La télédétection est l'ensemble des techniques utilisées pour déterminer à distance les propriétés d'objets naturels ou artificiels à partir des rayonnements qu'ils émettent ou réfléchissent. Les techniques de télédétection comprennent l'ensemble du processus : la capture et l'enregistrement de l'énergie d'un rayonnement émis ou réfléchi par les objets observés, le traitement des données résultantes et enfin l'analyse des données finales. Ce processus met en œuvre un capteur (appareil photographique, laser, radar, sonar, lidar, sismographe, gravimètre) qui est généralement embarqué à bord d'une plateforme mobile : avion, satellite, ballon, navire (sonar) La télédétection moderne repose normalement sur des traitements numériques mais peut tout aussi bien utiliser des méthodes non numériques. Une grande partie du spectre électromagnétique du rayonnement X aux ondes radios (en passant par l'ultraviolet, la lumière visible et l'infrarouge) peut être utilisée. Chaque partie du spectre est susceptible de fournir des informations sur l'objet : forme, température, composition chimique, moléculaire et minéralogie, distance
La technique de la télédétection apparaît avec l'invention de la photographie et l'essor de l'aviation, mais elle se développe plus particulièrement dans les années 1970 grâce à la mise au point des satellites d'observation de la Terre et de capteurs numériques. La télédétection a de multiples applications à la fois scientifiques et opérationnelles : météorologie, reconnaissance militaire, gestion des ressources agricoles et forestières, cartographie, gestion des catastrophes, étude du climat, modélisation des processus atmosphériques
La télédétection spatiale, dans le domaine de l'astronautique, est l'ensemble des connaissances et des techniques utilisées pour déterminer les caractéristiques de la surface et de l'atmosphère de la Terre ou d'une autre planète, par des mesures effectuées à partir d'un engin spatial évoluant à distance convenable de cette dernière. Le terme correspondant en anglais est remote sensing from space.
Principe vignette|Schéma des processus de télédétection passive (en haut) et active. 1 : Le rayonnement du Soleil vient frapper la surface de la Terre (1). Le sol mais également l'atmosphère réfléchit une partie de ce rayonnement vers l'espace (2) mais il émet également en permanence un rayonnement thermique. Ce rayonnement est mesuré par l'instrument embarqué dans le satellite qui renvoie ces informations aux stations terriennes (3). Si l'instrument est de type actif (radar, télémètre laser), il émet un rayonnement (1) qui est en partie renvoyé (2) puis analysé par l'instrument à bord du satellite.
La télédétection est une méthode d'acquisition qui exploite principalement la mesure du rayonnement électromagnétique soit émis soit réfléchi par les objets étudiés.
Rayonnement électromagnétique
Le rayonnement électromagnétique est une onde qui transporte de l'énergie et qui se déplace à la vitesse de la lumière. Il est composé d'un champ électrique et d'un champ magnétique. Le champ électrique varie en grandeur et est orienté perpendiculairement à la direction de propagation du rayonnement. Le champ magnétique est orienté perpendiculairement au champ électrique. La principale propriété d'un rayonnement électromagnétique est sa longueur d'onde (λ) qui est la distance entre deux crêtes successives de l'onde. Elle est exprimée en unité dérivée du mètre (nanomètre : ; micromètre : ; millimètre : ). La fréquence (ν = c λ mesure le nombre d'oscillations par unité de temps. Elle se calcule avec la formule ν = c x λ (avec c = vitesse de la lumière).
On classifie le rayonnement électromagnétique en fonction de sa longueur d'onde : le spectre électromagnétique va des courtes longueurs d'onde (rayons gamma, rayons X) aux grandes longueurs d'onde (micro-ondes et ondes radio) en passant par l'ultraviolet, la lumière visible et l'infrarouge. La quantité d'énergie transportée par l'onde électromagnétique décroit avec la longueur d'onde. Une grande partie du spectre électromagnétique peut être utilisée pour la télédétection. On utilise plus particulièrement (par longueur d'onde croissante) : l'ultraviolet (0,1 à 0,4 micromètre) : certains matériaux de la surface de la Terre (roches, minéraux) émettent de la lumière visible lorsqu'ils sont illuminés par un rayonnement ultraviolet (fluorescence) ; la lumière visible (entre 0,4 et 0,7 micromètre du violet au rouge), qui représente une toute petite partie du spectre électromagnétique, est le seul rayonnement que nos yeux peuvent détecter et qu'on peut associer à une couleur. Cette lumière que nous voyons d'une couleur uniforme est composée d'une multitude d'ondes de longueur différentes qui peuvent être rendues visibles en la décomposant avec un prisme ; l'infrarouge (0,7 à 1000 micromètres) exploité est de deux types : l'infrarouge réfléchi (0,7 à 3 micromètres) et l'infrarouge thermique (de 3 à 100 micromètres). Contrairement aux autres rayonnements qui ont leur origine directement ou indirectement dans le rayonnement solaire, le rayonnement thermique est principalement un rayonnement émis directement par l'objet sous forme de chaleur ; le rayonnement hyperfréquence/micro-onde (1 mm à 1 m) sont utilisées par exemple pour la télédétection par radar.
vignette|800px|centre|Le spectre électromagnétique.
Sources du rayonnement utilisé pour la télédétection
L'instrument utilisé pour la télédétection observe un domaine de fréquences précis qui peut être situé dans l'infrarouge, la lumière visible, les micro-ondes, l'ultraviolet, le rayonnement X ou les ondes radio. Ceci est rendu possible par le fait que les objets étudiés (surface, plantes, maisons, plans d'eau ou masses d'air) émettent ou réfléchissent du rayonnement à différentes longueurs d'onde et intensités en fonction de leurs composants et de leur état. Certains instruments de télédétection utilisent également des ondes sonores de façon similaire tandis que d'autres mesurent des variations dans des champs magnétiques ou gravitaires.
La rayonnement électromagnétique exploité par le processus de télédétection peut provenir des sources suivantes : Le rayonnement solaire réfléchi par l'objet observé Le rayonnement émis par l'objet observé (rayonnement thermique) Le rayonnement émis par l'instrument utilisé pour la télédétection (par exemple radar) et réfléchi par l'objet observé.
Interactions du rayonnement avec l'atmosphère thumb|center|upright=1.5|Pourcentage d'absorption (ou opacité) atmosphérique de la Terre à diverses longueurs d'onde et radiation électromagnétique, y compris lumière visible.
L'instrument utilisé pour la télédétection est généralement installé à bord d'un avion ou d'un satellite circulant sur une orbite basse. Le rayonnement source (rayonnement solaire) a traversé l'atmosphère terrestre avant d'atteindre l'objet et l'a à nouveau traversé pour revenir vers l'instrument. Les particules et les gaz composant l'atmosphère interagissent en bloquant (absorption optique) ou en déviant en partie le rayonnement (diffusion).
L'absorption optique survient parce que des molécules absorbent l'énergie de certaines longueurs d'onde : l'ozone absorbe les ultraviolets, le dioxyde carbone absorbe une grande partie de l'infrarouge thermique (ce qui contribue à l'effet de serre) et la vapeur d'eau absorbe une grande partie de l'infrarouge dans les grandes longueurs d'onde et les hyperfréquences de petites longueurs d'onde. L'impact de l'absorption varie en fonction de l'altitude (couche atmosphérique plus ou moins épaisse) et de la quantité de vapeur d'eau. Dans un ciel limpide et à haute altitude il est fortement réduit. Le phénomète d'absorption a un impact important sur les longueurs d'onde utilisées pour la télédétection.
L'effet de la diffusion dépend de la longueur d'onde, de la densité des particules et des molécules et de l'épaisseur de la couche atmosphérique. Trois processus peuvent jouer un rôle dans la diffusion : La diffusion de Rayleigh a lieu lorsque la taille des particules est inférieure à la longueur d'onde du rayonnement. L'effet est plus important sur les longueurs d'onde courtes. Ce type de diffusion, qui est à l'origine de la couleur bleue du ciel, se déroule dans les couches supérieures de l'atmosphère. La diffusion de Mie se produit lorsque les particules sont presque aussi grandes que la longueur d'onde du rayonnement. Elle est produite par la poussière, le pollen, la fumée et l'eau. Elle touche plus particulièrement les grandes longueurs d'onde et se produit dans les couches inférieures de l'atmosphère. Ce type de diffusion domine lorsque le ciel est couvert. La diffusion non sélective découle de la présence de particules (gouttes d'eau, grosses particules de poussière) beaucoup plus grosses que la longueur d'onde du rayonnement. Elle touche toutes les longueurs d'onde. Elle est à l'origine de la couleur blanche des nuages et du brouillard.
Interactions entre le rayonnement et l'objet observé vignette|Schéma résumant les interactions du rayonnement avec l'atmosphère et l'objet observé.
Le rayonnement électromagnétique qui a réussi à traverser l'atmosphère va interagir avec l'objet observé. Il peut être absorbé par celle-ci, traverser l'objet ou être réfléchi par celui-ci. C'est le rayonnement réfléchi qui peut être exploité par le processus de télédétection. Les trois modes peuvent être combinés dans des proportions variables pour une longueur d'onde donnée. Cette interaction dépend de la longueur d'onde du rayonnement, de la nature de la surface et de sa texture. Il y a deux types de réflexion : la réflexion spéculaire (le rayonnement est renvoyé dans la même direction comme dans le cas d'un miroir) et la réflexion diffuse (le rayonnement est réfléchi dans toutes les directions). La plupart des objets combine ces deux types de réflexion. Le mode de réflexion dépend de l'amplitude de la rugosité de la surface par rapport à la longueur d'onde du rayonnement incident. Si la longueur d'onde est plus petite que la rugosité, la réflexion diffuse domine (par exemple sur une plage la réflexion diffuse domine car les grains de sable ont un diamètre de l'ordre de quelques centaines de micromètres alors que la longueur de la lumière visible est inférieure au micromètre).
Remarque : alors que l'astronomie pourrait être considérée comme de la télédétection (poussée à l'extrême), le terme télédétection est généralement réservé aux observations terrestres.
Plateformes et capteurs
Plateformes
Plateformes mises en œuvre à courte distance Système tomographique pour des applications médicales, industrielle ou spatiale (exploration in situ) Radars d'instrumentation Plateformes à longue distance Avions Satellites
Capteurs
Parmi les capteurs on distingue les capteurs passifs (typiquement caméra optique) qui analysent le rayonnement émis par l'objet observés et les capteurs actifs (typiquement radar) qui analysent la réflexion du rayonnement qu'ils émettent.
Capteurs optiques
Les capteurs optiques sont des systèmes passifs qui mesurent l'énergie électromagnétique en provenance de l'objet observé. Cette énergie peut être celle du Soleil qui a été réfléchie (rayonnement allant du visible à l'infrarouge moyen) ou celle émise par l'objet observé (infrarouge thermique ou lointain). L'instrument peut privilégier la dimension spatiale : c'est alors un radiomètre imageur (notre appareil photo) ou la dimension spectrale et c'est alors un spectro-radiomètre. L'instrument peut capter à la fois les dimensions spatiale et spectrale et c'est alors un spectro-imageur.
Les capteurs optiques peuvent utiliser différentes techniques d'acquisition : Acquisition matricielle Acquisition ligne par ligne (push-broom en anglais) Acquisition pixel par pixel
Capteurs à micro-ondes
Radar à synthèse d'ouverture Altimètre radar Diffusiomètre à vent
Utilisations