TÉLÉDÉTECTION

TÉLÉDÉTECTION

On entend par télédétection (remote sensing en anglais) un ensemble de techniques mises en œuvre à partir d’avions, de ballons, de satellites, de navettes spatiales, de stations orbitales, et qui ont pour but d’étudier soit la surface de la Terre (ou d’autres planètes), soit l’atmosphère, en utilisant les propriétés des ondes électromagnétiques émises, réfléchies ou diffractées par les différents corps observés. Elle permet d’inventorier les ressources terrestres, d’améliorer les prévisions météorologiques et, plus généralement, apporte sa contribution à la géographie.

L’origine de la télédétection se confond avec celle de la photographie aérienne, mais la gamme d’ondes intéressant la télédétection est beaucoup plus large que la gamme visible et va de l’ultraviolet (0,3 猪m) jusqu’aux ondes centimétriques du radar; on distingue, d’une part, les techniques passives , où l’on se contente d’enregistrer l’énergie naturelle émise ou réfléchie par les corps, et, d’autre part, les techniques actives , où l’on «éclaire» les corps à étudier avant d’enregistrer l’énergie qu’ils renvoient vers le détecteur.

L’atmosphère ne transmet pas les radiations électromagnétiques d’une manière uniforme; beaucoup sont absorbées, en particulier par la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone, comme l’indique la figure 1 b. Des «fenêtres» de transmission existent, d’une part, dans la bande du spectre visible (de 0,4 à 0,7 猪m), d’autre part, dans l’infrarouge (depuis 0,7 jusque vers 14 猪m); plus loin, à partir des ondes millimétriques, l’atmosphère devient à peu près transparente. Ce sont là les trois domaines particulièrement utilisés dans la télédétection.

1. Détection passive

Corps émissifs

Tout corps rayonne de l’énergie électromagnétique. D’après la loi de Planck (cf. THERMODYNAMIQUE), le flux énergétique (radiance r ⁰) émis par unité de surface d’un corps noir à l’équilibre thermodynamique varie en fonction de la longueur d’onde et surtout de la température absolue T.

La loi de Wien lie la longueur d’onde du maximum de rayonnement à la température absolue du corps noir:

où est exprimé en micromètres, T en kelvins.

Si l’on admet que la Terre est un corps noir à 300 K, on voit que son maximum de rayonnement se situe vers 10 猪m.

Le Soleil peut être assimilé à un corps noir à 6 000 K; son maximum d’énergie se situe donc autour de 0,5 猪m, c’est-à-dire au centre du spectre visible (fig. 1 a).

Les corps réels sont chacun caractérisés par leur coefficient d’émissivité 﨎:

où r ^c est la radiance du corps considéré et r ⁰ la radiance du corps noir à la même température.

La puissance de rayonnement W d’un corps est d’autant plus grande que la température de celui-ci est plus élevée (loi de Stefan-Boltzmann ):

où 﨎 est le coefficient d’émissivité et 靖 une constante (5,68 憐 10^-12 W 練 cm^-2 練 K^-4).

Lorsque la fréquence est inférieure à 100 GHz, c’est-à-dire pour 礪 3 mm, et que les températures sont supérieures à 200 K, la formule de Planck se simplifie, et l’on obtient l’approximation de Rayleigh-Jeans où l’énergie émise est exprimée comme une fonction linéaire de la température.

Ce que l’on mesure par télédétection, c’est la température de brillance ^B des corps:

où T est la température réelle du corps.

En fait, il est souvent difficile de relier la température de brillance à la température réelle d’un corps, car l’émissivité est mal connue. À température réelle égale, les pins apparaîtront plus «chauds» que les platanes sur une image obtenue dans l’infrarouge. Cela vient de ce que la surface émissive d’un platane est à peu près celle de l’enveloppe de sa couronne, tandis que celle d’un pin est voisine de la surface totale de toutes ses aiguilles.

Corps réfléchissants

Le terme «réflexion» prête à confusion, car la réflexion spéculaire n’intervient pratiquement pas dans les phénomènes naturels; on a le plus souvent affaire à des diffusions et à des diffractions; la diffusion atmosphérique fait que les objets sont éclairés sous de multiples angles d’incidence et la granularité de leur surface est à l’origine de nombreuses diffractions. Les lois physiques de la diffraction et de la diffusion sont bien connues (cf. LUMIÈRE - Diffraction et DIFFUSION DE LA LUMIÈRE - Météorologie) mais sont difficiles à appliquer, car on ne sait pas caractériser d’une manière simple la structure géométrique d’un végétal ou d’un minéral; on est donc réduit à étudier d’une manière empirique les variations du coefficient de «réflexion» en fonction de la longueur d’onde (fig. 2) et, plus rarement, l’état de polarisation de la lumière diffusée en fonction des angles d’incidence (fig. 3).

Il y a diffraction lorsqu’une onde traverse un volume dans lequel sont présents des objets dont la taille est du même ordre de grandeur que la longueur d’onde incidente (poussières dans l’atmosphère pour les ondes lumineuses, cristaux de neige pour les ondes radar...). De plus, la présence de certains gaz ou de vapeurs entraîne des phénomènes d’absorption qui varient avec le temps et le lieu. Il résulte de tout cela que les corps que l’on veut étudier sont le plus souvent «éclairés» par des ondes qui ont plus ou moins été diffusées, diffractées, absorbées et en partie polarisées. Il n’est donc pas facile d’énoncer des lois générales d’interprétation.

Techniques d’enregistrement

On peut utiliser la plaque ou le film photographique comme support d’enregistrement jusqu’à 0,9 猪m. Pour les longueurs d’onde plus grandes (jusque vers 15 猪m), il faut se tourner vers d’autres techniques (fig. 1 c) et employer les enregistreurs dits à balayage (scanners en anglais). Ces appareils, qui peuvent également être utilisés dans le spectre visible, sont constitués d’un miroir tournant qui, étant donné son orientation, recueille l’énergie électromagnétique provenant d’une bande étroite de terrain et la focalise sur un détecteur sensible à la longueur d’onde choisie (fig. 4). Ce détecteur transforme l’énergie électromagnétique en courant électrique dont les variations peuvent être enregistrées soit sur un film photographique, soit sur un support magnétique. Dans les deux cas, on obtient en définitive une image à deux dimensions qui se présente comme une photographie classique. Si elle a été réalisée dans l’infrarouge, on l’appelle une thermographie (fig. 5).

Ces appareils facilitent les enregistrements multispectraux, c’est-à-dire obtenus simultanément dans différentes bandes du spectre visible ou infrarouge, puisqu’il est facile, grâce à un prisme ou à un réseau, de disperser sur divers détecteurs l’énergie captée par le miroir. Les bandes les plus utilisées dans l’infrarouge sont les bandes comprises entre 3 et 5 猪m ou entre 10 et 14 猪m. Les techniques de détection multispectrale permettent de déterminer la caractéristique spectrale (signature) des différents végétaux ou terrains.

On utilise dans ce domaine des caméras et des radiomètres à balayage ainsi que des détecteurs C.C.D. (Charged Coupled Device) qui permettent d’éviter les parties mécaniques tournantes.

De même, le spectromètre à corrélation fournit des images où n’apparaissent que les gaz (CO², S²) recherchés. Le principe consiste à former, grâce à un réseau, le spectre de l’onde incidente et à le corréler avec une série de masques reproduisant les bandes d’absorption des gaz recherchés. La mesure peut être quantitative.

Les appareils à balayage thermographiques sont sensibles à des variations de température de l’ordre de 0,2 ⁰C et ont en général une résolution angulaire voisine de 2 milliradians.

Les ondes millimétriques et centimétriques sont captées grâce à des appareils munis d’une antenne (radiomètres millimétriques), un peu comme les ondes de télévision. Les radiomètres permettent de déterminer à 1 ou 2 degrés près la température de brillance des corps, mais avec une résolution angulaire faible comparée à celle des scanners .

2. Détection active

La détection active est surtout utilisée, d’une part, dans l’ultraviolet avec des lasers, d’autre part, dans le domaine des ondes millimétriques et centimétriques avec les radars. Les lasers ne sont pas ici d’un emploi très courant; on les utilise pour exciter la fluorescence de certains corps, et l’on peut ainsi déterminer leur nature (nappes d’huile sur la mer). Quant aux «radars latéraux» (side looking radars ), ils sont d’un intérêt capital et d’un emploi très répandu, car ils permettent, grâce à la grande longueur d’onde qu’ils émettent, d’obtenir des images de la Terre à partir d’avions et aussi de satellites, même lorsque la couverture nuageuse est très épaisse. Le principe consiste à émettre une impulsion de courte durée (20 ns) et à enregistrer au cours du temps l’énergie rétrodiffusée par les terrains. Ce principe est très semblable à celui du «sonar latéral». Avec un avion volant à 6 000 m d’altitude, on peut réaliser des images à l’échelle du 1: 250 000 avec une résolution de l’ordre de 15 m (fig. 6). Un radar latéral à synthèse d’ouverture a été pour la première fois mis en orbite autour de la Terre avec Seasat en 1978 et a permis d’obtenir de magnifiques images des continents et des océans avec une résolution de 25 m. Depuis lors, d’autres satellites ont été équipés de radars (Geosat, E.R.S., Topex-Poséidon...). L’énergie rétrodiffusée vers l’antenne est fonction de l’angle d’incidence, mais aussi de la constante diélectrique des corps et de leur résistivité. L’onde émise, qu’elle soit polarisée horizontalement ou verticalement, est dépolarisée en partie par la rétrodiffusion. La comparaison des images que l’on obtient dans les deux composantes donne des renseignements sur la structure du matériau.

D’autres «radars» ne fournissent pas d’image, mais donnent simplement un enregistrement suivant un profil (altimètres, radiomètres...).

3. Applications

Les principales applications de la télédétection concernent la géologie, la prévision et l’évaluation des récoltes, la cartographie des zones difficilement accessibles, la détection des pollutions, l’état de la mer... L’élargissement du champ spectral depuis l’ultraviolet jusqu’aux ondes centimétriques permet de détecter des phénomènes qui n’étaient que peu ou pas perceptibles avec la photographie aérienne (thermographies de nuit ou de jour, concentration d’anhydride sulfureux dans l’atmosphère). En outre, les satellites spécialisés des séries Landsat, S.P.O.T., E.R.S., etc., «surveillent» l’ensemble de la planète. Ils fournissent des images multispectrales qui sont mises à la disposition de la communauté scientifique mondiale.

C’est en 1972, avec Landsat-1, que la télédétection a vraiment pris son essor.

Grâce aux nombreux capteurs embarqués à son bord, la station orbitale Skylab (1974) a permis d’évaluer les remarquables possibilités de l’imagerie spatiale; c’est cependant grâce au succès du programme Landsat, à la très large diffusion de ses images, à la couverture régulière et complète de la planète que la télédétection s’est progressivement affirmée comme une technique utile et parfois irremplaçable.

Landsat-1 a cessé de fonctionner en 1977; Landsat-2 (en 1975), Landsat-3 (en 1978), Landsat-4 (en 1982), Landsat-5 (en 1984) et Landsat-6 (en 1991) ont pris la relève. Des satellites d’un type différent (H.C.M., Seasat, Nimbus-G, Météosat) ont été lancés en 1978, et leurs possibilités n’ont pas encore été pleinement évaluées (cf. tableau). Nous ne parlerons pas des programmes de télédétection soviétiques puis russes qui n’ont pas immédiatement bénéficié de la large diffusion des programmes américains.

Landsat

Les principales applications des images Landsat sont la cartographie géologique (domaines de l’exploration pétrolière et minière), la cartographie générale, particulièrement dans les zones d’accès difficile, l’inventaire et l’étude des ressources en eau, l’étude de la couverture végétale et de l’utilisation des sols, la prévision de récoltes, les études littorales.

En géologie, les images Landsat apportent une vue synoptique des phénomènes. Une seule image (185 km 憐 185 km) remplace plusieurs centaines d’images d’avion et, surtout, tous les éléments du paysage sont «photographiés» dans les mêmes conditions d’éclairement. Cela facilite les études à l’échelle régionale, même dans les régions couvertes de végétation, car cette dernière est souvent indicative des terrains sous-jacents.

En plus de la morphologie, les géologues détectent des linéaments qui sont des «lignes

dans le paysage», quelquefois de très grande ampleur (200 km), lignes qui sont souvent la manifestation en surface d’accidents géologiques du sous-sol (failles). Les structures circulaires qui apparaissent aussi sur les images se sont révélées intéressantes pour la prospection minière. Grâce à Landsat, on a pu remettre à jour des cartes de certaines régions d’Afrique, d’Asie, de l’Antarctique, etc. Dans le domaine de la prévision et de l’évaluation des récoltes, on citera le programme américain Lacie (Large Crop Inventory Experiment) étalé sur plusieurs années et qui avait pour but d’estimer les récoltes de certaines céréales aux États-Unis, au Canada et en U.R.S.S. La cartographie des cultures ou de certaines espèces végétales peut être obtenue automatiquement grâce aux ordinateurs lorsque la taille des champs ou des parcelles est à l’échelle de la résolution du satellite. La résolution de Landsat, voisine de 80 mètres, laisse peu de possibilités pour la cartographie des paysages européens mais est assez bien adaptée à certaines régions d’Amérique et de l’ex-U.R.S.S. Grâce à sa résolution de 20 m, le satellite S.P.O.T. (1986) a ouvert de larges possibilités à l’Europe. La cartographie automatique multispectrale, qu’elle soit complètement automatique (non supervisée) ou semi-automatique (supervisée), utilise le principe des signatures spectrales.

Ce principe est fondé sur le fait que les différents éléments du paysage (terrains nus, cultivés, etc.) possèdent assez souvent des coefficients de réflectance spectrale qui leur sont propres (signatures) et grâce auxquels on peut ainsi les différencier. Ces techniques de classification donnent également de bons résultats en mer pour la différenciation de masses d’eau et dans certaines zones littorales. Elles n’ont en revanche donné que peu de résultats en ce qui concerne la différenciation des roches (lithologie), d’une part en raison des difficultés liées à la couverture végétale, mais aussi en raison de la mauvaise adaptation des canaux des Landsat. La situation a changé avec le lancement de Landsat-D, équipé de canaux à 1 600 nm et 2 200 nm.

De la même manière, Landsat est mal adapté à la détection des pollutions marines. Il faut signaler que des programmes opérationnels de surveillance aéroportée des zones littorales ont vu le jour en 1977 et 1978, aussi bien aux États-Unis qu’en Europe. En effet, les images obtenues à bord d’avions équipés de radiomètres travaillant dans l’infrarouge thermique (autour de 12 000 nm) permettent de détecter de jour comme de nuit les nappes d’huile sur la mer.

Les autres satellites

Des stations de réception des satellites Landsat ont été mises en service dans plusieurs pays (États-Unis, Canada, Italie, Suède, Brésil). Chacun peut obtenir des images Landsat de n’importe quelle partie du monde, en s’adressant au centre U.S.G.S. (United States Geological Survey) de Sioux Falls (S. Dak., États-Unis), soit, en ce qui concerne l’Europe, au réseau Earthnet de l’Agence spatiale européenne qui est représenté, en France, par le Groupement pour le développement de la télédétection aérospatiale (G.D.T.A., Toulouse).

Les images du canal thermique des satellites météorologiques N.O.A.A. et du satellite européen Météosat permettent certaines études océanographiques (fronts thermiques, cartes de température de surface, aide à la pêche, etc.), avec une fréquence de deux passages par jour. Les Landsat sont également utilisés, en liaison avec des capteurs aéroportés, pour la détection des bancs de poissons.

Le satellite Seasat (1978) a été le premier satellite spécialement destiné à l’étude des océans. Il était équipé de capteurs travaillant dans les parties visible et infrarouge du spectre électromagnétique, mais aussi de capteurs (radar, altimètre, radiomètre) utilisant des ondes de longueur centimétrique, c’est-à-dire présentant l’avantage de ne pas être arrêtées par les nuages. Seasat n’a malheureusement fonctionné qu’une centaine de jours, mais il a ouvert de très larges perspectives: estimation de la hauteur des vagues et de leur spectre directionnel, estimation de la vitesse et de la direction des vents de surface, étude des glaces de mer et détection des icebergs. Les images du radar latéral de Seasat (résolution 8 m 憐 25 m) ont mis en évidence des phénomènes océaniques (ondes internes, champ de vagues) difficilement atteints par les techniques classiques. Les images de H.C.M., Nimbus-G et Météosat peuvent être reçues en France à Lannion. Les utilisateurs peuvent obtenir des images soit sur film, soit codées sur des bandes magnétiques.

Tendances

Il a fallu au moins deux à trois ans pour que se développent les applications du satellite Landsat. Il est encore trop tôt pour juger de l’impact de tous les satellites récents (H.C.M., les Nimbus, les satellites océanographiques S.S.M.I. et M.O.S., etc.). Actuellement, les utilisateurs de la télédétection, et en particulier de la télédétection spatiale, sont nombreux mais dispersés dans des domaines variés: géologie, agronomie, pédologie, océanographie, cartographie. Cela rend difficile la mise en place de programmes opérationnels de satellites. Par contrecoup, ces programmes opérationnels n’existant pas (rappelons que le programme Landsat est un programme classé «recherche et développement»), les utilisateurs ayant des applications opérationnelles ne sont pas assurés de la continuité du produit et des performances; ils évitent alors de se lancer dans des programmes de trop grande ampleur, en particulier lorsque ces derniers font appel à la répétitivité des prises de vue.

La France, avec la participation de la Suède et de la Belgique, a lancé en 1977 le programme S.P.O.T. (Satellite probatoire d’observation de la Terre), et ce satellite a été mis en orbite en 1986 par la fusée européenne Ariane. Ce fut une première brèche ouverte dans le monopole américain en matière de télédétection spatiale. En fait, le souci est grand d’harmoniser les différents programmes internationaux; les stations de réception Landsat-D et S.P.O.T. devraient par exemple être compatibles. La résolution de S.P.O.T. est adaptée au parcellaire européen et son impact est grand sur les différents types d’inventaires et la cartographie en général (S.P.O.T. donne aussi des vues stéréoscopiques).

Le domaine des océans est un domaine de choix pour la télédétection et c’est pourquoi des programmes de satellites océanographiques ont été construit aux États-Unis, à l’Agence spatiale européenne et au Japon. Pour cela, de nouveaux capteurs micro-ondes ont été mis au point et, en ce qui concerne l’Europe et les États-Unis, ont été testés au cours des vols de la navette spatiale équipée du laboratoire orbital Spacelab, dont le premier lancement a eu lieu en 1983.

télédétection [ teledetɛksjɔ̃ ] n. f.

• v. 1960; de 1. télé- et détection

♦ Didact. Science et techniques de la détection à distance. Télédétection par satellite, aérospatiale.

● télédétection nom féminin Technique d'acquisition à distance d'informations sur la surface terrestre, principalement fondée sur l'analyse d'images obtenues dans différentes gammes de longueurs d'onde à partir d'aéronefs ou de satellites.

télédétection

n. f. Didac. Détection à distance. Télédétection spatiale: acquisition, traitement et interprétation d'images obtenues par des satellites spécialisés. En Afrique, la télédétection spatiale est particulièrement utilisée en agroclimatologie, agronomie, cartographies thématique et halieutique, à des fins d'inventaires et de prévisions.

⇒TÉLÉDÉTECTION, subst. fém.

TECHNOL. Ensemble des connaissances et des techniques permettant de déterminer certaines caractéristiques physiques et biologiques de points observés à partir de mesures effectuées à distance, sans contact matériel avec ceux-ci. La télédétection est fondée sur l'enregistrement et l'interprétation des rayonnements émis ou réfléchis; appareil, capteur de télédétection; investigation de la surface terrestre par télédétection; télédétection de la pollution des cours d'eau, des océans. Un essai de dénombrement des grands animaux en faisant appel aux moyens modernes de télédétection (scanner à infrarouge thermique) réalisé au printemps 1976 par l'Yonne et le Loiret a fourni des résultats prometteurs; détection possible jusqu'à une altitude de 220 m, même sous un peuplement feuillu ou un peuplement résineux clair (R. forestière fr., 1977, n° 1, p. 60).

— En partic. Télédétection passive. Télédétection qui utilise les rayonnements naturels. (Dict. XX^e s.). Télédétection active. Télé-détection qui utilise des sources artificielles de rayonnement (Dict. XX^e s.). Télédétection aérospatiale. ,,Télédétection dans laquelle la saisie des données est faite à partir d'appareillages embarqués sur véhicules aériens ou spatiaux`` (Arrêté du 25 sept. 1984 ds Néol. off. 1988, p. 171). Télédétection électromagnétique. ,,Type particulier de télédétection qui utilise l'interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière`` (Arrêté du 25 sept. 1984 ds Néol. off. 1988, p. 171).

REM. Télédétecteur, -trice, adj., technol. Professionnel de la télédétection aérospatiale. On citera, par exemple: agronome télédétecteur (-trice) (...); géographe télédétecteur (-trice); géologue télédétecteur (-trice); ingénieur télédétecteur (-trice); physicien télédétecteur (-trice) (Arrêté du 25 sept. 1984 ds Néol. off. 1988, p. 171).

Prononc.:[], [-te-]. Étymol. et Hist. 1971 (La Télédétection des ressources naturelles, Journée d'études du CNES, Paris, 1971 ds Encyclop. univ. t. 15 1973, p. 873); 1973 (Arrêté du 12 janv. ds J.O. du 18 janv. 1973 ds FRANTERM Néol. 1984, p. 325); 1977 télédétection aérienne (R. forestière fr., n° 1, p. 61); 1980 télédétection aérospatiale, spatiale, électromagnétique (Arrêté du 28 nov. ds J.O. N compl. du 11 déc. 1980 ds FRANTERM Néol. 1984, p. 399). Comp. de l'élém. télé-¹ et de détection. Terme officiellement recommandé pour traduire l'angl. remote sensing.

télédétection [teledetɛksjɔ̃] n. f.

ÉTYM. V. 1960; de télé- (1.), et détection.

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♦ Didact. Science et technique de la détection à distance. || « La télédétection (…) va plus loin que la simple photographie, aérienne ou spatiale. À la fois science et technique, la télédétection est basée sur les propriétés de rayonnement de la matière » (la Recherche, nov. 1973, p. 992). — Télédétection aérospatiale, dans laquelle la saisie des données s'effectue à partir d'appareillages embarqués sur des véhicules aériens ou spatiaux.

Encyclopédie Universelle. 2012.