La réflectance est le rapport entre l’énergie reçue par une surface et l’énergie réfléchie par cette même surface :
Ce qui n’est pas réfléchi, est absorbé ou transmis.
L’absorptance est le rapport entre l’énergie reçue par une surface et l’énergie absorbée par cette même surface :
Ce qui n’est pas absorbé, est réfléchi ou transmis.
La transmittance est le rapport entre l’énergie reçue par une surface et l’énergie transmise par cette même surface :
Ce qui n’est pas transmis, est réfléchi ou absorbé.
Ce que capte le satellite, et par conséquent, l’image qui apparaît correspond à une très faible partie résiduelle des phénomènes atmosphériques, très “ bruitée ” par les aérosols.
Dans une fenêtre spectrale observée, les objets au sol ont un comportement et une “ réponse ” spécifiques liés à leur état, leur taille, leur physionomie, la période d’observation...
Toutes les fenêtres spectrales ne sont pas utilisées en télédétection.
Une partie importante du rayonnement ultraviolet est absorbée par les hautes couches de l’atmosphère entraînant ainsi une dissociation des molécules d’oxygène, d’azote et surtout d’ozone (qui alimente la couche d’ozone).
Ces interactions sont si intenses que le rayonnement est inutilisable pour la détection à distance des objets.
et les hyperfréquences.
Chaque fenêtre spectrale a aussi un mode de rayonnement prédominant qui lui sert à capter la réponse et le comportement de la cible (l’objet).
- Dans les fenêtres du visible et de l’infrarouge, les observations utilisent le phénomène de la réflexion du rayonnement solaire par les objets (détection passive).
- Dans le domaine thermique surtout et aussi des hyperfréquences (le radar), c’est plutôt l’émission naturelle des surfaces qui domine (détection active).
- Toutefois, dans tous les domaines spectraux, il est possible de réaliser une détection active par un rayonnement artificiel.
La couleur est une lumière qui pénètre dans l’œil et provoque des réactions chimiques transformées en signaux pré-codés.
Ces signaux sont transmis au cerveau par le nerf optique et sont reçus (par le cerveau) comme couleurs.
Le processus est compliqué puisque au-delà de la lumière, toute excitation entraîne une perception colorée même s’il n’y a pas de sensation colorée issue de l’œil.
Exemple : les rêves en couleurs.
Ainsi, les différents canaux des capteurs sont paramétrés chacun pour mettre plus en valeur la fenêtre qui correspond à une couleur conventionnelle du visible ou de l’infrarouge...
Dans le visible, le canal TM1 de Landsat 1 à 7 (0.45/0.52 microns), correspondant à la fenêtre du “ bleu ” mettra naturellement en évidence les objets “ bleu ” pour l’oeil humain (l’océan, les lacs, rivières...).
Toujours dans le visible, le canal TM2 de Landsat 1 à 7 (0.52/0.60 microns) et XS1 de SPOT( 0.50/0.60 microns) mettra en évidence les objets “verts” pour l’œil (végétation, forêt, cultures, "les martiens"...)
Toujours dans le visible, le canal TM3 de Landsat 1 à 7 (0.63/0.69 microns) et XS2 de SPOT (0.60/0.68 microns) capteront prioritairement les objets “rouges” et les objets aux couleurs composites (roches, villes, sols nus…) par différenciation avec les objets de couleurs pures.
Les objets “blancs”, par définition renvoient toutes les longueurs d’onde du visible, aussi trouverons nous une réponse d’un objet blanc dans les canaux bleu, vert et rouge.
L’infrarouge :
Contrairement au visible, nous touchons ici à des longueurs d’onde (0.8 à 100 microns) qui ne sont plus perceptibles à l’oeil humain et il est impératif de dissocier :
- couleur visible de l’objet,
- réponse dans l’infrarouge,
- couleur à l’écran.
Le proche infrarouge - PIR (0.8/1.3 microns) correspond à la fenêtre utile pour la détection de l’activité chlorophyllienne, et pas forcément à l’abondance de la végétation (les canaux Landsat TM4 et SPOT XS3 sont paramétrés sur cette fenêtre).
Le proche infrarouge peut être aussi utilisé pour évaluer en partie la teneur en eau des sols et des plantes (domaines du MIR).
Pourquoi la détection de l’activité chlorophyllienne et pas forcément à l’abondance de la végétation ?
Exemple:
Une forêt de feuillus en hiver, couvrant même un espace important, mais dépourvue de feuille, aura une réponse faible dans le PIR en raison de l’absence de feuilles ou de la dormance de la végétation.
Le moyen infrarouge - MIR (1.55/1.75 microns) est utilisé essentiellement pour évaluer la teneur en eau des sols et des plantes (comme par exemple dans la mesure des déficits hydriques ou, à l’inverse, des zones irriguées).
L’infrarouge thermique - IRT 10.4/12.5 microns (Landsat TM6) détermine directement (et en cas de non nébulosité) la température de surface des objets observés.
A une réponse faible, correspond une température faible par rapport au reste des valeurs apparentes, et non pas forcément une température “ froide ”.
Attention, il ne s’agit pas d’un rapport absolu température au sol / réflectance / niveau numérique quelle que soit l’image.
On ne peut dire a priori qu’à un niveau numérique de «15» correspond une température de 10°C.
Ce rapport n’est valable que sur une seule image et une seule zone sur laquelle on aura préalablement réalisé un échantillonnage des températures réelles au sol.
Landsat TM7 (0.8/2.35 microns) correspond à une fenêtre spectrale couvrant le proche et le moyen infrarouge.
Ce canal est peu utilisé en lui-même, mais intervient principalement dans la construction de néo-canaux.
Le radar (hyperfréquence) :
(de 3 microns à 1 mètre)
Le radar est un appareil qui émet des impulsions très brèves en hyperfréquences et reçoit l’écho après réflexion d’un obstacle.
Pour rappel, nous entrons ici dans le domaine de la télédétection active : le satellite n’est plus seulement capteur, il est aussi émetteur de rayonnement.
Le domaine du radar couvre les fenêtres allant des infrarouges moyens aux hyper-fréquences.
L’utilisation du radar permet l’observation et la détection d’objets ou de phénomènes jusqu’ici peu ou pas détectables dans les longueurs d’onde “classiques” (visible et infrarouge).
C’est, entre autres, le cas pour la composition :
- des nuages;
- des constituants internes de
certains objets;
- de la composition des eaux ;
- des aérosols...
En imagerie satellitale, le radar est d’utilisation très récente (satellite européen ERS1) mais très certainement promise à un bel avenir.
5 - LA SIGNATURE SPECTRALE
Tout objet (ou toute surface géographique), de par sa nature, émet un signal qui lui est propre à un moment bien déterminé.
Ce signal permet son identification à distance. C’est sa signature spectrale ou son identifiant radiométrique.
La couleur d’un objet n’est donc que l’expression dans le visible de cette carte d’identité radiométrique ou signature spectrale de l’objet.
Les objets ont des réflectances diverses dans les différentes longueurs d'onde. C’est à dire qu’ils renvoient les ondes électromagnétiques émises par le soleil plus ou moins intensément dans les différents segments du spectre électromagnétique.
La végétation par exemple a une forte réponse spectrale dans le vert c’est à dire qu’elle renvoie le rayonnement dans les longueurs d'onde correspondant au vert (0,5-0,6μm).
Elle renvoie aussi une forte réponse dans le proche infrarouge et une faible réponse dans le bleu ou le rouge (la végétation absorbe plus de rayonnements dans les longueurs d'onde du rouge et du bleu).
Chaque objet a ainsi des réponses spectrales différentes dans les diverses longueurs d’onde.
La succession de ces réponses différentes de l'objet dans une ou des fenêtres continues d'ondes électromagnétiques correspond aussi à sa signature spectrale.
On pourra ainsi déterminer la nature d'un objet non plus en fonction d'une seule réponse dans une longueur d'onde définie, mais plutôt dans plusieurs longueurs discrétisées ou dans une fenêtre continue.
En analyse d'image de télédétection on utilise comme signature spectrale la valeur numérique d'un objet dans au moins 3 canaux satellitaires.
C'est cette signature qui permettra :
• soit la reconnaissance d'un objet,
• soit sa classification par rapport à un groupe d'objets (de son environnement),
• soit l'étude de son évolution dans le temps (caractères phénologiques, effets saisonniers, dépérissement...).
L’eau a des propriétés spectrales très différentes selon qu’elle est à l’état liquide ou à l’état solide.
- EAU «pure» ou plutôt liquide
La signature de l’eau à l’état liquide est caractérisée par celle des molécules d’eau « pure » à laquelle s’ajoute la signature des particules dissoutes ou en suspension (algues, matières organiques…).
Dans le visible et le PIR, l’eau liquide a une courbe spectrale caractérisée par une réflectance relativement élevée dans le bleu du visible, elle diminue dans le vert, devient très faible dans le rouge et nulle dans le PIR.
- EAU solide (neige, glace)
Elle a une réflectance particulière, elle est maximum dans le spectre du visible (absorption et transmission faibles 2 à 3%) et décroît rapidement et progressivement dans le PIR.
- Les sols et les roches
Le sol est un milieu très complexe de par l’hétérogénéité de sa composition.
Il est en effet constitué :
* d’une partie solide (éléments minéraux et organiques);
* d’une partie liquide;
* et d’une partie gazeuse.
Les éléments minéraux sont les sables, argiles et limons.
Les éléments organiques : humus, complexes argilo-humiques qui commandent la texture du sol, et les matières organiques non décomposées.
La partie aqueuse est constituée d’une présence hygroscopique, capillaire et de l’eau de gravité.
Le gaz est présent dans les interstices occupés par l’air.
Les sols et les roches se caractérisent par une réflectance certes différente en valeur, mais qui augmente avec la même régularité dans le visible et le PIR.
La différence des valeurs s’explique en grande partie par la texture et la structure, mais aussi par l’importance des éléments minéraux, organiques, liquides ou gazeux qui les constituent.
- Le couvert végétal
Le comportement spectral est à peu près le même pour tous les couverts végétaux : la réponse spectrale est faible dans le bleu du spectre visible (0,4-0,5 μm) , elle augmente dans le segment des longueurs d’onde du vert (0,5-0,6 μm) puis diminue dans la partie rouge pour devenir intense dans le PIR.
Le comportement spectral de la végétation est très lié à la complexité et au caractère changeant du milieu biogéographique.
Les propriétés spectrales de la végétation varient en fonction de la croissance végétale, de la saison mais aussi par rapport aux trois échelles différentes que sont la feuille, la plante et le couvert.
A l’échelle de la feuille, les propriétés spectrales sont attribuables aux pigments foliaires comme la chlorophylle qui est à l’origine d’une forte absorptance dans le visible (environ 80% de l’énergie solaire reçue). Ces mêmes feuilles se caractérisent dans le PIR par une forte réflectance.
A l’échelle de la plante et du couvert, une multitude d’éléments influent sur la propriété spectrale :
- le sol qui est en dessous;
- le tronc, les tiges, les feuilles et leurs dimensions qui varient selon l’espèce, la croissance…;
- la surface et l’envergure du couvert végétal.
La notion d’indice foliaire exprime le rapport entre la surface des feuilles et la surface du terrain occupé par la végétation. Cet indice qui augmente avec l’apparition et la croissance des feuilles, est un indicateur de la croissance végétale. Il est très souvent utilisé pour les prévisions de récoltes.
Dans le détail, chaque essence a sa propre signature spectrale, mais la distinction des essences est quasi impossible sur une image satellitaire tellement les signatures sont proches entre les espèces.
Le PIR permet toutefois une meilleure discrimination.
Cette difficile discrimination est cependant plus aisée avec des observations à différentes saisons.
Attention :
Il convient de ne pas confondre signature spectrale et histogramme de répartition :
La signature spectrale est la réponse radiométrique d’un seul type d’objet dans une succession de longueurs d’ondes.
Un histogramme de répartition est plutôt le cumul des réponses radiométriques des objets d’une image.
Pour mettre en relation signature spectrale, c’est-à-dire réponse spectrale “réelle” d’un objet et histogramme de répartition des objets dans une image, il est nécessaire de tenir compte d’un certain nombre de circonstances en amont :
- la date de prise de vue;
- le modelé et la topographie;
- le type de végétation (caducifoliée ou sempervirente) et la succession végétale;
- la longueur d’onde d’observation;
- la résolution spatiale;
- les effets atmosphériques.
D’un point de vue végétatif, une espèce caducifoliée par exemple, n’aura pas du tout le même type de réponse suivant la date de prise de vue.
De même, une espèce sempervirente, a priori avec des réponses plus ou moins constantes sur l’année, peut avoir un fort indice d’activité chlorophyllienne en hiver (le cas du sapin), et donc une forte réponse dans le PIR.
Le type de végétation et la succession végétale
Une même espèce, à une même période de l’année et dans la même longueur d’onde peut avoir plusieurs réponses spectrales au cours des années en raison de phénomènes édaphiques, bioclimatiques ou anthropiques : maladies, sécheresse, âge, feux, tailles...
Le modelé et la topographie
En fonction de l’éclairement solaire, des espaces contenant les mêmes espèces, à la même période de l’année et dans des longueurs d’ondes identiques peuvent engendrer des réponses totalement différentes en fonction du modelé (effets de la pente, incidence des rayons et du rayonnement, effet d’ombre). Le cas extrême est celui du versant à l’ombre, donnant des réponses quasi nulles.
La longueur d’onde d’observation
Rappelons qu’un même objet n’aura pas les mêmes réponses en fonction de la longueur d’onde étudiée. Un manguier vert aura une forte réponse (forte réflectance) dans le proche infra-rouge, et une faible réponse (forte absorption) dans le violet (vers 0.4 micron) par exemple.
La résolution spatiale
La même espèce, dans la même longueur, à la même date n’aura pas forcément la même réponse spectrale à des résolutions spatiales de 10, 20, 30 ou 120 m. Cela est du à la taille de l’objet étudié, à la texture des ensembles d’objets, à la structure des groupes et à la combinaison des différents objets sur un même pixel.
Les effets atmosphériques
Bien que les images étudiées soient, en général, claires et peu nuageuses, un certain nombre d’effets atmosphériques peuvent induire des “ déformations ” de la réponse initiale, voire donner des réponses totalement différentes. C’est particulièrement vrai en milieu tropical, où des perturbations liées aux aérosols (nuages, poussières, effets de chaleur...) compliquent l’interprétation. De plus, une même zone prise, par exemple, avant et après une forte pluie induit des réponses radiométriques différentes.
En conclusion, la mise en relation des réponses radiométriques brutes d’une image (les valeurs des pixels) avec les valeurs spectrales réelles et donc la nature des objets au sol doit absolument prendre en compte :
* les données de la prise de vue satellitale de départ contenant la date, l’heure solaire, les longueurs d’onde observées, la résolution (les métadonnées);
* les données de terrain, la topographie, l’état de la végétation...
