2 Mesures radiométriques

Alors que la plupart des données de télédétection peuvent être imaginées sous forme d’images, en plus d’être interprété en l’état actuel des choses pour enfin localiser, des villes, des navires ou des incendies, il faut comprendre que la plupart des capteurs satellitaires peuvent également être considérés comme des instruments précisément calibrés. Ils sont utilisés pour mesurer les propriétés physiques du rayonnement électromagnétique arrivant d’un sens donné au moment de la prise de mesure. Dans ce chapitre, nous nous concentrerons sur cette utilisation de l’imagerie satellitaire. Nous devons d’abord définir certains concepts liés au rayonnement électromagnétique et à la façon dont il est mesuré. Ensuite, nous verrons comment utiliser ces concepts pour extraire des informations utiles de l’imagerie satellitaire.

Concepts liés à l’intensité de l’EMR

Plusieurs autres propriétés des champs électromagnétiques sont liées à leur intensité — la quantité d’énergie qu’ils contiennent. L’unité SI fondamentale de l’énergie est le Joule (J). Comme le rayonnement se déplace lorsque les ondes électromagnétiques se propagent, une mesure importante de l’intensité d’un champ électromagnétique est la quantité d’énergie qui se déplace sur le site, à travers ou à partir d’une surface ou d’un volume par unité de temps. C’est ce qu’on appelle le flux radiatif, et il est mesuré en joules par seconde, ou en watts (W). En télédétection, nous sommes presque toujours intéressés par la mesure de l’intensité du rayonnement sur une surface finie (par exemple, celle représentée par un pixel dans une image satellite). C’est ce qu’on appelle la densité du flux radiatif, et elle est mesurée en tant que flux rayonnant par unité de surface, par exemple W/m^-2. Dans la pratique, le terme irradiance est utilisé pour décrire la densité de flux radiative incidente sur une surface, et le terme exitance est utilisé pour décrire la densité du flux radiatif quittant une surface (figure 13).

Figure 13: Irradiance et Exitance. À gauche, l’irradiance est le flux radiatif incident sur une surface par unité de surface. À droite, l’exitance est le flux radiatif quittant une surface par unité de surface. Tous deux sont généralement mesurés en W/m^-2. Les flèches de couleur différente indiquent que ces deux densités de flux radiatif sont mesurées pour toutes les longueurs d’onde présentes dans le champ de rayonnement. Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

Bien que l’irradiance et l’exitance soient des concepts importants, nous ne pouvons pas les mesurer avec des instruments placés sur des plates-formes volantes, car ils englobent le rayonnement incident ou sortant d’une surface dans toutes les directions. En outre, il faut savoir que pour mesurer l’exitance d’une partie de la surface terrestre de 1 min 2 s, nous devrions placer un capteur hémisphérique au-dessus de la zone en question, mesurant ainsi le rayonnement sortant dans toutes les directions vers le haut (si l’on mesure la lumière solaire réfléchie par la surface, l’ombrage de l’instrument rendrait évidemment la mesure inutile). Une autre unité d’intensité de rayonnement électromagnétique couramment utilisée en télédétection est donc plus proche de ce qui est réellement mesuré par les instruments. Elle est appelée luminance et est définie comme la densité de flux de rayonnement par unité de surface de source projetée, dans une direction particulière définie par un angle solide (Figure 14). Un angle solide peut être considéré comme un cône — dans la plupart des cas de télédétection, ce cône est incroyablement étroit puisqu’il s’étend de la zone observée à l’élément de détection pertinent du capteur.

Figure 14: Luminance. Par rapport à l’irradiance et à l’exitance, la luminance est calculée par unité de surface projetée, et dans un angle solide spécifié. La luminance est généralement mesurée en unités de W m^-2 sr^-1, où sr signifie stéradian, qui est une mesure de l’angle solide. Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

Lorsque l’on mesure le rayonnement électromagnétique à l’aide d’instruments installés à bord d’avions ou de satellites, les mesures de la luminance sont généralement effectuées pour des intervalles discrets de longueurs d’onde. Par exemple la « bande 1” de nombreux satellites a été conçue pour mesurer uniquement la luminance du rayonnement électromagnétique avec certaines longueurs d’onde qui semblent bleues à l’œil humain (entre 420 et 470 nm). En supposant que cette gamme de longueurs d’onde est parfaitement mesurée par la « bande 1”, nous pouvons trouver la luminance spectrale en divisant la luminance mesurée par la gamme de longueurs d’onde mesurée (dans ce cas 50 nm). La luminance spectrale est une mesure très couramment utilisée en télédétection, et est souvent directement liée aux valeurs brutes (c’est-à-dire aux nombres numériques) trouvées dans chaque bande des images de télédétection.

Figure 15: Luminance spectrale. Par rapport à la figure 13 et à la figure 14, les flèches indiquant le rayonnement électromagnétique ont ici été colorées d’une seule couleur, pour souligner que la luminance spectrale est mesurée pour une gamme spécifique de longueurs d’onde. Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

Bien que la luminance spectrale soit l’unité d’intensité des CEM la plus proche de ce qui est réellement mesuré par les instruments de télédétection, elle peut être embêtante en raison de ces difficultés de dépendre l’éclairage de la zone observée. C’est évident si vous imaginez mesurer la quantité de lumière provenant du stationnement de votre quartier. Au cours d’une journée ensoleillée, une grande quantité de lumière se dégage de la surface de l’asphalte, parfois à tel point que vous devez plisser les yeux pour la regarder. Outre, la surface a une luminance spectrale élevée dans les longueurs d’onde visibles. Par temps, la surface reçoit moins de lumière — la luminance spectrale est plus faible. Et pendant la nuit, évidemment, très peu de lumière se dégage de la surface — luminance spectrale très faible. La mesure de la luminance spectrale provenant d’une surface ne peut donc pas nous renseigner directement sur la nature de cette surface, qu’il s’agisse d’un stationnement, d’un lac ou d’une forêt. Ce que nous préférons mesurer, c’est la réflectance d’une surface, c’est-à-dire la quantité de rayonnement qu’elle réfléchit par unité de rayonnement qui la frappe. Il s’agit d’une propriété physique réelle d’un matériau qui, dans la plupart des cas, est totalement indépendante de l’éclairage, et qui peut donc être utilisée pour identifier le matériau. Une réflectance élevée est ce qui rend les surfaces blanches, et une réflectance faible est ce qui rend les surfaces noires. Un type de réflectance couramment utilisé est l’albédo, qui est ce que les spécialistes de la télédétection appellent la réflectance diffuse. Il s’agit d’une mesure sans unité comprise entre 0 (pour les surfaces complètement noires qui n’ont aucun coefficient de sortie) et 1 (pour les surfaces complètement blanches qui réfléchissent tout le rayonnement qui leur est incident).

Figure 16: Réflexion diffuse. Définie comme l’exitance (flèches sortantes) divisée par l’irradiance (flèches entrantes). Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

La réflectance diffuse ne peut pas être mesurée directement en télédétection — en fait, aucun des deux termes nécessaires ne peut être mesuré. Cependant, elle peut être estimée de manière assez précise au sommet de l’atmosphère (nous y reviendrons plus tard) en utilisant deux astuces. Premièrement, nous connaissons assez bien la quantité de rayonnement produite par le Soleil à différentes longueurs d’onde, et nous pouvons donc estimer l’irradiance avec une bonne précision. Deuxièmement, si nous supposons que la luminance est une fonction connue de la direction de propagation, nous pouvons convertir la luminance mesurée dans une direction en exitance. L’ensemble de ces éléments nous donne les informations nécessaires pour convertir une mesure de radiance en une estimation de la réflectance diffuse.

En effet, la réflectance diffuse est une valeur unique qui nous renseigne sur la luminosité d’une surface, mais elle ne nous dit rien sur sa chromacité (qui est l’aspect de la couleur qui n’inclut pas la luminosité, par exemple, le rouge clair et le rouge foncé peuvent avoir la même chromacité, alors que le rouge clair et le vert clair ont des chromacités différentes). Cependant, comme indiqué ci-dessus dans le paragraphe sur la luminance spectrale, les mesures effectuées avec les instruments de télédétection sont en fait des mesures de la luminance spectrale. Nous pouvons donc convertir ces mesures en estimations de l’exitance spectrale, et les diviser par l’irradiance spectrale, pour obtenir une mesure de la réflectance diffuse spectrale. Si l’on ne tient pas compte des interactions entre le rayonnement électromagnétique et l’atmosphère, c’est le mieux que nous puissions faire pour obtenir cette mesure qui nous renseigne sur ce qui recouvre la surface de la Terre dans le pixel mesuré.

Figure 17: Réflexion diffuse spectrale. Définie comme la sortie spectrale divisée par l’irradiance spectrale. Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

Comment les rayonnements électromagnétiques sont détectés et mesurés

Pour mesurer l’intensité du rayonnement électromagnétique entrant, les instruments de télédétection utilisent des matériaux spéciaux qui absorbent efficacement le rayonnement dans la gamme de longueurs d’onde souhaitée et qui génèrent un courant électrique lorsqu’ils sont exposés au rayonnement — un courant qui est ensuite mesuré. Bien que différents matériaux soient utilisés pour absorber et donc détecter le rayonnement à différentes longueurs d’onde dans différents types de capteurs, le principe de base est bien illustré par les instruments de télédétection optique passive, dont la plupart reposent sur des capteurs CCD ou CMOS, tout comme l’appareil photo de votre téléphone.

Imaginez une caméra fixée à un satellite dans l’espace, pointant vers la Terre. Pendant une très courte période, la lentille de l’appareil photo est ouverte, laissant entrer la lumière produite par le Soleil (selon la loi de Planck) et réfléchie par l’atmosphère et la surface de la Terre dans l’espace, exactement dans la direction du satellite. À l’intérieur de l’appareil photo se trouve un CCD bidimensionnel, une sorte de damier composé de 3 x 3 petits éléments de détection individuels, chacun d’entre eux étant capable d’absorber la lumière solaire et de produire ainsi un courant électrique proportionnel à l’intensité de la lumière entrante. Les éléments de détection exposés à une lumière solaire plus intense produisent un courant de plus grande tension, de sorte que la tension est une indication directe de la quantité de lumière solaire à laquelle chaque élément a été exposé. Un exemple est fourni dans le tableau 1.

Tableau 1: Exemple de tensions générées par des éléments de détection individuels dans un CCD logé dans une caméra spatiale. Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

L’optique (système de lentilles) de la caméra garantit que chaque élément de détection individuel est exposé à la lumière provenant d’une direction unique prédéfinie par rapport à la caméra. Sachant où se trouve le satellite et comment il est orienté par rapport à la Terre, chacune de ces orientations peut être convertie en un ensemble de coordonnées géographiques (latitude/longitude) sur la surface de la Terre, à partir laquelle la lumière enregistrée par chaque élément de détection doit avoir été réfléchie. En d’autres termes, le courant électrique généré par chacun des éléments de détection 3 x 3 peut être ramené à un emplacement sur la surface de la Terre.

Tableau 2: Coordonnées géographiques à partir desquelles la lumière du soleil produisant le courant électrique dans chaque élément du tableau 1 a été réfléchie. Pour cet exemple, ignorez le fait que la taille du pixel implicite dans les coordonnées géographiques n’est pas carrée et très grande. Par Anders Knudby, CC BY 4.0.

Étant donné que la tension du courant électrique généré par chaque élément de détection est proportionnelle

à la densité du flux radiant du rayonnement entrant, avec un étalonnage approprié, la tension produite par chaque élément de détection peut être convertie en une mesure de la densité du flux radiant entrant au niveau de la caméra. En outre, si l’on connaît la distance entre le satellite et la surface de la Terre, on peut à son tour la convertir en une mesure de la luminance provenant de la zone observée. Nous obtenons ainsi l’une des mesures fondamentales de la télédétection : la luminance provenant d’une zone bien définie de la surface de la Terre.

Étalonnage

Dans la section précédente, il a été mentionné que la tension générée par un élément de détection peut être convertie en densité de flux rayonnant ou en luminance avec un étalonnage approprié. Un tel étalonnage est effectué pour tous les capteurs avant le lancement en les exposant à une lumière de différents niveaux de luminance connue, en notant la tension créée par chaque exposition. À partir de là, une équation de conversion simple, généralement linéaire ou presque linéaire, peut être créée pour convertir la tension en luminance. La figure 18 présente un exemple du type de configuration nécessaire pour effectuer un tel étalonnage.

Figure 18: Sphère d’intégration utilisée pour l’étalonnage du capteur. Commercial Integrating Sphere par Electro Optical Industries, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Détection multispectrale

Jusqu’à présent, nous n’avons pas tenu compte du fait que la plupart des capteurs de satellites sont conçus pour détecter la luminance dans plusieurs gammes distinctes de longueurs d’onde, chacune produisant ce que l’on appelle une « bande ». Le champ lumineux entrant qui atteint le capteur est toujours, dans le cas de la lumière solaire réfléchie, un mélange de radiations de différentes longueurs d’onde, de sorte que pour les séparer et mesurer la luminance de gammes distinctes de longueurs d’onde individuellement, il faut une étape supplémentaire au-delà de ce qui a été décrit ci-dessus. Différents types de technologies sont utilisés pour réaliser cette étape, la plus simple d’entre elles reposant sur un séparateur de faisceau. Un diviseur de faisceau peut être considéré comme une sorte de prisme fantaisie qui redirige le rayonnement électromagnétique dans une gamme définie de longueurs d’onde dans une direction, tout en laissant le rayonnement avec d’autres longueurs d’onde se déplacer sans entrave. Plusieurs capteurs individuels peuvent alors être placés aux endroits appropriés du capteur d’image, le CCD destiné à produire des données pour la bande « rouge » étant situé à l’endroit où le séparateur de faisceau redirige le rayonnement de longueurs d’onde comprises entre 600 et 700 nm (typiquement considéré comme de la lumière « rouge »), et ainsi de suite pour chaque CCD individuel. D’autres technologies que les séparateurs de faisceau sont utilisées, chacune accomplissant la même tâche de base qui consiste à permettre l’enregistrement séparé de rayonnements de différentes longueurs d’onde.

Figure 19: L’idée d’un séparateur de faisceau. Le rayonnement entre par la source, et les photons sont redirigés en fonction de leur longueur d’onde. Trois CCD peuvent alors être positionnés pour mesurer l’intensité de la lumière rouge, verte et bleue séparément. Color Separation Prism par Dick Lyon, Wikimedia Commons, public domain.

Note: Pour des raisons de simplicité, nous avons utilisé une « caméra » traditionnelle comme modèle pour expliquer comment les capteurs optiques passifs détectent et mesurent le rayonnement électromagnétique entrant. Alors que les caméras traditionnelles restent l’instrument de choix dans l’industrie de la photographie aérienne et dans le domaine en pleine expansion de la télédétection par drones, les capteurs optiques passifs embarqués à bord des satellites se présentent sous deux autres formes : les scanneurs à balai ou à fouet. Les détails de ces systèmes de détection dépassent le cadre de ces notes, mais des informations de base sont fournies ici :

• Un scanneur à ligne est constitué d’une série de CCD unidimensionnels, chacun d’eux étant généralement composé de plusieurs milliers de détecteurs individuels en une rangée. Chaque CCD est positionné avec soin dans l’instrument, « après » un séparateur de faisceau, pour enregistrer le rayonnement dans ce qui devient une bande, plus ou moins comme le montre la figure 19. L’instrument n’a pas d’obturateur, les CCD enregistrent plutôt le rayonnement entrant d’une ligne très large et étroite sur la Terre, allant d’un côté de la bande suborbitale à l’autre. Ces mesures deviennent une ligne (rangée) dans une image satellite. Au fur et à mesure que le satellite se déplace sur son orbite, une autre ligne est enregistrée, puis une autre, et une autre, jusqu’à ce que des milliers de lignes aient été mesurées. Elles sont ensuite assemblées pour former une image.
• Un scanneur à balayage repose sur un miroir de balayage rotatif pour diriger le rayonnement de différentes parties de la surface de la Terre sur un plus petit nombre de CCD. La position du miroir à un moment donné peut être utilisée pour calculer la direction depuis laquelle le rayonnement mesuré est arrivé sur le capteur. Ces mesures, ainsi que les informations de géolocalisation correspondantes, sont prises en succession rapide, et finalement assemblées sous forme d’image.