CHAPITRE II

SATELLITES DES RESSOURCES TERRESTRES

L'observation de la terre par satellite résulte de plusieurs efforts qui se sont développés depuis la fin du 19ème  siècle avec le lancement des fusées. Ce n'est qu'en 1960 que la première série de satellites météorologiques ont commencé avec TIROS. Plusieurs autres satellites ont été ensuite mis en orbite, à des fins notamment météorologiques.

En 1967, la NASA, avec la coopération de l'U.S. Département de l'Intérieur a pris l'initiative de développer des satellites d'observation des ressources de la terre. Ceci a aboutit au lancement du satellite ERTS-1 le 23 juillet 1972 qui a été ensuite rebaptisé LANDSAT 1,2,3. A partir des années 70, plusieurs autres satellites ont été lancés pour diverses applications (NOAA, GOES, SAR, etc.). Le 2 février 1986 le gouvernement français a lancé le premier satellite de la série SPOT. Nous nous limiterons à la description des caractéristiques de LANDSAT et SPOT qui sont les satellites les plus connus et aussi les plus utilisés.

2.1 Caractéristiques de LANDSAT

La série Landsat comporte déjà 5 satellites :

Landsat 1, lancé le 23 juillet 1972, retiré le 6 janvier 1978.

Landsat 2, lancé le 5 novembre 1975, retiré le 27 juillet 1983.

Landsat 3, lancé le 5 mars 1978, retiré le 7 septembre 1983.

Landsat 4, lancé le 16 juillet 1982.

Landsat 5, lancé le 1er mars 1984.

2.1.1 Caractéristiques orbitales

Les landsats 1, 2 et 3 (tableau 1) tournaient autour de la terre à une altitude nominale de 900 km (880 - 940), une fois toutes les 103 min (14 rotations /jour), avec un angle d'inclinaison de 9° dans la direction Nord sud. Chaque orbite résultait dans un balayage de 185 km par rapport à l'Equateur, où la distance entre 2 orbites consécutives était de 2760 km. Les orbites se déplaçaient progressivement vers l'Ouest, provoquant un recouvrement de la terre en l8 jours (LILLESAND / KIEFER ,1987).

2.1.2 Capteurs à bord des Landsats 1, 2 et 3

Les landsats 1-3 étaient lancés avec 2 capteurs identiques : un système “Return Beam Vidicon” ( RBV) à 3 bandes et un système MSS “Multispectral Scanner System” à 4 bandes. Le RBV consistait en 3 caméras, type télévision, orientées de façon à enregistrer une surface de 185 x 185 km2 simultanément dans le vert (0.475 - 0.575 mm), le rouge (0.58 - 0.68 mm) et le proche infra-rouge  (0.69-0.83 (m), avec une résolution nominale de 80 m .

Deux changements importants étaient introduits dans le RBV monté à bord du Landsat-3 : une seule bande spectrale 0.505-0.75 mm, avec une résolution spatiale de 30 m. Cette résolution a été obtenue en doublant la distance focale des caméras. Pour remédier à la réduction de surface, causée par la distance focale, on a employé deux caméras côte à côte. Les 2 caméras étaient alignées de façon à enregistrer 2 carrés adjacents de 98 km, avec 13 km de recouvrement latéral. Ceci a résulté dans une scène de 183 x 89 km2. Deux paires de scènes du RBV coïncideraient avec une scène de MSS. Vu les problèmes techniques associés avec les images RBV, l'utilisation des images MSS a largement dominé celle des RBV.

La scène MSS couvrait une superficie de 185 x l85 km2 dans 4 bandes simultanément (4,5,6,7) : 0.5-0.6 mm,  0.6-0.7 mm,  0.7-0.8 mm et  0.8-1.1 mm.    En fait, les mêmes bandes 4,5,6,7 ont été reproduites sur les Landsats 4 et 5 comme bandes 1,2,3,4.

La configuration du système d'opération du MSS est définie comme suit :

La forme carrée de “Instantaneous Field Of View” (IFOV) du scanneur résulte dans une résolution de 79 x 79 m2. La conversion du signal à la forme digitale est faite  sur un intervalle de 0 à 63, puis échelonnée de 0 à 127 pour les bandes 4,5,6.

Une scène MSS couvre une surface de 185 x 185 km2 avec 10% de recouvrement longitudinale entre 2 scènes successives. Chaque scène est formée d'environ 2340 lignes de balayage avec 3240 pixels par ligne, soit environ 7581600 pixels par scène et par bande.

2.1.3 Interprétation des images MSS

Bien que la résolution du MSS soit de 80 m, les objets ayant moins de 80 m de côté (routes, ponts, etc.) peuvent être identifiés par la différence de contraste entre ces objets et leur voisinage. Chaque bande a une sensibilité spécifique pour des objets  particuliers. Par exemple, MSS1 et MSS2 sont meilleures pour l'identification des objets culturels tels que les zones urbaines, routes, graviers, carrières. MSS2 est plus performante grâce à sa meilleure pénétration de l'atmosphère. MSS1 a une meilleure pénétration dans l'eau profonde.

MSS3 et MSS4 sont plus appropriées pour la délimitation des zones d'eau. Comme l'eau absorbe l'infra-rouge, elle va apparaître sombre sur une image infra-rouge. Les zones humides ont aussi une réflectance faible dans l'infra-rouge, ainsi que l'asphalte et dans les sols nus humides. L'utilisation des MSS2 et MSS4 est plus courante dans les applications géologiques.

L'interprétation des images MSS peut être très améliorée en utilisant des images multi- temporelles (exemple : forêt mieux détectée en présence de la neige ; la neige recouvre les surfaces nues faisant apparaître les arbres plus sombres). La combinaison des bandes est aussi très utile.

2.1.4 Landsats  4 et 5

Les landsats 4 et 5 tournent autour de  la terre de la même façon que les landsats 1-3, mais à une altitude de 705 km au lieu de 900 km. Cette diminution en altitude permet une meilleure résolution spatiale. Les orbites ont une inclinaison de 98.2° par rapport à l'Equateur. Le satellite traverse l'Equateur à 9:45 (temps solaire local). Chaque rotation dure environ 99 minutes, soit 14,5 rotations par jour.  Due à la rotation de la terre, la distance entre 2 orbites consécutives est de 2752 km à l'Equateur. La répétitivité de chaque orbite se fait après 16 jours.

2.1.5 Capteurs des landsats 4 et 5

Les landsats 4 et 5 ont été construits avec 2 types de capteurs : le MSS et le “Thematic Mapper” (TM). La transmission directe des données à des stations terrestres se fait grâce à des antennes de bande X et de bande S montées à bord du satellite.  Le capteur MSS est le même que dans les landsats 1 à 3.

Le TM a été construit avec de grandes améliorations spectrales, radiométrique et géométrique relativement à MSS. L'amélioration spectrale consiste en l’acquisition de données dans 7 bandes au lieu de 4, avec une nouvelle bande dans le visible (bleu) et 2 dans l'infra-rouge. Radiométriquement, le TM permet la conversion A-D sur un intervalle de 0 à 255 (8 bits) niveaux d'ombres, au lieu de 0 à 63, ce qui permet de déceler des petits changements dans l’amplitude radiométrique à l'intérieur d'une bande et entre les différentes bandes. Géométriquement, les données TM sont enregistrées en utilisant une résolution de 30 m (sauf pour le thermique 120 m).

Le TM enregistre les données dans 7 bandes du spectre.  Ces bandes sont mieux réglées que celles du MSS pour la distinction de la végétation pour plusieurs raisons: TM2 (vert), TM3 (rouge) et TM4 (IR) sont spectralement plus étroites que leurs correspondantes du MSS.  Aussi, TM4 est centrée dans la région de la plus forte sensibilité à la vitalité (vigueur) de la végétation. La sensibilité au manque d'eau dans les plantes “plant water stress” et la détection du stress sont obtenues par TM5 et TM7, assistés de TM1.

2.1.6 Utilisation  des images TM 

Les images TM sont utilisées dans des applications beaucoup plus variées que celles du MSS. Les MSS sont généralement mieux utilisées dans l'analyse des régions larges comme la cartographie géologique ; cependant, pour une cartographie plus détaillée de l'occupation des sols, les TM sont beaucoup plus précises grâce à leur résolution spatiale, spectrale et radiométrique, mais aussi au nombre de bandes plus élevé.

2.2 Caractéristiques de SPOT

2.2.1 Orbite du SPOT

Comme LANDSAT, SPOT est un satellite héliosynchrone (tableau 1). Le temps solaire de  passage à l'Equateur est 10:30 a.m., avec un peu de retard pendant le passage au Nord et un peu d'avance au sud. Le satellite tourne à une altitude de 832 km,avec une inclinaison de 98.7° par rapport à l'Equateur.

Bien que la répétitivité des orbites ne se produise qu'après 26 jours, SPOT est doté d'un miroir orientable qui peut être programmé selon les besoins du client.

 Grâce à ce miroir, l'accessibilité en tout point de la terre est possible en 5 jours au maximum.

2.2.2 Capteurs à bord du SPOT

Le satellite SPOT emploie 2 capteurs identiques“High Resolution Visible” (HRV). Chaque capteur opère dans l'un des 2 modes:

* Le PANCHROMATIQUE (P) (blanc et noir), qui fonctionne dans la région du spectre 0.51-0.73 mm, avec une résolution de 10 m.

* Le MULTISPECTRAL (X) qui fonctionne dans la région du spectre de 0.5-0.59 mm  0.61-0.68 mm  et 0.79-0.89 mm , avec une résolution de 20 m.

Le HRV utilise le mode de "PUSH BROOM" avec une barrette de détecteurs à réseau de transfert de charge “linear array of CCD”. Ce mode a un avantage très important sur les détecteurs à miroir pivotant : il élimine les erreurs géométriques introduites par la vitesse de rotation des miroirs.

Chaque HRV contient 4 sous-réseaux de CCD avec 6000 éléments chacun pour le panchromatique et 3000 pour le multispectrale. Chaque HRV résulte dans un balayage de 60 km de largeur sur la ligne du nadir.

Le miroir orientable peut être commandé de la terre pour prendre des images de part et d'autre du nadir jusqu'à 27° (45 intervalles de 0.6° chacun). Ceci permet à chaque HRV d'enregistrer des zones à 475 km de part et d'autre du nadir. A cette distance, la largeur du balayage est 80 km au lieu de 60.

2.2.3 Utilisation des images SPOT

L'utilisation des données SPOT dans diverses applications est facilitée par l’excellente résolution spatiale, la précision géométrique des images et la vision stéréoscopique.