L'imagerie satellite à moyenne et basse résolutions spatiales est utilisée de manière régulière depuis bientôt une trentaine d'années pour étudier la biosphère terrestre sur de vastes étendues.
A l'échelle de la planète, les satellites 'grand champ' permettent de suivre les variations saisonnières et annuelles des couverts végétaux. Ils sont des outils irremplaçables et constituent une importante source d'informations pour mieux comprendre le fonctionnement de la biosphère, la répartition des types de végétation, ainsi que sa variabilité saisonnière et interannuelle et même à plus court terme. La fréquence de passage des satellites basse résolution, comme les NOAA-AVHRR qui couvrent pratiquement toute la surface de la Terre au moins une fois par 24 heures, permet de cartographier des variations à court terme de la végétation à l'échelle planétaire. Sur une période de quelques jours, la plupart des zones peuvent être vues en conditions claires, et il est possible de construire des cartes de végétation hebdomadaires comme celles présentées ci-dessous.

Carte de végétation (NDVI)

Les deux cartes ci-dessus sont des composites hebdomadaires d'Indices de Végétation par Différence Normalisée (NDVI) - cf chapitre  les indices de végétation. Elles ont été obtenues à partir des données NOAA - AVHRR. En dépit d'une résolution de 16 km, nous distinguons clairement les différences dans la couverture végétale entre le printemps et l'automne.

Crédits:  Copyright © World Meteorological Organization

Aux échelles régionales, ils apportent une aide précieuse pour l'étude de la variabilité climatique sur le fonctionnement des écosystèmes et notamment le suivi de la désertification. L'imagerie satellitaire basse résolution est utilisée de manière opérationnelle en zones sèches, pour le suivi et l'évaluation des conditions environnementales liées à la sécurité alimentaire. Plusieurs institutions comme la FAO, le centre Agrhymet de Niamey au Niger ou le CSE de Dakar, ont mis en place des méthodologies pour le suivi de la saison agricole en zone aride. Ces méthodes intègrent à la fois des observations agronomiques (date des semis, croissance des plantes), météorologiques (précipitations) et l'imagerie satellitaire qui permet d'estimer les rendements agricoles par l'utilisation des indices NDVI (cf. ci-dessous).

Système mondial d'information et d'alerte rapide

Crédits:  Copyright © FAO

A des échelles plus grandes, les données des satellites 'grand champ' sont utilisées pour améliorer la compréhension des mécanismes qui déterminent les changements des couverts végétaux, notamment la déforestation des zones tropicales, et pour la détection et la délimitation des dégâts causés par les incendies de forêt. La capteur SEVIRI de MSG possède une bande dans l'infrarouge moyen, le canal 3,9 μm très sensible aux faibles variations de température et par conséquent très utile pour la détection des incendies (cf. ci-dessous).

Image MSG acquise le 07/08/2006.

(a) Canal 3,9μm - les incendies apparaissent sous forme de pixels très réfléchissants
(b) Composition colorée 431 (IR3.9 / IR1.6 / VIS0.6)
Une grande partie de la Galice est en feu. On distingue les fumées qui s'étendent vers le large sur toute la côte du Portugal. On aperçoit également un incendie de forêt, probablement au niveau de la Montagne Noire (nord de Carcassonne, Aude).

Les principaux instruments 'grand champ' utilisés pour le suivi de la dynamique végétale sont :

• Le Radiomètre Avancé à Haute Résolution (AVHRR) embarqué sur les satellites de la NOAA
• Le Spectroradiomètre Imageur à Moyenne Résolution (MODIS) à bord des satellites Terra (anciennement EOS AM) et Aqua (EOS PM)
• L'instrument Vegetation embarqué sur les satellites SPOT 4 et SPOT 5
• Le SEVIRI de MSG

1 - AVHRR (NOAA)

Le Radiomètre Avancé à Très Haute Résolution (AVHRR) est un imageur multispectral à basse résolution spatiale, en dépit de son nom. Embarqué sur les satellites américains NOAA pour la météorologie et l'océanographie, il est opérationnel depuis 1981 et a été utilisé dans de nombreuses applications terrestres à caractère environnemental. Trois familles de capteurs équipés de 4, 5 ou 6 bandes spectrales en fonction de la version, ont été exploitées depuis le premier instrument embarqué à bord du TIROS-N, nom du premier satellite NOAA (tableau ci-dessous). La dernière génération de satellites NOAA (NOAA-15, 16, 17, 18) porte aussi le nom de POES et montre ainsi clairement le caractère environnemental des applications visées par l'instrument. C'est très probablement le capteur qui a été le plus exploité par la communauté scientifique. Placés en orbite héliosynchrone à une altitude moyenne de 870 km et avec une fauchée de 2800 km, les capteurs NOAA - AVHRR ont l'énorme avantage de passer deux fois par jour au-dessus d'un même lieu. Sa répétitivité importante, sa résolution spatiale de 1,1 km, son champ d'observation très large (fauchée de 2800 km) et sa résolution radiométrique (10 bits) en font un instrument extrêmement précieux pour la cartographie de la végétation à l'échelle du globe (cf. la carte de végétation (NDVI) en haut de page), l'estimation des rendements agricoles ou la surveillance des incendies de forêt.
Les cartes d'indices de végétation réalisées à partir des données NOAA-AVHRR sont généralement des synthèses décadaires.

2 - MODIS (AQUA et TERRA)

Le spectroradiomètre imageur à moyenne résolution (MODIS) à bord des satellites AQUA et TERRA de la NASA a été conçu pour l'étude et la surveillance de l'environnement au sens large (biosphère, hydrosphère, atmosphère). Avec des résolutions spatiales de 250, 500 et 1000 m et une fauchée de 2330 km, il permet une couverture quasi quotidienne de l'ensemble de la planète. MODIS possède une très bonne résolution radiométrique (12 bits) et acquière les images de la surface du globe dans 36 bandes spectrales qui vont du visible à l'infrarouge thermique. Opérationnel depuis 1999 sur TERRA et depuis 2002 sur la plateforme AQUA, il offre de nombreuses possibilités d'applications qui vont de la surveillance des catastrophes naturelles, incendies de forêts, inondations, au suivi des courants marins ou à la cartographie de la production primaire océanique. Il permet aussi de mesurer l'impact des actions anthropiques sur l'environnement, urbanisation, activités agricoles, ou déforestation et de mettre en évidence les changements environnementaux à des pas de temps hebdomadaires.
Le tableau ci-dessous décrit les produits NDVI-MODIS disponibles pour chacun des deux satellites.

Produit MODIS - MOD13C1

Indice de végétation par différence normalisée calculé à partir des données de TERRA / MODIS - synthèse 16 jours - 3 au 19 décembre 2009

Crédits: Copyright © NASA

3 - VEGETATION (SPOT)

L'instrument VEGETATION a été conçu pour permettre un suivi quotidien de la biosphère terrestre à des échelles planétaire et régionales et fournir des mesures précises sur les principales caractéristiques du couvert végétal, notamment dans le domaine des productions agricoles et des conséquences de la déforestation. Mais son champ d'applications est bien plus vaste, il couvre aussi bien l'occupation des sols que l'étude des changements de la biosphère, les interactions entre climat et végétation, la gestion de l’environnement, l'évaluation des feux de forêts, le suivi des ressources en eau, ou encore la surveillance des risques d'inondations. L'instrument et le segment sol associé pour l'archivage, le traitement et la distribution des données, sont opérationnels depuis mai 1998.

Deux instruments Vegetation sont actuellement opérationnels à bord des satellites SPOT 4 (Vegetation 1) et SPOT 5 (Vegetation 2). Placés sur le même plan orbital, ils observent de façon continue la surface de la Terre avec un décalage de 23 minutes. Avec une résolution spatiale de 1,1 km et une fauchée de 2250 km, ils offrent un accès quasi quotidien à l'ensemble de la planète dans quatre bandes spectrales (bleu, rouge, proche-infrarouge et moyen-infrarouge) parfaitement adaptées à l'étude des couverts végétaux.
L'instrument VEGETATION fournit des indices de végétation (NDVI) calculés à partir des synthèses journalières (S1) ou décadaires (S10 ou D10 depuis 2002) qui sont une moyenne des observations acquises respectivement en 24h et au cours des 10 derniers jours (image ci-dessous).

Indice de végétation par différence normalisée calculé à partir des données de SPOT 4 Vegetation - décade Janvier 2002

Crédits: Copyright © FAO / ARTEMIS

4 - SEVIRI (MSG)

Les principales caractéristiques de l'instrument SEVIRI à bord du satellite MSG sont décrites dans le cours introductif du module, section 'des performances améliorées par rapport aux Météosat de première génération'  Le radiomètre imageur SEVIRI. Le principal avantage du capteur par rapport aux autres instruments réside bien sur dans sa résolution temporelle remarquable, puisque le satellite MSG acquiert une image toutes les 15 minutes. Cela permet d'obtenir assez rapidement des cartes d'indices de végétation non contaminées par les nuages (voir les images ci-dessous 'Comparaison de synthèses NDVI' ). Si sa résolution spatiale s'avère relativement décevante en multispectral par rapport aux autres instruments, elle peut toutefois être ramenée à 1 km par fusion de données avec le canal panchromatique.

Comparaison de synthèses NDVI

On note une sous-estimation de l'indice de végétation sur les instruments SPOT - VEGETATION et EOS - MODIS par rapport au SEVIRI de MSG, en raison de la couverture nuageuse. Pour MODIS, la synthèse est réalisée sur un mois.
Lacaze et Bergès, 2005

Comparaison de synthèses NDVI

Dans le cas de l'instrument NOAA - AVHRR, les 15 jours ne sont pas suffisants pour obtenir une carte de végétation par ciel clair.
(Source : Lacaze, 2007)

Comparaison de synthèses NDVI

La résolution temporelle de l'instrument SEVIRI est un réel avantage. Cinq images sont utilisées au cours de la même journée, contre une seule pour le satellite NOAA - AVHRR.
(Source : Lacaze, 2004)

Le tableau suivant regroupe les principaux capteurs 'moyenne et basse résolutions' utilisés pour le calcul des indices de végétation.