La télédétection
La télédétection est l'ensemble des techniques qui sont utilisées pour la détermination à distance des propriétés des surfaces et de l'atmosphère terrestres à partir des rayonnements qu'elles réfléchissent ou émettent dans différents domaines de longueurs d'ondes.
Un rayonnement se caractérise par une onde électromagnétique qui se propage dans un milieu et interagit avec celui-ci. Le spectre du rayonnement électromagnétique comprend différents domaines d'ondes caractérisées par leur longueur d'onde et leur fréquence.
Le spectre du rayonnement électromagnétique
Le flux de l'énergie solaire se trouve dans le domaine des longueurs d'ondes compris entre 0,15 et 4,0 µm, alors que celui émis par la surface terrestre est compris entre 3 et 100 µm. Ils correspondent à ce que l'on appelle le rayonnement optique.
Répartition du flux d'énergie émis par le Soleil (en bleu) et du flux d'énergie émis par le système Terre- atmosphère (en rouge), par unité de surface en fonction de la longueur d'onde en assimilant le Soleil et la Terre à des corps noirs respectivement à 6000 K et à 300 K. En abscisse, les longueurs d'onde sont en échelle logarithmique. Comme les deux courbes sont tracées avec des échelles différentes, on ne peut pas les comparer directement, ni les faire se recouper. En réalité, la limite des deux spectres se situe vers 4,8 µm.
On parle de télédétection passive lorsque le satellite reçoit :
- le rayonnement solaire incident réfléchi par la surface terrestre et l'atmosphère dans le domaine du visible et de l'infrarouge proche,
- le rayonnement propre de la Terre dans l'infrarouge lointain.
On parle de télédétection active lorsqu'une source de rayonnement est embarquée à bord du satellite. Ce rayonnement est émis en direction d'un objet qui le réfléchit. Le rayon réfléchi est capté par le satellite. C'est le principe du radar.
L'imageur embarqué à bord des satellites météorologiques géostationnaires (Météosat...) est un capteur passif. En revanche, le radar altimètre du satellite océanographique Jason, qui surveille l'évolution du niveau de la surface de la mer, est actif. Quant au satellite météorologique défilant MetOp, il embarque à la fois des capteurs passifs (imageur, sondeur...) et un émetteur-récepteur, le diffusiomètre Ascat, qui permet de déterminer la direction et la force du vent à la surface des océans.
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| Télédétection passive | Télédétection active |
Deux modes de télédétection
L'intérêt des satellites
L'homme utilise la lumière visible, réfléchie ou émise par les objets, pour s'informer sur son environnement. Mais le domaine du visible ne représente qu'une toute petite partie du spectre des ondes électromagnétiques. Les capteurs des satellites permettent d'étendre le domaine d'exploration dans les infrarouges et les ondes radar. Comme les matériaux réagissent différemment selon les domaines spectraux, l'extension des gammes de longueurs d'ondes détectées permet une meilleure discrimination des objets.
La notion de canaux
En fonction de l'objet à étudier, certaines bandes spectrales, ou canaux, ont été sélectionnées. Ainsi, un même objet est observé dans plusieurs gammes de longueurs d'onde différentes. Par exemple, Météosat 10 possède douze canaux dans les domaines des rayonnements d'origine solaire et d'origine terrestre. Le rayonnement "visible" est une partie du rayonnement solaire, et le rayonnement d'origine terrestre est essentiellement de l' infrarouge.
Le fonctionnement d'un radiomètre
Le principal instrument utilisé dans les satellites géostationnaires est le radiomètre-imageur ou imageur. Les satellites défilants météorologiques possèdent en plus des radiomètres-sondeurs. Dans les ceux cas, il s'agit de systèmes passifs. La radiométrie consiste à mesurer les grandeurs caractéristiques des radiations électromagnétiques et le radiomètre est l'instrument qui permet ces mesures.
Les radiomètres comprennent les éléments suivants :
1. Une partie optique :
- qui collecte le rayonnement et forme l'image de l'objet dans le plan des détecteurs grâce à une lentille ou un miroir concave,
- qui sélectionne les bandes spectrales d'observation, chacune constituant un canal.
On distingue les radiomètres-imageurs des radiomètres-sondeurs selon le nombre et la largeur des bandes :
-Dans les radiomètres-imageurs, le nombre de canaux est peu élevé et les bandes sont larges. Ils traduisent les mesures de rayonnement en images. Exemple : trois canaux pour les satellites Météosat 1 à 7, 12 pour les MGS-1 et 2.
-Les radiomètres-sondeurs possèdent un grand nombre de canaux, ce qui permet d'analyser finement la répartition du rayonnement selon la longueur d'onde. De cette analyse, on peut déduire les profils verticaux de la température et de l'humidité dans l'atmosphère. Exemple : le sondeur ATOVS des satellites NOAA possède 19 canaux dans le domaine des infrarouges et 20 dans celui des micro-ondes.
Actuellement, les interféromètres remplacent les radiomètres. Le sondeur IASI de MetOp possède 8 000 canaux dans l'infrarouge, ce qui augmente la précision des mesures et la résolution spatiale.
2 .Des détecteurs qui assurent la conversion des photons en grandeur électrique.
3 Une partie électronique qui permet l'amplification et la numérisation point par point (pixel) du signal avant sa transmission à la Terre.
Principe de fonctionnement d'un radiomètre
L'acquisition des images (avec l'accord de Jean Cassanet)
Pour acquérir une image au cours du survol d'une région, on combine le mouvement du satellite dans une direction et le balayage opéré par le capteur selon une direction transversale.
Le balayage peut être obtenu :
- par un miroir tournant (exemple : capteur AVHRR des satellites NOAA),
- par l'association de milliers de détecteurs côte à côte (exemple : technique push-broom des satellites Spot),
- par la rotation du satellite sur lui-même et le déplacement de l'axe de visée du télescope (exemple : capteur des satellites Météosat).
|  Balayage par miroir tournant
(radiomètre AVHRR des satellites NOAA) |  Balayage par technique "push-broom"
(radiomètre HRV des satellites Spot) |
Rotation du satellite sur lui-même et déplacement de l'axe de visée du téléscope (Météosat)
Principe des radars
Ces dispositifs radar opèrent généralement dans le domaine des longueurs d'ondes centimétriques. Ces radiations offrent l'avantage d'être peu absorbées par les nuages présents dans l'atmosphère, ce qui représente un intérêt indéniable pour l'observation de régions soumises de façon quasi permanente à une forte couverture nuageuse. En pratique, l'émission s'effectue par paquets d'impulsions dont on mesure la durée d'aller-retour entre l'antenne et la cible visée.
Un radar peut opérer globalement selon deux modes :
- en visée verticale,
- en visée latérale.
Principe des radars embarqués par un satellite, visée verticale ou latérale
Un radar fonctionnant en visée verticale ne peut discriminer les points A et B car l'écho revient au même instant au capteur du satellite. Les points A et B se trouvent alors géographiquement confondus. La visée radar verticale concerne les mesures altimétriques. Pour obtenir des images radar, il est nécessaire d'opérer en visée latérale. Dans ce cas, si un paquet d'impulsions est émis de l'antenne, sa rétrodiffusion par B reviendra plus tard que sa rétrodiffusion par A. A et B pourront alors être géographiquement séparés.Pour cette raison, les radars imageurs fonctionnent en visée latérale.
Transmission atmosphérique et bandes spectrales des capteurs
La mesure effectuée par les capteurs dépend du pouvoir d'absorption ou de transparence de l'atmosphère dans les différentes longueurs d'ondes.
Transmission atmosphérique et bandes spectrales du capteur AVHRR des satellites NOAA en rouge et du radiomètre des satellites Météosat 1ère génération en vert.
Dans l'exemple ci-dessus, les canaux 1 et 2 se situent dans une " fenêtre " de transparence, alors que le canal E se situe dans une " fenêtre " d'absorption de la vapeur d'eau.
Les capteurs sont généralement multicanaux. Le capteur AVHRR des satellites NOAA comprend 5 canaux (de 1 à 5, repérés en rouge).Le radiomètre des satellites Météosat de première génération comprend 3 canaux (C, D, E, repérés en vert).
Pour chaque canal et chaque pixel de l'image, le capteur associe un niveau de gris (codé de 0 : noir, à 255 : blanc, pour Météosat, suivant l'énergie reçue : cela est vrai pour les images dans le visible. Les images en infrarouge sont dites " inversées ", c'est-à-dire que les palettes de couleur vont du noir pour les fortes intensités au blanc pour les faibles intensités. On obtient alors une " grille image " ou matrice (de gris pour chaque canal). Une nouvelle séquence a lieu toutes les 15 minutes pour les satellites Météosat de seconde génération et toutes les 30 minutes pour les satellites Météosat de première génération).
Le radiomètre Seviri des satellites Météosat actuels comprend 12 canaux. Chacun des canaux fournit des informations différentes qui, par étalonnage et recoupage, permettent d'interpréter les données.
Sur l'exemple ci-dessous, la combinaison, grâce à un algorithme développé au Centre de météorologie spatiale, de huit des douze canaux de SEVIRI permet de composer une image colorée. Ce sont de fausses couleurs, mais cette composition colorée a pour but de synthétiser sur une seule image, à destination des prévisionnistes ou des médias, une grande partie des informations reçues par Meteosat Seconde Génération.
Composition colorée 8 canaux- MGS
Bandes spectrales des 12 canaux de l'imageur Seviri de MGS.
La bande spectrale du canal C12 -HRV est comprise entre 0,5 et 0,9 µm.
Énergies mesurées dans les différentes bandes spectrales
Domaine de réflexion de l'énergie solaire, émission propre de la Terre et canaux des satellites NOAA et Météosat 1e génération
Ce schéma illustre la nature et l'origine des énergies mesurées. Les canaux C, 1 et 2 mesurent le rayonnement solaire réfléchi par les nuages, le sol, les océans, etc. Les canaux E, D, 4 et 5 mesurent le rayonnement émis par la Terre et son atmosphère (nuages, sol, océans,...). La particularité du canal 3 est qu'il mesure des longueurs d'onde émises aussi bien par le Soleil que par la Terre.
Les canaux 4 et 5 du capteur AVHRR ainsi que le canal D de Météosat permettent d'accéder aux températures de surface des nuages, des océans et de la Terre.
