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Bienvenue sur ce cours de photographies aériennes et de traitement de l'imagerie pour la cartographie, cours qui reprend les grandes lignes que vous avez suivi en classe. Pensez également à aller jeter un œil aux autres cours directement en lien avec cette introduction : Comment est-ce qu'on faisait avant le numérique ? - "Jouer" avec Google Earth - Se servir du Géoportail - Remonter le temps - Faire une carte avec Inkscape...

Certaines diapos suivantes sont commentées... d'autres pas... certaines sont fondamentales... d'autres pas...

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Commençons d’abord par une image incroyable : Aux confins de la Chine, à la frontière de la Mongolie Intérieure, il existe une « photographie aérienne » de 700 m de large sur 900 m de long, entourée par un mur et protégée par une garnison militaire chinoise. C’est une reproduction sur le terrain et en 3D, découpée et modelée au sein même du paysage désertique d’une région chinoise revendiquée par l’Inde sur sa frontière Nord. En cas de conflit, les chinois ont une carte stratégique de 63 hectares !

Coordonnées : 38°15’56.35’’ de latitude Nord – 105°57’6.12’’ de longitude Est

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Le but du jeu de ce cours :

  • Savoir ce qu’est une image aéroportée en général et aérienne en particulier
  • Savoir pourquoi elle est « comme ça »
  • Savoir aller la chercher, la comprendre
  • Savoir l’interpréter, la transformer en carte, en outil d’analyse
  • Savoir la comparer avec une autre image pour étudier l’évolution
  • Savoir la valoriser, la présenter et l’intégrer dans les recherches….

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Attention : 30% de la note est attribuée par rapport à un devoir sur table portant sur des notions de base qu'il faut connaître ! C'est pas grand-chose, quelques termes, quelques chiffres, mais si vous ne connaissez pas ça, non seulement vous aurez une mauvaise note au partiel, mais surtout vous ne comprendrez pas les images que vous manipulez ! Je donne quelques définitions dans les diapos suivantes, mais à vous de chercher aussi un peu !

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Donc, 2 parties dans cet enseignement : 7 séances de maîtrise des connaissances et d'apprentissage des outils et 4 séances pour construire un vrai travail depuis le sujet jusqu'au traitement via des images aéroportées. Un vrai boulot de géographe quoi ! Se poser la question "où et pourquoi là ?" et bien sûr... y répondre !

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Maîtriser l'analyse de photographies aériennes ou d'images satellitaires, c'est maîtriser des notions de physique du rayonnement, d'optique, d'imagerie numérique, d'aéronautique et bien sûr... de Géographie ! Mais "instinctivement" vous possédez déjà 70 ou 80% de ces aptitudes...

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Parallèlement, vous allez devoir jongler avec des outils, des logiciels, des interfaces, des manipulations et passer de l'un à l'autre. Mais ça, vous savez faire aussi... enfin presque...

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Allez, c'est parti, on commence avec la grande et belle histoire de l'imagerie aéroportée. A votre avis, qui a dessiné cette « vue aérienne » ? Cette « carte » de la Toscane et du Val di Chiana (Italie) a été réalisée par Léonard de Vinci autour de 1502, probablement pour le compte de Cesare Borgia. Elle est d’une précision remarquable presque 400 ans avant la première photographie aérienne ! Elle aurait servi à Vinci de plan pour un projet de réalisation un canal de Florence à la mer, mais peut-être aussi de véritable « carte d’état-major » pour les campagnes militaires. C’est un des très rares « essais » de Léonard de Vinci en matière de cartographie.

A ce propos, allez jeter un oeil sur cette vidéo (en anglais) :

How Leonardo da Vinci made a "satellite" map in 1502

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Pas compliqué : pour pouvoir faire une photoaérienne, il faut pouvoir faire une photo et en "aérien". En d'autre terme, l'invention de la phorographie aérienne n'a pu se faire que par l'invention de la photographie d'un côté (1827) et de l'ascension de l'autre que ce soit en ballon (1783) ou en avion (1903).

Allez, quelques dates pour faire bien en soirée :

  • 1783 Première ascension en ballon par les frères Montgolfier
  • 1839 Invention de la photographie par Niepce et Daguerre
  • 1858 Premières photo aériennes par Tournachon
  • 1879 Première application archéologique (levé des ruines de Persépolis)
  • 1892 Introduction du système de mesure stéréoscopique par Pulfrich (Zeiss)
  • 1898 Première couverture photo-géologique des Alpes et du Jura Suisse par Heim
  • 1903 Premier vol motorisé par les frères Wright
  • 1914/18 Utilisation intense de photographies aériennes pour le renseignement militaire (réalisation jusqu'à 15 000 photos par jour par les Alliés)
  • depuis 1920 Utilisation de photos aériennes pour la prospection pétrolière et pour la cartographie photogrammétrique
  • depuis 1930 L'interprétation des photos aériennes pour des objectifs géographiques et agronomiques devient courante
  • 1935 Production de la pellicule couleur "Kodachrome"
  • 1942 Production de la pellicule infrarouge "fausse couleur" par Kodak

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Voici la première photo. Ouais. Pas terrible effectivement. Et pourtant, elle va révolutionner le monde et, ce que peu de gens imaginent, engendrer la peinture Impressionniste vers 1860. Ah quoi bon essayer de "peindre le vrai" désormais puisque la photo le fait très bien, alors autant peindre ce qu'on ressent... Ainsi naissent l'Impressionnisme, le Cubisme, l'Abstrait...

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Voici la première (officielle !) photographie aérienne, mais prise d'une montgolfière, au dessus de Boston en 1860. Elle est magnifique !

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Et arrive la "trichromie". Vous ne savez pas ce que c'est ? Cherchez !

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Et là aussi, ça calme ! Rien à voir avec ce cours, mais toujours amusant à citer : Voici peut-être le premier selfie... en 1920 ! L'Histoire ne se répète pas, elle bégaye disait Karl Marx !

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Et pour finir (mais il y a tant de choses à dire !) ce très rapide chapitre historique, la folle histoire de la première photo prise depuis l'Espace : 1945, fin de la Deuxième Guerre Mondiale, les américains récupèrent une partie des avancées technologiques allemandes et notamment les fameuses fusées V1 et V2 qui ont (entre autre), fait des carnages en Angleterre (ils récupèrent aussi les savants atomistes, mais c'est une autre histoire...). L'américain, toujours très pragmatique se dit, voyons ce qu'on peut faire avec ça, met un appareil photo dans une fusée V2, envoie la fusée dans la haute atmosphère, prend des clichés en automatique, se débrouille pour récupérer la fusée revenue s'écraser sur terre, développe tant bien que mal la pellicule embarquée et... réalise le premier cliché de la terre vue de l'Espace, prouvant par la même occasion que la terre est ronde (même si en 1522 l'expédition Magellan l'avait déjà fait !) et lançant cette fois le monde dans la course à l'Espace...

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Pas de photo, d’images, ou même d’information visuelle sans quelques notions de base de physique du rayonnement. Pas de panique, pas de formules complexes, pas de mathématiques, juste quelques notions de base !

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Le rayonnement électromagnétique est l'énergie créée en tout point de l'espace par un double champ périodique : électrique et magnétique. Il est défini par sa vitesse de propagation (300 000 km/s dans le vide), son amplitude ou longueur d'onde et sa fréquence. L'amplitude correspond à "la hauteur" de l'onde La fréquence est le nombre de périodes par unité de temps d'un phénomène périodique. Le rayonnement électromagnétique est produit par une charge (de type atomique) en accélération soit naturelle (le soleil) soit artificielle (radar, lampe...). Le rayonnement ne se manifeste que par des interactions avec la matière : Une flamme sur la lame d'un couteau va provoquer une agitation des éléments atomiques de l'acier, la lame va "chauffer" et produira donc un rayonnement électromagnétique dans les longueurs d'onde du thermique, rayonnement invisible pour l’oeil humain mais "sensitif". C'est une émission propre. Le soleil "éclaire" un objet dans toutes les longueurs d'onde, celui-ci absorbe une partie de l'émission solaire et renvoie une autre partie dans des longueurs d'onde particulière, pour le visible, dans certaines couleurs par exemple. C'est un rayonnement indirect.

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Le "spectre électromagnétique" ? Un revenant ? Un nouveau héros Marvel ? Le mieux c'est peut-être de demander à Wiki ?

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Le "spectre du visible" ? Très sympa pour y voir plus clair. Certains disent, c'est la lumière, d'autres ce sont les couleurs... Y'a plus qu'a aller jeter un œil sur la toile pour voir. Mais jeter un œil, en même temps, c'est moins facile, pour voir...

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Et alors là, l'infrarouge, et l'infrarouge thermique, c'est pire encore... Et la question (qui pourrait bien tomber en examen) est "est-ce que l'infrarouge thermique est rouge ?"

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Allez, revenons à des choses plus terre-à-terre (ce qui, pour des images aériennes est un non-sens !) Les types de photographies peuvent êtres classées selon la géométrie de la prise de vue :

  • Verticales ou zénithales : toute photographie pour laquelle l'axe optique de l'appareil fait avec la verticale un angle inférieur à 3° (d'après Rey; Dietz indique 4°);
  • Verticales divisées : photographies prises simultanément par un même avion, à l'aide de deux appareils dont l'axe optique est incliné de moins de 8° de part et d'autre de la verticale. (Ces photographies sont généralement couplées avec des verticales d'échelle plus petite).
  • Obliques basses : toute photographie pour laquelle l'angle que fait l'axe optiqueavec la verticale est supérieur à 8°, mais dans laquelle la ligne d'horizon n'est pas visible;
  • Panoramiques : photographies obliques avec ligne d'horizon visible.

L'analyse de photo aériennes se fait en général sur des photos verticales. Les photos obliques sont utilisées plutôt pour l'illustration. Dans le cadre du présent cours, on utilisera exclusivement des prises de vue verticales... mais, pas sûr...

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De même, on distingue 4 types d'émulsions (mais qu'est-ce qu'une émulsion ?) qui sont utilisées pour les tirages papier :

  • Panchromatique noir et blanc ("panchro"): la plus courante et la plus économique; elle couvre tout le spectre visible
  • Infrarouge noir et blanc
  • Couleur ("vraie-couleur")
  • Couleur infrarouge ("fausse-couleur")

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Voici tous les éléments qu’on trouve sur une photographie aérienne « traditionnelle papier »

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N'oubliez pas qu'une photographie aérienne est une image vue du dessus et qu'en plus on a des phénomènes de distorsion. La preuve :

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L'un des premiers objectifs de la photointerprétation est d'essayer de comprendre ce qui apparait, d'essayer d'identifier les différents éléments. Par exemple ici, je suis aller reprendre un exemple développé par un collègue - Sébastien Le Corre, dont voici également le texte d'accompagnement :

"Carte topographique et photographie aérienne de Montauban (IGN) Une approche possible pour ce document est d’essayer de déterminer la morphologie urbaine de Montauban.  Bien sur, un premier niveau d’analyse permet de distinguer des éléments représentatifs comme le cimetière, les zones d’activités, un hypermarché etc…. Mais au delà de cette photo-identification l’analyse évolutive des structures urbaines est également possible , dès lors on observe les éléments suivants : le centre ancien près du Tarn se caractérise par des îlots bâtis denses avec des rues étroites, cet espace est ceinturé par des boulevards.  Autour de cette zone les constructions sont plus lâches, l’immeuble bas reste la forme dominante mais la voirie est plus large et les espaces-verts apparaissent. Il est également ceinturé par des voies larges.  La troisième auréole est à vocation mixte, on y trouve des espaces comme le cimetière et certains équipements (collège). Les premiers pavillons se mêlent aux immeubles de formes géométriques.  Au Nord de la voie ferrée, qui forme une rupture, la forme dominante est le pavillon sous forme de lotissements. Les espaces interstitiels sont plus importants. C’est également le long des axes structurants l’espace que les hypermarchés et les zones d’activité sont implantées.  Il est intéressant de remarquer que le lotissement situé à proximité de l’hypermarché a fortement évolué entre la date de réalisation de la carte (1991) et la date de prise de vue (1994)."

C'est exactement de type de description et de commentaire qu'on attend de vous dans l'analyse des images aériennes.Pour ça, vous allez vous appuyer sur différentes notions : les critères photogrammétriques (retenez bien ce terme et les diapos qui suivent...)

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La tonalité découle directement de la sensibilité et des spectres de réflectance des objets photographiés.  L'analyse des grisés par l’œil de l'interprète ne se fera que de façon relative: la valeur absolue du grisé n'a qu'un intérêt secondaire (elle est d'ailleurs très variable en fonction du développement, de la dureté du papier, etc.).  L’analyse des tonalités peut s’effectuer soit à l’aide d’une plaquette de référence, soit à l’aide d’un densitomètre qui va mesurer la couleur. Ce sont surtout les variations de grisé que l'interprète va relever : Ces variations peuvent être rapides et marquées; elles définissent alors d'elles-mêmes une limite perçue par l'observateur. Elles peuvent être progressives ou faibles et suggérer alors des limites ou des structures estompées.

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La forme. Ce critère se réfère à l’allure générale et au contour de l’objet. C’est souvent un indice très important pour l’interprétation car il fournit souvent la fonction de l’objet géographique. Ici à gauche 2 stades à droite un cynodrome. Il est utile de rappeler que les formes rectilignes ou géométriques se retrouvent souvent dans les régions urbaines ou cultivées où la pression anthropique est forte. A l’inverse les éléments peu affectés par l’homme conservent souvent des formes plus irrégulières.

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La taille d’un objet est fonction de l’échelle, la taille relative est évaluée par comparaison avec d’autres objets, alors que la taille absolue est calculée par des mesures. Sur un même type d’objets par exemple des constructions urbaines la taille peut renseigner sur la fonction :  Ici usines et entrepôts sont plus vastes que l’habitat individuel.

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Situation / association : Ce critère est basé sur la localisation spatiale des objets donc leur position et leurs relations avec les objets à proximité.L’analyse de ce critère est également basée sur les connaissances a priori. Présence d’un fleuve et de voiries donc de ponts Présence de nombreuses voies de chemins de fer donc gare à proximité.

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Les ombres sont selon la situation utiles où néfastes à la photo-identification. Elles sont utiles dans la mesure où elles permettent de déduire le profil d’un objet mais aussi son élévation, mais elles génèrent des zones de non visibilité sur l’espace qu’elles occupent surtout dans les régions à fort relief. La grande majorité des missions aériennes sont effectuées en début d’après midi pour justement réduire la dimension des ombres portées.

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La texture. Toute image est composée d'unités élémentaires que l'on nomme éléments texturaux. Le grain fondamental peut être absent, on parle alors de texture = 0 : c'est le cas d'une zone de grisé parfaitement uniforme (seul le grain de l'émulsion apparaîtrait sur un agrandissement).  La texture est l’organisation interne d’un objet lié à l’arrangements des grains qui le constitue. La texture est donc très liée à l’aspect de l’objet ( lisse, rugueux, strié…)  Les éléments texturaux doivent être dénombrés et décrits : ils ont une forme, une taille, une densité, une tonalité. Il est tout à fait essentiel de décrire très en détail et de constituer un catalogue des textures rencontrées ; le tableau, en annexe, présente quelques textures, mais il en existe une infinité d'autres.

  • Texture 1 : Aspect grumeleux (champ à gauche)
  • Texture 2 : Aspect lisse (champ gris moyen à droite)
  • Texture 3 : Aspect striée (champ labouré à l'extrème droite)

Il est important d'observer une anomalie ponctuelle de texture, car elle peut: soit révéler un élément spécifique important, soit constituer une anomalie sans signification ou être trop petite pour être individualisée : elle sera alors englobée dans la texture encadrante.

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La structure. Si la texture est un groupe homogène d'éléments texturaux identiques, la structure est un principe d'organisation de texture ou d'éléments texturaux.  La structure se réfère donc à l’agencement spatial des objets visuellement discernables. Une répétition ordonnée de teintes similaires et de texture produit une structure distinctive et facilement discernable.  Une structure parallèle : Les vergers avec leurs arbres régulièrement disposés sont de bons exemples de structures.Comme pour les textures, les structures peuvent être définies précisément et répertoriées. Les structures possèdent souvent une hiérarchie : le cas est fréquent dans le parcellaire, agricole ou urbain. La hiérarchie existera également naturellement pour un réseau hydrogra-phique, où des structures différentes ou semblables peuvent apparaître aux différents niveaux hiérarchiques.

Les relations texture/structure . La texture nous renseigne principalement sur la nature de l'objet via ses propriétés physiques (réflectance, constitution fine). La structure tra-duit plutôt la fonction de l'objet ou du moins ses relations avec le milieu environnant.
L'interprétation simultanée des textures et structures d'un objet et de son contexte, permettent donc une compréhension de l'objet.
Certaines textures peuvent être faiblement structurées, la structure étant mal définie, comme les alignements d'arbres dans une forêt. Mais les mêmes éléments texturaux peuvent former des zones fortement struc-turées (une plantation). La signification pratique de la structure est un système de relations entre ses éléments. On peut par exemple mettre facilement en relation un substratum géologique et une structure de réseau hydrographique.

Pour finir cette première introduction à la photointerprétation, voilà de quoi vous exercer. Sur les différentes images suivantes, essayez de décrire au maxum les élements que vous voyez en fonction des critères photogrammétriques..

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A suivre...