Les images thermiques

1. Les images thermiques

2. Transfert radiatif • Émission du rayonnement par les objets • Rayonnement secondaire par l’atmosphère réfléchi par la surface • Passage par l’atmosphère • Détection

3. 1. Émission du RÉM • Tout objet à une température supérieure au zéro absolu émet du RÉM • Pour étudier l’émission nous avons recours à un objet idéalisé: le corps noir • Un corps noir a la propriété d’absorber toute l’énergie reçue par une source externe et de l’émettre à l’espace ambiant d’une façon isotrope

4. Loi de Planck : exitance spectrale [W m-2 µm-1] où c1 = 3,742 x 10-16 [W m2] c2 = 1,439 x 10-2 [m K] T = la température cinétique du corps noir (en K) Loi de Stefan-Boltzman Corps noir à une Température T (K)  Densité du flux total émis: M = T4 [ W m-2] où  = la constante de Stefan-Boltzmann=5,669 x 10-8 [W m-2 K-4] La loi de déplacement de Wien Longueur d’onde du pic d’émission d’un corps noir à une Température T (K) C = 2898 [μm K] 1. Émission du corps noir: les lois physiques

5. Rayonnement émis • Rayonnement spectrale émis par divers corps noirs incluant la terre et le soleil. Calculs – Loi de Planck • Selon la loi de S.-B.  T croissant donc M croissant • Selon la loi de Wien  T croissant donc longueur d’onde du pic d’émission décroissant

6. Émission vs température: exemple Une ampoule éteinte [à une température ambiante de 27°C (300 Kelvin)] n’émet pas du rayonnement visible, tandis qu’une ampoule dont l’élément est chauffé à 677°C (950 Kelvin) émet la plupart de son énergie dans l’infrarouge moyen et un tout petit peu dans le visible (lumière rouge). Une ampoule incandescente [2223°C (2500 Kelvin)] donne une lumière orangée jaune, bien que seulement 10% de son énergie est émis dans le visible, le reste est émis dans l’infrarouge, et perçu par nous comme de la chaleur

7. Loi de Wien: exemples un feu de forêt à 800 K alors pic d’émission à 2898/800  3,6 μm le soleil est à 6000 K environ alors pic d’émission à 2898/5700  0,5 μm μm où C = 2898 [μm K]

8. 1. Émission d’un corps noir

9. 1. Émission par les objets terrestres • Les objets terrestres ne sont pas de corps noirs; la quantité du rayonnement émis par longueur d’onde est moindre de celle prescrit par la loi de Planck. • Pour décrire leur émission on introduit une quantité, l’émissivité, qui nous indique la différence entre l’exitance spectrale de l’objet réel et celle du corps noir à la même température cinétique:

10. 1. Émission par les objets terrestres Échantillon de calcaire; sa surface fait 10 cm2 • L’émissivité toujours <1 • Si l’émissivité demeure constante peu importe la longueur d’onde nous disons que l’objet se comporte comme un corps gris • La majorité des objets terrestres ont plutôt une émissivité variable selon la longueur d’onde, on parle alors d’un radiateur sélectif

11. 1. Émission par les objets terrestres • Émissivité spectrale d’un corps noir, d’un corps gris et d’un radiateur sélectif hypothétique • Exitance spectrale d’un corps noir, d’un corps gris et d’un radiateur sélectif hypothétique à la même température cinétique

12. 1. Émission par les objets terrestres: exemples

13. Valeurs de l’émissivité dans la bande spectrale 8-14 µm

14. 1. Émission par les objets terrestres: une première conclusion • L’exitance spectrale d’un corps réel dépend de sa température cinétique, et de son émissivité à la longueur d’onde examinée. • En termes pratiques: si l’on mesure l’exitance spectrale d’un objet on peut déduire sa température cinétique seulement si l’on connaît son émissivité spectrale. • Est-ce donc possible d’utiliser un capteur de télédétection pour estimer la température des objets au sol? Pour répondre à cette question reprenons les choses du début

15. Le cycle diurne des températures • Comme le soleil est la source principale du rayonnement qu’un corps gris puisse absorber, les températures des objets suivent le cycle diurne de l’apport énergétique du soleil à la surface, mais chacun à son propre rythme selon sa composition, sa densité, le taux d’humidité etc.

16. Le cycle diurne des températures • Avant le lever du soleil, l’air (1), la végétation- les Ohias (sorte d’arbre en Hawaï) (2), la route (3) et le basalte ancien (4) gardent une température uniforme. Dès l’aube, vers 7 heures, l’air, la route et le basalte marquent une augmentation rapide de leur température par réchauffement; la reprise de l’activité biologique des plantes se manifeste par un accroissement de leur température suivie d’un palier.

17. Le cycle diurne des températures • Un autre exemple: observations in situ

18. Le rôle de l’atmosphère • Similaire aux images du rayonnement solaire réfléchi (vapeur d’eau importante comme absorbeur + moindres les effets de brume atmosphérique) • Les nuages  objets opaques

19. Les capteurs • Balayeurs à époussette

20. Les images du rayonnement émis: exemples Sensibilité spectrale Mono-spectrale: Landsat-7 ETM6 : résolution spatiale 60 m x 60 m (Attention Landsat-5 TM6 120 m x 120 m)

21. Exemple d’une thermographie de nuit par Landsat

22. ASTER (satellite TERRA) - un exemple d’un système de capteurs polyvalent Infrarouge thermique 5 bandes spectrales

23. ASTER-TIR: 5 bandes à une résolution de 90 m x 90 m

26. Les images du rayonnement émis: les images TIR (5 bandes) d’ASTER ASTER: VIS IRT

27. Illustrations

28. Différents objets

29. Les objets fantômes

30. Le relief

31. Pollution thermique des milieux aquatiques Centrale nucléaire Salem sur les rives de Delaware

32. Marée ascendante émissaire Baie à protéger 8:00 h • Est que le panache thermique peut causer de dommages à la baie? • Mouvement de la marée • Une hausse de la température de l’eau à l’intérieur de la Baie > 10 C n’est pas tolérable Marée basse 5:59 h Marée descendante Centrale thermique 14:20 h Marée haute Thermographies prises par le capteur aéroporté DEADALUS en hiver (deux jours consécutives) 10:59 h

33. Pollution thermique des milieux aquatiques Centrale nucléaire Salem sur les rives de Delaware

34. Applications - Exemple 1: Pollution thermique des milieux aquatiques Image thermique réorientée (corrections géométriques) et mise à la même échelle que l’image couleur

35. Urbanisation  Changement de l’environnement thermique • Imperméabilisation • Matériaux peu réfléchissant du rayonnement solaire • Couvert végétal déficient Arnfield J.A., 2003, Two Decades of Urban Climate Research: a Review of Turbulence, Exchanges of Energy and Water, and the Urban Heat Island, International Journal of Climatology, 23: 1–26

36. Urbanisation  Changement du régime local des vents • Rugosité de surface • Canyons urbains

37. Changements climatiques  Changements du régime local des pluies • Orages plus fréquents et plus intenses pendant l’été + imperméabilisation • Risques d’inondations↑ • Pollution: cours d’eau + nappe phréatique↑ Changnon SA., Westcott NE., 2002, Heavy rainstorms in Chicago: increasing frequency, altered impacts, and future implications, Journal of the American Water Resources Association, 38:1467-1475. Diem J.E., 2008, Detecting summer rainfall enhancement within metropolitan Atlanta, Georgia USA, Int. J. Climatol. 28: 129–133. Chester A., Gibbons C.J., 1996, Impervious surface coverage, Journal of American Planning Association, 62 (2): 243-258.

38. ÎLOTS DE CHALEUR URBAINS Les milieux urbains modifient les processus physiques dans la plus basse couche de l’atmosphère par la création des îlots de chaleur urbains. Dans les villes, les surfaces naturelles sont remplacées par des surfaces artificielles avec des propriétés thermiques différentes. Souvent ces surfaces ont une plus grande capacité d’emmagasiner l’énergie solaire qui restituent par la suite à l’air (chaleur sensible) en faisant ainsi monter sa température de 2-10 degrés plus haut par rapport aux milieux environnants.

39. Progression des îlots de chaleur avec la minéralisation de l’espace

40. Étude « Biotopes » U.deM. + UQAM … 10:00

41. Exemple

42. Extraits de l’image Landsat IRT Rouge PIR Carte d’occupation du sol

43. 1. On ne fait rien • Étape 1: valeurs numériques en luminances mesurées dans l’infrarouge thermique Image utilisée

44. 1. On ne fait rien • Étape 2: luminances en températures apparentes (image utilisée dans le labo) Cette équation est une approximation de la loi de Planck qui tient compte du fait que la luminance est mesurée dans un intervalle de longueurs d’ondes (bande spectrale) et non pas dans une seule longueur d’onde.

45. 2. Approche empirique • Étape 1: On va sur le terrain et on mesure la température à des endroits précis selon un plan d’échantillonnage approprié • Étape 2: On localise ces endroits sur l’image et on extrait la Valeur numérique • Étape 3: On établi une relation entre VN et température (analyse de régression) que l’on applique par la suite sur l’ensemble des pixels de l’image

46. 2. Approche empirique Extrait ETM+6 rééchantillonnées à 30 m T = a VN + b T Exemple: un dépotoir de neige VN  T VN

47. 3. Approche suivie dans le labo Idée générale • Imagerie thermique  températures des objets  relation intime avec la température de l’air indication sur les sites potentiels d’îlots de chaleur • Imagerie multispectrale  indices de végétation  localiser les surfaces avec un couvert végétal déficient verdissement contrer les îlots de chaleur • But du laboratoire  prouver que les températures de surface sont intimement liées à la couverture végétal

48. 3. Approche suivie dans le labo • Étape 1: valeurs numériques en luminances mesurées dans l’infrarouge thermique Image utilisée dans le laboratoire

49. Valeurs numériques en températures • Étape 2 (optionnelle): luminances en températures apparentes

50. Valeurs numériques en températures • Étape 3: luminances apparentes en luminances au sol Luminance atmosphérique Transmittance atmosphérique Image utilisée dans le laboratoire Application d’un modèle atmosphérique