Module 1: Les images du rayonnement solaire rflchi

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Module 1 Les images du rayonnement solaire
réfléchi

• Un peu dhistoire
• Formation des images bases physiques
• Formation des images bases technologiques

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Un peu dhistoire

• La première photo prise du haut des airs
  (Paris 1858) par Gaspar Felix Tournachon dit Nadar

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Prise de photos (les avions)
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Prise de photos (les satellites)Fin années 1980
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Le présent

• Depuis surtout les années 1990 le passage de plus
  en plus marqué à lère de la télédétection
  électronique et numérique du rayonnement solaire
  réfléchi

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Formation des images bases physiques

• Le cycle du rayonnement solaire
• 1. Émission du RÉM par le soleil
• 2. Passage par latmosphère
• 3. Interaction avec la surface
• 4. Passage de nouveau par latmosphère
• 5. Captage

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1. Le soleil comme source de RÉM

• Constante solaire
• Répartition spectrale
• Position

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1. Le soleil comme source de RÉM

• La photosphère une source incandescente à 5900 K
  environ
• Selon les lois physiques une telle source émet
  (toute longueur donde confondue) tenant compte
  de son rayon quelques 3x1026 W
• Ce flux dans une direction baisse en raison du
  carré de la distance
• La terre se trouve à une distance moyenne de 150
  000 000 km du soleil (ou 1 unité astronomique)
• À une telle distance le flux qui traverse une
  surface de 1 m2 est de 1350 W
• Cette densité de flux (éclairement) est appelée
  la constante solaire

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1. Le soleil comme source de RÉM

• Cette constante solaire doit être ajustée selon
  la date puisque la distance Terre-Soleil change.

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1. Le rayonnement solaire répartition spectrale
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Les longueurs donde du rayonnement solaire les
grandeurs impliquées.
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1. La position du soleil

• Importante à connaître lors de lacquisition de
  données

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2. Le passage par latmosphère absorption par
les gaz

• Les gaz atmosphériques absorbent une partie du
  rayonnement solaire ne laissant passer que le
  rayonnement entre 0,38 ?m et 2,5 ?m tout en
  réduisant son intensité (entre 1 à presque 25
  mais parfois à presque 100) selon la longueur
  donde

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2. Le passage par latmosphère la diffusion par
les molécules des gaz et les particules en
suspension

• Les particules atmosphériques changent la
  direction de propagation du rayonnement solaire
  en fonction de la longueur donde et de leur
  taille
• La diffusion diminue lintensité du rayonnement
  solaire direct mais de lautre côté crée une
  source secondaire déclairement de la surface
  éclairement du firmament
• Molécules des gaz dimension inférieure à la
  longueur donde ? La diffusion par les molécules
  des gaz est appelée diffusion de Rayleigh
  beaucoup plus importante pour des faibles
  longueurs donde (bleu) ? ce qui explique la
  couleur bleu du ciel
• Particules en suspension dimension de lordre de
  la longueur donde ? La diffusion importante
  aussi pour les plus grandes longueurs donde ?
  diffusion de Mie
• La diffusion par des nuages (affectent toutes les
  longueurs dondes ) car la dimension de leurs
  particules supérieure à la longueur donde ?
  diffusion non sélective

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2. Le passage par latmosphère la diffusion par
les molécules des gaz et les particules en
suspension
Pourcentage de léclairement diffus du ciel dans
le rayonnement global incident à une surface en
fonction de lélévation solaire et pour diverses
longueurs donde
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3. Linteraction avec la surface
La capacité de réfléchir des objets la
réflectance La variation de la réflectance dans
le spectre ? signature spectrale
I R A T 1 (R/I) (A/I) (T/I)
Réflectance Absorptance Transmittance
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(No Transcript)
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3. Linteraction avec la surface
X
La base de la télédétection du rayonnement
solaire réfléchi
Exitance (en ignorant latmosphère)
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3. Ouvrons une parenthèse rayonnement réfléchi
et couleur des objets

• Lil humain est capable de percevoir le RÉM qui
  a des longueurs donde allant de 0,4 ?m à 0,7 ?m
  (rayonnement visible ou lumière)

La lumière selon les longueurs donde qui la
composent nous donne une sensation différente, la
couleur
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3. Ouvrons une parenthèse rayonnement réfléchi
et couleur des objets
Pourquoi un uf blanc est-il blanc?
Pourquoi une pomme rouge est-elle rouge?
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3. Ouvrons une parenthèse relation entre
réflectance des objets et couleur un petit test
Quel image correspond à quelle courbe de
réflectance?
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4. Le nouveau passage par latmosphère

• Latmosphère terrestre absorbe une partie du
  rayonnement réfléchi, en diffuse une autre tout
  en ajoutant un rayonnement  parasite  dû à la
  diffusion atmosphérique directement vers le
  capteur créant un  voile  atmosphérique

Voile atmosphérique localisé au-dessus de la
ville de Mexico
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Le problème des nuages
Images satellites
Image aérienne
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5. Le captage du rayonnement solaire réfléchi

• Le système optique du capteur recueille une
  portion du rayonnement réfléchi et le focalise
  sur la surface photosensible du détecteur
• Le détecteur peut être un film (émulsion
  photographique) ou un détecteur électronique
  (photodiode, CCD, etc.)

• Les longueurs donde dopération
• La sensibilité spectrale
• Le rayonnement total mesuré

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5. Le captage les films photographiques
Les films photographiques sont sensibles au
rayonnement solaire avec des longueurs dondes
qui peuvent aller du proche UV au PIR
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5. Le captage les films photographiques en NB
Souvent les courtes longueurs dondes sont
bloquées par un filtre pour minimiser le voile
atmosphérique
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Exemple
Film panchromatique
Film IR noir et blanc
1 10 000
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5. Le captage les films photographiques en
couleur

• Film couleurs normales - Film infrarouge
  couleur

Souvent les courtes longueurs dondes sont
bloquées par un filtre pour minimiser le voile
atmosphérique
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Comparaison des films couleurs
Couleurs naturelles
Infrarouge couleur (Réflexion spéculaire)
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Comparaison des films couleurs

• Pourquoi les toits rouges sont jaunes sur le film
  IR couleur ? Vert Rouge IR
• non oui oui
• Bleu Vert Rouge
• Vert rouge jaune
• Que dire sur la nature du gazon du stade ?

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Un dernier exemple
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5. Le captage les détecteurs électroniques
Des détecteurs électroniques peuvent être
fabriqués pour couvrir lensemble du spectre
solaire
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5. Le captage les images panchromatiques

• Deux types images ne couvrant que le visible
  (1), images couvrant le visible et le PIR (2)

Type 1 ex. SPOT-4 Type 2 ex.
Landsat-7 ETM8
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5. Le captage les images multispectrales

• Mesure du flux en simultanée dans une dizaine de
  bandes spectrales au maximum
• Exemples avec les capteurs TM et ETM de Landsat

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La multi-spectralité sensibilité spectrale
TM 4
TM 5
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Mesure simultanée du flux dans plusieurs bandes
spectrales
Bande Bleu
Bande PIR
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Extraits 6 bandes spectrales
VERT (0,53-0,61 µm)
ROUGE (0.63-0,69 µm)
BLEU (0,45-0,52 µm)
PIR (0,75-0,90 µm)
IROC1 (1,55-1,75 µm)
IROC2 (2,08-2,35 µm)
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(No Transcript)
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(No Transcript)
40
(No Transcript)
41
(No Transcript)
42
(No Transcript)
43
(No Transcript)
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5. Le captage les images hyperspectrales

• Mesure du flux en simultanée dans deux centaines
  de bandes spectrales

Ex. système AVIRIS
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5. Le captage le rayonnement mesuré
Les capteurs ne mesurent pas lexitance totale de
la surface mais le flux à lintérieur dun cône
imaginaire plus ou moins restreint dans lespace
(luminance) ainsi certains phénomènes
apparaissent dus à lanisotropie de réflectance
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5. Le rayonnement mesuré

• La réflectance est une fonction complexe de la
  rugosité de surface, de la présence dun couvert
  végétal, lhumidité, etc. Souvent on suppose que
  la réflectance est le résultat de trois types de
  réflexion spéculaire, diffuse et rétrodiffuse

Alors pour une position du soleil donnée comment
le capteur est orienté changera la luminance
mesurée et vice versa
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5. La mesure du rayonnement

• Quelle composante domine dépend des
  caractéristiques de la source (collimée
  hémisphérique) et de la position du capteur

Soleil à 350
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5. Le rayonnement mesuré
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5. Le rayonnement mesuré
Un capteur satellital à faible angle total
dobservation
Un capteur aéroporté large angle total
dobservation
Visée du même côté que le soleil
Visée à lopposé du soleil
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Bases technologiques

• Les capteurs les composantes
• Patrons déchantillonnage spatiale du
  rayonnement solaire réfléchi
• Formation des clichés
• Formation des images par des balayeurs à râteau
• Formation des images par des balayeurs à fouet

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Le système de collecte

• Optique de réfraction et optique de réflexion
• Contrôle du rayonnement incident
• - obturation
• - filtrage
• Détection du rayonnement
• - les émulsions photographiques
• - les détecteurs électroniques
• La mesure du rayonnement

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Optique de réfraction et de réflexion

• Différentes dispositions de lentilles ou miroirs
  pour former limage de la surface visée
• Lentilles ? objectifs
• Miroirs ? télescopes (utilisés surtout avec des
  capteurs à bord de satellites)

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Le contrôle du rayonnement lobturation

• Obturateur ? contrôle du temps dexposition du
  détecteur photosensible (obturateurs mécaniques
  ou électroniques)
• Un exemple avec un obturateur mécanique
• a. Lobturateur souvre  très peu de
  rayonnement est admis
• b. Lobturateur est à moitié ouvert
• c. Lobturateur est grand ouvert  une
  quantité suffisante de rayonnement est admise
  pour produire une image de qualité
• d. Lobturateur est en train de fermer
• e. Lobturateur est presque fermé bloquant la
  plus grande parte du rayonnement de pénétrer le
  capteur.

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Le contrôle du rayonnement lobturation

• Lobturateur contrôle le temps t durant lequel le
  film ou le détecteur électronique est exposé au
  RÉM (vitesse dobturation)
• Sous exposition Temps dexposition trop court
• image sans
  contraste (très sombre)
• Sur-exposition Temps dexposition trop long
• Forts contrastes,
  manque de nuances.
• Le temps t dobturation se mesure en centièmes
  de seconde et il doit-être ajusté à la vitesse de
  la plate-forme et la vitesse de léchantillonnage
  (cas dun capteur numérique.

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Le contrôle du rayonnement le diaphragme

• Le diaphragme contrôle louverture effective du
  système optique
• Le rapport longueur focale/ouverture ou F-STOP

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Le contrôle du rayonnement filtrage et contrôle
chromatique

• Filtres matériaux optiques bloquant le
  rayonnement dans certains longueurs dondes ne
  laissant passé que certaines longueurs dondes ou
  matériaux pouvant modifié lintensité du
  rayonnement selon sa direction dincidence au
  système optique
• Contrôle chromatique élément doptique (prismes,
  échelettes, etc.) pouvant séparer le rayonnement
  selon sa longueur donde

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Attention

• Vitesse dobturation, diaphragme, filtres
  contrôlables par léquipage dans le cas
  dacquisition des images par avion paramètres
  fixes pour lacquisition par des capteurs
  spatiaux automatiques.

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Le film photographique

• Lénergie délivrée par le rayonnement modifie la
  structure chimique du film plus le rayonnement
  qui frappe un endroit précis du film est intense
  plus les modifications sont importantes à cet
  endroit,
• Le développement du film (image latente) au
  laboratoire permet de générer une photographie
  (en noir ou blanc ou en couleurs

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Les détecteurs électroniques

• Photodiodes
• Photomultiplicateurs
• CCD et CMOS, etc.
• Changement du voltage en fonction de la
  quantité des photons qui frappent la surface des
  ces matériaux donc possibilité de mesure

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Échantillonnage spatial
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1. Formation des clichés

• La notion dun instantané
• Optique de réfraction
• Les caméras à clichés photographiques
• Les caméras à clichés numériques

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Images instantanées
Échantillonnage spatiale 2-D de lensemble des
unités déchantillonnage
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Caméras à clichés photographiques

• La chambre la collecte du rayonnement solaire
• Lobjectif
• Lobturateur
• Le diaphragme
• Le filtre

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Lobjectif un système de lentilles

• La longueur focale Distance entre le point nodal
  (fusion des rayons dans lobjectif) et le plan
  focal (formation de limage)
• La vitesse de lobjectif le diamètre de son
  ouverture maximale
• Le champ angulaire de vue

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Clichés photographiques

• En photographie aérienne ou spatiale les valeurs
  de la distance focale varient de quelques
  millimètres à un mètre selon les dimensions du
  cliché
• Cliché 23 cm x 23 cm
• f 85 mm (super grand angulaire)
• f 150 mm (grand angulaire)
• f 300 et 600 mm (télé-objectif)
• Avec ce cliché, une distance focale de 150 mm
  est habituellement employée, cependant pour les
  zones montagneuses ou les villes avec des
  bâtiments hauts on préfère la 300 mm pour réduire
  les distorsions dues au relief ou aux structures
  3-D (à examiner la semaine prochaine)

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Un exemple dun cliché photographique standard
Marques fudicielles
Paramètres de prise de vue
23 cm
23 cm
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Caméras à clichés numériques
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Les images des balayeurs à râteau
Le passé les caméras zonales
Le présent les balayeurs à râteau
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Balayeur à râteau
70
Balayeurs à râteau (exemple HRVIR SPOT-4)
 
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Les balayeurs à époussette
72
(No Transcript)
73
Les balayeurs hyperspectraux