Лист за преговор: Introduction à la télédétection et interactions électromagnétiques

📋 Plan du Cours

1. Définition et acquisition en télédétection
2. Télédétection passive et active
3. Rayonnement électromagnétique
4. Lois du rayonnement thermique
5. Diffusion et absorption atmosphériques
6. Fenêtres atmosphériques
7. Interactions avec les surfaces
8. Réflectance et types de réflexion
9. Orbites et résolution temporelle

📖 1. Définition et acquisition en télédétection

🔑 Notions clés & Définitions

• Télédétection : La télédétection est la science qui permet d’acquérir des informations sur la Terre sans contact direct, via l’enregistrement puis le traitement du rayonnement mesuré.
• Capteur satellitaire : Un capteur est l’équipement chargé d’enregistrer l’énergie électromagnétique émise ou réfléchie par une cible observée depuis une plateforme.
• Propriétés de la cible : Les données issues du rayonnement enregistré permettent d’inférer des propriétés géométriques, optiques et physico-chimiques de la cible.

📝 Points essentiels

• La télédétection repose sur la détection et l’enregistrement d’un rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi, puis sur le traitement et l’analyse des signaux.
• Les capteurs peuvent être embarqués sur des plateformes terrestres, aéroportées ou spatiales, le choix dépend de l’application visée.
• Les informations extraites portent sur la géométrie (position, forme, dimensions), les propriétés optiques (réflexion, transmission, absorption) et les paramètres physico-chimiques (ex. température, teneur en eau, chlorophylle).
• Les méthodes de collecte se choisissent selon l’information recherchée, la résolution requise, la couverture au sol et la fréquence d’acquisition.
• L’œil humain capte surtout des longueurs d’onde entre 0,4 et 0,8 µm (400 à 800 nm), et les capteurs permettent d’étendre l’observation à d’autres domaines.

📖 2. Télédétection passive et active

🔑 Notions clés & Définitions

• Télédétection passive : La télédétection passive utilise uniquement des sources naturelles de rayonnement, et le capteur agit comme un récepteur.
• Capteur passif : Le capteur passif ne produit pas de rayonnement et se limite à enregistrer l’énergie reçue en provenance des sources naturelles.
• Télédétection active : La télédétection active embarque une source artificielle qui émet vers la cible, puis le capteur enregistre le signal renvoyé.
• Radar Lidar : Radar et Lidar sont des exemples de systèmes de télédétection active utilisant un rayonnement émis puis détecté après interaction avec les objets.

📝 Points essentiels

• En télédétection passive, seules des sources naturelles comme le Soleil et la Terre fournissent le rayonnement observé, ce qui impose un capteur-récepteur.
• Les images satellites SPOT, NOAA et Météosat relèvent de la télédétection passive.
• En télédétection active, une source artificielle est embarquée et envoie un signal vers les objets observés.
• Les images radar et Lidar correspondent à la télédétection active car elles détectent le signal renvoyé par la cible.

💡 Astuce mémo

Passif = “Soleil seulement” (récepteur), Actif = “Satellite émet puis écoute” (source artificielle + retour).

📖 3. Rayonnement électromagnétique

🔑 Notions clés & Définitions

• Énergie du photon : L’énergie d’un photon s’exprime par $Q=h\nu=\frac{hc}{\lambda}$, avec $h$ la constante de Planck.
• Flux radiant : Le flux radiant $F_e$ est la quantité de photons qui illuminent une surface, mesurée en watts (W).
• Émissivité : L’émissivité $\varepsilon$ mesure l’efficacité d’un matériau réel à émettre par rapport à un corps noir à même température.
• Loi de Stefan-Boltzmann : La loi de Stefan-Boltzmann relie la puissance totale émise par unité de surface à la température absolue selon une loi en $T^4$.
• Loi de déplacement de Wien : La loi de déplacement de Wien donne la longueur d’onde du maximum de radiance d’un corps noir en fonction de $T$.

📝 Points essentiels

• L’énergie transportée est inversement proportionnelle à la longueur d’onde, donc les ondes courtes (ex. gamma ~ $10^{-9}$ m) sont plus énergétiques que les ondes longues (radio > 1 m).
• La mesure de l’énergie émise est plus difficile aux longues longueurs d’onde qu’aux courtes, ce qui impacte la télédétection.
• L’irradiance $E_e$ et l’émittance $M_e$ s’expriment toutes deux en $W/m^2$, la première décrivant ce qu’une surface reçoit et la seconde ce qu’elle émet.
• D’après Kirchhoff, l’émissivité vaut $\varepsilon=\frac{M}{M_b}$ et un corps noir a $\varepsilon=1$, tandis que les matériaux réels ont $0<\varepsilon<1$ (souvent 80 à 98% réémis).
• La loi de Stefan-Boltzmann s’écrit $W=\sigma T^4$ avec $\sigma=5{,}6697\times10^{-8}\,W\,m^{-2}\,K^{-4}$, et l’émission dépend aussi de l’émissivité et de la longueur d’onde.
• Le spectre électromagnétique est un continuum allant des rayons gamma aux ondes radio, et la partie optique va typiquement de $20$ nm à $1$ mm (UV 20–400 nm, visible 400–700 nm, IR 700 nm–1 mm).

💡 Astuce mémo

Wien : plus c’est chaud, plus le pic se déplace vers des λ plus courtes ($\lambda\propto\frac{1}{T}$).

📖 4. Lois du rayonnement thermique

🔑 Notions clés & Définitions

• Infrarouge thermique : Domaine de l’infrarouge où l’énergie provient surtout du rayonnement émis par la surface chauffée, et non de la réflexion de la lumière.
• IR émis par la chaleur : Radiation thermique qui apparaît pour des longueurs d’onde supérieures à celles du rouge visible, et qui sert à estimer la température de surface.
• Scanner thermique NOAA : Capteur thermique visant la chaleur émise par la Terre et détectant un rayonnement infrarouge dans la bande 3,5 à 12,5 μm.
• Végétation et stress : Information extraite du rayonnement proche et moyen infrarouge, où une végétation saine garde une forte réflectance avant que le stress ne la réduise.

📝 Points essentiels

• L’énergie infrarouge thermique correspond au rayonnement émis par les corps chauds et fournit des informations sur la température de surface.
• La bande de l’infrarouge thermique s’étend approximativement de 3,0 μm à 100 μm, avec une zone au-delà du rouge visible.
• Les capteurs thermiques NOAA détectent l’infrarouge thermique entre 3,5 μm et 12,5 μm.
• Le proche infrarouge et le moyen infrarouge ne provoquent pas de sensation de chaleur, mais servent à distinguer la végétation et le stress via la réflectance NIR élevée.
• Une réflectance NIR élevée diminue lorsque les dommages liés à une maladie végétale s’aggravent.

💡 Astuce mémo

Chaud → IR thermique (≈3–100 μm) → température de surface; NIR/MIR → végétation/stress (pas de chaleur).

📖 5. Diffusion et absorption atmosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Diffusion atmosphérique : La diffusion est la déviation ou réflexion multiple du rayonnement électromagnétique par des particules ou molécules en suspension dans l’atmosphère.
• Diffusion de Rayleigh : La diffusion de Rayleigh concerne les particules de taille inférieure à la longueur d’onde et entraîne une diffusion surtout marquée des courtes longueurs d’onde.
• Diffusion de Mie : La diffusion de Mie apparaît quand la taille des particules est comparable à la longueur d’onde, avec une influence surtout dans la basse atmosphère (0 à 5 km).
• Diffusion non sélective : La diffusion non sélective est causée par des particules beaucoup plus grandes que la longueur d’onde, diffusant toutes les longueurs d’onde visibles de façon quasi égale.
• Absorption atmosphérique : L’absorption atmosphérique correspond au fait que l’atmosphère empêche ou atténue fortement la transmission du rayonnement.

📝 Points essentiels

• L’intensité de la diffusion dépend de la taille des particules, de leur abondance, de la longueur d’onde et de l’épaisseur d’atmosphère traversée.
• La diffusion de Rayleigh domine dans les couches supérieures et concerne surtout le visible, avec une intensité ~4 fois plus forte pour le bleu que pour le rouge.
• La diffusion de Rayleigh diffuse aussi l’UV beaucoup plus que le visible, avec une intensité ~16 fois plus forte que pour le rouge.
• La diffusion de Mie est la plus importante dans la basse atmosphère (0 à 5 km) et concerne une large gamme de longueurs d’onde autour du visible.
• La diffusion non sélective donne une brume grisâtre ou blanchâtre et les nuages apparaissent blancs car toutes les longueurs d’onde sont diffusées de manière égale.
• L’atmosphère absorbe efficacement grâce à l’ozone (O3), la vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2), et l’énergie captée est réémise à plus grandes longueurs d’onde.

💡 Astuce mémo

Rayleigh = courte longueur d’onde champion : UV ~16× rouge, bleu ~4× rouge.

📖 6. Fenêtres atmosphériques

🔑 Notions clés & Définitions

• Fenêtres atmosphériques : Ce sont des bandes de longueurs d’onde traversant relativement bien l’atmosphère, utilisables pour former des images en télédétection.
• Fenêtre visible et proche IR : Fenêtre de transmission autour du visible à $0,4$–$2\,\mu$m, employée par les capteurs optiques pour la télédétection réfléchie.
• Fenêtres infrarouges thermiques : Fenêtres de transmission en infrarouge thermique incluant deux régions étroites vers $3$ et $5\,\mu$m et une région large vers $8$–$14\,\mu$m.
• Fenêtre 10,2–12,5 μm : Fenêtre majeure de l’infrarouge lointain (thermique) centrée sur $10,2$–$12,5\,\mu$m, proche des longueurs d’onde de pic d’émission de la surface terrestre.

📝 Points essentiels

• Une grande partie du spectre entre $0$ et $22\,\mu$m est inutilisable car l’atmosphère ne transmet pas l’énergie correspondante.
• En pratique, l’énergie est quasi absente entre $22\,mu$m et $1\,mm$, tandis que l’au-delà de $1\,mm$ correspond aux micro-ondes.
• Les fenêtres de transmission dépendent des bandes d’absorption des gaz, notamment $O_3$, $CO_2$ et $H_2O$.
• Dans l’infrarouge, les fortes bandes d’absorption dues à l’humidité augmentent avec les grandes longueurs d’onde.
• Hors les fenêtres, le rayonnement est fortement atténué et la télédétection devient peu efficace.
• La fenêtre thermique la plus importante s’étend approximativement de $10,2$ à $12,5\,mu$m et correspond au pic d’émission de la surface terrestre.

💡 Astuce mémo

Fenêtres = “fenêtres de passage” : quand l’absorption des gaz est forte, c’est un mur; quand elle est faible, c’est une porte (visible 0,4–2; thermique 8–14 et surtout 10,2–12,5 μm).

📖 7. Interactions avec les surfaces

🔑 Notions clés & Définitions

• Réflexion spéculaire : La réflexion spéculaire est un type de réflexion où une surface lisse renvoie presque toute l’énergie dans une direction dominante.
• Réflexion diffuse : La réflexion diffuse est un type de réflexion où une surface rugueuse renvoie l’énergie de façon répartie presque uniformément dans de nombreuses directions.
• Point chaud hot spot : Le point chaud est une zone très lumineuse observée en image lorsque la réflexion spéculaire se produit.
• Rugosité et longueur d’onde : La rugosité et la longueur d’onde relient le comportement de réflexion à l’échelle des irrégularités par rapport à la longueur d’onde incidente.

📝 Points essentiels

• La télédétection s’intéresse surtout au rayonnement réfléchi $R$, car il renseigne sur les caractéristiques de la surface.
• La réflexion spéculaire apparaît surtout sur des surfaces lisses et quand le Soleil est haut, avec l’énergie renvoyée principalement vers une seule direction.
• La réflexion diffuse domine quand les longueurs d’onde sont beaucoup plus petites que les irrégularités ou la taille des particules de la surface.
• En visible–proche infrarouge, l’eau a une réflectance maximale d’environ 10% et elle absorbe l’énergie au-delà de 1200 nm (MIR).
• Une végétation saine absorbe davantage le bleu et le rouge (chlorophylle) et présente une réflectance la plus élevée dans le proche infrarouge.
• Les sols nus présentent une courbe globalement convexe entre 500 et 1300 nm, avec des creux à 1450 et 1950 nm dus à l’humidité du sol.

💡 Astuce mémo

Spéculaire = surface lisse + longueur d’onde “grande” devant les irrégularités ; Diffuse = irrégularités “plus grandes” que la longueur d’onde.

📖 8. Réflectance et types de réflexion

🔑 Notions clés & Définitions

• Courbe de réflectance : La courbe de réflectance représente la fraction du rayonnement renvoyée par une surface en fonction de la longueur d’onde mesurée.
• Bandes d’absorption de l’eau : Les bandes d’absorption de l’eau sont des creux du spectre de réflectance dus à l’humidité du sol.
• Réflectance liée au fer : La réflectance des sols dominés par le fer présente une forme différente car l’absorption du fer devient prépondérante à des longueurs d’onde plus élevées.

📝 Points essentiels

• Entre 500 et 1300 nm, la réflectance des sols présente généralement une allure convexe, avec des creux marqués.
• Les creux à 1450 nm et 1950 nm correspondent à des bandes d’absorption de l’eau présentes quand le sol est humide.
• Le spectre des sols dominés par le fer diffère des autres car l’absorption associée au fer domine aux longueurs d’onde plus élevées.
• Les signatures de réflectance permettent de distinguer des sols aux compositions différentes, comme ceux dominés par la matière organique, le fer, ou influencés par les deux.

💡 Astuce mémo

Creux = Eau : 1450 nm et 1950 nm (sol humide).

📖 9. Orbites et résolution temporelle

🔑 Notions clés & Définitions

• Orbite géostationnaire : Une orbite où le satellite reste au-dessus d’un même point de l’équateur avec une période égale à la rotation de la Terre.
• Orbite polaire : Une orbite à forte inclinaison qui permet de survoler l’ensemble du globe au fil des passages du satellite.
• Orbite héliosynchrone : Une orbite polaire particulière où le satellite passe toujours au-dessus d’un même lieu à la même heure solaire locale.
• Résolution temporelle : La résolution temporelle correspond à l’intervalle de temps séparant deux images successives d’une même scène.

📝 Points essentiels

• Les orbites géostationnaires sont situées à environ 36 000 km d’altitude, avec une inclinaison de 0°, ce qui rend la position du satellite fixe par rapport à la Terre.
• Les satellites géostationnaires assurent des observations à plusieurs reprises par jour, mais avec une couverture spatiale limitée à la même zone.
• Les orbites polaires ont une inclinaison comprise entre 80° et 100° et placent généralement le satellite à 600 à 800 km d’altitude pour observer le globe.
• Les orbites héliosynchrones passent sur l’équateur vers 10 h 30 et permettent d’enregistrer des images à deux moments fixes par période de 24 heures, jour puis nuit.
• Les orbites héliosynchrones sont quasi polaires et un satellite héliosynchrone a des exemples donnés comme Landsat, SPOT et IRS, mais toutes les orbites polaires ne sont pas héliosynchrones.
• Pour la résolution temporelle, les satellites en basses orbites (650 à 850 km) ont un temps de revisite fixé par les paramètres orbitaux et la largeur de fauchée, et il peut diminuer avec le dépointage (shifting) ou aux hautes latitudes grâce au chevauchement des orbites.

💡 Astuce mémo

GEO = 0° (fixe), POL = 80–100° (globe), HÉLIO = même heure solaire (jour/nuit), Tempo = revisite entre deux passages.

📊 Tableaux de synthèse

Télédétection passive vs active

Diffusion de Rayleigh, Mie, non sélective

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre télédétection passive et active : en passif le capteur est récepteur, en actif il embarque une source artificielle.
2. Croire que l’œil humain mesure le thermique : la chaleur visible est une idée fausse, l’IR thermique décrit l’émission liée à la température de surface.
3. Inverser la relation longueur d’onde / énergie : les ondes courtes (gamma) sont plus énergétiques que les ondes longues (radio).
4. Mélanger irradiance et émittance : l’irradiance décrit ce qu’une surface reçoit, l’émittance ce qu’elle émet, toutes deux en W/m².
5. Relier “fenêtre” à “absence d’absorption” : une fenêtre correspond à une transmission relativement facile, sinon l’énergie est fortement atténuée.
6. Interpréter la réflectance à partir de l’absorption : en télédétection on s’intéresse surtout au rayonnement réfléchi R pour déduire les propriétés de surface.
7. Confondre Rayleigh et Mie : Rayleigh domine aux longues distances avec dominance des courtes longueurs d’onde, Mie domine en basse atmosphère (0 à 5 km).

✅ Checklist Examen

1. Définir la télédétection (acquérir sans contact) et préciser le rôle du rayonnement émis/réfléchi, puis du traitement/analyse pour inférer des propriétés géométriques, optiques et physico-chimiques.
2. Distinguer télédétection passive et active : préciser qui émet (source naturelle vs artificielle) et donner au moins un exemple de capteurs/images pour chaque type.
3. Relier l’énergie photonique Q à Q=h·ν=h·c/λ et déduire qualitativement que l’énergie diminue quand la longueur d’onde augmente.
4. Rappeler les grandeurs et unités : flux radiant Fₑ (W), irradiance Eₑ et emittance Mₑ (W/m²), et dire laquelle décrit “reçu” vs “émise”.
5. Expliquer l’émissivité avec Kirchhoff (ε=M/Mb) et encadrer ε (corps noir ε=1, matériaux réels 0<ε<1 avec 80–98% réémis).
6. Énoncer Stefan-Boltzmann (W=σT⁴) et le rôle de T (en Kelvin) et de l’émissivité/longueur d’onde dans l’émission.
7. Énoncer la loi de Wien (λmax=2 897,8/T) et relier “plus chaud” à “pic vers des λ plus courtes”.
8. Décrire l’IR thermique : expliquer pourquoi il vient de l’émission de chaleur, donner la plage approximative 3,0 à 100 μm et la détection NOAA 3,5 à 12,5 μm.
9. Résumer diffusion et absorption atmosphériques : définir diffusion/absorption, citer Rayleigh (bleu ≈4× rouge, UV ≈16× rouge) et l’exemple des nuages blancs (diffusion non sélective).
10. Définir les fenêtres atmosphériques et citer au moins : visible-proche IR 0,4–2 μm, thermique 8–14 μm et la fenêtre majeure 10,2–12,5 μm ; préciser que hors fenêtres le signal est fortement atténué.
11. Rappeler l’équation des interactions avec la surface I=A+T+R et dire pourquoi la télédétection s’intéresse surtout à R ; distinguer réflexion spéculaire (point chaud, surfaces lisses, Soleil haut) et diffuse (rugueuse, quasi uniforme) via rugosité vs longueur d’onde.
12. Pour les courbes de réflectance : donner les creux à 1450 et 1950 nm (bandes d’absorption de l’eau) et la différence des sols dominés par le fer (absorption prépondérante à plus grandes longueurs d’onde).