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Obtenir une précision millimétrique au moyen des capteurs satellite : science ou fiction ?

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Le sujet de la précision dans le domaine de la géomatique est assez délicat : parlez-en à un arpenteur-géomètre ou à un géomaticien, et vous êtes mieux d’avoir de bons arguments pour le convaincre de changer ses outils de mesure !

C’est vrai qu’il ne vient pas facilement à l’esprit que des images captées par des satellites d’observation de la Terre avec une résolution spatiale sub-métrique au mieux puissent produire des mesures de déplacement avec une précision de l’ordre du centimètre ou du millimètre, comme le clament les experts. Mais qu’en est-il exactement ?

Examinons tout d’abord les capteurs optiques comme Pléiades (résolution spatiale de 0,5 m) et la précision que l’on peut obtenir avec leur type d’images. Si, par exemple, on produit deux modèles numériques d’élévation (MNE) à partir de paires stéréoscopiques acquises à des dates différentes sur un site minier à ciel ouvert, leur comparaison permet de déterminer où il y a eu des changements d’élévation correspondant à l’extraction et à l’empilement de matière rocheuse reliée aux excavations. Or, il est généralement accepté que les MNE produits à partir d’images Pléiades, pour prendre ce cas, ont une précision de l’ordre de quelques décimètres. On est assez loin du centimètre, et encore plus du millimètre. C’est pour cela qu’il faut se tourner vers la technologie radar et une façon toute particulière de traiter ces données.

Il s’agit de la technologie connue sous le nom d’« interférométrie radar différentielle ». Celle-ci comporte l’utilisation d’images radar (deux au minimum) prises sur un site d’étude donné. On parle ici d’un radar à synthèse d’ouverture (RSO), lequel peut opérer à diverses longueurs d’onde, soit à 6 cm pour la bande C que l’on trouve sur le satellite canadien RADARSAT-2, ou à 3 cm pour la bande X des satellites TerraSAR-X et COMSO-SkyMed, pour ne nommer que ceux-là. Outre leur utilisation pour, par exemple, étudier la distribution des glaces de mer, l’étendue des inondations, ou encore cartographier les milieux humides, ces images RSO peuvent effectivement servir à mesurer des déplacements verticaux à la surface de la Terre de l’ordre du centimètre ou du millimètre.

Comment est-ce possible ? Il faut d’abord comprendre que l’un des principes de fonctionnement du RSO à bord d’un satellite est qu’il transmet des impulsions vers la surface terrestre et enregistre ce qui est réfléchi dans sa direction. Pour être plus précis, le RSO enregistre le temps de retour d’une impulsion (court signal sinusoïdal de longueur d’onde centimétrique), son intensité et sa phase. Dans le cas de la cartographie des glaces de mer, des inondations ou des milieux humides, c’est l’intensité qui présente le plus d’intérêt. Cette intensité est fonction de plusieurs facteurs, dont la géométrie, la rugosité et l’humidité de la cible au sol. En interférométrie, cependant, c’est surtout la phase qui nous intéresse. En effet, la différence de phase entre deux acquisitions réalisées à partir d’orbites légèrement décalées, appelée « interférogramme », fournit pour chaque pixel de l’information sur la topographie ou sur la déformation du sol. Dans le dernier cas, on parle d’interférométrie différentielle (DInSAR), car on s’intéresse au mouvement qui a eu lieu entre deux images consécutives prises à un certain intervalle de temps.

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Légende : Schéma illustrant le principe de l’interférométrie différentielle

 

Simplement dit, puisque les mesures obtenues par interférométrie correspondent à la différence de phase entre deux acquisitions RSO, la précision est de l’ordre d’une fraction de la longueur d’onde du capteur utilisé. Là où ça se complique, c’est que la phase interférométrique résulte de plusieurs éléments en plus du mouvement réel de la cible au sol. Ces éléments ont rapport, entre autres, avec la géométrie du satellite lors des deux passages (facilement modélisable à partir des données orbitales), la topographie (peut être calculée à partir d’un MNT), les changements dans l’atmosphère (un bruit parfois difficile à éliminer) et les changements dans les caractéristiques de la cible (comme l’humidité à la surface du sol, les conditions de la végétation ou du couvert nival). Il faut donc être en mesure de tenir compte de tous ces facteurs, qui peuvent causer un changement de phase durant l’intervalle de temps entre les deux images qui ont servi à produire l’interférogramme.

Les changements dans les caractéristiques de la cible au sol entre deux acquisitions, ce qu’on appelle la « décorrélation temporelle », constituent l’un des plus importants facteurs limitant l’application de l’interférométrie radar, car cela engendre la perte d’information reliée à la phase entre les pixels correspondants de la paire d’images. On dit alors que la cohérence est faible. Cette décorrélation provient de changements qui sont liés, par exemple, à la croissance ou à la détérioration de la végétation entre les deux dates. Pour cette raison, il est important de miser sur des cibles au sol stables (au sens de l’écho radar, et non au sens du mouvement), donc à cohérence élevée, comme des édifices, des infrastructures, des affleurements rocheux.

Quant au bruit causé par les effets atmosphériques, il peut être réduit par filtrage ou en utilisant de multiples interférogrammes, soit plusieurs images acquises à des dates successives. Il est justement habituel de prévoir plusieurs acquisitions dans le but de détecter des mouvements de surface (ou déformation du sol) de faible amplitude sur des périodes de temps plus ou moins longues. Les multiples interférogrammes sont traités comme une série temporelle dont la tendance permet d’estimer le taux (cm/unité de temps) de déformation de la surface. Avec les divers satellites radar actuellement en fonction, la fréquence de revisite sur un site donné varie entre 4 et 60 jours.

 

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Légende : Interférogramme différentiel généré à partir d’une paire d’images RADARSAT-2

 

Bien que dans certains cas il soit impossible de calculer le mouvement du sol à partir d’un interférogramme donné, principalement en raison de la décorrélation temporelle (par exemple, en raison de la présence de neige dans l’une des images), il y en a plusieurs autres, lorsque de multiples interférogrammes sont disponibles, où des précisions centimétriques et même millimétriques peuvent être obtenues. C’est ainsi que l’on peut suivre sur une base régulière les faibles mouvements de surface reliés au soulèvement du sol le long du cône d’un volcan. Des mouvements plus ou moins soutenus seraient des indicateurs importants d’une éruption volcanique imminente. Similairement, on peut suivre, au moyen de l’interférométrie radar, l’affaissement du sol dû à la fonte du pergélisol dans les régions arctiques et sub-arctiques ou, lorsque les conditions s’y prêtent, celui qui est dû à l’extraction de gaz naturel ou de pétrole. On peut aussi utiliser l’interférométrie pour faire le suivi de la stabilité d’un ouvrage de retenue comme un barrage hydro-électrique, de pylônes de transmission électrique ou autres infrastructures.

L’interférométrie radar s’avère un outil particulièrement précieux pour obtenir des informations sur des sites éloignés ou dangereux dans lequel d’autres types de mesure seraient très dispendieux. Cette technologie de pointe a à mon avis certainement sa place parmi les outils de mesure de précision utilisés en géomatique.

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