I - QUE PEUT-ON OBSERVER ET COMMENT?
3- Comment les rayonnements interagissent avec les objets sur Terre?
En télédétection passive, les capteurs recueillent le rayonnement émis par le Soleil et ensuite réfléchi par la surface terrestre. Cependant, les interactions avec l’atmosphère terrestre et avec les objets à a surface de la Terre modifient les caractéristiques du rayonnement avant qu’il n’atteigne le capteur.
Au niveau de l’atmosphère, les particules et les gaz qui la composent peuvent dévier ou bloquer le rayonnement incident. Dans le premier cas, on parle de diffusion parce que les ondes sont réfléchies à de multiples reprises et envoyées dans toutes les directions. Le deuxième cas correspond à l’absorption des ondes par les constituants de l’atmosphère. Par exemple, la couche d’ozone, située au niveau de la stratosphère, absorbe une grande partie des rayons UV, extrêmement nocifs pour l’humain.
Toutes les ondes incidentes, quelle que soit leur longueur d’onde, interagissent par résonance avec des objets du même ordre de grandeur. La résonance entre l’onde incidente et la molécule induit la rotation ou la vibration de celle-ci, ce qui se traduit par une émission de chaleur.
Dans le domaine du visible (où λ = 0,4 µm à 0,7 µm), les « objets » avec lesquels l’onde interagit sont les électrons des couches électroniques externes des atomes rencontrés. Ce sont les électrons dits de valence qui interviennent dans les liaisons chimiques. Dans l’infrarouge (où λ = 0,7 µm – 0,1 mm), les interactions se produisent avec les atomes ou les molécules dans leur ensemble.
Par rapport aux micro-ondes (λ = 1 mm à 1 m), les objets individuels sur Terre sont relativement petits (par exemple, des feuilles d’arbres, des branches, une bordure de fenêtre, des cailloux, …), et le radar est donc sensible, entre autres, à la rugosité et à la structure de la surface. La question de savoir si nous devons considérer un objet ou une surface comme "rugueux" ou "lisse" en télédétection est donc relative à la longueur d'onde.
Rayonnement et atmosphère
Lorsqu'un rayonnement atteint un objet, celui-ci peut en absorber une partie et en réfléchir une autre. Dans tous les cas, les caractéristiques du rayonnement électromagnétique seront modifiées, mais l’énergie totale est toujours conservée. Ainsi, la somme de l’énergie réfléchie, absorbée et transmise est toujours égale à l’énergie incidente.
Le rayonnement réfléchi est particulièrement intéressant en télédétection, car il est directement mesurable et nous fournit des informations sur l’objet réfléchissant. C'est grâce à la réflexion partielle de la lumière solaire incidente que nous pouvons percevoir des objets de différentes couleurs. Cependant, nous ne pouvons pas voir la totalité de la lumière réfléchie. Par exemple, l'infrarouge proche et moyen, qui est fortement réfléchi par la végétation, est invisible pour l’œil humain. Heureusement, les capteurs que nous utilisons pour la télédétection sont capables de le détecter.
L'absorption d'énergie provoque quant à elle un réchauffement et un rayonnement sous forme d'infrarouge thermique. Celui-ci est également invisible à nos yeux, mais peut souvent être ressenti et également détecté par des capteurs.
L’angle d’incidence du rayonnement et la rugosité de la surface peuvent influencer la réflexion. On distingue notamment la réflexion diffuse (surface rugueuse) et la réflexion spéculaire (surface lisse, comme un miroir).
Diffusion du signal radar. Source: Lillesand & Kiefer 2008
Dans le cas de la réflexion spéculaire, le rayonnement entrant est réfléchi dans une direction dominante, selon l'angle d'incidence par rapport au vecteur normal au point d'incidence. Si ce rayonnement provient d'un radar embarqué à bord d'un avion ou d'un satellite (télédétection active), le capteur ne sera donc pas en mesure de détecter le signal émis. Si, par contre, il existe une autre surface réfléchie perpendiculaire à la surface incidente, l'onde réfléchie aura la même direction que l’onde incidente en raison de la double réflexion et sera détectée de façon maximale par le capteur.
Lorsque la rugosité de la surface augmente et qu'une grande variété d'ondes réfléchies apparaissent, le nombre de directions différentes dans lesquelles elles sont réfléchies augmente également. Il s'agit d'une réflexion diffuse.
Enfin, dans le cas de la diffusion volumique, le rayonnement dans un milieu passe d'un composant à un autre, ce qui entraîne une diffusion multiple. Dans la nature, par exemple, les couronnes des arbres, le sable sec et profond et la neige se comportent généralement comme des diffuseurs volumiques du rayonnement micro-ondes.
Source: Images de synthèse
Dans le domaine des longueurs d’onde radar, en plus de la rugosité et de la pente locale, la permittivité électrique est également importante. Il s'agit de la propriété d'un matériau à stocker l'énergie électrique, caractérisée par la constante diélectrique. Plus elle est basse, plus l'onde peut pénétrer profondément dans le matériau et moins elle est réfléchie. L'eau a une constante diélectrique élevée, d'environ 80, contre 3 à 8 pour les matériaux naturels secs. L'intensité du signal réfléchi par la surface de la Terre vers le capteur (appelé signal rétrodiffusé) sera donc également influencée par l'humidité du sol. Plus le sol est humide, plus l'intensité de la rétrodiffusion sera élevée. À l'inverse, plus le sol ou la canopée sont secs, plus l'onde peut pénétrer dans le milieu, moins elle sera réfléchie et plus la rétrodiffusion sera faible.