Cartographie 3D de la Terre – une avancée nouvelle

Première couverture mondiale réalisée par TanDEM-X
TerraSAR-X and TanDEM-X in Space

Après douze mois de service, le satellite allemand d’observation de la Terre TanDEM-X, et son jumeau TerraSAR-X, ont entièrement cartographié la surface terrestre – ce qui constitue une première. Les données collectées sont utilisées pour créer le premier modèle numérique d’élévation de la Terre – une représentation 3D à haute précision provenant d’une source unique. Le contrôle des deux satellites radar et la production du modèle d’élévation sont assurés par le DLR, le Centre spatial allemand, qui est également responsable de l’utilisation scientifique des données recueillies par TanDEM-X.

La mission TanDEM-X, un ballet bien réglé

TanDEM-X First Coverage

TanDEM-X a couvert la Terre complète pour la première fois

Cela n’est pas sans évoquer l’élégant ballet des couples de danseurs sur glace : tout au long de l’année écoulée, les satellites radar allemands TanDEM-X et TerraSAR-X ont évolué dans l’espace en formation serrée, éloignées parfois l’un de l’autre de seulement quelques centaines de mètres. Bande après bande, ils ont enregistré les images de notre planète selon différents angles, et transmis des données radar à haute résolution depuis leur plan orbital, à 514 km d’altitude, vers les stations sol de Kiruna (Suède), Inuvik (Canada) et O’Higgins (Antarctique).
« La mission se déroule mieux que prévu, et il n’y a eu aucune interruption imprévue dans le vol en formation programmé des deux satellites. Tous les mécanismes de sécurité fonctionnent normalement et de manière stable », se félicite Manfred Zink, directeur projet du segment sol de TanDEM-X au sein du DLR.
Au cours de l’année 2011, la distance entre les satellites a été progressivement réduite jusqu’au minimum autorisé – 150 mètres.

Une précision millimétrique de la couverture radar

TanDEM-X Opencast Mine Jülich, Germany

La comparaison entre le modèle d’élévation SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) élaboré en 2000, et les données acquises par TanDEM-X au-dessus de la mine de lignite à ciel ouvert de Hambach, à proximité de la ville de Jülich, en Allemagne, fait apparaître clairement le gain de précision impressionnant obtenu en l’espace d’une décennie. En outre, les changements intervenus dans ce laps de temps sont mis en évidence : l’activité minière de ce site as considérablement progressé.

Cette mission satellite est la première de ce type. Présentant un caractère unique, elle est aussi d’une grande complexité, même pour des ingénieurs expérimentés. « Le lancement de TanDEM-X, le 21 juin 2010, a été suivi d’une phase d’essais de six mois, au cours de laquelle nous avons intensément scruté le satellite et son comportement en orbite proche de la Terre, et effectué diverses tâches d’étalonnage », rappelle Manfred Zink. C’est au cours de cette période que TanDEM-X a entamé les vols en formation avec son satellite jumeau, TerraSAR-X, lancé en 2007. Le 14 décembre 2010 commençait la partie opérationnelle de sa mission : collecter des données pour établir un modèle d’élévation à haute précision.

Ce système radar permet de visualiser le sol à partir de deux points différents dans l’espace, avec une « perception en profondeur » grandement similaire à la vision binoculaire de l’être humain. « La production de données d’élévation adéquates demande une coordination précise des données en provenance des deux satellites, mais aussi entre eux », souligne Gerhard Krieger, ingénieur système pour la mission TanDEM-X. Les différences, par exemple dans la longueur des câbles sur les deux instruments radar, ainsi que la distance entre les deux satellites, doivent être étalonnées très précisément. « C’est un défi considérable quand on sait qu’une variation d’un seul millimètre peut entraîner une erreur d’élévation d’un mètre », fait observer Krieger.

Les bandes de terrain enregistrées par les satellites sont transformées en modèles d’élévation mesurant de 50 km x 30 km. Grâce à un étalonnage ultra-précis, lorsque ces données de base sont compilées en fin de processus pour donner naissance à une carte globale en 3D, elle sont déjà d’un très haut niveau de qualité.

D’ici à la mi-2013, TanDEM-X et TerraSAR-X auront reproduit la totalité de la surface terrestre – soit environ 150 millions de km2 –, à plusieurs reprises. L’objectif est ici de créer un modèle d’élévation 3D global et homogène, d’une précision exceptionnelle, qui promet d’offrir un intérêt aussi important pour les tâches scientifiques que pour les objectifs commerciaux.

La qualité des données dépend de la réflectance du sol

Deux cycles complets de couverture de la surface terrestre avaient initialement été prévus. Certaines parties, dont par exemple la vaste majorité de la masse continentale de l’Australie, ont été enregistrées par les deux satellites avec une qualité suffisante pendant le premier survol. « Le niveau de précision dépend de la manière dont le sol reflète les impulsions radar émises, et ensuite retournées vers les satellites », explique Manfred Zink. Par exemple, il est plus difficile de cartographier le Sahara parce que le signal s’ « enfonce littéralement dans le sable » et est donc perdu. Pour les régions présentant une végétation dense, comme les forêts pluviales, des images supplémentaires et un ajustement précis de la distance entre les satellites sont nécessaires. « Nous allons avoir quelques zones restant en blanc sur la carte, mais nous cherchons bien sûr à minimiser ces zones », explique Zink, en faisant allusion aux mois à venir.

TanDEM-X Iceland Mosaic

Première mosaïque de l’Islande obtenue par le satellite TanDEM-X

Mieux comprendre le système terrestre

Nous voulons avoir une meilleure compréhension de la Terre en tant que système, et employer les données collectées pour effectuer des recherches sur le climat et le trafic, par exemple

Irena Hajnsek Coordinateur scientifique de la mission TanDEM-X

En 2011, Irena Hajnsek a donné le feu vert à 166 applications de recherche soumises au DLR. « La plupart venaient des Etats-Unis et d’Allemagne. Les capacités de TanDEM-X vont être utilisées pour les questions liées à l’utilisation des terres, à l’hydrologie, à la géologie et à la glaciologie », explique-t-elle.

Les deux satellites d’observation de la Terre peuvent également produire des informations sur la limite des neiges, ou la modification des masses de glace des deux régions polaires, mais aussi fournir des cartes géologiques des régions soumises à une activité volcanique et/ou sismique. Il est également possible de mesurer la vitesse des navires ou des véhicules terrestres, ainsi que les modifications du monde naturel. Les tâches exécutées par ces deux satellites radar sont également précieuses pour l’agriculture. « En fonction de la taille et de la structure d’une plante, comme le colza par exemple, il est possible de tirer des conclusions sur sa qualité et sur la biomasse », explique Hajnsek.

Première couverture mondiale réalisée par TanDEM-X

Le saviez-vous ?

La mission TanDEM-X va permettre d’obtenir un modèle numérique d’élévation (MNE) offrant une qualité, une précision et une couverture sans précédent. Ce modèle homogène sera disponible pour la totalité de la surface terrestre, soit environ 150 millions de km2 en 2014. La précision de ce modèle global sera supérieure à celle de tout autre modèle basé sur satellite aujourd’hui disponible, et offrira une précision verticale relative de 2 m (10 m en précision absolue), avec une image matricielle de 12 m x 12 m.