Download - Introduction - RO Haiti
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Imagerie spatialeIntroduction
Adapté des slides CNES/ cours QI
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Objectifs du cours
• Mesurer l’utilité de la télédétection spatiale
• Introduire les particularités de la prise de vue spatiale
• Comprendre le fonctionnement d’un système d’observation spatial
• Exposer la notion de qualité image, afin de savoir :
Evaluer les performances d’un système d’observation
Dimensionner un système d’observation qui répond au besoin
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Utiliser une image brute ?
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 4/90Titre présentation4
?La prise de vue
n’est donc pas
« parfaite » ?
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Le satellite imageur
est un système physique réel
On sait décrire son comportement
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Paysage
observé
Atmosphère
Eclairement
Position, vitesse
attitude
Optique, distorsion,
détection
Image brute
=
F(Paysage observé)
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Paysage
observé image brute
Conditions de prise de vue réelles
Modèle de prise de vue
Traitements
Bord/Sol
Acquisition
bord
Produit utilisateur
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 8/90Titre présentation8
• Modèle physique qui relie le paysage observé à la
sortie instrument
132 211 453 514
350 530 382 361
652 340 291 164
412 286 301 175
72 423 502 653
153 501 311 245
231 275 341 98
184 311 173 72
341 506 401 428
401 364 746 271
738 352 462 215
193 801 508 96
=
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Vue d’ensemble
Utilisation de la télédétection spatiale
Qu’est-ce que la télédétection ?
Diversité spectrale
Diversité spatiale
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L’observation de la Terre depuis l’espace
image thermique AVHRR - NOAA
image Vis MeteoSat - Eumetsatimage Radarsat - ASC
Synthèse 1998-2007 concentration en phytoplancton
Sent-2 - ESA
Vue 3D Pléiades de la calotte du Tungnafelljokull
© CNES 2013, Distribution Airbus D&S
Venise par Pleiades© CNES 2013, Distribution Airbus D&S
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Images Spot 4 avant et après la tempête Xynthia qui a frappé les côtes
vendéennes dans la nuit 27 au 28 février 2010. © CNES Distribution Spot Image
Utilité de l’observation de la Terre
Suivi des catastrophes naturelles
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© C
NE
S 2
01
2,
dis
trib
utio
n A
str
ium
Se
rvic
es /
Sp
ot Im
ag
e S
A,
all
rig
hts
re
se
rve
d
© C
NE
S 2
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2,
dis
trib
utio
n A
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Se
rvic
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Sp
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A,
all
rig
hts
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d
Utilité de l’observation de la Terre
Haïti Cyclone Sandy
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Utilité de l’observation de la Terre
Lybie Benina airfield BDA, 1986
Cartographie
Renseignement
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Mesure du relief
© CNES 2007/Distribution Spot Image
Traitement CNRS-LEGOS.
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C’est l’ensemble des TECHNIQUES utilisées pour DETERMINER ADISTANCE les PROPRIETES d’objets, naturels ou artificiels, à partirdes RAYONNEMENTS qu’ils émettent ou réfléchissent.
• Pierre angulaire : étude des interactions Matière-Rayonnement
Qu’est-ce que la Télédétection ?
Rayonnement
Emission Transmission Réception
Objet Capteur
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Ondes électromagnétiques
OPTIQUE
RADAR
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Domaines spectraux en optique
PHR rouge/vert/bleu PHR PIR/rouge/vert
SPOT 4 MIR/PIR/Vert
neige nuagesInfraRouge AVHRR nov 2012
chaud
froid
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Bandes spectrales
Code abrégé Bande spectrale Longueurs d’onde
PA ou PAN Panchromatique 0.45 – 0.70 à 0.90 µm
B0 Bleu 0.40 – 0.55 µm
B1 Vert 0.50 – 0.60 µm
B2 Rouge 0.60 – 0.70 µm
B3 ou PIR / anglais NIR Proche Infrarouge 0.75 – 1.30 µm
MIR / anglais SWIR Moyen Infrarouge 1.30 – 3.00 µm
IRT / anglais TIR Infrarouge thermique 3 – 50 µm
Bandes Radar : désignation par des lettres K, X, S, C, L, P
Bandes optiques : désignation courante des bandes
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Réponse paysages et instrumentales PHR
0
50
100
150
200
250
300
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
microns
Lu
min
an
ce
s s
pe
ctr
ale
s Mer
Neige_a8
Vgt_herbe1
Sable_dune
B0
B1
B2
B3
PAN
Exemples de réponses spectrales
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Optique ou Radar ?
RADAR : ACTIF
Impulsion
transmise
Écho réfléchi
OPTIQUE : PASSIVE
émetteur:
Illumination
naturelle
capteur
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Imagerie Radar : système « tout temps »
Le radar actif permet d’imager la Terre :
• de jour comme de nuit
• quelles que soit les conditions météorologiques (sans nuages ! )
ERS (radar C band) Landsat TM
Waterford, Ireland, 9/08/91
Surface : 50 km x 50 km
Landsat pass time:
10H43 a.m.
ERS-1 pass time:
11H25 a.m.
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B1 ~vert B2 ~rouge B3 ~proche IR
Composition colorée :
Bleu = B1
Vert = B2
Rouge = B3
Diversité spectrale : SPOT (2/5)
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Diversité spectrale : Sentinel-2
AerosolsWater vapor
B9
B1
B2 B3 B4
B5
B6
B7
B8
B8a
B10
B11 B12
Cirrus
Snow/ice/cloud
Vegetation
red edge
400
nm
600
nm
800
nm
1000
nm
1200
nm
1400
nm
1600
nm
1800
nm
2000
nm
2200
nm
2400
nm
10 m
20 m
60 m
VNIR
SWIR
Visible
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Réflectance spectrale de la végétation chlorophyllienne
Longueur d’onde (mm)
EauChlorophylle
ABSORPTION
REFLECTION
pigment
de la feuilleStructure
cellulaireTeneur en eau
Visible Proche
Infra-RougeMoyen Infra-Rouge
Transfert radiatif : modélisation du signal observé
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Pics d'absorption propres à chaque type de molécules présent
dans l'atmosphère notion de fenêtres atmosphériques
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Longueur d'onde (µm)
Tra
nsm
issi
on
sp
ectr
ale.
CO2O3
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0,4 0,9 1,4 1,9 2,4
Longueur d'onde (µm)
Tra
nsm
issi
on
sp
ectr
ale
.
O2 H2O
Transfert radiatif : modélisation du signal observé
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• Résolution spatiale:
– 1m
• Echantillonnage fin dans le
domaine spatial
• Pourquoi ?
– Cartographier
– Identifier
• Résolution spectrale:
– 1000 bandes entre 3 et 15 µm
• Echantillonnage fin dans le
domaine spectral
• Pourquoi ?
– Remonter à des propriétés
physiques
Imagerie spectroscopie
PLEIADES IASI
Imagerie
hyperspectrale
Spectro-imageur
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Diversité spatiale
• Grande variété des échelles d ’observation :
pixel ~ 1 à 100 km : bilan radiatif, météorologie, atmosphère
échelle globale ou continentale
pixel ~ 100 à 1000 m : agriculture, forêt, océanographie,
environnement
échelle régionale ou continentale
pixel ~ 10 à 100 m : agriculture, cartographie, géologie, gestion des
risques
échelle régionale ou locale
pixel ~ 1 à 10 m : cartographie de précision, urbanisme, forêts
échelle locale
pixel ~ 1m à 0.20 m : haute et très haute résolution, renseignement
Identification d’objets
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Image Météo
résolution 4 km
champ 12000 km
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Image Végétation
résolution 1 km
champ 2000 km
composition
colorée
B3 B2 B0
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 30/90
Image SPOT4
résolution 10 m
champ 60 km
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 31/90
Image SPOT5
résolution 2.5 m
champ 60 km
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 32/90Cours QI © CNES – Introduction - 32/88
Image Pléiades
résolution 70 cm
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 33/90
Image WorldView2
résolution 50 cm
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 34/90
Image aéroportée
résolution 10 cm
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 35/90Cours QI © CNES – Introduction - 35/88
Tibesti vu par PHR1B
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 36/90Cours QI © CNES – Introduction - 36/88
Les pyramides vues par PHR1B
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 37/90Cours QI © CNES – Introduction - 37/88
Manhattan vu par PHR1B
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Le système spatial
de télédétection optique
Les orbites
Acquisition des images
Intérêt de l’imagerie par satellite
Conception d’un système d’observation
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Acquisition des images : Illustration Pléiades
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Observer : où, pourquoi et comment ?
• Accès mondial ou régional : quelles zones veut-on observer ?
• Couverture : quelle zone veut-on acquérir depuis une orbite donnée ?
• Répétitivité : combien de temps entre 2 images de la même zone ?
• Réactivité : combien de temps entre la demande et la livraison ?
• Résolution spatiale : quels détails sont visibles ?
• Résolution radiométrique : quelle précision sur la mesure physique ?
• Bandes spectrales : quelles couleurs/ longueurs d’onde/ thématiques ?
• Localisation : quelle précision de positionnement des pixels ?
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Généralités sur les orbites satellitaires
• Trajectoires képlériennes (terre sphérique et homogène) :elles sont planes
ce sont des coniques de foyer le centre attracteur (centre Terre)
leur loi horaire est décrite par la loi des aires :
avec m, constante de gravitation terrestre : m = 398600 km3/s2
T est la période et a le demi grand axe de l’orbite
• Orbites utilisées pour l’observation de la Terre :circulaires (ou faiblement elliptiques) => altitude h et vitesse
inertielle constantes
T2
a3
42
m
En orbite basse (h~800 km) :
Période T ~ 1 h 40
Vitesse orbitale ~ 7 km /s
80
90
100
110
120
130
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Pério
de o
rb
ita
le e
n m
in.
altitude en km
a = req + h
req = 6378 km
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Les orbites pour l’observation de la Terre
1 tour = 24h
1 tour ~1h40
~15 tours/jour
Vsubsat ~7 km/s1 tour/jour
Fixe % Terre
• Satellite Géostationnaire
Accès permanent sur hémisphère
Altitude élevée (36000 km)
• Satellite Polaire
Couverture quasi-mondiale
Accessibilité limitée (selon
période, débattement, latitude)
Altitudes faibles possibles
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Résumé : choix d’une orbite• Durée de vie, stabilité
altitude > 300 km
• Haute résolution géométrique
basse altitude
• Rapidité d’acquisition (visibilités station et site visé)
haute altitude
• Échelle constante
orbite circulaire
• Minimisation des variations d’éclairement
orbite héliosynchrone
• Maximisation de la surface couverte
orbite quasi polaire (i ~ 90°)
• Répétitivité
phasage de l’orbite (notion de cycle)
• Couverture complète
nombre important d’orbites (cycle assez long) ou large fauchée
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Avion ou satellite ?
Règlementation aérienne / vulnérabilité
Choix de la trajectoire % site
Très haute résolution accessible
Qualité géométrique variable
Accès global / immunité
Trajectoire orbitale figée
Résolution limitée physiquement
Géométrie stable
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Principes d’acquisition
1 pixel 1 ligne 1 image
Contribution NASA
http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EO1/
scanners push-broom matrices
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Organisation générale système
Demandes et distribution de produits
Données images
Information-demande de mise en œuvre du système
Centre de contrôle et programmation
Station deréception directe
Station principalede Kiruna(Suède)
Utilisateurs
Utilisateurs
Utilisateurs
Centre utilisateur de Toulouse
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Panorama de quelques missions
d’observation de la Terre
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RADARSAT II (Canada, 2001)
Pleine polarimétrie : res. (distance sol): 25 m x 28 m
Mode pleine
polarimétrie
Période : 24 jours / Enregistrement embarqué
Résolution au sol : 3 m-100m Fauchée : 10 km-500 km
Bande C (5,3 GHz)
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LANDSAT 8
Satellite civil américain (NASA/NOAA/USGS)
Acquisition par balayage push-broom, pas de dépointage
Bandes : PA 15 m, VIS-PIR-MIR (9 bandes) 30m, IRT (2 bandes) 100m Fauchée : 185 km
Orbite : cycle 16 jours Heure locale : 10:30 Altitude: 705 km
Codage 12 bits
Stockage des données: mémoire de masse
Masse : 2600 kg
Tir : 11/02/2013
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SENTINEL-2
2 Satellites civils européens (ESA)
Acquisition par balayage push-broom,
13 bandes : 4 VNIR 10m, 6 PIR+SWIR 20m, 3 Atmosphère 60m Fauchée : 290 km
Orbite : cycle 10 jours (5j S2A+S2B) Heure locale : 10:30 Altitude: 786 km
Codage 12 bits
Stockage des données: mémoire de masse
Masse : 1200 kg
Tir S2A : 23/06/2015
Tir S2B : 06/03/2017
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PLEIADESMasse : 1000 kg
Tir : 1A 17/12/2011,
1B 2/12/2012
Satellite civil/militaire (CNES) Lancement : 2011 et 2012
Bandes spectrales et résolution PAN 0,7m B0-B1-B2-B3 2,8 m
Orbite : cycle 26 jours Heure locale : 10:15 Altitude: 698 km
Fauchée : 20 km Codage 12 bits Masse : 1000 kg
Instrument : IPV : Focale 12,90 m, Diamètre 65 cm, PAN TDI, XS CCD quadrichrome
Stockage des
données :
mémoire à état solide (450 Gb)
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 52/90
GEOEYE-2
US civil satellite, TDI Push-broom acquisition
Bands: PE 0.34m or 0.25m, B0-B1-B2-B3 1.36m or 1.00m Swath: 14.5km or 10.5km (Nadir)
Local time: 10:30 Altitude: 681 km or 500km
11-bit encoding
Data storage: solid-state memory
Mass: 2050 kg
Stocké pour lancement 2016
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WORLDVIEW 3
US civil satellite (DigitalGlobe), TDI Push-broom acquisition
Bands: PE 0.31 m XS : 8bands at 1.24 SWIR : 20 bands 3.7m Swath: 13.1 km (Nadir)
Orbit: revisit interval of 1 days <1m Local time: 13:30 Altitude: 617 km
11-bit encoding & 14 bit SWIR
Data storage: solid-state memory
Mass: 2800 kg
Launch: 13/08/2014
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La Qualité des images
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 55/90
Où est le pixel?
Que signifie la valeur du pixel ?
Quels détails sont visibles ?
Géométrie
Radiométrie
Résolution
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 56/90
QIQI
Fil conducteur de la Qualité Image :
Comprendre et mesurer les défauts
de la prise de vue pour pouvoir les corriger
flou
rayures
bruit
distorsions
erreur de localisation
Couleurs altérées
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 57/90
La chaine image bord/sol
Paysage
Corrections au sol
Pré-Traitements
• Déchiffrement
• Déformattage
• Décompression
Radiométrie
• égalisation
• déconvolution
• débruitage
• fusion
Géométrie
• corrections
capteur
• projection
• Effet du relief
Qualité
Produit
image
Géométrie
• orbite
• attitude
• visées
• relief
Radiométrie
• FTM
• détection
• bruit
• quantification
Traitements bord
• prétraitements
• compression
• formattage
• chiffrementTransmission
Prise de vue à bord
Stockage
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1er Atelier Utilisateur 30/31 Mai 2017
Infrastructure technique de
l’Observatoire de la
reconstruction
www.recovery-observatory.org
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59
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60
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61
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62
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63
V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 64/90
64
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