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Cours de Télédétection

Hamouda SAMAALI

Année universitaire

2015-2016

UNIVERSITE DE TUNIS

Faculté des Sciences Humaines et Sociales

Département de géographie

1- Qu est ce que la télédétection?

La télédétection est la technique qui, par l'acquisition

d'images, permet d'obtenir de l'information sur la surface de

la Terre sans contact direct avec celle-ci.

Télé signifie « à distance » et détection veut dire « découvrir » ou « déceler »

La télédétection est l ensemble des connaissances et

des techniques utilisées pour déterminer des

caractéristiques physiques et biologiques d objets par

des mesures effectuées à distance, sans contact

matériel avec ceux-ci.

I. Introduction

2. HISTORIQUE

La télédétection a débuté avec les photographies aériennes :1822 : caméra de NiepceVers 1850 : Premières photographies aériennes au bord d un ballon1909 : premières photographies par avionC est pendant les deux guerres mondiales que la photo-interprétation devient une discipline reconnue avec l apparition de revues spécialisées.Depuis 1960, c est l avènement des données satellitaires1963 : images prises par Mercury1972 : Lancement de la série LandsatLes années 80 : Lancement de la série SPOTLes années 90 : Lancement des satellites radars ERS etRadarsat

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Où?n'importe où à la surface du globe=> en général, à l'exception des pôles

Quand?- toute l'année=> suivi de l'évolution du signal électromagnétique dans le temps- de jour comme de nuit=> télédétection optique, infrarouge thermique ou radar

Comment?- à l'aide de capteurs opérants dans une ou plusieurs bandes spectrales=> sous forme analogique (photographies aériennes, le plus souvent)=> sous forme numérique (images satellitaires)

Dans quel but?- fournir une vision : globale, objective, instantanée de la surface du sol à un instant donné

Processus de la télédétection

3- Le principe de base

LE SYSTEME DE TELEDETECTION

Source d énergiePlate-forme ou vecteurCapteurCibleContexte environnantSignature spectraleImage

Airp

ort

transmission

diffusionabsorption

absorptiontransmission

reflexionspéculaire

émission

émission

atmosphère

capteursource

reflexion diffuse

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LES FORMES DE TELEDETECTION

L énergie est naturelle

(énergie solaire ou radioactive)

L énergie est produite

(cas du radar)

Forme passive de télédétection

ReflechiIncident

ReflechiIncident

Emetteur Capteur

Forme active de télédétection

Le processus de la télédétection comporte les étapes suivantes:

1-Source d'énergie ou d'illumination (A) En télédétection dite passive, le soleilconstitue la principale source d énergie. En télédétection dite active, la source estfabriquée par l homme

2-Rayonnement et atmosphère (B) - Durant son parcours entre la source d'énergieet la cible, le rayonnement interagit avec l'atmosphère. Une seconde interaction seproduit lors du trajet entre la cible et le capteur.

3-Interaction avec la cible (C) - Une fois parvenue à la cible, l'énergie interagit avecla surface de celle-ci. Les interactions sont de trois types: la transmission, la réflexionet l absorption

4-Enregistrement de l'énergie par le capteur (D) - Une fois l'énergie diffusée ouémise par la cible, elle doit être captée à distance (par un capteur qui n'est pas encontact avec la cible) pour être enfin enregistrée.

5-Transmission, réception et traitement (E) - L'énergie enregistrée par le capteurest transmise, souvent par des moyens électroniques, à une station de réception oùl'information est transformée en images (numériques ou photographiques).

6-Traitements, analyses, interprétation et applications (F et G): extraire desinformations utiles

Quelques champs d applications de la télédétection

Météorologie et climat: suivi de l évolution spatio-temporelles de lacouverture nuageuse

Agriculture: classification des types de culture, l'évaluation de la santédes cultures , la cartographie des caractéristiques du sol

Géologie: la cartographie des dépôts de surface , l'exploration minière ,l'exploration pétrolière,

Hydrologie: la surveillance et la cartographie des inondations , ladétection des changements dans les rivières et les deltas , lacartographie des bassins hydrologiques ,

Occupation du sol: la gestion des ressources naturelles , l'expansion etle développement urbains , la protection de l'habitat sauvage , ladélimitation de l'étendue de dommage (tornades, inondations, volcans,tremblements de terre, feux)

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1- Le rayonnement électromagnétique (REM)

Un rayonnement est une énergie transportée dans l espace sous forme

d ondes.

La lumière est la partie visible du REM, celle que l homme capte avec ses yeux.

Le rayonnement électromagnétique correspond à une oscillation des champs

électrique (E) et magnétique (M).

Pour comprendre la télédétection, il est indispensable de saisir les deux

composantes du rayonnement électromagnétique que sont la longueur

d'onde et la fréquence.

II. Les bases physiques de la télédétection

La longueur d'onde ( ), est la distance parcourue par l onde à la vitesse Vpendant une période T. Elle est mesurée en mètres ou en l'un de ces sous-multiples tels que les nanomètres (nm, 10-9 mètre), micromètres ( m, 10-6 mètre)

ou centimètres (cm, 10-2 mètre). = V.TLa fréquence ( ) représente le nombre d'oscillations par unité de temps. La

fréquence est normalement mesurée en Hertz (Hz) (c.-à-d. en oscillations par

seconde) ou en multiples de Hertz. = 1/T

V = . (m/s)

La période (T) est le temps durant lequel l onde fait une oscillation complète,(exprimée en seconde)

Les caractéristiques spatio-temporelles d'une onde

Les caractéristiques temporellesT= 2p/w = 1/u (w= pulsation ou fréquence angulaire)

Les caractéristiques spatiales:= V.T =2p/k

V= u = w/k

Dans le vide et à peu de chose prés dans l'air :C= 3.108 m/s (célérité = vitesse de propagation des ondes)

indice de réfraction n du milieu considéré : nm = c/vm = vide / m

n = 1 dans le vide; n est sensiblement égal à 1 dans l'air; n = 1,33 dans l'eau

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La répartition des longueurs d ondes définit le spectre électromagnétiques'étend des courtes longueursd'onde (dont font partie lesrayons gamma et les rayons X)aux grandes longueurs d'onde(micro-ondes et ondes radio).

La lumière que nos yeux peuventdéceler se trouve dans ce quis'appelle le " spectre visible".

Il est important de noter que c'est laseule portion du spectre que nouspouvons associer à la notion decouleurs.

violet : 0.4 - 0.446 m bleu : 0.446 - 0.500 m vert : 0.500 - 0.578 m jaune : 0.578 - 0.592 m orange : 0.592 - 0.620 m rouge : 0.620 - 0.7 m

Le spectre électromagnétique

Examinons maintenant la partie de

l'infrarouge (IR) du spectre. L'infrarouge

s'étend approximativement de 0,7 à 100

m, ce qui est un intervalle environ 100

fois plus large que le spectre visible.

L'infrarouge se divise en deux

catégories : IR réfléchi et IR émis ou

thermique.

Le rayonnement dans la région de

l'infrarouge réfléchi est utilisé en

télédétection de la même façon que le

rayonnement visible. L'infrarouge

réfléchi s'étend approximativement de

0,7 à 3 m.

2- Interaction du REM avec l atmosphère

Avant que le rayonnement utilisé pour la télédétection n'atteigne la surface de laTerre, celui-ci doit traverser une certaine épaisseur d'atmosphère.

Les particules et les gaz dans l'atmosphère peuvent dévier ou bloquer lerayonnement incident. Ces effets sont causés par les mécanismes de diffusion etd'absorption.

La diffusion est une réflexion d'une partie du rayonnement dans desdirections aléatoires due à la composition granulaire de l'atmosphère.

Le niveau de diffusion dépend de :

- la longueur d'onde ;

- la densité de particules et de

molécules ;

- l'épaisseur d'atmosphère à

franchir.

La diffusion

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Il existe trois types de diffusion :

La diffusion de Rayleigh se produit quand la taille des particules < du REMLe REM est surtout dévié : - sur des particules de poussières ;- des molécules gazeuses (azote, oxygène, ...) ;- De façon plus importante dans les + courtes longueurs d'onde

Cette forme de diffusion est prédominante dans les couches supérieures del atmosphère (explication du ciel bleu durant la journée)

Au coucher et au lever du soleil, le rayonnement doit parcourir une plusgrande distance à travers l'atmosphère qu'au milieu de la journée. Ladiffusion des courtes longueurs d'onde est plus importante. Ce phénomènepermet à une plus grande proportion de grandes longueurs d'onde depénétrer l'atmosphère.

Le parcours du rayonnement à travers l atmosphère

La diffusion de Mie se produit quand la taille des particules est peut différente de la du REM

Le REM est surtout dévié par des :- aérosols (poussières, pollens, fumées) ;- gouttes d'eau.

Ce genre de diffusion affecte les plus grandes longueurs d'onde et se produit surtout dans les couches inférieures de l'atmosphère où les grosses particules sont plus abondantes.

Ce processus domine quand le ciel est ennuagé.

La diffusion non sélective se produit quand la taille des particules est >>> que la du REM

La diffusion non sélective

Elle affecte toutes les longueurs d'onde

Les gouttes d'eau de l'atmosphère dispersent le

bleu, le vert, et le rouge de façon presque égale, ce

qui produit un rayonnement blanc (lumière bleue +

verte + rouge = lumière blanche).

C'est pourquoi le brouillard et les nuages nousparaissent blancs.

Un autre phénomène entre en jeu lorsque le rayonnement électromagnétique interagitavec l'atmosphère : c'est l'absorption.

L'absorption survient lorsque les grosses molécules de l'atmosphère (ozone, bioxyde

de carbone et vapeur d'eau) absorbent l'énergie de diverses longueurs d'onde.

L absorptionL'ozone absorbe les rayons ultraviolets qui sont néfastes aux êtres vivants. Sans

cette couche de protection dans l'atmosphère, notre peau brûlerait lorsqu'elle estexposée au Soleil.

le bioxyde de carbone est un gaz qui contribue à l'effet de serre. Ce gaz absorbebeaucoup de rayonnement dans la portion infrarouge thermique du spectre etemprisonne la chaleur dans l'atmosphère.

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Parce que ces gaz et ces particules absorbent l'énergie électromagnétique dansdes régions spécifiques du spectre, ils influencent le choix de longueurs d'ondeutilisées en télédétection. Les régions du spectre qui ne sont pas influencées defaçon importante par l'absorption atmosphérique, et qui sont donc utiles pour la

télédétection, sont appelées les fenêtres atmosphériques.

- La portion visible du spectrecorrespond à une fenêtre et auniveau maximal d'énergie solaire.

- l'énergie thermique émise par laTerre correspond à une fenêtresituée à près de 10 m dans lapartie de l'infrarouge thermique duspectre

- Dans la partie deshyperfréquences, il existe unegrande fenêtre qui correspond auxlongueurs d'onde de plus de 1 mm.

Absorption atmosphérique du rayonnement électromagnétique dans le visible et le PIR (d après Wolfe et Zissis, 1978)

2,0

2,5

1,5

1,0

0,5

0,0

O3

O3

Eclairement spectral solaire hors atmosphère

Eclairement spectral solaire au niveau de la mer

Courbe du corps noir à 5900°K

0,2 0,4 1,61,2 2,83,02,62,42,22,01,81,41,00,80,6

O2

Longueur d'onde (µm)

E(k

Wm

-2µm

-1

H2OH2O

H2OH2O

H2O H2O CO2

PRINCIPALES FENETRES ATMOSPHERIQUES

Fenêtre de àUV et visible 0,35 m 0, mProche infrarouge 0,77 m

1,0 m1,19 m

0,91 m1,12 m1,34 m

Infrarouge moyen 1,55 m2,05 m

1,75 m2,4 m

Infrarouge thermique 3,35 m4,5 m8,0 m10,2 m17,0 m

4,16 m5,0 m9,2 m12,4 m22,0 m

Hyperfréquences 2,06 m3,0 m7,5 m20,0 m

2,22 mm3,75 mm11,5 mmet au-delà

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3- Interaction REM et cibleLe rayonnement qui n'est pas absorbé ou diffusé dans l'atmosphère peut atteindreet interagir avec la surface de la Terre. Lorsque l'énergie atteint la cible, la surfacepeut absorber (A) l'énergie, la transmettre (T) ou réfléchir (R) l'énergie incidente.

Absorption, réflexion, transmission (Bonn & Rochon 1992)

En télédétection, nous mesurons le rayonnement réfléchi par une cible. Laréflexion spéculaire et la réflexion diffuse représentent deux modes limites deréflexion de l'énergie.

Une surface lisse produit une réflexion

spéculaire, c'est-à-dire que toute l'énergie

est redirigée dans une même direction

(comme c'est le cas d'un miroir).

La réflexion diffuse se produit quand la

surface est rugueuse, ce qui redirige

l'énergie uniformément dans toutes les

directions.

on parle également de :Émission : tout corps dont la température est > à 0°K émet un rayonnement

électromagnétique. Ce corps est appelé source.L'absorption élève la température du corps et modifie la longueur d'onde

d'émission.On connait certains émetteurs comme le soleil ou les lampes.En fait tout corps dont la température est supérieure à 0°K (-273 ° C) est un

émetteur de REM.

A son tour, ce corps ré-émet un REM dont l'intensité et la fréquence dépendent de

son énergie interne :sa température.

Il en découle différentes lois physiques dont celle de Wien qui dit que :

"plus la température d'un corps noir est élevée plus il émet dans de

courtes longueurs d'onde"

Ils s'approchent d'un modèle théorique appelé corps noir.

On a vu dans la loi de la transformation de l'énergie que A + T + R = 1

Si un corps absorbe tous les rayonnements incidents, alors :A = 1 et T + R = 0ce corps est appelé corps noir

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C'est le radiateur parfait qui transforme l'énergie thermique en énergie rayonnante avec le taux maximum que permettent les lois de la thermodynamique. Inversement, le corps noir absorbe toute l'énergie reçue

Absorption totale durayonnement reçu

Emission d'unrayonnement nedépendant que de latempérature

Repr sentation sch matique d'un corpsnoir

Concept du corps noir

Rayonnement émis par le corps noirLa puissance totale ou exitance totale d'un corps noir est donnée par la loi de Stefan-Boltzman :

M= T4

- M est la quantité d'énergie émise par unité de temps,

-T est la température absolue du corps en K

- est la constante de Stefan-Boltzmann qui vaut 5,67 10-8

W.m-2.K-4

Émission en fonction des températures du soleil (T =6 000K) et de la Terre (T =300K) -

courbes de Planck

Le Soleil peut être considéré comme un corps noir à 6 000 K, son maximum d'émission est auxalentours de 500 nm (vert-jaune) C.à.d. au voisinage de la sensibilité maximale de l oeil humain(550 nm)La Terre a une température moyenne proche de 300 K, son maximum d'émission est auxalentours de 9 500 nm (IRTh)

La plupart des surfaces naturelles ne se comportent pas comme des corps noirs,où mais plutôt comme des corps gris

Exitance ou distribution spectrale du rayonnement

émis par le corps noirLe rayonnement émis par les corps noirs n'est pas uniforme dans toutes les fréquences; il varie dans le spectre électromagnétique selon la température du corps et un certain nombre de paramètres exprimés par la loi de Plank:

= C1-5/ exp(C2/ T)-1

C1 = 3,74.10-16 W.m-2C2= 1,44.10-2 m.K

De la loi de Plank on peut déduire la loi de Wien qui donne la longueur d'onde lm au maximum d'émettance du corps noir:

m = C/TC=2,898 10-3 W.m-2 .K-4

Le soleil considéré comme corps noir (T= 6000°K) émet un maximum d'énergie à m =0,48mm.A température basse on a une émission maximale dans les grandes l

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Emissivité des corps grisLa plupart des surfaces naturelles sont plutôt des corps gris qui n'obéissent qu'approximativement aux différentes lois des corps noirs.

En effet les matériaux rencontrés dans la nature ont un pouvoir réflecteur et peuvent transmettre par transparence une partie de l'énergie incidente.

Pour un corps gris la loi de Stefan-Boltzmann devient alors:

M= T4

Où est l'émissivité du corps, comprise entre 0 et 1.A température égale, un corps gris émet donc moins d'énergie qu'un corps noir et son émissivité est alors donnée par:

= M(corps)/ M(corps noir)Dans le domaine thermique, certaines surfaces naturelles ont des émissivités voisines de 1 et se rapprochent alors des corps noirs. C'est le cas des: Eau, roches sombres comme les basaltes ou asphalte des routes.

D'autres matériaux auront des émissivités faibles. C'est le cas des roches siliceuses, le sable sec, certains calcaires et les métaux polis.

La plus part des surfaces naturelles ne se comportent pas comme des corps noirs, mais plutôt comme des corps gris

Un corps gris, à la différence d un corps noir n absorbe pas toute l énergie reçue : il en

transmet et/ou réfléchit une partie. C est le cas des objets observés dans la nature.

corps noir : = = 0, =1

corps opaque : = 0, + =1

corps transparent : = 0, + =1

Le REM mesuré par les instruments du satellite a été transformé par la cible.

Chacun des objets spatiaux (bois, champ, bâtiment, lac, plage...) transforme différemment leREM en fonction des quantités absorbées, transmises ou réfléchies.

C'est grâce à cette combinaison singulière (% réfléchie + % absorbée + % transmise) qu'ilva être possible d'identifier la nature d'un objet, cette combinaison est appelé signaturespectrale.

mesure quantitative des propriétés spectrales d'un objet dans une ou plusieurs bandes spectrales

SIGNATURE SPECTRALE DES PRINCIPAUX CONSTITUANTS

DE LA NATURE

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Dans le visible et le proche infrarouge:La réflectance augmente du bleu (10 à 20%) au proche infrarouge (40 à 50%).

Les propriétés optiques des sols sont tout d abord reliées à leur composition minérale.

Composé de de minéraux, les sols ont comme eux, une courbe de réflectance qui augmente du visible vers les courtes longueurs d ondes infrarouges, avec la présence de bandes d absorption vers 1,4µm et 1,9 µm dues à la présence de l eau.

La différence de réflectance est due à la granulométrie, constitution minéralogique (fer, calcium, matière organique, humidité) et rugosité des sols dont la connaissance est indispensable pour une bonne interprétation des images de télédétection.

La signature spectrale de la végétation

-Dans le visible (0,38 à 0,7 mm) la réponse spectraledes végétaux est surtout liée à leur pigmentation.

la chlorophylle, une moléculeque nous retrouvons à l'intérieurdes feuilles, absorbe fortementle rayonnement aux longueurs

d'onde du rouge et du bleu, maisréfléchit le vert.

La réflectance des feuilles est fonction de trois facteurs: la pigmentation, la structure cellulaire et son contenu en eau.

Chacun de ces 3 facteurs influence de manièreprépondérante différentes parties du spectre.

- Dans le proche-infraouge (0,7 à 1,3 mm) ce ne sont plus les pigments qui vontdéterminer la réponse spectrale, mais la structure du feuillage. Un des composantsdes feuilles, le parenchyme lacuneux, réfléchi le rayonnement proche-infrarouge.Lorsque le végétal de dessèche, est malade ou vieilli, en fait lorsque son activitéchlorophyllienne baisse, sa réflexion dans le proche-infraouge baisse. Au contraire,les végétaux en bonne santé, en pleine maturation et bien irrigués ont une activitéchlorophyllienne très importante et par conséquent une réponse spectrale élevée.

Pigmentation Structure cellulaire Contenu en eau

Absorption par la chlorophylle

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-Dans l'infrarouge moyen (1,3 à 1,9 mm) c'est la teneur en eau des végétaux qui va

conditionner leur réponse spectrale.

Un végétal chlorophyllien en bonne santé, contenant donc de l'eau, a une réponse

spectrale qui va chuter dans l'infrarouge moyen à cause des bandes d'absorption

de l'eau. Lorsqu'un végétal est en cours de maturation, souffre d'un stress hydrique

ou d'une maladie qui affecte sa teneur en eau, sa réponse spectrale sera plus

élevée.

De nombreux facteurs influencent le comportement spectral desvégétaux.

En effet, une zone végétalisée est un milieu vivant sensible aux saisons,aux aléas du climat ou encore aux maladies

La signature spectrale de l eau

La réponse spectrale de l'eau dépend principalement de sa pureté etdes particules en suspension (alluvions, algues...).

Pour de l'eau pure, le phénomène principal qui interviendra dans le visible est ladiffusion (l'eau est translucide) et dans l'infrarouge l'absorption.

Ainsi, l'eau paraît généralement bleue ou bleu-vert car elle

réfléchit davantage les petites longueurs d'onde

La présence de particules dans l'eauva changer profondément sa réponsespectrale.

L'eau "pure", telle qu'on la trouve danscertains lacs ou bassins portuaires ouencore au large des côtes, à uneréflectance proche de 0% dansl'infrarouge proche et moyen. Ceslongueurs d'ondes sont donc trèsutilisées pour les étudeshydrographiques.

La signature spectrale des roches et minérauxLa réponse spectrale des roches et minéraux dépend fortement deleur composition physico-chimique. Ainsi, la présence d'ions ferreuxou d'eau par exemple va avoir une influence très forte sur la réponsespectrale des roches.

La présence d'ions ferreux ou d'eau se traduit par une absorption plus élevée dansles longueurs d'ondes proche-infrarouges.

Dans le visible, la pigmentation (couleur) des roches détermine en grand partie laréponse spectrale. Il est bien évident qu'une carrière de craie aura une réflectancebeaucoup plus forte qu'une surface de basalte noir.

les signatures spectrales de quelques roches

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La signature spectrale des sols

Tout comme les roches, les sols peuvent être classés dans lacatégorie des surfaces minéralisées.Un sol comporte une part minérale (ce qui le rapproche des roches), mais aussi unepart organique importante (humus, matière organique non décomposée...). Souvent,ces deux éléments (minéral et organique) sont mélangé ce qui complexifiedavantage l'étude des propriétés spectrales.

Les paramètres du sol qui affectent la réflectance de manière prépondérante sont

notamment:

. l'humidité

. la présence d'oxyde de fer

. la rugosité de surface

. la teneur en matière organique

. la texture (teneur en sable, limon, argile)

Les effets conjugués de tous ces paramètres rendent l'interprétation difficile car,

comme le montrent les courbes de réflectance ci-dessous, souvent la présence

d'un élément annule les effets de l'autre.

Il convient de relever la forte variation de réflectance dès que le sol s'humidifie(courbe 1 et 2).Une augmentation ensuite du taux d'humidité n'apporte que peu de modification.Les bandes d'absorption de l'eau (1.4, 1.9 et 2.5 m) sont notables comme pour

la végétation.

Réflectance d'un sable en fonction de l'humidité

1

2

Il apparaît une bande d'absorption supplémentaire en 2.2 m par rapport à la courbe

précédente, due à la présence dans l'argile du ion (OH)-.

Les pics d'absorption subsistent même pour l'argile sèche. Ils sont dus à la

présence d'eau résiduelle fortement liée à l'argile.

Réflectance d'un sol argileux

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Les feuilles: la chlorophylle, une molécule que nous retrouvons à l'intérieur

des feuilles, absorbe fortement le rayonnement aux longueurs d'onde du rouge

et du bleu, mais réfléchit le vert.

L eau: absorbe davantage les grandes

longueurs d'onde du rayonnement visible et

du proche infrarouge. Ainsi, l'eau paraît

généralement bleue ou bleu-vert car elle

réfléchit davantage les petites longueurs

d'onde

Examinons quelques exemples de cibles de la surface de la Terre et voyonscomment l'énergie aux longueurs d'onde visible et infrarouge interagit avec celles-ci.

Ces exemples démontrent que nous observons des réponses très différentes aux

mécanismes d'absorption, de transmission et de réflexion selon la composition de la

cible et la longueur d'onde du rayonnement qui lui est propre.

En mesurant l'énergie réfléchie ou émise par la cible avec une variétéde longueurs d'onde, nous pouvons construire la signature spectralepour un objet.

En comparant les

signatures de différents

objets, nous pouvons les

distinguer les uns des

autres, alors que nous ne

pourrions peut-être pas

les distinguer si nous les

comparions seulement

avec une longueur

d'onde.

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