Télédétection

Le ciel est embrasé de nuages roses et orange, alors que le soleil commence à plonger sous l'horizon qui s'étend devant toi. Tu sors ton téléphone pour prendre une photo et immortaliser l'instant. Tu ne t'en rends peut-être pas compte, mais tu viens d'utiliser la télédétection pour enregistrer des données électromagnétiques sous la forme d'une photographie. Depuis l'invention de l'appareil photo, la technologie de la télédétection s'est transformée en un domaine de recherche de plus en plus important et étendu qui s'étend à de nombreuses disciplines.

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    Dans le monde des données géospatiales, la télédétection nous permet de voir, de mesurer et d'enregistrer les phénomènes terrestres à distance. À l'aide de diverses techniques, les scientifiques peuvent tout mesurer, de la température de la surface de l'océan à la quantité d'eau contenue dans les feuilles d'une plante, le tout sans jamais entrer en contact avec ce qui est mesuré. Comment cela fonctionne-t-il et comment cela transforme-t-il la façon dont nous apprenons à connaître la Terre ? Lis ce qui suit pour le savoir !

    Définitions de la télédétection

    Le terme "télédétection" a été inventé dans les années 1950 par Mme Evelyn Pruitt, géographe à l'Office américain de la recherche navale. À cette époque, la technologie évoluait rapidement pour enregistrer des informations sur la Terre à partir de capteurs aériens et satellitaires. Aujourd'hui, avec des milliers de satellites en orbite, la télédétection est sans aucun doute devenue un outil de recherche fondamental dans de nombreuses disciplines.

    La télédétection est le processus de détection et de mesure de l'énergie électromagnétique à distance pour obtenir des données géospatiales.

    Image satellite de télédétection du volcan StudySmarterFig. 1 - Image satellite composite en fausses couleurs du volcan Nabro en Érythrée. Grâce à la télédétection, les mesures de température peuvent être affichées visuellement.

    Comment fonctionne la télédétection ?

    Tu te demandes peut-être ce qui est télédétecté. Il s'agit du rayonnement électrom agnétique ou EMR.

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    Le soleil émet des rayons électromagnétiques à ondes courtes sous forme de photons. Les longueurs d'onde courtes ont des fréquences plus élevées et une énergie plus importante, tandis que les longueurs d'onde plus importantes ont des fréquences plus basses et une énergie plus faible. L'atmosphère terrestre absorbe une partie de l'énergie solaire entrante et la restitue lentement sous forme de DME à ondes longues.

    Nous voyons cette énergie sous forme de lumière visible sur Terre, et nous la ressentons sous forme de chaleur dans l'air, en fonction de la longueur d'onde des photons.

    Télédétection spectre de rayonnement électromagnétique StudySmarterFig. 2 - La télédétection détecte et enregistre le rayonnement électromagnétique.

    Toute énergie rayonnante entrante est soit absorbée, soit réfléchie, soit transmise à travers un objet, en fonction de sa longueur d'onde et du matériau de l'objet. La télédétection fonctionne en enregistrant les valeurs des rayonnements électromagnétiques qui atteignent un satellite ou un capteur aérien après avoir été émis ou réfléchis par la Terre.

    Par exemple, la neige au sommet d'une montagne réfléchira un pourcentage très élevé de la lumière visible entrante (c'est pourquoi elle apparaît si brillante et blanche). En revanche, un peuplement d'arbres situé à proximité sur la montagne apparaîtra plus sombre et ne réfléchira donc pas autant de lumière visible. Les satellites de télédétection peuvent enregistrer ces différences de valeurs de réflectance et les interpréter pour identifier les types de couverture terrestre à distance.

    Une feuille verte apparaît verte à nos yeux parce qu'elle reflète les longueurs d'onde de la lumière verte et absorbe les longueurs d'onde de la lumière bleue et rouge. La façon dont la végétation reflète l'énergie lumineuse est différente de celle dont le sol ou une étendue d'eau reflète l'énergie lumineuse.

    Lessignatures spect rales sont affichées en traçant les valeurs de réflectance des rayons électromagnétiques sur l'axe Y et les valeurs de longueur d'onde sur l'axe X. Les signatures spectrales permettent d'identifier différents objets ou surfaces. Ils peuvent même révéler des différences entre une végétation saine et une végétation malsaine en raison de la façon dont les pigments et l'eau des feuilles réagissent à l'énergie lumineuse !

    Télédétection signature spectrale tracé StudySmarterFig. 3 - Les signatures spectrales de trois types de couverture terrestre révèlent différents modèles de réflectance.

    Techniques de télédétection

    La technologie de la télédétection est très variée et comprend diverses techniques conçues pour obtenir et interpréter les différentes signatures spectrales des objets. Cependant, toutes les techniques de télédétection reposent sur trois composantes principales.

    Les trois composantes de la télédétection

    1. Cible: un objet, une surface ou une zone qui doit être mesurée.

    2. Énergie électromagnétique: il peut s'agir d'une ou de plusieurs parties du spectre électromagnétique.

    3. Capteur: un appareil qui détecte et enregistre des informations électromagnétiques.

    Types de télédétection

    Les deux types de télédétection se réfèrent aux différences dans la façon dont les capteurs obtiennent les données EMR.

    La télédétectionpassive s'appuie sur l'énergie du rayonnement électromagnétique qui est réfléchie ou émise par un objet. Cette énergie est présente indépendamment du capteur.

    La télédétectionactive implique un appareil capable de produire sa propre énergie de rayonnement électromagnétique et de diriger cette énergie vers un objet. La réflexion ou la rétrodiffusion de l'énergie peut alors être enregistrée par le capteur.

    Les capteurs passifs sont utiles pour capturer des images satellites de la surface de la Terre, en particulier dans les parties visible et infrarouge du spectre. Ces capteurs sont optimisés pour détecter l'énergie solaire à ondes courtes lorsqu'elle est réfléchie. Cependant, les longueurs d'onde plus courtes sont plus susceptibles d'être diffusées dans l'atmosphère parce qu'elles sont suffisamment petites pour entrer en collision avec des particules de gaz. C'est là que la télédétection active entre en jeu.

    En émettant de l'énergie dirigée vers un objet, les capteurs actifs peuvent détecter une signature spectrale plus claire avec moins de dispersion. Les radars météorologiques s'appuient sur la télédétection active parce que les grandes longueurs d'onde peuvent traverser les gaz et les nuages de l'atmosphère avec moins de dispersion que les longueurs d'onde plus courtes. L'énergie réfléchie qui revient peut être détectée avec moins de "bruit" créé par la diffusion.

    D'après ce que tu sais sur la diffusion atmosphérique des courtes et des grandes longueurs d'onde, penses-tu que la lumière visible bleue ou rouge se disperse davantage ? Indice : de quelle couleur est le ciel ? 1

    Enregistrement et visualisation des données de télédétection

    L'énergie qui arrive au capteur d'un satellite est enregistrée dans une grille. Tu peux considérer cette grille comme les pixels d'une image. Une valeur est attribuée à chaque pixel de la grille, et cette valeur représente l'intensité de l'énergie reçue.

    De nombreux satellites utilisés pour étudier la Terre peuvent détecter une large gamme de longueurs d'onde. Les types de longueur d'onde sont regroupés en bandes, ce qui permet de stocker les données ERM dans des couches de grille distinctes.

    En télédétection, une bande représente une gamme de longueurs d'onde. L'énergie rayonnante électromagnétique entrante est enregistrée séparément pour chaque bande.

    Le spectre visible est généralement divisé en trois bandes distinctes : le bleu, le vert et le rouge. D'autres bandes utiles courantes comprennent le proche infrarouge et l'infrarouge moyen.

    Les humains voient la lumière visible comme une combinaison de lumière rouge, verte et bleue. Lorsque nous attribuons à la bande bleue la représentation visuelle de la couleur bleue, à la bande verte la représentation de la couleur verte et à la bande rouge la représentation de la couleur rouge, nous obtenons une image composite en vraies couleurs avec l'apparence des couleurs naturelles.

    Télédétection composite couleur réelle StudySmarterFig. 4 - Image composite en couleurs réelles de la région de la baie de San Francisco.

    Si nous voulons mieux distinguer les zones de végétation dans la région de la baie de San Francisco, nous pouvons plutôt utiliser la bande du proche infrarouge et représenter ses valeurs par une couleur rouge. C'est ce qu'on appelle une image composite en fausses couleurs. Tu remarqueras que les zones de végétation ressortent davantage sur la deuxième image.

    Télédétection composite fausses couleurs StudySmarterFig. 5 - Image composite en fausses couleurs de la région de la baie de San Francisco.

    Il existe de nombreuses combinaisons possibles de bandes de télédétection dans les images composites en fausses couleurs. Les chercheurs choisissent les combinaisons de bandes en fonction de leur capacité à mieux distinguer les cibles d'intérêt.

    Télédétection et SIG

    La télédétection permet de collecter et d'enregistrer les données EMR, tandis que les systèmes d'information géographique (SIG) sont utilisés pour stocker, visualiser et interpréter les données.

    Les systèmes SIG transforment les grilles de valeurs de réflectance en représentations visuelles avec des pixels. Ces données matricielles peuvent ensuite être manipulées dans un logiciel SIG pour d'innombrables types d'analyses.

    Les données matricielles sont composées de lignes et de colonnes de données stockées dans des cellules ou des pixels et constituent l'un des principaux formats de données utilisés dans les logiciels SIG.

    La grille de données géographiques fournie par les télédétecteurs peut être analysée dans son format matriciel ou transformée dans d'autres formats utilisés dans les SIG pour répondre à des questions spatiales.

    Exemples de télédétection

    Grâce à l'analyse spatiale dans les SIG, la télédétection est devenue un outil puissant pour en savoir plus sur la Terre. Tu trouveras ci-dessous plusieurs exemples d'utilisation de la télédétection dans les SIG pour répondre à des questions importantes.

    Quantifier la déforestation avec les satellites Landsat

    Le programme Landsat de la NASA a débuté avec le lancement du premier satellite Landsat en 1972. Les satellites Landsat sont équipés de capteurs passifs qui détectent et stockent les données ERM dans une variété de bandes.

    Pour comprendre comment la déforestation a progressé dans la forêt amazonienne, les images Landsat prises au fil des ans peuvent être ajoutées à un logiciel SIG pour une analyse spatiale. Remarque les différences entre l'image satellite de Rondônia, au Brésil, à gauche, datant de 1975, et l'image de la même zone prise en 2012.

    Télédétection de la déforestation en Amazonie sur image Landsat StudySmarterFig. 6 - Images Landsat de Rondônia, au Brésil, prises en 1975 et en 2012. La gauche montre une couverture forestière dense en 1975, et la droite montre des schémas de peuplement et des signes de déforestation.

    Dans cet exemple, le SIG a été utilisé pour classer les types de couverture terrestre et quantifier leur changement de superficie au fil du temps. Les chercheurs ont découvert que plus de 70 000km2 de la forêt de Rondônia ont été supprimés depuis 1975.

    Les zones de sol nu apparaissent en rose car il s'agit d'un composite de fausses couleurs. Cette combinaison de bandes a été choisie pour sa capacité à distinguer clairement la forêt du sol nu.

    Ruines mayas découvertes grâce au LiDAR

    La détection et la télémétrie par la lumière ou LiDAR est une forme de télédétection active qui peut être utilisée pour créer des modèles en 3D. Une forte impulsion lumineuse est d'abord émise vers une cible, puis l'emplacement et l'intensité de l'énergie renvoyée sont enregistrés. Ce type de détection se produit relativement près de la surface de la Terre, généralement à l'aide de capteurs fixés sur des avions ou des drones.

    Le LiDAR peut capturer des détails fins et peut même pénétrer le couvert forestier pour révéler ce qui est caché sous la végétation dense, c'est pourquoi les chercheurs ont utilisé cette technologie pour rechercher des ruines à travers le monde.

    Télédétection LiDAR Modèle 3D StudySmarterFig. 7 - Modèle topographique en 3D du site des ruines d'Aguada Félix découvert grâce au LiDAR.

    L'une de ces découvertes impliquant le LiDAR a révélé une grande ruine maya d'un site cérémoniel appelé Aguada Félix au Mexique2. Les légères variations de la topographie des ruines n'étaient pas détectables par les satellites en orbite très éloignés.

    Télédétection - Principaux enseignements

    • La télédétection est le processus de détection et de mesure de l'énergie électromagnétique à distance pour obtenir des données géospatiales.
    • L'énergie rayonnante du soleil est absorbée, réfléchie ou transmise par des objets ou des surfaces sur Terre. La télédétection fonctionne en enregistrant le rayonnement électromagnétique réfléchi sous forme de grille.
    • Les deux types de télédétection sont la détection active et la détection passive.
    • Les logiciels SIG sont utilisés pour visualiser les données de télédétection dans un format matriciel sous forme d'images satellite.
    • Les données de télédétection sont couramment utilisées pour analyser l'occupation des sols, les processus météorologiques et atmosphériques et de nombreux autres phénomènes terrestres.

    Références

    1. SCIENTIFIC AMERICAN, a Division of Springer Nature America, Inc. 2003. https://www.scientificamerican.com/article/why-is-the-sky-blue/
    2. Inomata, T., Triadan, D., Vázquez López, V.A. et al. Monumental architecture at Aguada Fénix and the rise of Maya civilization. Nature 582, 530-533 (2020). (https://doi.org/10.1038/s41586-020-2343-4)
    3. Figure 1 : Image satellite du volcan (https://www.flickr.com/photos/gsfc/5880575519/in/album-72157678715062653/) par NASA Goddard Space Flight Center (www.flickr.com/photos/gsfc/) sous licence CC BY 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/2.0/)
    4. Figure 3 : Graphique de signature spectrale (https://seos-project.eu/classification/classification-c01-p05.html) par Science Education through Earth Observation for High Schools (SEOS) sous licence CC BY-NC-SA 2.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.0/)
    5. Figure 7 : Carte 3D LiDAR de l'Aguada Félix (https://en.wikipedia.org/wiki/Aguada_F%C3%A9nix#/media/File:Aguada_F%C3%A9nix_1.jpg) par Alfonsobouchot (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Alfonsobouchot) sous licence CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en)
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    Questions fréquemment posées en Télédétection
    Qu'est-ce que la télédétection en Histoire-Géographie?
    La télédétection en Histoire-Géographie est l'utilisation des technologies satellitaires et aériennes pour observer et analyser les phénomènes terrestres et leurs évolutions, afin d'étudier l'histoire, la géographie et le développement des territoires.
    Pourquoi utiliser la télédétection en Histoire-Géographie?
    On utilise la télédétection en Histoire-Géographie pour obtenir des données précises, actualisées et à grande échelle sur les phénomènes géographiques, pour analyser les changements historiques et comprendre les dynamiques territoriales.
    Quels sont les outils de télédétection utilisés en Histoire-Géographie?
    Les outils de télédétection en Histoire-Géographie incluent les images satellites, les photographies aériennes, les radars, les lidars et les drones, permettant d'acquérir des données complémentaires et comparer les évolutions dans le temps.
    Quelles sont les applications de la télédétection en Histoire-Géographie?
    La télédétection en Histoire-Géographie sert à étudier l'évolution des paysages, l'urbanisation, les changements climatiques, les risques naturels et les impacts humains sur l'environnement pour mieux comprendre les enjeux et phénomènes historiques et géographiques.
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