IV - DES DONNéES à L'INFORMATION
1- Préparer une image pour l’analyse (Pré-traitement)
1.1- Corrections radiometriques, atmosphériques et calibration
Un système idéal d'observation de la Terre serait un système permettant de mesurer avec précision et de façon uniforme la quantité d'énergie renvoyée par la surface de la Terre grâce à un spectro-radiomètre parfait opérant dans des conditions homogènes et reproductibles.
Mais en réalité, l’enregistrement des signaux est perturbé par leur traversée de l'atmosphère, par le fait que lumière du Soleil qui atteint la surface terrestre n'éclaire pas tous les objets sous le même angle, ainsi que par des perturbations liées au traitement électronique du rayonnement au niveau du capteur lui-même. Les valeurs radiométriques fournies par les satellites d'observation de la Terre ne correspondent donc pas aux valeurs qui seraient mesurées sur le terrain.
L'étalonnage radiométrique permet de convertir les tensions ou les nombres numériques (DN pour Digital Numbers) enregistrés par les capteurs en quantités physiques (rayonnement ou réflectance) dans une échelle absolue. Cette opération est nécessaire pour obtenir des observations interprétables, précises et cohérentes de l'environnement et du climat.
Un étalonnage initial est effectué avant le lancement, dans des conditions de laboratoire stables et contrôlées, dans les locaux du fabricant. Cependant, comme les capteurs embarqués à bord des satellites sont constamment exposés à des conditions difficiles dans l’espace, ils se dégradent avec le temps. C'est pourquoi la plupart des satellites actuels sont équipés de dispositifs embarqués qui effectuent régulièrement des étalonnages.
Catalogue USGS des sites de calibration/validation pour l'étalonnage et la caractérisation après le lancement de capteurs spatiaux d'imagerie optique.
Il est par ailleurs également possible d'utiliser des sites de référence, dits "pseudo-invariants" pour contrôler les performances des capteurs dans le temps. Il s'agit de sites à la surface de la Terre dont le profil radiométrique est connu, qui présentent une uniformité spatiale et qui changent peu dans le temps, comme les surfaces d'eau libre, les calottes glaciaires, les vastes étendues de sable (par exemple, certaines parties du Sahara ou de la Bolivie).
Après l'étalonnage radiométrique, les valeurs des pixels peuvent être converties, à l'aide de formules de transformation simples, en rayonnement spectral tel qu'observé au sommet de l'atmosphère. Ce rayonnement est exprimé en watts par mètre carré, par stéradian et par micromètre de longueur d'onde (W/m2srµm). Nous pouvons ensuite utiliser cette valeur pour calculer la réflectance spectrale au sommet de l'atmosphère. Cette réflectance représente le rapport entre la quantité de rayonnement réfléchi par une surface donnée dans une longueur d'onde donnée et le rayonnement solaire total incident théorique reçu par cette surface pendant l'enregistrement.
Même après ces corrections radiométriques, les valeurs de rayonnement fournies par les capteurs satellitaires ne correspondent pas aux valeurs qu’on mesurerait sur le terrain. En effet, la lumière réfléchie par les objets à la surface de la Terre doit également traverser l'atmosphère avant d'être enregistrée par le capteur.
Bien que les longueurs d'onde utilisées en Télédétection optique se situent dans ce que l'on appelle des "fenêtres atmosphériques" (voir partie 1), l'interaction avec l'atmosphère perturbe quand même le signal. Ces perturbations sont dues à la présence de gaz et d'aérosols qui peuvent absorber et/ou dévier certaines longueurs d'onde (on parle de diffusion), modifiant ainsi les propriétés spectrales du rayonnement.
Il y a bien sûr également le problème des nuages, qui peuvent masquer presque complètement la surface de la Terre aux capteurs optiques. Divers algorithmes de détection sont utilisés pour masquer ou indiquer automatiquement les nuages et leurs ombres sur les images. La probabilité que les pixels des images de résolution spatiale grossière, telles que les images MODIS, contiennent des nuages en certains endroits est relativement élevée. C’est la raison pour laquelle des composites temporels sont créés en combinant les observations quotidiennes en observations hebdomadaires ou mensuelles. Pour les images à plus haute résolution spatiale, différents algorithmes ont également été développés pour traiter la présence de nuages.
Il existe grosso modo deux approches pour corriger les perturbations atmosphériques. Une première technique nécessite que la composition de la colonne atmosphérique soit connue (par exemple, la quantité totale de vapeur d'eau totale, d’aérosols). Ces données peuvent provenir d'autres capteurs ou sources, ou être déterminées à partir de modèles atmosphériques (par exemple MODTRAN).
Des chercheurs STEREO ont mis au point un outil de reconstruction pour combler les lacunes (voir EOF-based Time Series Reconstructor à la page STEREO Toolbox), causées par exemple par les nuages, dans les séries temporelles géophysiques, comme la température des océans. L'outil a été appliqué à la température de surface de la mer dans l'infrarouge sur la Méditerranée occidentale: à gauche, l'image originale, à droite, l'image traitée.
Une deuxième approche se base uniquement sur l'image elle-même et fait appel soit à des algorithmes qui utilisent des points de référence sélectionnés automatiquement dans l'image, soit à des calculs basés sur le rayonnement observé dans des canaux spectraux spécialement prévus à cet effet. Un exemple est l'algorithme sen2cor utilisé pour la correction atmosphérique des images Sentinel-2 et qui utilise, entre autres, la bande 1 (443 nm - pour les aérosols), la bande 9 (945 nm - pour la vapeur d'eau) et la bande 10 (1375 nm - pour la détection des cirrus).