Imagerie spatiale

L'imagerie spatiale est une technique d'observation à distance qui repose sur la prise d'images dans le domaine optique (lumière visible, infrarouge et ultraviolet) depuis l'espace par des équipements installés à bord de satellites artificiels. L'imagerie spatiale constitue une des techniques utilisées pour déterminer les propriétés d'objets naturels ou artificiels à partir du rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi par ceux-ci. Ces techniques, regroupées sous le vocable de télédétection, comprennent également l'observation des micro-ondes à l'aide de radars et celle des ondes radio.

Première image de la Terre prise par un satellite en orbite. Elle montre une zone éclairée par le Soleil dans l'océan Pacifique et la couverture nuageuse. L'image a été faite alors que le satellite Explorer 6 se trouvait à environ 27 000 km d'altitude, le .
La région des Grands lacs vus depuis l'ISS en 2013 par l'astronaute canadien Chris Hadfield.

L'imagerie spatiale repose sur la transformation du rayonnement lumineux en image numérique. Chaque point élémentaire de l'image (pixel) est caractérisé par une valeur (la radiométrie) proportionnel à la puissance de la lumière reçus (la luminance) dans une bande spectrale choisie (l'ensemble du spectre de la lumière visible du violet au rouge pour obtenir une image classique dite panchromatique). Les images sont prises par des instruments comprenant une partie optique, des filtres et des détecteurs. Le résultat est en partie corrigé de manière automatique à bord de l'engin spatial (étalonnage, correction de la géométrie) avant d'être transmis via une station terrienne à un centre de traitement qui complète les corrections et produit des images répondant aux besoins des utilisateurs. Les capacités des satellites produisant ces images sont variables pour répondre aux besoins des utilisateurs : les satellites météorologiques ont ainsi une résolution spatiale moyenne mais effectuent simultanément des observations dans un très grand nombre de bandes spectrales alors que les satellites de reconnaissance militaires ont une résolution spatiale qui peut être inférieure au centimètre.

L'imagerie spatiale est un domaine en forte croissance avec des usages des plus variés. Initialement produite par des engins spatiaux développés par des agences spatiales civiles ou militaires (Landsat, Spot), elle est désormais en grande partie produite et commercialisée par des sociétés privées. Les principales applications sont la cartographie, la météorologie, la reconnaissance militaire, la gestion des productions agricoles, le suivi des catastrophes naturelles, l'étude de la Terre et des planètes à des fins scientifiques.

Définition
Schéma des processus de télédétection passive (en haut) et active. 1 : Le rayonnement du Soleil vient frapper la surface de la Terre (1). Le sol mais également l'atmosphère réfléchit une partie de ce rayonnement vers l'espace (2) mais il émet également en permanence un rayonnement thermique. Ce rayonnement est mesuré par l'instrument embarqué dans le satellite qui renvoie ces informations aux stations terriennes (3). Si l'instrument est de type actif (radar, télémètre laser…), il émet un rayonnement (1) qui est en partie renvoyé (2) puis analysé par l'instrument à bord du satellite.

L'imagerie spatiale fait partie des techniques de télédétection qui permettent de déterminer les propriétés d'objets naturels ou artificiels à partir des rayonnements qu'ils émettent ou réfléchissent. Les techniques de télédétection comprennent l'ensemble du processus : la capture et l'enregistrement de l'énergie d'un rayonnement émis ou réfléchi par les objets observés, le traitement des données résultantes et enfin l'analyse des données finales. Ce processus met en œuvre un capteur (appareil photographique, laser, radar, sonar, lidar, sismographe, gravimètre…) qui est généralement embarqué à bord d'une plateforme mobile : avion, satellite, ballon, navire (sonar)… Une grande partie du spectre électromagnétique du rayonnement X aux ondes radios (en passant par l'ultraviolet, la lumière visible et l'infrarouge) peut être utilisée. Chaque partie du spectre est susceptible de fournir des informations sur l'objet : forme, température, composition chimique, moléculaire et minéralogie, distance… L'imagerie spatiale est la technique de télédétection qui repose sur la prise d'images dans le domaine optique (lumière visible, infrarouge et ultraviolet) à partir d'engins spatiaux en orbite autour d'un corps céleste (Terre ou autre) ou survolant celui-ci.

Concepts

Spectre électromagnétique

Le rayonnement du Soleil qui traverse l'atmosphère vient frapper la surface de la Terre et une partie de celui-ci est réfléchi dans l'espace. Ce rayonnement est composé d'ondes de différentes longueurs qui forment son spectre électromagnétique : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X et rayons gamma. L'imagerie spatiale est réalisée à partie d'une fraction de ce spectre comprenant la lumière visible l'infrarouge et l'ultraviolet. Seule la lumière visible est perçue par notre œil, chaque couleur perçue par l'œil correspondant à un intervalle de longueur d’onde.

Le spectre électromagnétique du rayonnement solaire va des ondes gamma aux ondes radio. L'imagerie spatiale est réalisée à partir d'une fraction de ce spectre comprenant la lumière visible (zoom du schéma), l'infrarouge (IR) et l'ultraviolet (UV).

Réflectance et signature spectrale
La courbe verte correspond à la réflectance en lumière visible et proche infrarouge (longueurs d'onde entre 0,4 et 1 micron) d'une surface occupée par une prairie. Les courbes en forme de cloche correspondent à la sensibilité (entre 0 et 100 %) dans différents canaux de l'instrument de télédétection optique du satellite Sentinel2.

Le rayonnement du Soleil qui vient frapper le sol est en partie absorbé par sa surface ou pénètre dans le sol. Mais une partie du rayonnement est réfléchi. C'est cette partie du rayonnement qui est perçue par les instruments de télédétection (et nos yeux pour la partie du spectre correspondant à la lumière visible). La proportion de lumière réfléchie dépend des caractéristiques de la surface (type de sol, type de végétation, étendue d'eau, température…). Cette grandeur qui s'exprime sous la forme d'un pourcentage est la réflectance. La réflectance d'une surface varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. La courbe représentant la réflectance en fonction de la longueur d'onde, appelée spectre de réflexion, constitue une signature qui permet d'identifier de manière plus ou moins précise les caractéristiques de la surface ou de la végétation qui la recouvre[1].

Résolution spatiale

La résolution spatiale d'une image est la taille du plus petit élément d'une image qu’il est possible de distinguer. Elle est également couramment définie comme étant la taille du pixel (par exemple 1 pixel = 10 mètres). Les objets qu'il est possible de discerner dépendent de la résolution spatiale de l'instrument utilisé. Dans le domaine de l'imagerie spatiale on distingue la basse résolution, la moyenne résolution, la haute résolution et la très haute résolution. De manière générale, l'obtention d'une résolution spatiale élevée se traduit par une superficie de la surface visible réduite : une image très haute résolution couvrira une portion de territoire plus restreinte qu'une image moyenne résolution. Le choix d'une résolution spatiale à la conception du capteur embarqué sur le satellite mais aussi au moment de la conception du produit final dépend du besoin de l'utilisateur. Pour des applications météorologiques, une résolution spatiale basse ou moyenne est suffisante car les phénomènes observés sont généralement à l'échelle kilométrique. Par contre dans le domaine de la reconnaissance militaire il est généralement demandé la résolution spatiale la plus élevée possible pour pouvoir identifier de manière non ambiguë les armes, équipements et installations militaires[1].

Canal spectral et résolution spectrale

Le satellite produisant des images spatiales enregistre celles-ci simultanément dans plusieurs bandes spectrales ou canaux spectraux : pour chaque canal, seul le rayonnement compris dans un intervalle de longueurs d'onde donné est enregistré : par exemple pour Spot-4 le canal spectral du vert enregistre uniquement les longueurs d'onde comprises entre 0,5 et 0,59 micron. Chaque élément de l'image (pixel) est enregistré pour chaque canal en niveaux de gris avec un nombre de niveaux défini pour répondre aux besoins (souvent codé sur 8 bits soit 256 niveaux distincts). Une image correspondant à une photographie classique est obtenue en combinant trois images réalisées respectivement dans la bande du bleu, du vert et du rouge[1].

Quelques exemples de satellites fournissant des images spatiales
Satellite Opérateur Type Date
lancement		 Nbre canaux Détail canaux Fauchée Résolution
spatiale		 Résolution
radiométrique		 Masse Autre Remarque
Landsat 1[2]NASAObservation de la Terre197243 VIS + 1 IR185 km80 m.6 bits60 kg (instrument)Premier satellite d'imagerie civil
Météosat Seconde Generation[3]EumetsatMétéorologie2002124 VIS + 8 IRhémisphère en 15 minutes1 km (VIS)12 bits270 kg (instrument)En orbite géostationnaire
Pléiades Neo[4]Airbus DS GeoCivil/militaire202176 VIS + 1 IR14 km30 cm.

Selon les caractéristiques du satellite, une image peut être enregistrée uniquement dans les trois bandes reproduisant une photographie classique (bleu, vert, rouge) ou dans quelques bandes additionnelles situées dans l'infrarouge (images multi-spectrales) ou dans des centaines de bandes spatiales (images hyper-spectrales). Une image multi-spectrale avec ses bandes spectrales généralement larges et espacées fournie une image partielle de la signature spectrale de la surface alors que l'image hyperspectrale permet de reconstituer avec une grande précision celle-ci mais généralement au détriment de la résolution spatiale du fait du volume de données à collecter et transmettre. La résolution spectrale est la grandeur qui définit le pouvoir de séparation en bandes spectrales de l'instrument embarqué sur le satellite. Plus la résolution spectrale est grande, plus le spectre obtenu est détaillé, et plus on peut y mesurer des raies de faible intensité ou profondeur[1].

Quelques exemples de satellites fournissant des images hyperspectrales
Instrument Opérateur Type Satellite Date Bande spectrale Nbre bandes et largeur Type capteur Utilisation Autre information
HySIS[5]ISROSatelliteHySIS2018400-950 nm55 (10 nm)PushbroomSurveillance des ressources agricoles et forestièresRésolution spatiale 30 m.
PRISMA[6]Agence spatiale italienneSatellitePRISMA2019400-2500 nm250 (< 12 nm)PushbroomSurveillance des ressources naturelles, démonstrateur technologiqueRésolution spatiale 30 m.
HSI[7]DLRSatelliteEnMAP2021420-2450228 (6,5 nm et 10 nm)PushbroomRésolution spatiale 30 m.
HISUI[8]JAXASatelliteALOS-32021400-2500185 (10 nm et 12,5 nm)PushbroomGestion des ressources minières, suivi des productions agricoles, surveillance environnement, agricultureRésolution spatiale 30 m.

Restitution : vraies et fausses couleurs
Cette succession de trois photos d'un incendie sur la côte du Groenland comprend un image en "vraies couleurs" et deux images en "fausses couleurs" combinant différemment les images de 13 canaux du satellite Sentinel-2 afin de mettre en évidence d'une part l'incendie en court, d'autre part les zones brûlées.

Une image classique (telle que notre œil le perçoit) est produite à partir des enregistrements effectués dans les trois canaux de lumière visible (bleu, vert, rouge). Il s'agit d'image en "vrais couleurs". Pour pouvoir visualiser les données de l'image enregistrées dans des canaux ne faisant pas partie de la lumière visible on affecte de manière conventionnelle une couleur donnée à chacun des canaux. L'image obtenue en combinant ces différents canaux est dite image en "fausses couleurs"[1].

Historique de l'imagerie spatiale
Image satellitaire de Moruroa depuis un satellite espion KH-7 en 1967.
Première image de la Terre prise de l'espace et retransmise à la télévision par le satellite météorologique TIROS-1, le .

Les premières photographies satellites de la Terre ont été réalisées le par le satellite américain Explorer 6[9].

Les premières photographies satellites de la Lune auraient été faites le par le satellite soviétique Luna 3, lors d'une mission destinée à photographier sa face cachée.

La photographie La Bille bleue (Blue Marble) a été prise de l'espace en 1972. Elle est rapidement devenue très populaire auprès des médias et du grand public.

En 1972, les États-Unis lancent le programme Landsat, un des plus anciens programmes d'observation de la surface terrestre des États-Unis. Un de ses premiers objectifs était l'évaluation des volumes de récolte céréalières en URSS et aux États-Unis afin d'anticiper l'évolution des cours. Huit satellites Landsat ont été lancés depuis le , le dernier, Landsat 8, a été lancé le .

En 1977, la première image satellite en temps réel est prise par le satellite américain KH-11.

La même année, la France lance le programme SPOT (Satellite pour l’observation de la Terre), afin de fournir le premier service commercial d'imagerie satellite. Le premier satellite de cette famille de satellites civils développés par le CNES s'illustre par la diffusion, peu après son lancement en 1986, des premières images publiques de la catastrophe de Tchernobyl. Le 4e exemplaire s'illustre à son tour en étant le premier satellite à photographier les attentats du 11 septembre 2001, moins de 3 heures après[10].

Accès aux images et fournisseurs d'images

Aux États-Unis, l'imagerie terrestre a longtemps été l'apanage du renseignement militaire. Il faudra attendre la fin de la Guerre froide, et la réorganisation des efforts stratégiques, pour que les entreprises privées soient autorisées à capter, puis à exploiter des images réalisées par satellite[11]. Bien que de plus en plus dépendantes du secteur privé, les administrations ont toujours recours à ce type d'imagerie : toutes les images satellite prises par la NASA, notamment, sont éditées par la NASA Earth Observatory et sont proposées gratuitement au public (open data).

De nombreux autres pays ont des programmes d'imagerie satellite. Une collaboration internationale européenne, par le biais de l'Agence spatiale européenne (ESA), a permis de lancer les missions ERS 1 en 1992 puis ERS 2 en 1995, suivies par la mission ENVISAT en 2002. ENVISAT, mis en orbite le par Ariane 5 est un programme de 2,3 milliards d'euros pour le plus gros satellite scientifique d'observation de la Terre jamais conçu. Le , l'ESA a annoncé le libre accès à ses contenus (images ses vidéos et certaines autres données), sauf mention contraire. Ces contenus informationnels deviennent librement partageables et réutilisables comme l'étaient depuis toujours ceux de la NASA et des autres grandes agences financées par les budgets de l’État américain (hors cas particuliers liés par exemple au secret défense). La licence utilisée à l'ESA est la CC by-sa 3.0 IGO (« IGO » signifie « intergovernmental organization », ce qui signifie qu'en cas de litiges (très rares en matière de Creative Commons), il faudra passer par une médiation avec l'Agence)[12],[13].

Les images SPOT 1 à 5 du CNES sont disponibles sous licence ouverte depuis le [14].

Il existe également des compagnies privées qui produisent et commercialisent des imageries satellites telles que Maxar, Airbus DS Geo ou Planet Labs.

Produits

L'image spatiale produit des images satellite (ou satellitaire - l'usage de l'adjectif satellital est discuté[15],[16].

Utilisations

De très nombreux usages (scientifiques, civils et militaires) sont faits de ces images.

Les satellites ont eu une contribution unique et importante, dans certains domaines dont :

Image satellitaire composite montrant la pollution lumineuse (intensité et répartition), facteur de fragmentation écologique et de dégradation de l'environnement nocturne.
Il s'agit d'une superpositions d'images prises de nuit et par temps clair ; les limites des continents sont produites par l'ajout en couleurs sombres, des photographies équivalentes diurnes.

Ils ont notamment permis de mieux identifier et faire reconnaître les changements climatiques et écologiques globaux.

Notes et références
  1. « Comprendre une image satellitaire », sur Géobretagne (consulté le )
  2. (en) « Landsat-1 to 3 », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  3. (en) « Meteosat Second Generation », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  4. (en) « Pleiades Neo », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  5. (en) « HySIS (HyperSpectral Imaging Satellite) », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  6. (en) « Minimize PRISMA Hyperspectral », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  7. (en) « EnMAP », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  8. (en) « ALOS-3 », sur EO Portal, Agence spatiale européenne (consulté le )
  9. (en) « 50 years of Earth Observation », European Space Agency, (consulté le )
  10. Gédéon, « Du 11 septembre 2001 au 11 septembre 2011 : New York, le World Trade Centre et Ground Zero à travers 10 ans d’images acquises par les satellites d’observation de la Terre », sur Un autre regard sur la Terre (consulté le )
  11. Brian Kalafatian, « Du secret à sa libéralisation : le rôle des acteurs publics de la défense et du renseignement dans l’ouverture à la commercialisation de l’imagerie satellitaire aux États-Unis: », Stratégique, vol. N° 126-127, no 2,‎ , p. 111–118 (ISSN 0224-0424, DOI 10.3917/strat.126.0111, lire en ligne, consulté le )
  12. Communiqué de presse ESA, , ESA affirms open access policy for images, videos ans data
  13. Noisette T (2017) L'Agence spatiale européenne libère enfin ses images, article de Libération publié le
  14. « SPOT World Heritage: le catalogue des archives SPOT 1 à 5 en ligne – ForM@Ter » (consulté le )
  15. « Doit-on dire satellitaire ou satellital ? », (consulté le )
  16. Philippe Sierra, La géographie : concepts, savoirs et enseignements, Paris, Armand Colin, , 365 p. (ISBN 978-2-200-61360-0 et 2200613601, OCLC 979372480), p. 281
  17. (en) Jonathan Asher Greenberg, Shawn C. Kefauver, Hugh C. Stimson, Corey J. Yeaton et Susan L. Ustin, « Survival analysis of a neotropical rainforest using multitemporal satellite imagery », Remote Sensing of Environment, vol. 96, no 2,‎ , p. 202-211 (ISSN 0034-4257, OCLC 99054366, DOI 10.1016/j.rse.2005.02.010).
  18. NASA Ames Research Centre
  19. Centre d’études et de prospective du ministère de l’Agriculture, de l’Agroalimentaire et de la Forêt (2014), Le recours aux satellites en agriculture : évolutions récentes et perspectives ; Analyse no 67, février ; téléchargeable : http://agriculture.gouv.fr/publications-du-cep ou http://agreste.agriculture.gouv.fr/publications/analyse/

Annexes

Bibliographie
  • Collectif CNES ONERA, Imagerie spatiale : des principes d'acquisition au traitement des images optiques pour l'observation de la Terre, Cépaduès, (ISBN 978-2-854-28844-5)
  • Jacques Arnould, La terre d'un clic : du bon usage des satellites, Paris, Jacob, coll. « Sciences », , 210 p. (ISBN 978-2-7381-2488-3 et 2-738-12488-7, OCLC 716866406, BNF 42271633)
  • Cathy Dubois (dir.), Michel Avignon (dir.) et Philippe Escudier (dir.), Observer la terre depuis l'espace enjeux des données spatiales pour la société, Paris, Éditions Dunod, coll. « Quai des sciences », , 255 p. (ISBN 978-2-10-071284-7, OCLC 882233740, BNF 43863175)

Articles connexes

Liens externes
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