appelé la phase de londe

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Les paramètres dune onde ÉM la phase

• En utilisant la phase comme axe de représentation
  nous obtenons la représentation suivante

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Les paramètres dune onde ÉM la phase

• Deux ondes de la même fréquence qui se
  rencontrent dans lespace sont dit en phase
  lorsque leurs cycles correspondent parfaitement,
  sinon sont dites déphasées

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La polarization

• La polarisation définit lorientation du vecteur
  électrique à un instant donné
• Le vecteur E peut être décomposé en deux
  vecteurs orthogonaux vertical (Ey) et horizontal
  (Ex)
• Si ces deux composantes sont en phase londe
  vibre le long dun plan la polarisation est dite
  plane

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La polarization

• La polarisation définit lorientation du vecteur
  électrique à un instant donné
• Le vecteur E peut être décomposé en deux
  vecteurs orthogonaux vertical (Ey) et horizontal
  (Ex)
• Si ces deux composantes sont en phase londe
  vibre le long dun plan la polarisation est dite
  plane

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La polarization

• Si ces deux composantes sont déphasées le plan de
  vibration change dun instant à lautre. Le
  vecteur décrit une ellipse ou à la limite un
  cercle.

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Comment le RÉM transmet les informations sur les
objets?

• Un capteur mesure la quantité dénergie ÉM
  provenant des objets.
• Pour fournir une mesure valable une quantité
  minimale dénergie ÉM est nécessaire. Pour ce
  faire, le capteur il faut quil lobserve lobjet
  pendant un court laps de temps (ou temps de
  résidence).
• Pour saffranchir du temps de résidence utilisé
  par un instrument ou lautre nous normalisons la
  quantité dénergie par le temps de résidence.
  Nous parlons ainsi du flux du RÉM (mesure en
  Watts).

En photographie on parle du temps dexposition
pour signifier le temps de résidence nécessaire
pour obtenir une image claire du sujet sous des
conditions spécifiques de luminosité ambiante
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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• Lénergie générée par les objets peut provenir
  des processus physiques internes (radioactivité,
  agitation thermique, etc.) ou après interaction
  avec le RÉM provenant dune source externe (p.ex.
  le soleil)
• Puisque les propriétés physico-chimiques des
  objets varient la quantité de lénergie générée
  et captée à distance varie aussi. Il est donc
  possible dassocier un niveau dénergie mesurée à
  un objet quelconque ou à ces caractéristiques.
• Cependant la seule mesure du flux noffre quun
  potentiel informatif limité

Une image du rayonnement solaire réfléchi dans le
visible
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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• Pour accroître ce potentiel les capteurs sont
  souvent dotés de mécanismes permettant la mesure
  du flux en faisant varier un ou plusieurs
  paramètres des ondes ÉM
• Ex. le spectre, la polarisation
• Avant dexaminer ce principe des mesures
  multiples un mot sur les sources utilisées.

Une image du rayonnement solaire réfléchi dans le
visible
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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• Dans les fenêtres atmosphériques dintérêt le RÉM
  provient principalement du soleil (VIS, PIR,
  IROC) et de lémission propre des objets
  terrestres (principalement IRT objets à des
  températures normales).
• Nous pouvons aussi fabriquer des sources
  artificielles dont les principales sont le laser
  (VIS et Infrarouge) et les émetteurs dans les
  micro-ondes. Seul le radar utilisant un émetteur
  micro-ondes sera examiné dans notre cours

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• Le spectre
• Ce nest pas une idée nouvelle. Nous le faisons
  en  mesurant  le flux provenant des objets dans
  trois bandes spectrales du visible le bleu, le
  vert et le rouge. Le cerveau combine ces mesures
  (stimuli) pour former limpression visuelle de
  la couleur de lobjet.

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• Les couleurs spectrales
• Lorsque la lumière blanche du soleil passe à
  travers un prisme les couleurs dites pures
  spectrales apparaissent. Cest dans les années
  1670 que Isaac Newton (1642-1726) découvrit ce
  procédé de décomposition de la lumière.
• Les différentes couleurs perçues par lil et le
  cerveau humain correspondent à des longueurs
  dondes spécifiques du rayonnement solaire dans
  la partie du visible (de 400 nm à environ 740
  nm).
• Newton nomma sept couleurs (plutôt des plages des
  longueurs dondes) tel que montré dans le tableau
  suivant. Aujourdhui plusieurs ignorent lindigo
  car il est difficile à distinguer. Il est à noter
  que lintensité de la couleur peut altérer
  significativement la perception des couleurs
  spectrales. Par exemple une couleur jaune-orange
  de faible intensité peut être perçue comme du
  brun

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• Les couleurs réfléchies
• Les couleurs perçues sont pour la plupart des
  couleurs réfléchies par les objets et ne sont pas
  des couleurs spectrales.
• Le rayonnement solaire réfléchi dont la longueur
  donde est dans la zone spectrale du visible est
  converti par des photo-pigments dans les cônes
  rétinals en trois signaux qui correspondent à la
  réponse des trois types de cônes.
• Cette réponse est fonction de la longueur donde
  et elle est décrite par les courbes de
  sensibilité spectrale
• La lumière provenant dun objet a sa propre
  distribution spectrale. Cette distribution est
  convertie par les cônes en trois réponses selon
  la sensibilité des cônes aux longues (L),
  moyennes (M) et courtes (C) longueurs donde.
• Ces réponses proviennent de lintégration du
  produit de la sensibilité spectrale des cônes et
  de la lumière provenant de lobjet.
• Deux principes importants découlent de ce
  processus pour la formation des images en
  couleur.
• - La trichromaticité  tout spectre peut
  être réduit à trois valeurs précises sans perte
  dinformation en regard du système visuel.
• - Le métamérisme  les couleurs produits
  par des spectres qui donnent exactement la même
  réponse trichromatique sont indistincts.

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• La télédétection
• Cet aspect de vision a été repris en inventant
  des films couleurs normales.
• Cette capacité a été étendue en intégrant le flux
  dans les longueurs donde hors du visible -? film
  fausses couleurs
• Toutes les fenêtres atmosphériques où nous
  pouvons observer le rayonnement solaire sont
  maintenant accessibles
• Ce principe est étendue dans lIRT et dans les
  micro-ondes

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• La polarisation
• Une source naturelle émet dune façon en un
  continuum de longueurs dondes dune façon
  aléatoire. Nous parlons dune source incohérente.
  Leur polarisation est aléatoire. Très peu
  dobjets réfléchissent le rayonnement solaire en
  lui donnant en partie un plan de polarisation
  défini (réflecteurs spéculaires). Ainsi la
  polarisation nest utilisé que pour les études
  spécialisées de ce type dobjets
• La même chose pour lIRT
• Pour les radars le fait de pouvoir produire du
  rayonnement monochromatique et donc cohérent
  permet dextraire des informations intéressantes
  sur les propriétés des objets en mesurant le flux
  à une ou plusieurs longueurs dondes et en
  faisant varier la polarisation

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• La polarisation
• Un exemple avec les images radar

HH HV
VV
Composition colorée
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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• La phase
• La mesure de la phase est lapanage des capteurs
  du type radar (rayonnement ÉM monochromatique)
• Cette mesure est essentielle pour 1) former des
  images radar 2) appliquer des techniques
  dextraction de linformation des données
  polarimétriques et 3) appliquer des techniques
  dites dinterférométrie radar visant à extraire
  une information 3-D sur les objets.

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Comment le RÉM peut transmettre des informations
sur lenvironnement?

• La direction de propagation
• La direction de propagation est utilisée par des
  capteurs du rayonnement solaire réfléchi ou les
  capteurs dans lIRT pour localiser un objet
  particulier sur la surface terrestre
• On commence à lutiliser comme paramètre pour
  reconnaître les caractéristiques des objets
  autant dans le cas du rayonnement solaire et du
  rayonnement micro-ondes.

Variations du flux en fonction de langle de
visée du capteur (direction de propagation)
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La semaine prochaine (suite et fin)

• Capteurs
• Plates-formes
• Méthodes dextraction de linformation