Télédétection : 23 techniques, et quelle donnée chacune produit

« Télédétection » : le mot est partout en géomatique, sur les fiches de données comme dans les cahiers des charges.

Mais si l'on vous demandait ce qu'il recouvre exactement, sauriez-vous dire où s'arrête un radar et où commence un sonar, pourquoi une orthophoto et un lidar ne répondent pas à la même question, ou ce qu'un satellite livre réellement comme fichier ?

Le champ a pourtant une définition officielle, une classification en trois axes et vingt-trois techniques que l'on peut nommer une à une.

Je vous emmène derrière le mot, à travers une série de quatre articles : ce que la télédétection contient, ce que chaque technique mesure, et pourquoi le capteur ne décide jamais seul de ce que vous obtiendrez.

Télédétection : de quoi on parle exactement

La définition officielle, et ce qu'elle dit vraiment

Sa définition n'est pas une affaire d'opinion : elle a été publiée au Journal officiel du 22 septembre 2000.

Deux critères, pas un de plus : la mesure se fait à distance, et sans contact matériel avec l'objet. La définition ne dit rien de la nature de l'onde.
Sa note officielle précise seulement que la télédétection « utilise généralement l'interaction du rayonnement électromagnétique avec la matière ». Ce généralement compte : il laisse la porte ouverte à l'acoustique, et c'est ce qui autorise le sonar et le sodar dans l'inventaire de cet article.

Le même Journal officiel distingue la télédétection spatiale (instruments embarqués sur des véhicules spatiaux) et la télédétection aérienne (sur des aéronefs). Le satellite n'est donc qu'une plateforme parmi d'autres.

Où elle se situe : géomatique, photogrammétrie, SIG

La télédétection n'est pas une discipline isolée. Elle est une composante de la géomatique, que le Journal officiel définit comme l'« ensemble de techniques de traitement informatique des données géographiques dont certaines peuvent provenir de la télédétection aérospatiale ». Dans l'usage du domaine, on y rattache aussi la géodésie, la topographie, la photogrammétrie, la cartographie et les SIG : ce sont les domaines qu'enseigne l'école de l'IGN, Géodata Paris, l'ancienne ENSG. La figure 1 situe la télédétection parmi ces composantes.
Cette série d'articles part de la télédétection dans son ensemble, puis descend dans une seule de ses branches : la télédétection active en micro-ondes (hyperfréquences, terme officiel), c'est-à-dire l'imagerie radar, et l'interférométrie que l'on applique à ses images.

Ce que cet article couvre, et ce qu'il laisse aux suivants

Cet article pose le cadre : la définition, les cinq niveaux qui séparent un satellite du fichier que vous ouvrez dans QGIS, les trois axes de classification et l'inventaire complet des techniques. Il ne détaille ni le fonctionnement d'un radar imageur, ni l'interférométrie, ni la grille d'usage secteur par secteur : c'est le rôle des trois articles suivants. Vous pouvez lire celui-ci seul ; les autres le supposent lu.

Les cinq niveaux, de la plateforme à la méthode

Voici la clé de lecture de toute la série : cinq niveaux, qui ne forment pas un modèle officiel mais la structure de fait des documentations de l'ESA et de l'inventaire d'instruments du CEOS, et dont un seul, l'instrument, porte la classification des capteurs que l'on verra ensuite.

Premier niveau : la plateforme

Le Journal officiel nomme la télédétection aérienne et la télédétection spatiale ; l'ESA ajoute les drones, et l'IGN les plateformes terrestres.

Le premier article LiDAR du blog détaillait les plateformes aéroportée, terrestre, mobile et drone pour le seul lidar ; la logique est la même pour tous les capteurs.

Deuxième niveau : l'instrument

Suivez Sentinel-1 de haut en bas. La plateforme est le satellite Sentinel-1D. L'instrument est son radar en bande C, une antenne de 12,3 m sur 0,82 m qui émet à 5,405 GHz depuis 693 km d'altitude. C'est à ce niveau, et à lui seul, que se classent les capteurs : les deux sections suivantes lui sont consacrées.

Troisième niveau : le mode d'acquisition

Un même instrument peut être programmé de plusieurs façons. Le mode par défaut de Sentinel-1 sur les terres émergées s'appelle IW, une fauchée de 250 km. La notion de mode programmable est satellitaire ; en avion, elle est remplacée par les paramètres de vol : pour Litto3D, une altitude de 200 à 700 m et une vitesse de 50 à 120 m/s, fixées par les spécifications du SHOM.

Quatrième niveau : le produit

Le produit est le fichier que vous téléchargez, à un niveau de traitement donné. C'est là que tout se joue : le même passage du même satellite dans le même mode est distribué sous deux formes.

Le produit SLC (Single Look Complex) conserve, pour chaque pixel, l'amplitude et la phase du signal, la position de l'onde dans son cycle. Le produit GRD (Ground Range Detected) est détecté, moyenné, projeté au sol, et la phase est perdue, définitivement.

Le premier permet l'interférométrie ; le second ne le permettra jamais. Même satellite, même acquisition, deux destins.

Cinquième niveau : la méthode

La méthode est ce que vous faites du produit téléchargé pour en tirer un résultat qui n'y figure pas tel quel. Un SLC n'est pas encore une mesure de mouvement du sol : c'est l'interférométrie, qui compare la phase de deux SLC pris à des dates différentes, qui produit l'interférogramme. Un GRD n'est pas une carte de changement : c'est la comparaison de deux GRD qui la fait apparaître. Une orthophoto n'est pas une carte d'occupation du sol : c'est la photo-interprétation qui l'en extrait.
Le produit est la matière première ; la méthode fabrique la couche que vous mettrez dans votre SIG. Et c'est ce couple produit-méthode, pas le capteur, qui décide de ce que vous obtiendrez au bout.

Chacune des 23 techniques de l'inventaire qui suit se décrit sur ces mêmes cinq niveaux. Commençons par le deuxième, celui où l'on classe les capteurs.

Niveau instrument : les trois axes qui classent un capteur

Ce qu'on appelle un capteur, et pourquoi le classer

Avant de classer, un mot sur ce que l'on classe. Le Journal officiel définit le capteur en une phrase.

Autrement dit : un capteur est l'appareil qui regarde à la place de vos yeux. Il reçoit quelque chose qui vient de la scène observée (de la lumière, de la chaleur, un écho radio ou sonore) et le transforme en nombres que l'on peut enregistrer et cartographier. Un appareil photo en est un. Le mot « instrument » désigne la même chose, et l'article emploie l'un pour l'autre.

Pourquoi classer ces capteurs ? Pour une raison très pratique : savoir, avant de télécharger quoi que ce soit, ce qu'un instrument est capable de vous donner. Une image, ou juste une courbe ? Une mesure de nuit, ou seulement de jour ? Une couleur, une distance, une température ? Trois questions suffisent à y répondre, et ce sont les trois axes qui suivent.

Ces trois questions sont indépendantes. On ne descend pas un arbre de familles et de sous-familles : on coche trois cases, et chaque capteur en coche exactement trois. Les deux premières sont définies au Journal officiel ; la troisième est chiffrée par l'ESA (European Space Agency).

Actif ou passif : qui fournit l'énergie

La première question est la plus simple, et c'est celle qui décide de tout ce qui touche à la nuit et à la météo.

Le Journal officiel définit le capteur actif comme un « capteur auquel est incorporé ou associé un émetteur qui irradie la scène dans la bande spectrale du récepteur » (fiche SPAT47), et le capteur passif comme un « capteur qui reçoit une énergie émise sans que lui-même irradie la scène » (fiche SPAT51).

Autrement dit : le capteur passif est un œil, le capteur actif est une lampe torche avec un œil à côté. L'œil seul a besoin que la scène soit éclairée par le soleil, ou qu'elle émette elle-même de la chaleur ; il ne voit rien la nuit, et rien à travers les nuages.

La lampe torche apporte sa propre lumière, ou son propre signal radio, ou son propre son, et lit ce qui lui revient : elle travaille de nuit, et quand son « faisceau » est une onde radio, elle traverse les nuages.

Dans le guide de l'ESA pour les nouveaux entrants, côté passif on trouve toutes les caméras (panchromatique, multispectrale, hyperspectrale) et les radiomètres micro-ondes ; côté actif, le radar à synthèse d'ouverture, le lidar, l'altimètre radar et le diffusiomètre. Vous retrouverez chacune de ces familles dans l'inventaire.

Imageur ou non-imageur : une image ou un profil

C'est l'axe que tout le monde oublie, et c'est lui qui explique pourquoi certains capteurs ne produiront jamais de carte.

Le Journal officiel qualifie d'imageur un instrument « qui permet d'obtenir une image » (fiche SPAT203) ; le non-imageur, lui, mesure point par point et restitue un profil ou une valeur.

Autrement dit : certains instruments prennent une photo, d'autres tracent une courbe.

L'imageur balaie une surface et en rend une image, comme un appareil photo ou un scanner.

Le non-imageur ne regarde qu'un point à la fois, juste sous lui, pendant que le satellite avance : il rend une ligne de valeurs, un sillon tracé sur la carte. Entre deux sillons, il n'a rien vu.

La nature de l'onde : optique, thermique, micro-ondes, acoustique

Le troisième axe est celui qui donne leurs noms aux instruments, et c'est pour ça qu'il paraît plus structurant qu'il ne l'est.

L'ESA découpe le spectre électromagnétique observable depuis l'espace en trois fenêtres où l'atmosphère est transparente. L'acoustique s'y ajoute pour les capteurs qui travaillent dans l'eau ou dans les basses couches de l'air.

Autrement dit : les capteurs ne « voient » pas tous avec la même lumière. Certains travaillent avec la lumière visible, celle de nos yeux. D'autres avec la chaleur, l'infrarouge thermique, qui se lit même de nuit. D'autres avec des ondes radio, les micro-ondes, qui traversent les nuages. D'autres encore avec du son, dans l'eau ou dans l'air, là où la lumière ne va pas.

Radar, lidar, sonar : ce sont ces « lumières » qui ont donné leurs noms aux instruments.

Niveau instrument : les 23 techniques et ce qu'elles mesurent

Où s'arrête un radar, où commence un sonar ?

La réponse tient en une phrase : radar, lidar et sonar ne sont pas des instruments, ce sont des noms de familles, que distingue la nature de l'onde émise (des ondes radio, de la lumière laser, du son), et chaque famille contient plusieurs instruments réellement distincts.

Leur point commun : ce sont tous des capteurs actifs, qui émettent puis écoutent l'écho. De l'autre côté de la ligne, tout un versant passif que ces trois noms font oublier : les caméras et les radiomètres, qui n'émettent rien.

Le compte est simple à vérifier : huit techniques radar, quatre lidar, six acoustiques, cinq passives. Chaque ligne des tableaux qui suivent est adossée à un exemple réel, européen, consultable. La colonne « produit » dit ce que l'instrument restitue (une image, une grille, un profil, une coupe, un nuage de points), ce qui vous dit immédiatement si vous pourrez en faire une couche SIG.

Pour les familles actives, la colonne « ce qu'elle mesure » revient sans cesse sur les mêmes grandeurs. Un capteur actif ne se contente pas de chronométrer l'écho : il en tire jusqu'à quatre informations.

• La distance : le temps de trajet aller-retour de l'onde. C'est la télémétrie proprement dite, le ranging des acronymes.
• L'amplitude : la force de l'écho, ou facteur de rétrodiffusion. Elle renseigne sur la rugosité et l'humidité de la surface.
• Le décalage Doppler : le glissement de fréquence de l'écho, d'où la vitesse de la cible. C'est lui qui donne le vent au sodar et le courant à l'ADCP.
• La phase : la position de l'onde dans son cycle. Sentinel-1 la conserve dans ses produits SLC, et c'est elle qui rend l'interférométrie possible.

À cela s'ajoute la polarisation, l'orientation du champ électrique de l'onde : Météo-France diffuse des produits radar polarimétriques, et Sentinel-1 émet et reçoit dans deux polarisations.

C'est parce que ces instruments mesurent la phase, et pas seulement le temps de trajet, que l'InSAR existe ; l'article de cette série qui lui est consacré part précisément de là.

La famille radar

Radar est l'acronyme de radio detection and ranging, « détection et mesure au moyen d'ondes radioélectriques ». C'est la famille la plus étendue, et la plus mal connue en dehors de l'imagerie. Huit instruments distincts, du satellite au réseau météo, du profil de vent aux courants marins.

Trois de ces huit instruments sont des profileurs : ils produisent une mesure verticale en un point, pas une carte. Le radar météo, lui, produit bien une image : c'est pour ça que Météo-France peut publier une mosaïque de réflectivité au kilomètre. Depuis l'ouverture de ses données, ces produits sont téléchargeables sous licence ouverte.

La famille lidar

Lidar est l'acronyme : « light detection and ranging », soit « détection et télémétrie par la lumière ». Un « capteur actif utilisant comme source émettrice un laser ». Sous ce mot, quatre instruments qui n'ont en commun que le laser.

Le lidar bathymétrique a lui aussi sa fiche officielle, « bathymètre à lidar », Journal officiel du 22 septembre 2000. Si vous voulez aller plus loin sur le lidar topographique, les plateformes aéroportées, terrestres et mobiles, et les formats de nuages de points, le blog y a consacré un article sur ce qu'est le LiDAR et ses données ouvertes et un second sur son intégration pratique dans QGIS.

L'acoustique, dans l'eau et dans l'air

Le sonar (acronyme de sound navigation and ranging, « navigation et mesure au moyen du son », forgé sur le modèle de radar) est lui aussi une famille. Cinq instruments marins, et un sixième qui fait la même chose dans l'air : le sodar, sound detection and ranging, « détection et télémétrie par le son » au Journal officiel.

Deux nuances que les fiches techniques ne disent pas, et que les institutions disent. Le SHOM note que « les performances des sondeurs multifaisceaux de dernière génération réduisent fortement l'intérêt de l'utilisation d'un sonar latéral en hydrographie » ; le sonar latéral survit surtout pour l'imagerie des habitats. Et Météo-France observe que le sodar « fonctionne mal lorsque le vent est fort » : les exploitants de parcs éoliens, longtemps utilisateurs du sodar, utilisent aujourd'hui des lidars Doppler.

Même principe, autre discipline : géoradar et sismique réflexion

De l'autre côté de la ligne : les familles passives

Tout ce qui précède est actif. Or l'essentiel de ce qu'un géomaticien manipule au quotidien est passif : une orthophoto, une image Sentinel-2, une carte de température. Cinq familles, et presque toutes ont un exemple français de premier plan.

Une ligne mérite qu'on s'y arrête : SMOS. C'est un radiomètre passif en bande L, à 1,4 GHz. Il écoute l'émission naturelle du sol dans la même gamme de fréquences qu'un radar en bande L émet et reçoit.
Même onde, deux instruments européens, de part et d'autre de l'axe actif-passif : c'est l'illustration la plus propre du fait que la nature de l'onde ne dit pas ce que fait l'instrument.
La bathymétrie par satellite (estimer la profondeur d'eaux claires depuis une image Sentinel-2) relève de la première ligne : c'est de l'optique passive, qui lit la réflectance du fond à travers la colonne d'eau. Elle n'émet rien.

Deux méthodes qui ne sont ni actives ni passives

Niveaux produit et méthode : pourquoi le capteur ne décide pas

Retour aux deux derniers niveaux, maintenant que les instruments sont nommés.

Six chaînes complètes, de Sentinel-1 à Litto3D

Le tableau qui suit montre tout en un coup d'œil. Les trois premières lignes ont la même plateforme, le même instrument et le même mode : tout diverge au produit et à la méthode. La seule ligne à instrument passif est la BD ORTHO, et la colonne « mode » est vide pour l'aéroporté, remplacée par les paramètres de vol.

Ce qui qualifie une donnée : les quatre résolutions

Quand vous comparez deux produits, quatre grandeurs suffisent à dire ce que vous achetez. Les définitions ci-dessous sont celles de la documentation de Sentinel-2.

Par où continuer

Trois articles prolongent celui-ci. Le premier, l'imagerie radar, explique comment un radar imageur fabrique une image et ce que Sentinel-1 livre réellement. Le deuxième est consacré à l'InSAR, à ce qu'il mesure et à ce qu'il ne sait pas faire.
Le troisième bascule côté décideur : votre secteur, votre problématique, la donnée qui y répond et le service qui existe déjà. Et si votre besoin est un nuage de points, l'article sur le LiDAR en pratique reste le bon point d'entrée.

Ce qu'il faut retenir

La télédétection a une définition officielle et trois axes de classification (actif ou passif, imageur ou non, nature de l'onde), et pas davantage. Radar, lidar, sonar ne sont pas des instruments mais des familles, et le versant passif est la moitié de la discipline. Le géoradar et la sismique partagent le principe d'écho, pas la discipline.
Surtout, un capteur ne détermine pas le type de donnée que vous obtiendrez : le produit et la méthode le font, et c'est à ces deux niveaux qu'il faut regarder avant tout téléchargement.