Caractéristiques des satellites

Caractéristiques des satellites

Données d’images satellitaires

Ce deuxième axe met en avant les problèmes d’obtention des données AVHRR (fournisseur: Université de Berne) mais aussi la mise en place de la base de données d’images satellitaires Landsat, couvrant une période de 43 ans d’archives.

Satellite NOAA-9, capteur AVHRR-2

Le premier instrument AVHRR a été lancé avec le satellite TIROS-N en 1978 dans le but de mesurer la température des océans.
Par la suite, AVHRR-2 a été installé sur NOAA-9 (en mission de 1984 à 1997) avec 5 bandes spectrales (Tableau 5). En plus de l’étude des océans, le capteur va calculer l’indice de végétation normalisé (NDVI), surveiller les feux, mesurer la couverture nuageuse et la glace.
Le satellite NOAA-9 a une fauchée d’environ 3000 km et une résolution temporelle d’un demi-jour. La résolution spatiale peut-être de trois formats: HRPT de 4.4 km ou LAC et GAC de 1.1 km. Les données reçues de l’Université de Berne correspondent à un pixel de 1.1 km.
Tableau 5 Caractéristiques spectrales des bandes du capteur AVHRR-2 (tiré de: source)
Au départ, notre travail se dirigeait vers la couleur et la température du Léman afin de trouver des patrons spatiaux entre eux. Il avait ainsi été décidé d’utiliser des données d’images du satellite NOAA et du capteur AVHRR captées par l’Université de Berne et déjà corrigées atmosphériquement sur une période s’étendant de 1979 à 2005. L’Université de Berne a pu fournir quelques images de plusieurs mois en 1988 et nous gardions espoir d’en obtenir plus. Cependant, ils ne sont pas en possession d’une grande archive entre 1984 et 1988 et de plus, des problèmes techniques sont apparus de leur côté concernant le traitement des images de 1987 à 1991. Pour information concernant de futures études, une archive plus complète devrait être accessible chez eux dès l’été 2016.Sans savoir que nous allions avoir des problèmes d’obtention de données, les images reçues ont été traitées. Nous avons pu ainsi établir une procédure de traitement des images AVHRR (Annexe 4). A cette occasion, nous avons été confrontés à plusieurs problèmes, notamment de projection.

 Procédure

L’annexe 4 présente en détails la procédure de préparation et de traitement d’images qui sera, sur certains points, identique au traitement des images Landsat et à la base de tout ce présent travail.
Les données AVHRR n’ont pas pu véritablement être exploitées: dans l’idée d’une série temporelle, sur les quelques mois de 1988, elles ne sont pas vraiment représentatives. Aucun résultat ne sera présenté.Ainsi, nous sommes partis sur une autre source : les images Landsat (§ 5.2).

Base de données Landsat 1972 à 2015 du Léman

Comme expliqué précédemment, nous nous sommes dirigés sur la constitution d’une base de données d’images Landsat de 1972 à 2015 nommée INDEX BD LANDSAT.
Dans un premier temps, nous avons réuni plus de 300 images Landsat, de 1972 à 2015. Une base de données a été créée pour de futures études du Léman ou de la région lémanique. Enfin, une sélection de quelques années (une image tous les 3-4 ans dans la mesure du possible, au total 9 images) entre 1972 à 2005, a servi de base au travail d’analyse à proprement parler, effectué avec le logiciel ArcGIS, ver. 10.3, ESRI © et le logiciel open source GRASS GIS 7.0.1. En annexe 5 on trouvera les caractéristiques des satellites Landsat.

Où obtenir les données ?

Depuis 2008, l’USGS a décidé d’ouvrir au public son archive Landsat. On peut actuellement télécharger les images satellites gratuitement avec leurs métadonnées sur les sites suivants. En gras, ceux utilisés dans le cadre de ce travail:
Pour y accéder, il faut s’enregistrer sur : http://earthexplorer.usgs.gov USGS – Earth Resources Observation and Science (EROS) Center
http://glovis.usgs.gov/
USGS – EarthExplorer
http://earthexplorer.usgs.gov/
USGS- LandsatLook View (que les images Landsat)
http://landsatlook.usgs.gov/viewer.html
Global Land Cover Facility – Earth Science Data Interface (ESDI)
http://glcfapp.glcf.umd.edu:8080/esdi/
Agence spatiale européenne (ESA):
Il faut aussi s’enregistrer sur My Earthnet. https://earth.esa.int/web/guest/home pour accéder aux données.
On trouve une application Java à télécharger EOLI-SA de consultation et de téléchargement d’images satellite de l’Agence spatiale européenne (ESA) (voir en annexe 6 son utilisation) :
https://earth.esa.int/web/guest/eoli
Source principale
Quantitativement, la source principale du nombre de scènes téléchargées provient de l’ESA (fig. 7).
Origine des images Landsat téléchargées fig. 7 Origine des images Landsat téléchargées. La différence est faite entre les sites internet USGS. Une même scène peut avoir été enregistrée sur des stations au sol différentes pour les données ESA
Sur certaines plateformes de téléchargements, les données sont livrées en fichier zippés en extension *.tar.gz. Dans l’annexe 10 (§ 10.1), il a été expliqué comment ouvrir ces fichiers.
Du fait de l’utilisation de plusieurs plateformes, il y a 28 doublons dans la base de données, mais cela est parfois aussi dû aux données reçues par différentes stations (fig. 8) de réception au sol (International Ground Stations – IGS).
fig. 8 Les différentes stations de réception au sol travaillant en collaboration avec l’USGS et collectant les données Landsat 7 et 8 selon leur situation géographique (sans les stations qui recueillent régulièrement les données pour l’US ground network), (tiré de: source)

Niveau

Toutes les données téléchargées sont du niveau L1T (Standard Terrain Correction ou Level 1T) excepté quelques images du niveau L1G (Systematic correction ou Level 1G). La correction L1G est appliquée lorsque les scènes ne disposent pas de données nécessaires pour la correction L1T de contrôle au sol ou d’élévation.
La correction standard de terrain (L1T) fournit des précisions radiométriques et géométriques systématiques en intégrant des points de contrôle au sol utilisant un modèle numérique d’élévation (MNE) pour une précision topographique.
Pour plus d’informations, se référer à la page « Landsat processing details »:
http://landsat.usgs.gov//Landsat_Processing_Details.php

Gestion de la base de données

En faisant des recherches d’images Landsat, il a été mis en évidence qu’il y avait des trous dans la série temporelle et également aucune donnée pour certaines années : 1974, 1977 à 1983 et 1990 et très peu d’images dans les années 70. (fig. 9) En se renseignant directement auprès de l’USGS (USGS, comm. pers., 2015), une explication a été donnée: dans les années 1980 et 1990, le contrôle des acquisitions Landsat 5 a été donné à l’entreprise privée EOSAT, ce qui a eu pour conséquence une explosion des prix d’acquisition et pour la période 1984-1999, beaucoup de données n’ont pas été récoltées.
fig. 9 Analyse du nombre de scènes Landsat rassemblées dans notre base de données
Historiquement, USGS ne demandait pas de copie des données archivées dans les stations au sol, ainsi, une grande partie des données internationales n’ont pas été dupliquées dans les archives de l’USGS. Afin d’obtenir toutes les archives mondiales de la série Landsat et de rendre leur accès public, une initiative de consolidation a débuté en 2010 (Landsat Global Archive Consolidation (LGAC) qui devrait durer jusqu’en 2016. Actuellement, l’USGS détient plus de 3 millions de scènes dans ses archives.
Il serait conseillé de contrôler périodiquement les archives Earth Explorer (http://earthexplorer.usgs.gov) et GloVis (http://glovis.usgs.gov) pour des compléments de mises à jour de notre base de données spécialement pour les années sans images.
INDEX BD LANDSAT
Afin de gérer cette grande quantité d’images (environ 330), une base de données a été constituée dans un fichier Excel (Tableau 6) nommé « INDEX BD LANDSAT » avec des liens relatifs qui amènent l’utilisateur instantanément dans le dossier où se trouve les bandes de l’image de la scène.
Tableau 6 Présentation de la base de données INDEX BD LANDSAT avec l’hyperlien reliant directement l’utilisateur aux bandes.
Les entêtes des colonnes (Tableau 6) sont directement tirées des codes des fichiers de métadonnées (*.MTL.txt) accompagnant les images. Le fichier permet, d’une manière simple, de faire des recherches selon les critères de l’utilisateur notamment par date (DATE_ACQUIRED), par type de satellite (SPACECRAFT_ID), par type de capteur (SENSOR_ID) par numéro d’identification de la scène (LANDSAT_SCENE_ID), par la numérotation des orbites (WRS_PATH) et des lignes d’images (WRS_ROW) et par station de réception (Station_ID).
En plus, la qualité de l’image, tant d’un point de vue de couverture nuageuse (CLOUD_COVER), mais aussi de critère de qualité d’image (IMAGE_QUALITY) apparaît dans le fichier.
Tableau 7 Explication des entêtes du fichier INDEX BD LANDSAT
Afin de compléter les images manquant de la série, le NPOC (Swiss National point of contact for Satellite images) a été contacté. Des données ont été transmises, cependant, elles sont d’assez mauvaise qualité (couverture nuageuse importante), pour la plupart, ne contiennent pas de métadonnées au format standard et ne couvrent que partiellement la région lémanique. De ce fait, cette petite collection (Tableau 8) de 7 images n’a pas été intégrée au fichier Excel mais transmise en tant que dossier à consulter à part.
Tableau 8 Liste des images Landsat reçues par NPOC
Les fichiers de téléchargements de toutes les images seront transmis au Dr. Giuliani ainsi que le fichier INDEX BD LANDSAT.

Table des matières

Introduction
1 Présentation de l’organisation hôte
2 Structure du mémoire
3 Généralités
3.1 Télédétection: domaines d’observation
3.2 Les processus d’observation de la Terre
3.3 SIG
3.4 Télédétection limnologique
3.4.1 Classification « Case 1 » et « Case 2 »
3.5 Eau et législation
3.5.1 En Suisse
3.5.2 La CIPEL
4 Recherche bibliographique
4.1 Thèmes
4.2 Revue des paramètres de qualité de l’eau étudiés par télédétection
5 Données d’images satellitaires
5.1 Satellite NOAA-9, capteur AVHRR-2
5.1.1 Procédure
5.2 Base de données Landsat 1972 à 2015 du Léman
5.2.1 Où obtenir les données ?
5.2.2 Gestion de la base de données
6 Méthodes
6.1 Zone d’étude
6.1.1 Evolution trophique du Léman
6.1.2 Choix des paramètres
6.2 Choix de la période d’étude
6.3 Sélection des images
6.4 Caractéristiques des satellites
6.5 Acquisition des données
6.5.1 Données in situ
6.5.2 Images satellites
6.5.3 Données météorologiques
6.6 Traitement des images Landsat
6.6.1 Projection
6.6.2 Masque
6.6.3 Positionnement du point de prélèvement in situ SHL2
6.6.4 Zone tampon
6.6.5 Ratios de bandes
6.7 Analyse statistique
6.7.1 Statistiques zonales dans ArcGIS
6.7.2 Statistiques dans Excel
7 Résultats et discussion
7.1 Corrélation entre télédétection et données in situ
7.1.1 Projet sans correction atmosphérique
7.1.2 Projet avec correction atmosphérique
8 Conclusion et recommandations
9 Perspectives
Bibliographie
Sites internet
Liste des figures
Liste des tableaux
Acronymes
Annnexes
Annexe 1 Principes de base de la télédétection
Annexe 2 Qu’est-ce qu’un Système d’information géographique ?
Annexe 3 Analyse dans Web of Knowledge
Annexe 4 Procédure de traitement des données AVHRR de l’Université de Berne
Annexe 5 Satellites Landsat
Annexe 6 Utilisation du programme Eoli-SA
Annexe 7 Fiche signalétique du Léman et de son bassin versant
Annexe 8 Données in situ de référence
Annexe 9 Données météorologiques des scènes Landsat
Annexe 10 Procédure de traitement d’images Landsat 1972 à 2005
Annexe 11 Présentation complète des résultats (I)
Annexe 12 Présentation complète des résultats (II)
Annexe 13 Cartographie thermique du lac
Annexe 14 Images composite Landsat 1972-2005
Remerciements

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