V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 1/90

Imagerie spatialeIntroduction

Adapté des slides CNES/ cours QI

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 2/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 3/90

Utiliser une image brute ?

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 4/90Titre présentation4

?La prise de vue

n’est donc pas

« parfaite » ?

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 5/905

Le satellite imageur

est un système physique réel

On sait décrire son comportement

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 6/90

Paysage

observé

Atmosphère

Eclairement

Position, vitesse

attitude

Optique, distorsion,

détection

Image brute

=

F(Paysage observé)

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 7/90

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

=

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 9/90

Vue d’ensemble

Utilisation de la télédétection spatiale

Qu’est-ce que la télédétection ?

Diversité spectrale

Diversité spatiale

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 10/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 11/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 12/90

© 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

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

Utilité de l’observation de la Terre

Haïti Cyclone Sandy

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 13/90

Utilité de l’observation de la Terre

Lybie Benina airfield BDA, 1986

Cartographie

Renseignement

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 14/90

Mesure du relief

© CNES 2007/Distribution Spot Image

Traitement CNRS-LEGOS.

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 15/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 16/90

Ondes électromagnétiques

OPTIQUE

RADAR

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 17/90

Domaines spectraux en optique

PHR rouge/vert/bleu PHR PIR/rouge/vert

SPOT 4 MIR/PIR/Vert

neige nuagesInfraRouge AVHRR nov 2012

chaud

froid

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 18/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 19/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 20/90

Optique ou Radar ?

RADAR : ACTIF

Impulsion

transmise

Écho réfléchi

OPTIQUE : PASSIVE

émetteur:

Illumination

naturelle

capteur

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 21/90

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.

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 22/90

B1 ~vert B2 ~rouge B3 ~proche IR

Composition colorée :

Bleu = B1

Vert = B2

Rouge = B3

Diversité spectrale : SPOT (2/5)

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 23/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 24/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 25/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 26/90

• 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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 27/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 28/90

Image Météo

résolution 4 km

champ 12000 km

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 29/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 38/90

Le système spatial

de télédétection optique

Les orbites

Acquisition des images

Intérêt de l’imagerie par satellite

Conception d’un système d’observation

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 39/90

Acquisition des images : Illustration Pléiades

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 40/90

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 ?

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 41/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 42/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 43/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 44/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 45/90

Principes d’acquisition

1 pixel 1 ligne 1 image

Contribution NASA

http://earthobservatory.nasa.gov/Features/EO1/

scanners push-broom matrices

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 46/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 47/90

Panorama de quelques missions

d’observation de la Terre

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 48/90

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)

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 49/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 50/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 51/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 53/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 54/90

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

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 58/90

1er Atelier Utilisateur 30/31 Mai 2017

Infrastructure technique de

l’Observatoire de la

reconstruction

www.recovery-observatory.org

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 59/90

59

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 60/90

60

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 61/90

61

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 62/90

62

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 63/90

63

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 64/90

64

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 65/90

65

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 66/90

66

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 67/90

67

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 68/90

68

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 69/90

69

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 70/90

70

V5.4 © CNES 2018Cours Qualité Image : Introduction 71/90

71