Vincent GODARD

Département de Géographie

Université de Paris 8


V.2.5 - Dernière mise à jour : 18/02/2022

Fiche Mémo n°3.1. du cours de Télédétection niveau 2 :

Conception générale des capteurs

 

Rôle et fonctionnement des capteurs les plus usuels en télédétection satellitaire

 

1. Les capteurs passifs

Capteurs caractérisés par leur dépendance vis-à-vis des sources de rayonnement extérieures

Leur fonction :

- détection du signal électromagnétique émis ou réfléchi par la Terre et l'atmosphère

- puis conversion en 1 grandeur physique traitable et enregistrable

2 types de capteurs sont à envisager

 

1.1 Les capteurs à vision instantanée

Permettent une acquisition quasi instantanée de la scène, mais ne sont plus guère utilisés !

1.1.1. Les chambres photographiques

Elles peuvent être métriques ou non-métriques

a) Métriques

- rayons lumineux non déviés dans l'objectif

- distance principale parfaitement connue

- support d'émulsion rigoureusement plan et perpendiculaire à l'axe optique

- Format, successivement (en cm) :

- 9 * 13

- 9 * 18

- 18 * 18

pour laisser place au :

- 24 * 24 (ce format est resté avec le numérique)

et du négatif noir et blanc sur plaques de verre au positif couleur sur film (avant l'avènement du numérique ou de la numérisation !).

Ce sont des documents analogiques qui sont maintenant numérisés pour la diffusion (voir le site de l'IGN par exemple et son portail).

 

- Certaines missions ont opéré simultanément dans plusieurs bandes spectrales

Ex : Spacelab européen sur la navette Columbia en décembre 1983 (filtres + dif. émulsions)

format 23 * 23 couvrant 180 km de côté

b) Non métriques

Elles n'ont pas toutes ces qualités

- Ne permettent pas en théorie la photogrammétrie ni la quantification

- Très bien comme complément en vues obliques

- Format :

- 6 * 6

- 6 * 9

Marques les plus courantes : Hasselblad, Technika, Mamiya, etc.

c) Un cas à part : le 24 * 36 classique (et maintenant les formats numériques professionnels ou non, voir plus loin)

En théorie

- Ne permet pas la couverture exhaustive d'un périmètre d'étude

champ trop faible

- ni les travaux de photo-interprétation et à fortiori de photogrammétrie

déformations trop fortes et variables

 

1.1.2. Les caméras électroniques à balayage

- Permettent également une acquisition quasi instantanée

- Principe :

- impression d'un support rémanent

- puis lecture par balayage du support à l'aide d'un faisceau électronique

Ex : Caméra Return Beam Vidicon des satellites Landsat 1 à 3

 

1.2 Les capteurs séquentiels

L'acquisition de la scène s'effectue ligne par ligne

1.2.1. Les radiomètres à balayage mécanique (scanners)

- Les radiomètres recueillent l'information en continu sur 2 axes

- l'axe de vol du vecteur

- l'axe de balayage du système (perpendiculaire au précédent)

- Six éléments constituent le capteur

- Le miroir : réalise mécaniquement le balayage de la surface

oscillant pour les MSS et TM de Landsat

tournant pour le AVHRR de NOAA

plusieurs centaines de tours ou oscillations par seconde

- L'objectif de focalisation : concentre l'énergie recueillie par le balayage sur la surface sensible de la cellule détectrice

- Le système de filtrage : sélectionne l'information dans le domaine spectral choisi

- La cellule détectrice : transforme le rayonnement électromagnétique en courant électrique

- la tension est fonction de l'intensité du rayonnement

- il y a autant de détecteurs que de bandes à enregistrer

- Un amplificateur et un enregistreur (analogique ou numérique)

Ex. Capteurs MSS et TM de Landsat 1 à 5

fig. 1a - Schéma du radiomètre à balayage "Thematic Mapper" (d'après le "Users Handbook" de la NASA)


Source : Educnet

- Cas particulier des satellites géostationnaires type Météosat

- Tournent autour de leur axe d'inertie

- A chaque rotation, 1 vérin décale leur télescope vers le Nord

- Au sol, chaque ligne est plus au Nord de 5 km (Meteosat 1 à 7)

- actuellement (Meteosat 8 et 9)

=> 3 km dans l'infrarouge

=> 1 km (au lieu de 2,5 km) pour certains canaux du visible

- En 25 min, Météosat (1 à 7) va balayer du Sud au Nord

- 2 500 lignes de 5 km dans l'InfraRouge Moyen (bande E) et l'InfraRouge Thermique (bande D)

- 5 000 lignes de 2,5 km dans le visible et le Proche InfraRouge (bande C)

- actuellement (Meteosat 8 et 9) => 15 mn

- Retour du télescope en position initiale pendant les 5 min suivantes

 

1.2.2. Les radiomètres à barrettes de détecteurs (push broom)

Le rayonnement est reçu par une ou plusieurs barrettes de cellules de détection

- Permet d'analyser en une seule fois une ligne de paysage

élimination des risques de défaillances mécaniques des miroirs

- Dans le cas de SPOT 1 à 4

La cellule de détection est une photodiode carrée de 13 mm de côté

La barrette contient 1 728 détecteurs et mesure 2,5 cm de long

Une bande de terrain de 60 km par 10 m est mesurée par 4 barrettes

car seuls 1 500 des 1 728 détecteurs sont utilisés (pour annuler l'effet de bords)

6 000 signaux sont détectés en 1,5 ms

Au total, 16 barrettes sont mises en oeuvre

- 1 ligne de 4 barrettes pour le mode panchromatique (P)

1 détecteur = 1 pixel (10 * 10 m)

- 3 lignes de 4 barrettes pour le mode multibande (XS)

les détecteurs sont groupés 2 par 2 pour 1 pixel (20 * 20 m)

Pixel = champs instantané d'observation (IFOV : Instantaneous Field Of View)

- Dans le cas de SPOT 5

- Il n'y a plus qu'une seule barrette (deux pour le Supermode)

- Elle contient 12 000 détecteurs de 6,5 * 6,5

 

- Pour Landsat 8

- Abandon des miroirs oscillants ;

- Barette de 7000 détecteurs de type pushbroom par bande (cf. Wikipédia Landsat 8)

 

Un cas à part, sur la même technologie :

les appareils photo numériques professionnels, avec des capteurs haute définition, comme les grands formats (en 2011) 38 X 54 mm en 22 millions de pixels, soit 4050 X 5400 dpi.

Ils ont les même défauts que les anciens appareils photographiques analogiques non métriques, mais permettent des relevés de terrain très satisfaisants si on ne fait pas de photogrammétrie, par exemple : the Florida Gap Project

Les photos présentées ici n'ont pourtant qu'une résolution de (!) : 1012 x 1524 pixels, mais ce sont des codages sur 24-bit !

 

 

Pour conclure, la télédétection passive comporte aussi des capteurs opérant dans le domaine :

- du thermique ;

- des hyperfréquences.

Tout objet émet une certaine quantité d'énergie dans les hyperfréquences (et/ou le thermique),

mais sa magnitude* est en général faible.

En raison de la très grande longueur d'onde, l'énergie disponible est faible.

Pour enregistrer un signal, le champ doit être large.

La plupart des capteurs passifs à hyperfréquences (ou thermique) ont une faible résolution :

Canal 6 (thermique) de Landsat TM => 60 m (au lieu de 30 !)

La source d'énergie étant faible,

ces capteurs sont sensibles au bruit.

Quelques satellites à balayage en hyperfréquences passives :

- Marine Observation Satellite (MOS, Japon)

- Japan Earth Ressource Satellite (JERS)

 

2. Les capteurs actifs

Capteurs caractérisés par leur autonomie vis-à-vis des sources de rayonnement extérieures

Ces capteurs illuminent artificiellement leur cible

C'est le domaine des micro-ondes

Ils peuvent enregistrer :

- la nuit

- sous couvert nuageux

- Les systèmes actifs comprennent :

1 émetteur, 1 récepteur et 1 antenne émettrice/réceptrice

- Ils fonctionnent sur le principe de la rétrodiffusion

C'est l'humidité et la rugosité des cibles qui influencent le plus le retour des ondes radars vers le capteur

- Ils concernent 2 domaines spectraux :

- le visible et le PIR ;

- les hyperfréquences actives.

 

2.1. Le visible et le PIR

Ce ne sont pas forcément les capteurs les plus courant, mais certaines applications nous concernent.

 

2.1.1. Les lidars

Les lidars (Light Detection and Ranging), techniques lasers, sont utilisés pour étudier :

- la rétrodiffusion des particules atmosphériques (pollutions atmosphériques, ...)

- la profondeur des fonds marins (jusqu'à 50 m), la hauteur des formations végétales, etc.

Exemples de production de MNT (modèle numérique de terrain) et de MNE (modèle numérique d'élévation) par levés laser aéroportés de la société Toposys pour les applications suivantes :

fig. 1 - Extrait du MNT de la ville de Ravensburg


Source : Toposys 2003

fig. 2 - Extrait du MNS de la ville de Ravensburg


Source : Toposys 2003

- côtes et des cours d'eau (suivi des crues et des marées) ;

- modèles urbains (cartographie des bâtiments, de leur hauteur, des surfaces imperméabilisées, de leur pente, ...) ;

fig. 3 - Extrait du MNS de la ville de Lille en représentation 3D


Source : Toposys 2003

- mines à ciel ouvert et décharges (modifications de surfaces, effondrements, ...) ;

- gestion des forêts (décompte des arbres, calcul des hauteurs, estimation des volumes de bois exploitables, ...).

fig. 4 - Hauteur des arbres dans un secteur forestier en Finlande (teinte hypsométrique)


Source : Toposys 2003

fig. 5 - Comptage d'arbres sur un extrait du MNS d'une plantation d'eucalyptus en Europe du sud


Source : Toposys 2003

 

Une vidéo de lidar terrestre pour comprendre le lien avec le lidar aéroporté : La géomatique pour une gestion durable des forêts, Universite de Sherbrooke, 2010

 

fig. 6 - Caractéristiques du vol


Source : Toposys 2003

 

Quelques caractéristiques du laser aéroporté (hélicoptère ou avion) de la société Toposys :

- La résolution spatiale* peut être de l'ordre de 0,02 m selon l'altitude du vecteur (900 m en général, 1 600 m maximum)!

- La longueur d'onde est de 1 560 nm ;

- L'angle d'ouverture de 14,3° sous le vecteur ;

- 127 mesures par ligne ;

- 653 lignes par secondes ;

- Intervalle de 0,1 m à 65 m/s.

 

 

Autre exemple de Lidar chez TerraImaging-Paris

 

2.2. Les hyperfréquences actives

- dans les hyperfréquences actives (3 à 30 cm de longueur d'onde)

Les radars centimétriques (Radio Detection and Ranging) sont globalement transparents aux particules atmosphériques

- On distingue :

- les radars non-imageurs ;

- les radars imageurs.

 

2.2.1. Les radars non-imageurs

- Les radars non imageurs peuvent effectuer des mesures :

- altimétriques très précises (altimètre sur ERS, TOPEX/Poseidon et son successeur JJason-1, GEOSAT et SEASAT)

- mesure du géoïde marin

- vitesse du vent

- diffusométriques (diffusomètre sur ERS et SEASAT)

- vitesse et direction du vent

- direction des houles pour la rugosité de surface

- Dans la plupart des cas, ces instruments :

- tracent des profils dans une seule dimension ;

- pointent au nadir sous la plate-forme (le vecteur).

contrairement aux radars imageurs.

 

On trouvera des exemples d'altimétrie radar sur les sites suivants :

Jason www.jason.oceanobs.com

CERGA grasse.obs-azur.fr/cerga/gmc/kids

NASA sealevel.jpl.nasa.gov

 

2.2.2. Les radars imageurs

- Les radars imageurs à visées latérales sont les plus répandus

Radar signifie : détection et télémétrie par radio (RAdio Detection and Ranging)

Actuellement, les radars sont à synthèse d'ouverture (RSO)

Ils concentrent les ondes pour réduire la taille des antennes.

Le radar est un instrument qui sert essentiellement à mesurer des distances.

fig. 7 - Principe de base des radars


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

- Principe :

- 1er temps : Émission de paquets d'impulsions électromagnétiques* (A) vers le sol

sous forme de faisceaux étroits transversaux à la trace (B)

- 2e temps : Diffusion et réflexion du rayonnement incident par les objets terrestres cibles (rétrodiffusion*)

- 3e temps : Réception de l'onde de retour par l'antenne (C) et comparaison à l'onde initiale

puis

- 4e temps : Assemblage des lignes d'impulsion en une image

On en déduit :

- le temps de parcours de l'onde donc la distance entre l'objet cible et le capteur

- les différents types de surfaces réfléchissantes (pente, rugosité, propriété physique des surfaces, composition, humidité, etc...)

 

- À la différence des capteurs passifs, les bandes sont désignées par une lettre (attribuées lors de la deuxième guerre mondiale !).

fig. 8 - Rappel des bandes d'hyperfréquences


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

- Les applications sont les suivantes :

- Deux exemples d'images radars

fig. 9 - Zone agricole en bande C


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

fig. 10 - Zone agricole en bande L


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

- L'interaction des ondes radars et des cultures est nettement fonction de leur longueur d'onde.

- Le chatoiement (interférence aléatoire) est nettement perceptible par l'effet "poivre et sel".

- Il existe d'autres caractéristiques complémentaires des récepteurs radars, comme :

- la polarimétrie

- l'interférométrie

 

2.2.2.1. La polarimétrie

La polarisation représente l'orientation du champ électromagnétique (cf. la fiche mémo mem12tel.htm).

fig. 11 - Orientation du champ électromagnétique


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

- Les radars sont conçus pour transmettre et recevoir les hyperfréquences avec une polarisation soit :

- horizontale (H) ;

soit

- verticale (V).

Cependant, certains radars peuvent transmettre et recevoir les deux

C'est le cas du capteur ASAR d'Envisat.

Il peut donc y avoir quatre combinaisons de polarisations :

- Polarisation parallèle

HH polarisation horizontale pour la transmission et la réception

VV polarisation verticale pour la transmission et la réception

- Polarisation croisée

HV polarisation horizontale pour la transmission et verticale pour la réception

VH polarisation verticale pour la transmission et horizontale pour la réception.

fig. 12 - Zone agricole en bande C avec différentes polarisations


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

L'image composite est une combinaison colorée des trois types de polarisations, chacune étant représentée par une couleur primaire (rouge, vert et bleu).

La polarimétrie utilise les différentes polarisations pour discriminer* les variations d'états de surface.

Enfin, la plupart des radars polarimétriques sont capables d'enregistrer pour le signal de retour :

- la magnitude* (c'est-à-dire la force) de chaque polarisation ;

- la phase* (également utilisée pour mieux caractériser la signature polarimétrique des différents éléments de surface, notion développée au point suivant pour l'interférométrie).

 

2.2.2.2. Les systèmes interférométriques

L'interférométrie* utilise la variation de phase des ondes électromagnétiques.

- La différence de phase est le décalage (A) entre deux ondes de même longueur, mais décalée dans le temps (ou dans l'espace).

fig. 13 - Différence de phase


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

- Pour produire le décalage de phase (A), on peut soit utiliser :

- deux antennes parallèles séparées par une petite distance sur la même plate-forme ;

- une seule antenne enregistrant le signal de retour au temps t et t + 1.

fig. 14 - Décalage de phase par décalage des antennes (temporel ou spatiale)


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

Cette différence (A) est calculée avec une précision de l'ordre de la longueur d'onde (centimétrique).

Comme la position de l'antenne, par rapport à la surface de la Terre, est connue, on détermine :

- la position

- l'élévation de chaque cellule de résolution (pixel).

- La différence de phase entre des cellules de résolution adjacentes est illustrée dans cet interférogramme (cf. fig. 15), où les couleurs représentent la variation de hauteur.

fig. 15 - Interférogramme


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

L'information contenue dans un interférogramme peut être utilisée pour dériver de l'information topographique et produire de l'imagerie en trois dimensions de la hauteur des terrains.

fig. 16 - Information topographique produite en 3D depuis un interférogramme


Source : Tutoriel du Centre Canadien de Télédétection

 

Conclusion

- Principaux avantages des capteurs actifs sur les capteurs passifs :

- capteurs tous temps

- prises de vue diurnes et nocturnes

- Principaux inconvénients :

- système d'acquisition complexe

- déformations dues au relief (cas d'inversion des distances)

- complexité de l'analyse

 

Contrairement à la télédétection radar qui se diffuse encore peu en dehors des laboratoires de recherche,

la télédétection passive est maintenant largement popularisée

 

Il existe d'autres modes d'acquisition d'imagerie :

- certains capteurs à infrarouge thermique pour la détection des feux de forêts ;

- la fluorescence par laser pour cartographier la chlorophylle, les pollutions par hydrocarbures etc.

Cependant, ces concepts dépasse nettement la présente introduction à la télédétection

 

3. Test de compréhension

Communiquez-moi sur la plateforme Moodle, à la rubrique "Questions de cours", les réponses aux questions suivantes :

 

Question n°3.1.1. Les satellites d'observations de la Terre Landsat 1 à 7 ont des capteurs à :

a) miroirs tournants

c) barrettes de détecteurs

b) balayage mécanique

d) émetteurs actifs

Question n°3.1.2. Le signal reçu par le détecteur est :

a) électronique

c) numérique

b) analogique

d) électrique

  

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NB : les mots suivis de "*" font partie du vocabulaire géographique, donc leur définition doit être connue. Faites-vous un glossaire.