ACQUISITION DES IMAGES SATELLITES

I. Machinerie d’un satellite :

Un satellite est constitué de deux grandes parties :
- la charge utile
- la plateforme

1) La charge utile :
La charge utile varie en fonction de la mission du satellite. On y trouve soit des instruments de télécommunication ou des instruments d’observations. Pour l’acquisition des images satellites se sont évidemment des instruments d’optiques.

- Une case
Il s’agit d’une structure en fibres de carbone assurant la stabilité nécessaire aux instruments. Elle accueille les équipements électroniques optiques de traitement d'images, de mémorisation et de transmission des données vers le sol. On peut y stocker les images après compression et formatage dans une mémoire de masse pouvant être des enregistreurs à bande magnétique pour les satellites anciens et une mémoire électronique pour les plus récents (capacité allant de 20 à 100 Go).

- Les instruments de prise de vues et optiques
Parmi les différents instruments de prise de vues et optiques, le système altimétrique constitue l'un des principaux et l'un des systèmes les plus perfectionnés de visualisation par satellite. En effet, pour obtenir certaines cartes (du relief, du niveau des océans,...), il est nécessaire de faire appel à des technologies différentes de l'acquisition numérique directe (comme la photo), qui n’est pas assez précise ou trop longue à traiter pour obtenir des images au jour le jour. Ainsi, le système d'altimétrie spatiale a été choisi par les concepteurs de satellites et fonctionne sur de nombreux satellites.

Un radar altimètre embarqué à bord d'un satellite émet un signal à très haute fréquence (plus de 1700 impulsions par seconde) à la verticale de celui-ci en direction du sol et reçoit en retour l'écho réfléchi par la surface du sol. L'analyse de l'écho permet d'extraire une mesure très précise du temps de trajet aller-retour entre le satellite et la surface terrestre. Toutefois les ondes électromagnétiques peuvent être ralenties pendant leur traversée dans l'atmosphère à cause du taux d'humidité ou du taux d'ionisation. Il faut donc appliquer certaines corrections prenant en compte ces phénomènes physiques (négligeables sur de petites distances mais pas sur des grandes). Ce temps est ensuite transformé en distance par simple multiplication par la vitesse de la lumière, vitesse à laquelle se propagent les ondes électromagnétiques émises. On trouve alors la distance finale avec une précision de 2 centimètres.

2) La plateforme :
La plateforme est l’endroit où l’on trouve les équipements qui permettent d’assurer le bon fonctionnement du satellite. Parmi ces équipements il y a un ordinateur de bord, des réservoirs, des petits moteurs permettant de replacer le satellite sur son orbite en cas de dérive ainsi que des radios de liaison avec la terre.

- L'alimentation électrique
L'énergie nécessaire au fonctionnement de tous les appareils électroniques est fournie par les panneaux solaires déployés immédiatement après la mise en orbite du satellite ainsi que par les batteries présentes pour le stockage de l'énergie.

- L'outil de contrôle de l'attitude du satellite
Le contrôle d'altitude permet au système optique de rester correctement pointé vers la zone au sol dont on veut obtenir l'image, en stabilisant le satellite selon 3 axes. Le satellite a tendance à se dépointer sous l'action de caractères environnementaux ou d'actions internes. Pour éviter cette tendance à se dépointer, il faut réaliser un contrôle d'altitude en contrôlant l'orientation angulaire et en assurant une stabilité de l'orientation pour éviter l'effet de mouvement ou bougé sur les images.

- Des micro-propulseurs assurant le maintien précis de l'orbite en raison de l'impact de forces parasites exercées sur le satellite. L'orbite du satellite évolue légèrement et il est nécessaire d'effectuer périodiquement des corrections à l'aide de micro-propulseurs afin de garder le satellite sur son orbite.

- Des systèmes d'intelligence embarquée (calculateur, logiciel de vol).
Ces systèmes sont destinés à la gestion du satellite. Ils permettent de manœuvrer et surveiller les équipements du satellite et ainsi d'assurer la réalisation les objectifs.

II. Acquisition des images :

1) Le système d'acquisition

Le satellite destiné à l'acquisition d'images est équipé d'un radiomètre, appareil mesurant la quantité de lumière provenant de la partie de la planète visée. Ce radiomètre est constitué d'une grille de détecteurs CCD (Charge-Coupled Device, capteur à transfert de charge en français), grâce auxquels le rayonnement du terrain va être perçu (selon un fonctionnement identique à celui d'un appareil photo numérique).

Les capteurs CCD sont des composants microélectroniques sensibles qui convertissent l'intensité lumineuse (signal analogique) en un signal électrique. Pour ce faire, le capteur CCD emmagasine les particules de lumière, les photons, dans un corps de silicium. Ce dernier a pour propriété de libérer des électrons lors de l'absorption de photons. Le détecteur relié à un contact électrique transmet donc une charge électrique plus au moins élevée selon la lumière perçue. Cette charge est convertie par un convertisseur Analogique/Numérique en un signal numérique codé en binaire

Dans le cas d'une image satellite acquise en couleur, chaque détecteur est composé de trois capteurs CCD qui perçoivent chacun l'intensité lumineuse des trois couleurs de base : rouge, vert et bleu. Par superposition des trois couleurs de base, on obtient une couleur précise.

Le signal numérique va ensuite pouvoir être interprété pour obtenir une image.

Pour acquérir une image satellite d’une ligne complète au sol de la largeur du champ que l’on souhaite observer, on utilise une prise d’image dite en « râteau » (push broom en anglais). Ce principe permet, grâce à des lignes de détecteurs de couvrir la largeur désirée d’un seul coup.
Le balayage de la longueur est quant à lui obtenu par le défilement du satellite sur son orbite.
Ainsi en recoupant les informations on obtient une image satellite de la zone à observer. (Le principe est similaire au fonctionnement d’un scanner c’est-à-dire un balayage avec une largeur fixée).

2) L'obtention de l'image satellite numérique

Suite à l'interprétation des signaux précédemment acquis, on obtient une image satellite numérique. Le radiomètre constitué d'une grille de détecteurs CCD va donc émettre une suite de nombres binaires de 8 chiffres chacun qui correspondent à l'intensité lumineuse perçue par chaque capteur CCD de la grille. Chaque nombre, ou octet, correspond
- Dans le cas d'une photographie noir et blanc à un niveau de gris. Ainsi, l'octet 11111111 correspondra au blanc de valeur décimale 255, et l'octet 00000000 au noir de valeur décimale 0.
- Dans le cas d'une photo couleur, trois octets sont émis par un détecteur CCD pour chaque couleur de base : vert, rouge, et bleu.

La formation de l'image est alors possible. L'image numérique est également une grille, une matrice composée de lignes et de colonnes. Chaque carreau est nommé pixel (picture element). Chaque pixel contient son " compte numérique " déterminant sa couleur qui n'est autre que le nombre binaire issu de chaque détecteur CCD, et ses coordonnées en x et y. Les pixels réunis, on obtient une image identique à celle prise par le satellite.

La résolution d'une image étant la quantification du nombre de pixel pour une dimension donnée, exprimé en dpi ou en ppp.

III. Différents modes d’acquisition :

Les données envoyées par les satellites ne sont donc pas des images toutes faites. Elles doivent être composées à partir des informations fournies par ses instruments. Comme nous l'avons vu, les capteurs CDD collectent la lumière que renvoient la surface observée et traduit cette information en signal numérique. Avec un satellite récent différents modes d'acquisition existent : le mode multibande ou le mode panchromatique. Leur rendu et leur utilisation sont différents.

1) Le mode multibande ou multispectral
Elle est acquise par un capteur numérique qui mesure la réflectance dans de nombreuses bandes spectrales (typiquement, une dizaine). Ces multiples valeurs de réflectance se combinent pour créer des images couleur. Elle sert principalement à obtenir des informations à caractère " qualitatif " (ex. classification des types de végétation sur des parcelles).

2) Le mode panchromatique
Elle est acquise par un capteur numérique qui mesure la réflectance dans une large bande électromagnétique. Les données panchromatiques sont représentées sous forme d'images en noir et blanc. Elle sert principalement à obtenir des informations de type " géométrique " (formes, dimensions, surface).

3) Les différents instruments :

Selon le mode d’acquisition choisi, les instruments diffèrent.
Par exemple, l’instrument HRVIR (Haute résolution visible et infrarouge) de Spot servira pour acquérir des images en mode multispectral. En effet, il peut observer dans différentes bandes spectrales.

En revanche, si l’on veut observer en mode panchromatique, alors on utilisera un appareil adapté comme l’instrument HRS situé également sur Spot.

Il existe aussi des instruments spécifiques comme « Végétation » sur le satellite Spot et qui permet, comme son nom l’indique, une observation adaptée de zone de végétation.

IV. Transfert des images du satellite vers la Terre :

Les images satellites acquises sont transmises sur Terre soit en direct si une station de réception est en visibilité du satellite et est programmée, soit en différé (après stockage) lors du passage sur une station. Le débit de transmission varie selon le satellite entre 25 et 100 Mo par seconde.
Deux cas majeurs peuvent se présenter :
Le satellite est en visibilité d'une station de réception. Les images peuvent être envoyées en temps réel à cette station si celle-ci a été programmée
Le satellite n'est pas en visibilité d'une station. Les acquisitions programmées sont réalisées et les images sont stockées par des enregistreurs embarqués. Elles sont transmises plus tard, lorsque le satellite se trouve en visibilité d’uns station de réception.

Pour transmettre entre des points éloignés ces signaux dont la portée est limitée, on utilise, le plus souvent, comme véhicule de liaison, une onde électromagnétique.
Aujourd'hui, des dizaines de stations de réceptions de données satellites, et notamment d'images satellites, sont réparties à la surface de la planète .À chacune des stations de réception, on retrouve une ou plusieurs antennes paraboliques d'une dizaine de mètres de diamètre. Ce diamètre important permet une meilleure réception des signaux même les plus faibles. Pour permettre l'enregistrement des données transmises par le satellite, l'antenne de réception doit suivre et pointer directement vers le satellite.

V. Traitement et interprétation des images :

L’image que nous transmet le satellite est brute. Il faut donc effectuer un certain nombre de retouches pour la rendre utilisable.
Tout d’abord il faut effectuer une correction géométrique car lors de la prise de l’image, les reliefs, la rotation de la Terre sur elle-même ou encore le positionnement du satellite, affectent l’image et la déforme légèrement.
Une fois ces corrections effectuées, on assemble un grand nombre d’images pour recouvrir la totalité de la zone qu’on souhaite observer (n’oublions pas que les satellites ne prennent des images de taille restreinte).
On passe ensuite au traitement des couleurs. Il consiste à restituer des couleurs, plus ou moins naturelles aux images souvent teintées en bleues par le satellite.
Enfin, on lisse les raccords pour obtenir une image homogène.
Des logiciels permettent d’effectuer ces différentes retouches. C’est notamment le cas du logiciel Titus qui permet le traitement des couleurs.

L’interprétation des images satellites se fait grâce aux réflectances mesurées par le satellite. En fait, les mesures de réflectance obtenues sont comparées avec des données qui ont été listé. Ainsi, par exemple on peut déterminer de quelle espèce d'arbre est constituée une forêt : l'ordinateur compare les mesures avec celles obtenues pour des forêts de sapins, de chênes, de hêtres, etc. et le résultat qui s'en rapprochera le plus correspondra à l'espèce d'arbre recherchée.

Notre expérience :
Nous avons mesuré la réflectance de différents échantillons pour créer une petite banque de données.
Pour mesurer la réflectance d’un échantillon on utilise un radiomètre.

Que sont la luminance et la réflectance ?
Tout objet à la surface de la Terre émet, diffuse ou réfléchit des radiations électromagnétiques. Le comportement spectral d’un objet peut être cerné par deux grandeurs physiques mesurables par un radiomètre : la luminance et la réflectance.

- La luminance représente l’énergie des radiations émises et/ou réfléchies par un objet pour une longueur d’onde et suivant un angle et une surface donnés.

- La réflectance est le rapport entre l’énergie émise ou réfléchie par un objet et l’énergie des radiations incidentes reçue par ce même objet pour une longueur d’onde et une surface données. Elle est comprise entre 0 et 1 mais souvent exprimée en pourcentage.

Contrairement à la luminance, la réflectance est une grandeur caractéristique du milieu. Elle est la base de la reconnaissance des substances.

Principe d’utilisation du radiomètre :

Le radiomètre de laboratoire possède des canaux proches de ceux de certains satellites comme SPOT.
Avant toute mesure, il faut régler le radiomètre.
- Vérifier le zéro en tournant le porte filtre jusqu'à la position "0". Amenez l'aiguille au zéro si nécessaire.
- Placer la substance à étudier sous le radiomètre, sur du papier Canson noir et mat. Elle doit couvrir tout le champ et être placée horizontalement.
- Recouvrir la cible avec une feuille papier Canson blanche.
- Choisir le filtre et réglez l’amplification pour que l’aiguille indique 92 (une feuille de Canson a une réflectance de 92%)
- Enlever la feuille blanche et lire la valeur indiquée par l’aiguille. Cette valeur correspond à la réflectance de la substance étudiée dans la bande spectrale correspondant au filtre utilisé.
- Relever les valeurs lues dans un tableau

ATTENTION : Des conditions de travail rigoureuses sont nécessaires car des ombres ou des interférences lumineuses peuvent fausser les valeurs.

Ces valeurs nous permettent de reconnaître la nature des différents matériaux des images prises par le satellite.