2nde

La planète Terre et son environnement

Les images satellitales :
établissement et utilisation
pour la surveillance de la planète

Quel avenir pour la planète ?
Samuel Remerand

 

Place dans la progression et objectifs

Cette activité clos le chapitre sur "La planète Terre et son environnement". Les élèves auront alors eut connaissance des différentes enveloppes de la Terre, du couplage entre ces différentes enveloppes et l'effet de serre.

Cette activité doit permettre aux élèves d'appréhender les étapes de la construction d'une image satellitale et comprendre d'une part que ce sont bien des images et non pas des photographies et d'autre part que les couleurs de ces images sont rarement naturelles mais plus fréquemment artificielles, issues d'un traitement informatique normalisé. Cependant l'essentiel de cette activité réside dans l'apport des images satellitales à la surveillance, à plus ou moins long termes (pendant quelques heures ou sur plusieurs années), des différentes enveloppes terrestres.

Cette activité peut être découpée en deux parties. La première consiste à montrer l'établissement d'images satellitales. La seconde partie démontre l'utilité de ces images satellitales notamment dans la surveillance immédiate ou au long cours, des différentes enveloppes du globe tout en rappellant l'équilibre fragile qui existe entre ces différentes sphères et la part de l'Homme dans l'homéostat. Les images satelitales peuvent être un très bon appui dans le cadre de l'Education à l'Environnement pour un Développement Durable.

Objectifs de savoir-faire : Extraire des informations d'un logiciel, suivre un protocole expérimental et extraire des informations d'images satellitales.

Objectifs de savoir : Savoir exploiter des images satellitales qui sont construites à partir de données physiques, elles permettent une surveillance des différentes enveloppes.

Supports et informations scientifiques

Liste de matériel par groupe de travail

- 1 Radiomètre
- 1 Feuille de canson, noir,
- 1 Feuille blanche
- 1 feuille avec 4 cases (11cm x 11 cm) pour déposer les 4 boites de pétri = 4 scènes
- 1 Potence
- 1 Lampe (pas de néon)
- 1 Support trépied
- 4 boites de pétri (sable, eau + bleu de méthylène, sapin, herbe = matériaux à la réflectance variée)
- Peinture
- Pinceaux

Déroulement de l'activité

L'activité nécessite 1 heure 30

1. Les données du problème

Un satellite imageur ne prend pas de "photos", il aurait alors besoin de lumière et ne prendrait des "photographies" que le jour. Or les satellites balayent jour et nuit la surface du globe et nous transmettent des informations 24H sur 24. Les satellites fonctionnent donc sur un autre principe que celui des appareils argentiques ou numériques.

Problématique :
Comment s'élabore une image satellitale ?

2. L'établissement des images satellitales

2.1 L'acquisition des données ou capture des rayonnements

Un satellite imageur est équipé de 6000 photodiodes qui captent le rayonnement d'une bande de paysage (ou " scène") large de 60 km. Chacune des 6000 photodiodes capte la lumière du soleil réfléchie par le sol par une surface minimale enregistrable appelé pixel et traduit cette ce rayonnement reçu en un signal électrique, la réflectance. Le pixel est un carré de 20 m x 20 m, en général. Spot 5 est capable de mesurer des pixels de 15 m x 15 m.

 

Pour simuler le travail du satellite capteur d'image on peut utiliser un radiomètre. Cet appareil est l'équivalent d'une photodiode, il est muni de différents filtres qui lui permettront de capter différents types de rayonnements. Ce radiomètre effectuera le même travail que chaque photodiode, à ceci près que les photodiodes sont sensibles à 7 rayonnements différents et que notre radiomètre n'en reconnaît que 4 et que nous avons qu'un seul radiomètre et pas 6000 côte à côte !
Sur une table, on a disposé différents matériaux sur une feuille divisée en 4 petites surfaces (correspondant théoriquement à un pixel ou surface minimale enregistrable par le radiomètre). La surface totale de la feuille correspond à la scène ou bande de paysage à étudier.
On éclaire de manière uniforme chaque "pixel" de la scène, déposé sur un fond noir. Tour à tour, le radiomètre va mesurer la lumière réfléchie par chacun des pixels à l'aide de 3 filtres (on peut utiliser jusqu'à 7 filtres). Ce qui signifie que pour chaque pixel étudié, on prendra 3 mesures du rayonnement réfléchi, 1 mesure par filtre. L'utilisation de différents filtres colorés ne laissant passer qu'un seul type de rayonnement (par exemple que la lumière rouge) permet d'étudier le paysage dans différents canaux et ainsi de discriminer les objets étudiés. Moins on utilise de canaux plus il est difficile de faire la différence entre les objets étudiés. Imaginons que l'on travail avec un seul canal, deux objets avec la même réflectance ne peuvent être distinguer. Chaque objet présente une signature radiométrique ou signature spectrale propre qui sera d'autant plus précise que l'on multipliera les filtres et mesures de réflectance correspondantes.

Etalonner votre radiomètre avant chaque utilisation. Placer le capteur à 5 cm au-dessus d'une feuille blanche éclairée de manière uniforme par une lumière blanche (pas de type néon). La réflectance doit être de 100% à plus ou moins 2 %. Utiliser le réglage grossier dans un premier temps puis le réglage fin dans un second. Ne plus toucher les réglages d'étalonnage alors durant la mesure. Le radiomètre est étalonné.
Placer une feuille de papier Canson noire sous le radiomètre.
Placer l'objet contenu dans une boîte de Pétri dont la réflectance est à mesurer.
Lire la valeur et reporter la à sa place correspondante sur le document ci-dessous reproduisant le paysage (ou scène) étudié (Feuille élève) .
Attention, les valeurs trouvées par les élèves peuvent être très différentes d'un groupe à l'autre pour un même matériau étudié. Cela dépend effectivement de l'emplacement du matériau sous le radiomètre, de l'éclairage de l'objet, de la lampe... Ceci n'est en fait pas très important, l'essentiel étant dans la connaissance du principe de transformation de données numériques en images.

               
               
Filtre vert
 
Filtre rouge
 
Filtre infra-rouge

2.2 La transformation des données numériques en images

L'ensemble des pixels dans un canal donné peut être regroupé en 3 classes de réflectance.

Pour déterminer chacune des classes il faut, pour un canal donné :
- chercher au travers de tous les échantillons, les valeurs minimales et maximales enregistrées avec votre radiomètre : par exemple pour le canal vert, après avoir comparer toutes les valeurs de réflectance obtenues pour tous les objets analysés, on ne conserve que la valeur Mini qui peut être 10 et la valeur Maxi qui peut être par exemple 70.
- soustraire la valeur Mini de la valeur Maxi puis diviser le tout en 3 (pour construire 3 classes de réflectance) : exemple 70 - 10 = 60 ; 60 /3 = 20
- les 3 classes seront de la valeur mini 10, à la valeur mini + 20 = 30 ; puis de 30 à 30 + 20 = 50, puis de 50 à la valeur maxi 70 (50 +20). Ainsi on a créer 3 groupes homogènes (équirépartition). En réalité, une équipopulation est également réalisée par traitement informatique afin de mieux contraster les images numériques.

Calculer les 3 classes pour chaque canal à partir de vos valeurs.

Filtre rouge
Filtre vert
Filtre infra-rouge
Classe 1 : réflectance
de .... à ....
Classe 2 : réflectance
de .... à ....
Classe 3 : réflectance
de .... à ....
Classe 1 : réflectance
de .... à ....
Classe 2 : réflectance
de .... à ....
Classe 3 : réflectance
de .... à ....
Classe 1 : réflectance
de .... à ....
Classe 2 : réflectance
de .... à ....
Classe 3 : réflectance
de .... à ....

Sur vos pixels ci-dessous, reporter maintenant la Classe 1, 2 ou 3 correspondante.

               
               
Filtre vert
 
Filtre rouge
 
Filtre infra-rouge

On attribue, artificiellement, pour chaque canal et pour chaque classe un code couleur internationnal.

Filtre rouge
Filtre vert
Filtre infra-rouge
Classe 1 : Magenta (rouge) clair
Classe 1 : Jaune
clair
Classe 1 : Cyan (bleu)
clair
Classe 2 : Magenta moyen
Classe 2 : Jaune
moyen
Classe 2 : Cyan
moyen
Classe 3 : Magenta
foncé
Classe 3 : Jaune
foncé
Classe 3 : Cyan
foncé

Peindre avec du Magenta (rouge) clair, moyen ou foncé, du Jaune clair, moyen ou foncé et du Cyan (bleu) clair, moyen ou foncé vos 4 pixels (cases).

               
               
Filtre vert
 
Filtre rouge
 
Filtre infra-rouge

L'étape finale consiste le plus généralement à superposer les résultats (traduits en couleurs) des différents canaux.
Par exemple : si sur un pixel A on retrouve au niveau
- du filtre rouge du Magenta moyen
- du filtre vert du Jaune clair
- du filtre infra-rouge du Cyan moyen
la superposition ou mélange de ces trois couleurs donnera une autre couleur, dite couleur composée.

 
Classe 1 : Jaune clair
 
Classe 2 : Magenta moyen
Couleur composée du pixel
Classe 2 : Cyan moyen

Exemples de couleurs composées avec 3 couleurs "moyen".

Nous avons utilisé 3 canaux (Vert, Rouge et Infra-rouge), nous ne pourrons superposer que 3 canaux.

Combiner maintenant les résultats obtenus (en mélangeant les peintures) pour obtenir la composition colorée de notre paysage.

La composition colorée finale, correspond-elle à la réalité des objets étudiés ? Pourquoi ?
Non, ce ne sont pas les couleurs réelles, car les filtres utilisés ne nous permettent pas de voir comme avec nos yeux !! Nous ne voyons pas dans l'infra-rouge par exemple !
   
   
Paysage en couleurs recomposées

3. L'exploitation d'images satellitales

3.1 La surveillance immédiate, à moyen et long termes, des différentes enveloppes

Pour chaque document, répondre aux trois questions suivantes :
- Qu'observe-t-on sur ces images satellitales ?
- De quelle enveloppe s'agit-il ?
- De telles images permettent-elles une surveillance immédiate et/ou à plus ou moins longs termes ?

Des images satellitales sont accessibles sur de nom breux sites sites

Images satellitales
Sites de suivis

Images du territoire français (Titus + mot de passe) :
http://www.spotimage.fr/html/
_64_120_124_368_.php

Sites internationnaux :
http://www.spot-image.fr
http://www.esa.int/education/eduspace
http://www.spot-vegetation.com
http://www. eurimage.com
http://www.earthobservatory.nasa.gov
http://terra.nasa.gov/
http://www.aqua.nasa.gov
http://www.photolib.noaa.gov/
http://eosweb.larc.nasa.gov/HPDOCS/misr/

de l'environnement au niveau mondial :
http://www.ccpo.odu.edu/SEES/index.html

du niveau des mers :
http://topex-www.jpl.nasa.gov/science/data.html
http://www.jason.oceanobs.com/html/donnees/
duacs/welcome_fr.html

http://www7320.nrlssc.navy.mil/global_nlom/
globalnlom/skill.html

de la météo mondiale :
http://www.wmo.int/index-fr.html

de la couche d'ozone et de la concentration troposphérique : http://www.cmdl.noaa.gov/ozwv/ozsondes/spo/index.html http://www.cpc.noaa.gov/products/stratosphere/sbuv2to/ http://www.irceline.be/~celinair/oztoday1_fr.html

exemples :

Mer d'Aral en 1992 et 1994
Mouvements d'icebergs sur plusieurs jours
Mouvements de vortex
Ouragan
Impact météoritique Manicouagan
Déplacement du désert, Etna en activité
Barrière de corail
Déplacement du phytoplancton

3.2 Analyses d'images satellitales

Qu'observe-t-on sur ces images satellitales prises au-dessus de la forêt amazonienne ?

Destruction de la forêt amazonienne

3.3 Images satellitales "Mystère"

Essayez de d'identifier le phénomène ou le lieu sur les images satellitales proposées.

Tempête de sable
Détroit de Behring
Les incendies de forêts de octobre 2003 en Californie
Le Grand Canyon
Saint Petersbourg
Mer Rouge

Académie de Poitiers
Courrier électronique : samuel.remerand@ac-poitiers.fr
Dernière mise à jour : 10/06/05