thumb|Première image de la Terre prise par un satellite en orbite. Elle montre une zone éclairée par le Soleil dans l'océan Pacifique et la couverture nuageuse. L'image a été faite alors que le satellite se trouvait à environ d'altitude, le . thumb|La région des Grands Lacs d'Amérique du Nord vus depuis l'ISS en 2013 par l'astronaute canadien Chris Hadfield.

L'imagerie spatiale est une technique d'observation à distance qui repose sur la prise d'images dans le domaine optique (lumière visible, infrarouge et ultraviolet) depuis l'espace par des équipements installés à bord de satellites artificiels. L'imagerie spatiale constitue une des techniques utilisées pour déterminer les propriétés d'objets naturels ou artificiels à partir du rayonnement électromagnétique émis ou réfléchi par ceux-ci. Ces techniques, regroupées sous le vocable de télédétection, comprennent également l'observation des micro-ondes à l'aide de radars et celle des ondes radio.

L'imagerie spatiale repose sur la transformation du rayonnement lumineux en image numérique. Chaque point élémentaire de l'image (pixel) est caractérisé par une valeur (la radiométrie) proportionnel à la puissance de la lumière reçus (la luminance) dans une bande spectrale choisie (l'ensemble du spectre de la lumière visible du violet au rouge pour obtenir une image classique dite panchromatique). Les images sont prises par des instruments comprenant une partie optique, des filtres et des détecteurs. Le résultat est en partie corrigé de manière automatique à bord de l'engin spatial (étalonnage, correction de la géométrie) avant d'être transmis via une station terrienne à un centre de traitement qui complète les corrections et produit des images répondant aux besoins des utilisateurs. Les capacités des satellites produisant ces images sont variables pour répondre aux besoins des utilisateurs : les satellites météorologiques ont ainsi une résolution spatiale moyenne mais effectuent simultanément des observations dans un très grand nombre de bandes spectrales alors que les satellites de reconnaissance militaires ont une résolution spatiale qui peut être inférieure au centimètre.

L'imagerie spatiale est un domaine en forte croissance avec des usages des plus variés. Initialement produite par des engins spatiaux développés par des agences spatiales civiles ou militaires (Landsat, Spot), elle est désormais en grande partie produite et commercialisée par des sociétés privées. Les principales applications sont la cartographie, la météorologie, la reconnaissance militaire, la gestion des productions agricoles, le suivi des catastrophes naturelles, l'étude de la Terre et des planètes à des fins scientifiques.

Définition

L'imagerie spatiale fait partie des techniques de télédétection spatiale qui permettent de déterminer les propriétés d'objets naturels ou artificiels à partir des rayonnements qu'ils émettent ou réfléchissent. Les techniques de télédétection comprennent l'ensemble du processus : la capture et l'enregistrement de l'énergie d'un rayonnement émis ou réfléchi par les objets observés, le traitement des données résultantes et enfin l'analyse des données finales. Ce processus met en œuvre un capteur (appareil photographique, laser, radar, sonar, lidar, sismographe, gravimètre…) qui est généralement embarqué à bord d'une plateforme mobile : avion, satellite, ballon, navire (sonar) Une grande partie du spectre électromagnétique du rayonnement X aux ondes radios (en passant par l'ultraviolet, la lumière visible et l'infrarouge) peut être utilisée. Chaque partie du spectre est susceptible de fournir des informations sur l'objet : forme, température, composition chimique, moléculaire et minéralogie, distance L'imagerie spatiale est la technique de télédétection qui repose sur la prise d'images dans le domaine optique (lumière visible, infrarouge et ultraviolet) à partir d'engins spatiaux en orbite autour d'un corps céleste (Terre ou autre) ou survolant celui-ci.

Concepts

Spectre électromagnétique

Le rayonnement du Soleil qui traverse l'atmosphère vient frapper la surface de la Terre et une partie de celui-ci est réfléchi dans l'espace. Ce rayonnement est composé d'ondes de différentes longueurs qui forment son spectre électromagnétique : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X et rayons gamma. L'imagerie spatiale est réalisée à partie d'une fraction de ce spectre comprenant la lumière visible l'infrarouge et l'ultraviolet. Seule la lumière visible est perçue par notre œil, chaque couleur perçue par l'œil correspondant à un intervalle de longueur d’onde.

Réflectance et signature spectrale

Le rayonnement du Soleil qui vient frapper le sol est en partie absorbé par sa surface ou pénètre dans le sol. Mais une partie du rayonnement est réfléchi. C'est cette partie du rayonnement qui est perçue par les instruments de télédétection (et nos yeux pour la partie du spectre correspondant à la lumière visible). La proportion de lumière réfléchie dépend des caractéristiques de la surface (type de sol, type de végétation, étendue d'eau, température…). Cette grandeur qui s'exprime sous la forme d'un pourcentage est la réflectance. La réflectance d'une surface varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. La courbe représentant la réflectance en fonction de la longueur d'onde, appelée spectre de réflexion, constitue une signature qui permet d'identifier de manière plus ou moins précise les caractéristiques de la surface ou de la végétation qui la recouvre.

Résolution spatiale

La résolution spatiale d'une image est la taille du plus petit élément d'une image qu’il est possible de distinguer. Elle est également couramment définie comme étant la taille du pixel (par exemple = ). Les objets qu'il est possible de discerner dépendent de la résolution spatiale de l'instrument utilisé. Dans le domaine de l'imagerie spatiale on distingue la basse résolution, la moyenne résolution, la haute résolution et la très haute résolution. De manière générale, l'obtention d'une résolution spatiale élevée se traduit par une superficie de la surface visible réduite : une image très haute résolution couvrira une portion de territoire plus restreinte qu'une image moyenne résolution. Le choix d'une résolution spatiale à la conception du capteur embarqué sur le satellite mais aussi au moment de la conception du produit final dépend du besoin de l'utilisateur. Pour des applications météorologiques, une résolution spatiale basse ou moyenne est suffisante car les phénomènes observés sont généralement à l'échelle kilométrique. Par contre dans le domaine de la reconnaissance militaire il est généralement demandé la résolution spatiale la plus élevée possible pour pouvoir identifier de manière non ambiguë les armes, équipements et installations militaires.

Canal spectral et résolution spectrale

Le satellite produisant des images spatiales enregistre celles-ci simultanément dans plusieurs bandes spectrales ou canaux spectraux : pour chaque canal, seul le rayonnement compris dans un intervalle de longueurs d'onde donné est enregistré : par exemple pour Spot-4 le canal spectral du vert enregistre uniquement les longueurs d'onde comprises entre . Chaque élément de l'image (pixel) est enregistré pour chaque canal en niveaux de gris avec un nombre de niveaux défini pour répondre aux besoins (souvent codé sur soit distincts). Une image correspondant à une photographie classique est obtenue en combinant trois images réalisées respectivement dans la bande du bleu, du vert et du rouge.

+ Quelques exemples de satellites fournissant des images spatiales Satellite Opérateur Type Date lancement Nbre canaux Détail canaux Fauchée Résolution spatiale Résolution radiométrique Masse Autre Remarque Landsat 1 NASA Observation de la Terre 1972 4 3 VIS + 1 IR .6 bits (instrument) Premier satellite d'imagerie civil Météosat Seconde Generation Eumetsat Météorologie 2002 12 4 VIS + 8 IR hémisphère en 15 minutes (VIS) 12 bits (instrument) En orbite géostationnaire Pléiades Neo Airbus DS Geo Civil/militaire 2021 7 6 VIS + 1 IR .

Selon les caractéristiques du satellite, une image peut être enregistrée uniquement dans les trois bandes reproduisant une photographie classique (rouge, vert, bleu) ou dans quelques bandes additionnelles situées dans l'infrarouge (images multi-spectrales) ou dans des centaines de bandes spatiales (images hyper-spectrales). Une image multi-spectrale avec ses bandes spectrales généralement larges et espacées fournie une image partielle de la signature spectrale de la surface alors que l'image hyperspectrale permet de reconstituer avec une grande précision celle-ci mais généralement au détriment de la résolution spatiale du fait du volume de données à collecter et transmettre. La résolution spectrale est la grandeur qui définit le pouvoir de séparation en bandes spectrales de l'instrument embarqué sur le satellite. Plus la résolution spectrale est grande, plus le spectre obtenu est détaillé, et plus on peut y mesurer des raies de faible intensité ou profondeur.

+ Quelques exemples de satellites fournissant des images hyperspectrales Instrument Opérateur Type Satellite Date Bande spectrale Nbre bandes et largeur Type capteur Utilisation Autre informationHySIS ISRO Satellite HysIS 2018 400- 55 () Surveillance des ressources agricoles et forestières Résolution spatiale .PRISMA Agence spatiale italienne Satellite PRISMA 2019 400-2500 nm 250 (< 12 nm) Pushbroom Surveillance des ressources naturelles, démonstrateur technologique Résolution spatiale 30 m.HSI DLR Satellite EnMAP 2021 420-2450 228 () Pushbroom Résolution spatiale .HISUI JAXA Satellite ALOS-3 2021 400-2500 185 () Pushbroom Gestion des ressources minières, suivi des productions agricoles, surveillance environnement, agriculture Résolution spatiale .

Résolution temporelle

La résolution temporelle, exprimée par exemple en nombre de jours, mesure la fréquence avec laquelle une région donnée est photographiée par un système d'imagerie spatiale. C'est un critère important par exemple pour les prévisions météorologiques. La résolution temporelle dépend de plusieurs facteurs. La fauchée (largeur de la zone photographiée) qui selon les instruments peut varier de quelques kilomètres à quelques milliers de kilomètresSi le satellite est en orbite géostationnaire l'ensemble de l'hémisphère terrestre visible depuis la position de l'engin spatial est en permanence visible ce qui permet une résolution temporelle élevée. Pour cette raison cette orbite est utilisée par une partie des satellites météorologiques. Toutefois la résolution spatiale est alors fortement réduite (quelques kilomètres)., la capacité du satellite à prendre des photos décentrées par rapport à sa trace au sol (en basculant latéralement tout le satellite ou seulement le système optique de la caméra), le recours à une constellation de satellites.

Résolution radiométrique

La résolution radiométrique mesure le niveau de contraste de l'image obtenue par le système d'imagerie. Le niveau de gris enregistré par un détecteur peut être enregistré typiquement sur 8 bits (255 valeurs), 11 bits (2047 valeurs), 12 bits (4095 valeurs) ou 16 bits (65635 valeurs).

Techniques d'acquisition des images

Capteurs

Plusieurs technologies de capteurs sont ou ont été utilisées pour capturer les images. Les premières images collectées depuis l'espace l'ont été en utilisant des films photographiques qui étaient soit développés à bord du satellite puis lues par une caméra le résultat étant transmis par radio soit éjectés dans des capsules récupérés au sol (satellites de renseignement). Des tubes de caméra (vidicon) ont été également utilisés. Le développement de l'électronique a permis la mise au point de procédés moins complexes et plus performants reposant sur des détecteurs de différents types (quantique ou thermique) utilisé dans des configurations variées (type de capteur).