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Notions fondamentales de télédétection

2.12 Satellites et capteurs d'observation de la Terre

Landsat

Bien que plusieurs satellites météorologiques (comme ceux décrits dans la section précédente) soient également utilisés pour la surveillance de la surface de la Terre, ceux-ci n'ont pas été conçus pour la cartographie détaillée de la surface terrestre. Suite aux succès éclatants des premières images des satellites météorologiques dans les années 60, et par les images acquises lors des missions spatiales habitées, le premier satellite d'observation Landsat-1 a été lancé par la NASA en 1972. Connu à l'origine sous l'acronyme ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite), Landsat avait été conçu pour tester la faisabilité d'une plate-forme multispectrale d'observation de la Terre non habitée. Depuis, le programme Landsat a permis l'acquisition de données sur tous les coins de la planète. Le programme Landsat qui était gérée à l'origine par la NASA, est sous la responsabilité de la NOAA, en 1983. En 1985, le programme a été commercialisé pour fournir des données aux divers utilisateurs civils.

Parmi les facteurs qui ont contribué au succès de Landsat, il faut mentionner une combinaison de capteurs avec des domaines spectraux façonnés pour l'observation de la Terre, une résolution spatiale fonctionnelle et une bonne couverture du globe (fauchée et répétitivité). La longévité du programme a permis d'accumuler des archives de données volumineuses sur les ressources terrestres, ce qui facilite la surveillance à long terme ainsi que le maintien des données historiques et de la recherche. Tous les satellites Landsat ont été placés en orbite héliosynchrone polaire. Les trois premiers satellites (Landsat-1 à Landsat-3) se situaient à une altitude de 900 km avec une répétitivité de 18 jours, tandis que les derniers orbitent à une altitude approximative de 700 km avec une répétitivité de 16 jours. Tous les satellites Landsat croisent l'équateur le matin pour profiter des conditions d'illumination optimales.

Les satellites de la série Landsat portent plusieurs capteurs comme les systèmes de caméras RBV (Return Beam Vidicon), le système MSS (Multi Spectral Scanner), et plus tard, le TM (Thematic Mapper) Chacun de ces capteurs a une fauchée de 185 km, avec une scène complète de 185 km sur 185 km.

Le MSS capte le rayonnement électromagnétique de la surface de la Terre provenant de quatre bandes spectrales. Chaque bande possède une résolution spatiale de 60 sur 80 mètres, et une résolution radiométrique de 6 octets, ou de 64 valeurs numériques. Le MSS capte le rayonnement avec un balayeur mécanique qui utilise un miroir oscillant. Six lignes de balayage peuvent être recueillies simultanément avec chaque balayage d'est en ouest du miroir. Le tableau suivant décrit les domaines spectraux des bandes MSS.

Bandes MSS

Bandes		Longueurs d'ondes (microns)
Landsat 1,2,3	Landsat 4,5
MSS 4	MSS 1	0,5 - 0,6 (vert)
MSS 5	MSS 2	0,6 - 0,7 (rouge)
MSS 6	MSS 3	0,7 - 0,8 (proche infrarouge)
MSS 7	MSS 4	0,8 - 1,1 (proche infrarouge)

La collecte routinière de données MSS a cessé en 1982 à cause de l'utilisation des données TM qui a commencé avec Landsat 4. Le capteur TM capteur MSS, le capteur TM apporte plusieurs améliorations : une meilleure résolution spatiale et radiométrique, des bandes spectrales plus étroites, sept bandes spectrales par rapport à quatre pour le MSS, et une augmentation du nombre de détecteurs par bandes (seize pour les bandes non thermiques par rapport à six pour MSS). Seize lignes de balayage sont captées simultanément pour chaque bande spectrale non thermique (quatre pour les bandes thermiques). Les seize lignes sont captées simultanément à l'aide d'un miroir oscillant qui balaie à l'aller (de l'ouest vers l'est) et au retour (de l'est vers l'ouest) du miroir. Cette différence par rapport au capteur MSS augmente le temps d'arrêt sur un objet et améliore l'intégrité géométrique et radiométrique des données. La limite de résolution spatiale du TM est de 30 m pour toutes les bandes, sauf l'infrarouge thermique qui est de 120 m. Toutes les bandes sont enregistrées sur une étendue de 256 valeurs numériques (8 octets). Le tableau suivant décrit la résolution spectrale des bandes individuelles TM et leurs applications.

Bandes TM

Bandes	Domaine spectral (microns)	Application
TM 1	0,45 - 0,52 (bleu)	discrimination entre le sol et la végétation, bathymétrie/cartographie côtière; identification des traits culturels et urbains
TM 2	0,52 - 0,60 (vert)	cartographie de la végétation verte (mesure le sommet de réflectance); identification des traits culturels et urbains
TM 3	0,63 - 0,69 (rouge)	discrimination entre les espèces de plantes à feuilles ou sans feuilles; (absorption de chlorophylle); identification des traits culturels et urbains
TM 4	0,76 - 0,90 (proche IR)	identification des types de végétation et de plantes; santé et contenu de la masse biologique; délimitation des étendues d'eau; humidité dans le sol
TM 5	1,55 - 1,75 (IR de courte longueur d'onde)	sensible à l'humidité dans le sol et les plantes; discrimination entre la neige et les nuages
TM 6	10,4 - 12,5 (IR thermique)	discrimination du stress de la végétation et de l'humidité dans le sol relié au rayonnment thermique; cartographie thermique
TM 7	2,08 - 2,35 (IR de courte longueur d'onde)	discrimination entre les minéraux et les types de roches; sensible au taux d'humidité dans la végétation

Les données des capteurs TM et MSS sont utilisées pour plusieurs applications comme la gestion des ressources, la cartographie, la surveillance de l'environnement et la détection du changement (par exemple, la surveillance des coupes à blanc). Les archives d'images canadiennes comprennent plus de 350 000 scènes MSS et 200 000 scènes TM. De plus, des compagnies et agences étrangères possèdent plusieurs autres scènes canadiennes.

SPOT

Le système SPOT (Système pour l'observation de la Terre) est une série de satellites d'observation de la Terre qui ont été conçus et lancés par le Centre National d'Études Spatiales (CNES) de la France, avec l'aide de la Belgique et de la Suède. SPOT-1 a été lancé en 1986, et a été suivi d'autres satellites lancés à tous les trois ou quatre ans. Tous les satellites sont en orbite héliosynchrone polaire à une altitude de 830 km, ce qui produit une répétitivité de 26 jours. Ils croisent l'équateur vers 10h30 heure solaire locale. Conçu dans le but d'acquérir des données de télédétection à des fins commerciales, SPOT et a été le premier satellite à utiliser la technologie du balayage à barrettes ou balayge longitudinal.

Tous les satellites SPOT ont deux balayeurs multibandes HRV (haute résolution visible) à barrettes, qui peuvent être opérés indépendamment ou simultanément. Chaque HRV peut capter en mode panchromatique (une seule bande) et offre une excellente limite de résolution spatiale de 10 m. Ils peuvent aussi capter en mode multibande (MLA) (trois bandes) qui offre une résolution spatiale de 20 m. Chaque balayeur à barrettes est composé de quatre rangs linéaires de détecteurs : un de 6 000 éléments pour l'enregistrement en mode panchromatique, et un de 3 000 éléments pour chacune des trois bandes multispectrales. La fauchée pour les deux modes est de 60 km à partir du nadir. Le tableau suivant décrit les caractéristiques spectrales des deux modes.

Mode / bande	Domaine spectral (microns)
Panchromatique (PLA)	0,51 - 0,73 (bleu-vert-rouge)
Multispectrale (MLA)
Bande 1	0,50 - 0,59 (green)
Bande 2	0,61 - 0,68 (red)
Bande 3	0,79 - 0,89 (proche infrarouge)

L'angle de dépointage des capteurs peut être ajusté pour regarder des deux côtés de la ligne nadir. Ceci permet des visées obliques, ce qui augmente la répétitivité des satellites. Cette capacité de dépointage (jusqu'à 27 degrés à partir du nadir) permet aux satellites SPOT d'accéder à un couloir d'acquisition de 950 km et permet une répétitivité de plusieurs fois par semaine. Lorsque le capteur s'éloigne du nadir, la fauchée augmente de 60 à 80 km de large. En plus d'améliorer la capacité de surveillance d'un site spécifique et d'augmenter les chances d'acquérir une scène sans nuages, la visée oblique permet aussi l'acquisition de données en stéréoscopie. Les images d'une même région enregistrées à partir de deux angles différents peuvent être visionnées et analysées en trois dimensions, une technique indispensable pour l'interprétation de terrain, la cartographie et les reproductions visuelles de terrain.

La visée oblique augmente à 3 jours la fréquence de répétitivité à l'équateur (7 fois durant un cycle de 26 jours). Les régions situées à une latitude de 45 degrés peuvent être visionnées 11 fois lors du cycle de 26 jours à cause de la convergence des orbites vers les pôles. En pointant les deux capteurs pour couvrir des traces au sol adjacentes, une trace au sol de 117 km (3 km de chevauchement) peut être visionnée. Ce mode d'opération permet l'acquisition de données panchromatiques ou multispectrales, mais pas les deux en même temps.

Le système SPOT présente plusieurs avantages par rapport aux autres capteurs spatiaux. Sa limite de résolution fine et le dépointage des capteurs sont les principales raisons de sa popularité. Les données de trois bandes multispectrales sont utiles pour afficher des images fausses-couleurs et la bande panchromatique peut être utilisée pour améliorer le détail des données multispectrales. SPOT est utile pour les applications qui requièrent une excellente résolution spatiale (comme la cartographie urbaine) et combine également les avantages d'un coût abordable et de pouvoir acquérir des données satellites au moment idéal. Les images SPOT trouvent plusieurs applications dans des domaines qui nécessitent des images fréquentes, tels que la foresterie et l'agriculture. L'acquisition d'images stéréoscopiques a joué un rôle important pour les applications en cartographie et pour la dérivation d'information topographique (modèle numérique de terrain - MNT) des données satellitaires.

IRS

La série des satellites IRS (Indian Remote Sensing satellite) combine les caractéristiques des capteurs de Landsat MSS et TM et du capteur HRV de SPOT. Le troisième satellite de la série, IRS-1C, lancé en décembre 1995, a trois capteurs : une caméra de haute résolution panchromatique à une bande (PAN), le capteur à quatre bandes LISS-III (Linear Imaging Self-scanning Sensor) de résolution moyenne, et le capteur à deux bandes WiFS (Wide Field of View) de faible résolution. Le tableau suivant décrit les caractéristiques de chaque capteur.

Capteurs de IRS

Capteur	Domaine spectral (microns)	Résolution spatiale	Largeur de la fauchée	Répétitivité (à l'équateur)
PAN	0,5 - 0,75	5,8 m	70 km	24 jours
LISS-II
Vert	0,52 - 0,59	23 m	142 km	24 jours
Rouge	0,62 - 0,68	23 m	142 km	24 jours
Proche IR	0,77 - 0,86	23 m	142 km	24 jours
IR moyen	1,55 - 1,70	70 m	148 km	24 jours
WiFS
Rouge	0,62 - 0,68	188 m	774 km	5 jours
Proche IR	0,77 - 0,86	188 m	774 km	5 jours

En plus de sa haute résolution spatiale, le balayage linéaire du capteur panchromatique peut être dépointé jusqu'à 26 degrés, ce qui permet d'acquérir des images stéréoscopiques et d'augmenter la répétitivité du satellite (jusqu'à 5 jours), comme pour les satellites SPOT. Les données à haute résolution sont utiles pour les applications comme la planification urbaine et la cartographie. Les quatre bandes multispectrales LISS-III ressemblent aux bandes 1 à 4 du capteur TM de Landsat. Celles-ci sont utiles pour la discrimination de la végétation, la cartographie terrestre, et pour la gestion des ressources naturelles. Le capteur WiFS est semblable aux bandes AVHRR de NOAA. La résolution spatiale de ce capteur ainsi que son recouvrement sont utilisés pour la surveillance de la végétation à l'échelle régionale.

MEIS-II and CASI

Même s'il est surtout question des capteurs satellitaires dans ce cours, nous allons faire un bref survol de quelques capteurs aéroportés canadiens qui sont utilisés dans plusieurs types d'applications en télédétection. Les capteurs ont influencé la conception, ainsi que le développement des systèmes satellitaires. Le capteur MEIS-II (Multispectral Electro-Optical Imaging Scanner) fut développé pour le Centre canadien de télédétection. Même si MEIS n'est plus opérationnel, il fut le premier capteur à barrettes (ou balayage longitudinal) sur une plate-forme aéroportée. Le capteur recueillait des données de 8 octets (256 valeurs numériques) en utilisant des rangées linéaires de 1728 détecteurs par bandes pour 8 bandes spectrales allant de 0,39 à 1,1 microns. Il était possible de choisir la largeur spécifique des longueurs d'onde, ce qui permettait de faire différentes combinaisons pour différentes applications. On pouvait également faire l'acquisition d'images stéréoscopiques à partir d'une seule ligne de vol en ayant des bandes pointant devant et derrière le nadir en complément aux autres bandes qui pointaient le nadir. La cartographie stéréoscopique, ainsi que la possibilité qu'offrait le capteur MEIS-II de choisir les bandes se sont avérées utiles pour la recherche et le développement des systèmes de capteurs.

CASI (Compact Airborne Spectrographic Imager) le premier spectromètre commercial, fut un des capteurs pionniers dans le monde de l'acquisition d'images aéroportées. En utilisant un balayeur à barrettes (à balayage longitudinal), le capteur hyperspectral capte une série d'étroites bandes spectrales dans les longueurs d'onde visible et infrarouge. L'étendue spectrale que recouvrent les 288 canaux se situent entre 0,4 et 0,9 microns. Chaque bande couvre une largeur de 0,018 microns. La résolution spatiale dépend de l'altitude de l'avion, tandis que les bandes spectrales mesurées et la largeur des bandes utilisées sont programmables pour s'ajuster aux demandes des utilisateurs. Les détecteurs hyperspectraux comme CASI, sont d'importantes sources d'information sur les caractéristiques d'absorption et de réflexion de cibles spécifiques. Les détecteurs nous fournissent une "empreinte" spectrale d'une cible. Les essais avec le CASI et d'autres spectromètres imageurs ont aidé au développement des systèmes de détecteurs hyperspectraux des systèmes satellitaires avancés.