Méthodes d’observation par satellite

Un satellite artificiel est un objet fabriqué par l’être humain, envoyé dans l’espace à l’aide d’un lanceur et gravitant autour d’une planète ou d’un satellite naturel comme la Lune.

Le premier satellite artificiel « Spoutnik 1 » est lancé par l’URSS en 1957. Depuis cette époque, plus de 5 500 satellites artificiels ont été placés en orbite (2007). Les satellites jouent désormais un rôle important à la fois sur les plans économique (télécommunications, positionnement, prévision météorologique), militaire (renseignement) et scientifique (observation astronomique, microgravité, observation de la Terre, océanographie, altimétrie). Ils sont, en particulier, devenus des instruments incontournables pour notre compréhension de l’univers physique, la modélisation des changements climatiques et le fonctionnement de la société de l’information.

Géographie et observation par satellite

La géographie s’intéresse aux structures spatiales et aux processus d’origine anthropique et naturelle qui les produisent. La question se pose alors d’observer ces structures de la façon la plus objective et la plus directe possible. Depuis l’avènement de la photographie aérienne et de la télédétection, les géographes ont à leur disposition une source d’information irremplaçable pour observer, analyser et cartographier ces structures sous leur forme la plus directement perceptible et mesurable, c’est à dire les paysages.

Les photographies aériennes, qui ont été prises de façon systématique à partir des années 50 leur permettaient déjà d’observer le paysage en laboratoire, d’en délimiter les différentes unités pour produire des croquis interprétatifs et enfin des cartes. Au début des années 70, les images multi-spectrales, prises de façon systématique sur l’ensemble du globe par le satellite Landsat MSS inauguraient la série de prises de vue périodiques de la surface terrestre sous forme d’images numériques. Les méthodes statistiques et informatiques allégeaient désormais sa tâche en classant automatiquement les points de l’image, l’aidant ainsi à produire plus rapidement et de façon plus objective une carte des paysages de la scène étudiée. L’avancée incontestable que constituait la télédétection satellitaire et l’accès aux images numériques de la Terre, ne remettait pas en cause l’intérêt des photographies aériennes. En effet, le pouvoir de résolution de ces nouvelles images était encore insuffisant puisqu’il ne permettait pas de distinguer les tissus urbains, les lieux d’habitats dispersés, ni les paysages complexes et discontinus comme les steppes et les savanes de la zone intertropicale.

Les satellites SPOT et Landsat Thematic Mapper, lancés au milieu des années 80, allaient combler ce fossé: il était désormais possible d’étudier de nombreuses catégories de paysages, quel que soit leur niveau de complexité. Un problème demeurait cependant : les prises de vues effectuées par les capteurs comme ceux de SPOT et Landsat dits « passifs » parce qu’ils ne font qu’enregistrer l’énergie renvoyée par la surface, sont difficilement exploitables en période de forte nébulosité où les paysages sont totalement masqués par les nuages. Mais depuis les années 90, grâce aux images radar des satellites ERS et JERS, l’observation des paysages peut se faire indépendamment des conditions climatiques et météorologiques, ce qui ouvre la voie à l’étude par satellite des zones tropicales et équatoriales où l’atmosphère est rarement limpide ou ceux des zones boréales éclairées la plupart du temps par une lumière rasante .

Les géographes, disposent donc aujourd’hui d’une immense banque d’images sur les paysages terrestres. Ces archives, acquises depuis environ un demi-siècle continuent de s’enrichir d’images numériques produites par des capteurs passifs ou actifs, prises sous des angles variés et à des résolutions de plus en plus grandes. A l’aube du troisième millénaire, il ne s’agira plus seulement pour eux de faire un inventaire des paysages en les cartographiant, mais d’analyser et de mesurer leurs transformations : En effet, ces transformations qu’elles soient très rapides quand elles sont dues à des catastrophes naturelles, comme les séismes, les éruptions volcaniques, les cyclones ou les inondations ou plus lentes lorsqu’elles sont liées à l’évolution des sociétés telles la déforestation, la déprise agricole ou la croissance urbaine sont désormais directement observables par télédétection.

Description d’un satellite d’observation de la terre

Un satellite d’observation de la Terre est un satellite artificiel utilisé pour effectuer des observations géophysique et géographique de la Terre depuis l’orbite terrestre. Cette catégorie de satellite est utilisée à des fins telles que la météorologie, l’inventaire des ressources naturelles, la géodésie, l’étude et la modélisation du climat, la prévention et le suivi des catastrophes naturelles, la reconnaissance militaire, … Les satellites d’observation de la Terre ont des caractéristiques très variables pour répondre à ces différents besoins : ils se distinguent notamment par leur résolution plus ou moins élevée, les instruments qu’ils embarquent (instrument optique, radar, instrument multi-spectral…), leur orbite et la taille. Ils peuvent être mis en œuvre pour répondre à des besoins scientifiques (modélisation climatique, structure de la Terre,…) ou recueillir des données pour des usages opérationnels civils ou militaires. Ces satellites initialement mis en œuvre par des agences gouvernementales, font depuis peu l’objet d’une exploitation commerciale.

La majorité des satellites d’observation de la Terre font partie de la catégorie des satellites de télédétection dont les instruments analysent les ondes électromagnétiques (lumière visible mais aussi ultraviolet, infrarouge, rayons X,..) émises par l’objet observé (au besoin le satellite émet un train d’ondes et analyse les ondes retournées : radar,…). Typiquement les instruments utilisés sont des caméras, spectromètre, radar, radiomètre,… SPOT ou METEOSAT rentrent dans cette catégorie. Une deuxième catégorie de satellite d’observation de la Terre effectue uniquement des mesures in situ comme GOCE qui mesure le champ gravitationnel terrestre ou SWARM qui mesure le champ magnétique terrestre et qui ne sont donc pas des satellites de télédétection. Ils utilisent des instruments comme le magnétomètre, des récepteurs passifs comme les réflecteurs laser, GPS, et accéléromètre ou des détecteurs d’ions ou d’atomes neutres,…

D’un point de vue technique, cette catégorie de satellites regroupe à la fois des satellites civils et militaires. Lorsque le terme est utilisé pour identifier l’usage, le terme désigne généralement uniquement les satellites utilisés à des fins civiles.

Fonctionnement des satellites d’observation 

Principe général 

Ces satellites reposent sur la détection et la mesure par leurs capteurs du flux de rayonnement électromagnétique en provenance de la zone observée. On interprète ensuite les données en tenant compte des lois physiques suivantes :
• Plus la longueur d’onde est courte, plus la température de l’objet est élevée.
• Chaque objet étudié (plante, maison, surface d’eau ou masse d’air) émet ou réfléchit du rayonnement à différentes longueurs d’onde et intensités selon son état (composition chimique).

Pour assurer la complémentarité des mesures, les scientifiques utilisent plusieurs capteurs spécialisés dans une longueur d’onde particulière pour étudier un même phénomène terrestre.

Classement des différents types de capteurs-imageurs

◆ Selon la passivité du système :
• Après avoir été à l’origine constitués par des caméras photographiques, les capteurs actuels sont soit de type passif, où le signal reçu par le système optique est renvoyé sur des détecteurs qui le transforment en signal électrique (principe du scanner), soit de type actif.
• Le capteur actif est un radar : il émet un signal, dans le domaine des hyperfréquences, et enregistre la réponse renvoyée par les surfaces et les objets observés. Ce capteur permet d’émettre et de recevoir un signal quelles que soient les conditions atmosphériques et les conditions d’éclairement.

Système actif : l’instrument embarqué à bord du satellite ERS émet un signal qui est rétrodiffusé par le milieu observé et détecté par l’antenne « A ». Système passif : l’instrument embarqué à bord du satellite SPOT reçoit le rayonnement solaire réfléchi par le milieu observé.

• Selon les bandes spectrales.
Les capteurs utilisent différentes bandes spectrales selon leur mission.
• Selon le champ d’observation.
• Selon l’orbite.