GEO1542_IMAGES NUMÉRIQUES_(COURS 16_9_2014

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MATIÈRE 16-9-2014
1. Les images du rayonnement
(suite et fin)
2. Les images thermiques
solaire réfléchie
Images du rayonnement solaire
réfléchi (suite et fin)
• Signatures spectrales, bandes spectrales et
couleur
2
Signature spectrale et couleur
normale
Signature spectrale et couleur
normale
Signature spectrale et couleur
normale
Signature spectrale et couleur
normale
Signature spectrale et couleur
normale
Bande bleue
Bande verte
Bande rouge
Bande PIR
FILTRE
Formation
d’images couleur:
imagerie
multispectrale
Bande bleue
Bande verte
FILTRE
Formation
d’images couleur:
imagerie
Bande rouge
Bande PIR
Un petit quiz: trouvez les bandes bleue, vert, rouge en
sachant la couleur des objets
10
Les images thermiques
• Les lois physiques d’émission
• L’émission des corps réels
• Rayonnement solaire et la température des
objets
11
Transfert radiatif
4b
3b
2
4a
3a
1
1.
Émission du
rayonnement par
les objets
2. Rayonnement
secondaire par
l’atmosphère
réfléchi par la
surface
3. Passage par
l’atmosphère
4. Détection
12
1. Les lois physiques
• Tout objet à une température supérieure
au zéro absolu émet du RÉM
• Pour étudier l’émission nous avons recours à
un objet idéalisé: le corps noir
• Un corps noir a la propriété d’absorber
toute l’énergie reçue par une source
externe et de l’émettre à l’espace ambiant
d’une façon isotrope
13
1. Émission du corps noir
•
Loi de Planck : exitance spectrale
[W m-2 µm-1]
1
 c1 
M     5 
 c  
 
 exp 2   1
où c1 = 3,742 x 10-16 [W m2]

 T  


c2 = 1,439 x 10-2 [m K]
T = la température cinétique du corps noir (en K)
•
Loi de Stefan-Boltzman
Corps noir à une Température T (K)  Densité du flux total émis:
M = T4 [ W m-2]
où  = la constante de Stefan-Boltzmann=5,669 x 10-8 [W m-2 K-4]
• La loi de déplacement de Wien
Longueur d’onde du pic d’émission d’un corps noir à une Température T (K)
C = 2898 [μm K]
max
C

T
14
Rayonnement émis
• Rayonnement spectrale
émis par divers corps
noirs incluant la terre
et le soleil. Calculs –
Loi de Planck
• Selon la loi de S.-B. 
T croissant donc M
croissant
• Selon la loi de Wien 
T croissant donc
longueur d’onde du pic
d’émission décroissant
15
Émission vs température:
exemple
Une ampoule éteinte [à une température ambiante de 27°C (300 Kelvin)] n’émet pas
du rayonnement visible, tandis qu’une ampoule dont l’élément est chauffé à 677°C (950
Kelvin) émet la plupart de son énergie dans l’infrarouge moyen et un tout petit peu dans
le visible (lumière rouge). Une ampoule incandescente [2223°C (2500 Kelvin)] donne une
lumière orangée jaune, bien que seulement 10% de son énergie est émis dans le visible,
le reste est émis dans l’infrarouge, et perçu par nous comme de la chaleur
16
Loi de Wien: exemples
max
C

T
μm
où C = 2898 [μm K]
un feu de forêt à 800 K alors pic
d’émission à 2898/800  3,6 μm
le soleil est à 6000 K environ alors pic
d’émission à 2898/5700  0,5 μm
17
1. Émission d’un corps noir
Exitance spectrale (W/m²/ m m)
50
45
40
35
T = + 50 C
30
T = + 20 C
25
T=
20
T = - 20 C
15
T = - 50 C
0C
10
5
0
0
5
10
15
20
25
Longueur d'onde (mm)
18
1. Émission par les objets terrestres
• Les objets terrestres ne sont pas de corps noirs;
la quantité du rayonnement émis par longueur
d’onde est moindre de celle prescrit par la loi de
Planck.
• Pour décrire leur émission on introduit une
quantité, l’émissivité, qui nous indique la
différence entre l’exitance spectrale de l’objet
réel et celle du corps noir à la même température
cinétique:
M cr  , T 
   
M cn  , T 
19
1. Émission par les objets terrestres
Échantillon de calcaire; sa surface
• L’émissivité toujours <1
• Si l’émissivité demeure
constante peu importe la
longueur d’onde nous disons
que l’objet se comporte
comme un corps gris
• La majorité des objets
terrestres ont plutôt une
émissivité variable selon la
longueur d’onde, on parle
alors d’un radiateur sélectif
fait 10 cm2
20
1. Émission par les objets terrestres
• Émissivité spectrale
d’un corps noir, d’un
corps gris et d’un
radiateur sélectif
hypothétique
• Exitance spectrale
d’un corps noir, d’un
corps gris et d’un
radiateur sélectif
hypothétique à la
même température
cinétique
21
1. Émission par les objets terrestres:
exemples
22
Valeurs de l’émissivité dans la bande
spectrale 8-14 µm
Matériaux de surface
Asphalte et goudron (revêtement de
chaussée)
Bardeaux d’asphalte (toitures)
Ciment
Gravier
Aluminium
Tôle ondulée
Acier galvanisé
Acier galvanisé oxydé
Cuivre
Arbres, arbustes et herbage (verts)
Herbage sec
Milieux humides
Sol à nu
Eau claire
Eau turbide
Émissivité
0,93-0,97
0.96-0.97
0,71-0,90
0,92
0,05
0,13-0,28
0,96
0,80
0,96
0,97-0.99
0,93
0,95-0,99
0,92
0,98
0,96
Émissivités de surface (compilation de plusieurs publications)
23
1. Émission par les objets terrestres:
une première conclusion
• L’exitance spectrale d’un corps réel dépend de sa
température cinétique, et de son émissivité à la longueur
d’onde examinée.
• En termes pratiques: si l’on mesure l’exitance spectrale d’un
objet on peut déduire sa température cinétique seulement
si l’on connaît son émissivité spectrale.
• Est-ce donc possible d’utiliser un capteur de télédétection
pour estimer la température des objets au sol? Pour
répondre à cette question reprenons les choses du début
24
Le cycle diurne des
températures
• Comme le soleil est la source principale du rayonnement qu’un
corps puisse absorber, les températures des objets suivent le
cycle diurne de l’apport énergétique du soleil à la surface,
mais chacun à son propre rythme selon sa composition, sa
densité, le taux d’humidité etc.
25
•
Le cycle diurne des
températures
Avant le lever du soleil, l’air (1), la végétation- les Ohias (sorte d’arbre en
Hawaï) (2), la route (3) et le basalte ancien (4) gardent une température
uniforme. Dès l’aube, vers 7 heures, l’air, la route et le basalte marquent une
augmentation rapide de leur température par réchauffement; la reprise de
l’activité biologique des plantes se manifeste par un accroissement de leur
température suivie d’un palier.
26
Le cycle diurne des
températures
• Un autre exemple: observations in situ
Sable
C
50
40
Pré
Forêt
30
Lac
20
Périodes de
croissement
10
0
0
4
8
12
16
20
24
Heure
27
Le rôle de l’atmosphère
• Similaire aux images
du rayonnement solaire
réfléchi (vapeur d’eau
importante comme
absorbeur + moindres
les effets de brume
atmosphérique)
• Les nuages  objets
opaques
28
Les capteurs
• Balayeurs à
époussette jusqu’à
tout récemment les
seuls à pouvoir
générer d’images
thermiques
• Balayeurs à
râteau de
plus en plus le
standard
29
Les images du rayonnement émis: exemples
Sensibilité spectrale
Réponse spectrale relative
IRT
Longueur d'onde (nm)
Mono-spectrale: Landsat-7 ETM6 :
résolution spatiale 60 m x 60 m
(Attention Landsat-5 TM6 120 m x
120 m)
30
Exemple d’une thermographie de
nuit par Landsat
31
ASTER (satellite TERRA) - un exemple
d’un système de capteurs polyvalent
Infrarouge thermique 5 bandes spectrales
32
ASTER-TIR: 5 bandes à une résolution
de 90 m x 90 m
33
34
35
Les images du rayonnement émis: les images
TIR (5 bandes) d’ASTER
ASTER: VIS
IRT
36
Illustrations
37
Différents objets
38
Les objets fantômes
39
Le relief
40
Pollution thermique des milieux
aquatiques
Centrale nucléaire Salem sur les rives de Delaware
41
Baie à
protéger
Marée
ascendante
émissaire
8:00 h
Est que le panache
thermique peut causer
de dommages à la
baie?
Marée basse
5:59 h
-Mouvement de la
marée
- Une hausse de la
température de l’eau à
l’intérieur de la Baie >
10 C n’est pas tolérable
Thermographies prises par le
capteur aéroporté
DEADALUS en hiver (deux
jours consécutives)
Marée
descendante
Centrale
thermique
14:20
h
Marée haute
42
10:59
h
Pollution thermique des milieux
aquatiques
Centrale nucléaire Salem sur les rives de Delaware
43
Applications - Exemple 1: Pollution
thermique des milieux aquatiques
Image thermique réorientée (corrections géométriques) et
mise à la même échelle que l’image couleur
44

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