Objectifs
- Comprendre les principes de la télédétection et de l'imagerie multispectrale.
- Distinguer les résolutions spatiale, spectrale, temporelle et radiométrique.
- Identifier les principales caractéristiques de Sentinel‑2 et Landsat.
- Comprendre les compositions en couleurs naturelles et en fausses couleurs.
- Repérer des structures géologiques et géomorphologiques sur les images satellites.
- Calculer et interpréter un indice spectral simple.
- Réaliser une première analyse géologique d'une image satellitaire.
- Identifier les limites de la télédétection et la nécessité de vérifications sur le terrain.
Prérequis
- Notions de géologie générale, de cartographie et de lecture de cartes
- Connaissances élémentaires sur les roches, le relief et les coordonnées géographiques
Introduction
Depuis plusieurs décennies, les images satellites occupent une place croissante dans les études géologiques.
Elles permettent d'observer de vastes territoires, de repérer des structures difficiles à identifier au sol et de comparer l'évolution des paysages au cours du temps.
Dans les régions désertiques, où la végétation est peu abondante, les images satellites peuvent notamment révéler des ensembles de formations rocheuses, des plis, des failles, des réseaux de drainage et des contacts géologiques.
Elles constituent également des outils précieux pour l'exploration minière, la géomorphologie, l'étude des risques naturels et la cartographie environnementale.
Cependant, une image satellitaire ne constitue pas directement une carte géologique.
Elle enregistre un signal électromagnétique provenant de la surface terrestre. Le géologue doit ensuite interpréter ce signal en tenant compte de la nature des matériaux, du relief, de la végétation, des conditions atmosphériques et des caractéristiques du capteur.
La télédétection permet donc d'identifier des indices géologiques, mais leur interprétation doit être confrontée aux connaissances géologiques et aux observations de terrain.
1. Qu'est-ce que la télédétection ?
La télédétection est l'ensemble des techniques permettant d'obtenir des informations sur un objet ou une surface sans contact physique direct avec celui-ci.
En géologie, elle repose principalement sur des instruments embarqués à bord de satellites, d'avions ou de drones.
Ces instruments enregistrent le rayonnement électromagnétique émis, réfléchi ou rétrodiffusé par les surfaces observées.
1.1. Télédétection passive et active
On distingue deux grandes catégories.
La télédétection passive exploite un rayonnement naturel, généralement celui du Soleil réfléchi par la surface terrestre, ou le rayonnement thermique émis par les objets.
Les instruments multispectraux Sentinel‑2 MSI et Landsat OLI appartiennent à cette catégorie.
La télédétection active utilise un instrument qui émet lui-même un signal puis mesure son retour.
C'est notamment le cas du radar à synthèse d'ouverture (SAR) et du LiDAR.
Ces techniques peuvent compléter l'imagerie optique pour étudier la topographie, les déformations du sol et certaines propriétés de surface.
1.2. Le rayonnement électromagnétique
Les surfaces terrestres interagissent différemment avec le rayonnement électromagnétique selon leur composition et leur état.
Une partie du rayonnement incident peut être :
- Réfléchie.
- Absorbée.
- Transmise.
- Réémise sous forme de rayonnement thermique.
Ces interactions varient avec la longueur d'onde.
Par exemple, la végétation saine absorbe généralement fortement la lumière rouge pour la photosynthèse et réfléchit davantage le proche infrarouge.
Certains minéraux présentent, quant à eux, des comportements spectraux caractéristiques, notamment dans les domaines visible et infrarouge à ondes courtes.
Ces différences constituent le fondement de l'analyse multispectrale.
1.3. La signature spectrale
La signature spectrale décrit la variation de la réflectance d'un matériau en fonction de la longueur d'onde.
La réflectance peut être définie, de manière simplifiée, comme le rapport entre le rayonnement réfléchi et le rayonnement incident dans des conditions de mesure données.
La relation est ici conceptuelle : en télédétection, la réflectance est calculée à partir de grandeurs radiométriques et de corrections adaptées à la géométrie d'observation.
Deux matériaux peuvent présenter une apparence similaire dans le domaine visible et des réponses différentes dans l'infrarouge.
C'est pourquoi l'utilisation de plusieurs bandes spectrales apporte davantage d'informations qu'une photographie classique.
2. Les différentes résolutions des images satellites
La qualité et les possibilités d'interprétation d'une image dépendent de plusieurs caractéristiques du capteur.
2.1. La résolution spatiale
La résolution spatiale correspond à la taille du terrain représentée par un pixel, ou plus précisément à l'échantillonnage spatial du capteur.
Pour une bande Sentinel‑2 à 10 mètres, un pixel représente nominalement une surface de 10 × 10 mètres au sol.
Un pixel n'est toutefois pas nécessairement constitué d'un seul matériau géologique : il peut contenir un mélange de roches, de sol, de végétation et d'ombre.
2.2. La résolution spectrale
Elle correspond à la capacité d'un capteur à distinguer différentes parties du spectre électromagnétique.
Un instrument multispectral possède plusieurs bandes relativement larges.
Un instrument hyperspectral enregistre un nombre beaucoup plus important de bandes, généralement plus étroites, ce qui permet des analyses plus détaillées de certaines propriétés des matériaux.
2.3. La résolution temporelle
Elle décrit la fréquence à laquelle un capteur peut observer une même région.
Elle est importante pour suivre les glissements de terrain, les changements de végétation, les dépôts volcaniques ou l'évolution des zones d'exploitation minière.
La fréquence théorique de revisite ne garantit cependant pas l'obtention d'une image optique exploitable : les nuages et les conditions d'acquisition peuvent limiter les observations.
2.4. La résolution radiométrique
Elle désigne la capacité d'un instrument à distinguer de faibles différences d'intensité du signal.
Elle dépend notamment de la précision de quantification des mesures.
Cette résolution ne doit pas être confondue avec la précision radiométrique réelle, qui dépend aussi de l'étalonnage du capteur et des corrections appliquées.
3. Les principaux satellites utilisés en géologie
3.1. Sentinel‑2 : une référence pour l'observation des surfaces
La mission européenne Sentinel‑2, développée dans le cadre du programme Copernicus, fournit des images multispectrales destinées à l'observation des terres émergées et des zones côtières.
Le capteur MSI enregistre 13 bandes spectrales, avec des résolutions spatiales de 10, 20 et 60 mètres.
| Bandes | Domaine spectral | Résolution |
|---|---|---|
| B2, B3, B4 | Bleu, vert, rouge | 10 m |
| B8 | Proche infrarouge | 10 m |
| B5, B6, B7, B8A | Red edge et proche infrarouge | 20 m |
| B11, B12 | Infrarouge à ondes courtes (SWIR) | 20 m |
| B1, B9, B10 | Bandes atmosphériques | 60 m |
Les bandes B11 et B12 sont particulièrement intéressantes pour plusieurs analyses géologiques, notamment parce que certaines familles de minéraux présentent des absorptions dans le domaine SWIR.
Cependant, deux bandes SWIR ne permettent pas de reconnaître de manière univoque toutes les espèces minérales.
3.2. Landsat : plus de cinquante ans d'observation terrestre
Le programme Landsat, développé par la NASA et l'USGS, fournit une longue série d'observations de la surface terrestre.
Les missions Landsat 8 et Landsat 9 utilisent les instruments OLI et TIRS, avec des bandes couvrant le visible, le proche infrarouge, le SWIR et l'infrarouge thermique.
Landsat 9 offre notamment une résolution spatiale de 30 mètres pour les principales bandes multispectrales, 15 mètres pour la bande panchromatique et 100 mètres pour les bandes thermiques natives.
Le programme est particulièrement utile pour comparer des images acquises à plusieurs décennies d'intervalle.
Il permet notamment d'étudier l'évolution des paysages miniers, la dynamique des surfaces désertiques et certaines modifications géomorphologiques.
3.3. Comparaison entre Sentinel‑2 et Landsat
| Caractéristique | Sentinel‑2 MSI | Landsat 8/9 |
|---|---|---|
| Bandes spectrales | 13 | 11 au total, dont 2 thermiques |
| Résolution multispectrale principale | 10 à 20 m | 30 m |
| Bande panchromatique | Non | 15 m |
| Bandes thermiques | Non | Oui |
| Intérêt géologique | Cartographie des surfaces et structures | Cartographie, suivi temporel et thermique |
Les deux systèmes sont complémentaires et fournissent des données largement accessibles pour l'enseignement et la recherche.
4. Comment les satellites représentent-ils les couleurs ?
Une image multispectrale n'est pas nécessairement une photographie reproduisant les couleurs perçues par l'œil humain.
Chaque bande correspond à une plage de longueurs d'onde.
Pour construire une image couleur, on attribue généralement trois bandes aux canaux rouge, vert et bleu d'un affichage.
4.1. Composition en couleurs naturelles
Une composition en couleurs naturelles cherche à reproduire approximativement l'aspect visuel d'un paysage.
Avec Sentinel‑2, elle utilise :
| Canal affiché | Bande Sentinel‑2 |
|---|---|
| Rouge | B4 |
| Vert | B3 |
| Bleu | B2 |
Cette combinaison est généralement désignée par RGB 4-3-2.
Elle permet de reconnaître facilement les formes du relief, les plans d'eau, la végétation et les espaces urbanisés.
Cependant, les contrastes entre certaines formations géologiques peuvent rester faibles.
4.2. Composition en fausses couleurs
Une composition en fausses couleurs attribue des bandes non visibles, notamment infrarouges, à des canaux visibles.
Par exemple, une composition Sentinel‑2 RGB 8-4-3 associe :
- Le proche infrarouge B8 au rouge.
- Le rouge B4 au vert.
- Le vert B3 au bleu.
La végétation saine apparaît souvent rouge ou rose dans ce type de composition, car elle réfléchit fortement le proche infrarouge.
D'autres combinaisons utilisent les bandes SWIR pour mieux différencier certaines surfaces minérales ou des zones altérées.
4.3. Pourquoi utiliser les fausses couleurs en géologie ?
Les fausses couleurs peuvent faciliter la reconnaissance des unités présentant des comportements spectraux distincts.
Elles aident également à séparer la végétation des surfaces rocheuses exposées et à améliorer certains contrastes.
Attention : une couleur particulière ne correspond pas automatiquement à un minéral déterminé.
L'apparence dépend des bandes utilisées, des réglages d'affichage et des conditions d'acquisition. Une même roche peut apparaître de couleurs différentes dans deux compositions.
5. Les principales applications de la télédétection en géologie
5.1. La cartographie lithologique
La cartographie lithologique consiste à reconnaître et à délimiter des ensembles de roches présentant des caractéristiques communes.
Sur une image satellite, certaines formations peuvent se distinguer par leur couleur, leur texture, leur comportement spectral ou leur expression dans le relief.
Par exemple, dans une région désertique, des alternances de grès, calcaires et formations argileuses peuvent produire des contrastes visibles sur les images.
Cependant, la couleur d'un affleurement dépend également des produits d'altération, de l'humidité, des dépôts superficiels et de l'éclairage.
Une image multispectrale peut donc aider à délimiter des unités susceptibles d'être différentes, sans permettre systématiquement d'identifier leur nature pétrographique exacte.
5.2. L'identification des plis et des structures géologiques
Les structures géologiques influencent souvent l'organisation des reliefs.
Les plis peuvent apparaître sous forme de bandes courbes, répétées ou concentriques.
Les couches inclinées peuvent produire des crêtes parallèles lorsque les roches présentent des résistances différentes à l'érosion.
Un exemple particulièrement spectaculaire est la structure de Richat.
Cette structure, située dans le désert mauritanien, présente de vastes anneaux concentriques visibles depuis l'espace.
Elle correspond à une structure géologique profondément érodée, dont les formations rocheuses présentent des résistances différentes à l'érosion.
Cette image illustre comment les satellites facilitent l'analyse de la géométrie des formations rocheuses à grande échelle.
5.3. Le repérage des failles
Les failles peuvent parfois se manifester à la surface par des indices linéaires ou des décalages morphologiques.
Parmi les éléments recherchés figurent :
- Les vallées rectilignes.
- Les escarpements.
- Les crêtes décalées.
- Les ruptures de pente.
- Les alignements de sources ou de dépressions.
- Les changements brusques d'orientation des réseaux hydrographiques.
Les structures linéaires repérées sur les images sont généralement appelées linéaments.
Un linéament peut correspondre à une faille, mais également à une fracture, à un contact lithologique ou à une forme créée par l'érosion.
Il ne faut donc pas assimiler systématiquement un linéament à une faille tectonique.
5.4. L'exploration minière
La télédétection est largement utilisée pour orienter les programmes d'exploration minérale.
Certaines altérations hydrothermales modifient la composition minéralogique des roches et peuvent produire des réponses spectrales particulières.
Les formations riches en oxydes de fer, par exemple, peuvent présenter des contrastes dans le domaine visible.
Plusieurs minéraux hydratés et hydroxylés, notamment certains minéraux argileux, possèdent des caractéristiques d'absorption dans l'infrarouge à ondes courtes.
Les images multispectrales peuvent donc aider à identifier des zones d'altération susceptibles de justifier des études complémentaires.
Il faut néanmoins distinguer une anomalie spectrale d'un gisement minéral.
La présence de minéraux d'altération ne prouve ni l'existence d'une concentration économiquement exploitable ni la présence d'un minerai déterminé.
5.5. La géomorphologie et les risques naturels
Les images satellites permettent également d'étudier :
- Les reliefs et les réseaux de drainage.
- Les glissements de terrain.
- Les coulées de lave et les dépôts volcaniques.
- Les zones d'érosion.
- Les changements des côtes et des lits fluviaux.
- Les modifications de paysages après des catastrophes naturelles.
La répétition des acquisitions permet de comparer plusieurs périodes et de cartographier les changements visibles.
Pour mesurer de faibles déplacements du sol, des techniques spécialisées comme l'interférométrie radar (InSAR) sont souvent plus adaptées que la simple comparaison d'images optiques.
6. Les traitements de base d'une image satellitaire
Une image brute ou insuffisamment préparée ne doit pas être interprétée sans précaution.
Plusieurs opérations sont généralement nécessaires.
6.1. Les corrections radiométriques et atmosphériques
Le signal enregistré par un satellite peut être influencé par les propriétés de l'atmosphère, notamment les aérosols et la diffusion de la lumière.
Les produits de réflectance de surface sont conçus pour réduire ces effets et faciliter la comparaison d'images.
Pour Sentinel‑2, les produits de niveau L2A fournissent notamment des réflectances de surface estimées et des informations utiles à la classification des scènes.
Pour Landsat, les produits Collection 2 Level‑2 proposent également des données de réflectance de surface.
Point important : les valeurs numériques stockées dans les fichiers ne correspondent pas toujours directement à des réflectances comprises entre 0 et 1.
Il faut appliquer les facteurs d'échelle et éventuels décalages décrits dans la documentation du produit.
6.2. Le masquage des nuages et des ombres
Les nuages et leurs ombres peuvent masquer les affleurements.
Les ombres topographiques constituent également une difficulté majeure dans les régions montagneuses.
Un secteur fortement ombragé peut présenter des valeurs radiométriques très différentes de celles d'une même formation rocheuse exposée au Soleil.
Avant toute interprétation, il faut donc examiner les conditions d'acquisition et retirer ou identifier les zones perturbées.
6.3. La composition colorée
Une composition colorée combine trois bandes affectées aux canaux rouge, vert et bleu.
Elle peut être construite à partir d'un logiciel SIG ou d'une plateforme de traitement d'images satellites.
Le choix des bandes dépend de la question étudiée : reconnaissance des reliefs, végétation, humidité ou différenciation des surfaces rocheuses.
6.4. Le rééchantillonnage
Certaines bandes Sentinel‑2 possèdent une résolution de 10 mètres et d'autres une résolution de 20 mètres.
Pour les combiner dans un même calcul, elles doivent généralement être placées sur une grille commune.
Il est possible de rééchantillonner les bandes à 20 mètres vers une grille de 10 mètres.
Cependant, ce traitement n'ajoute pas de nouveaux détails spatiaux réels : les informations originales de la bande restent limitées par sa résolution native.
Cette distinction doit être respectée dans toute analyse scientifique.
7. Les indices spectraux et les rapports de bandes
Les indices spectraux combinent les valeurs de plusieurs bandes afin de faire ressortir certaines caractéristiques des surfaces.
Ils sont très employés dans le suivi environnemental, mais certains présentent également un intérêt pour la cartographie géologique.
7.1. Le NDVI : distinguer la végétation des surfaces rocheuses
Le NDVI, ou Normalized Difference Vegetation Index, est un indice utilisé pour caractériser l'activité photosynthétique et la couverture végétale.
Il est calculé à partir du proche infrarouge et du rouge :
Avec Sentinel‑2 :
L'indice varie théoriquement entre −1 et +1 lorsque les réflectances utilisées sont positives.
Les surfaces densément végétalisées présentent généralement des valeurs relativement élevées.
Les surfaces rocheuses nues, les sols nus et les zones artificialisées présentent souvent des valeurs plus faibles, mais leurs distributions peuvent se recouvrir.
L'eau possède fréquemment des valeurs négatives.
Ces valeurs ne constituent pas une classification universelle : leur interprétation dépend du contexte, de la saison, de l'humidité et des conditions d'acquisition.
7.2. Pourquoi le NDVI est-il utile aux géologues ?
Le NDVI n'est pas un indice d'identification des roches.
Il permet cependant de repérer les zones où la végétation pourrait masquer les formations géologiques.
Dans un secteur où l'on cherche à analyser les affleurements, les surfaces faiblement végétalisées peuvent être plus favorables à l'interprétation optique.
Mais un NDVI faible ne signifie pas automatiquement que la roche mère est visible : le sol nu, les dépôts récents ou les surfaces artificielles peuvent également produire de faibles valeurs.
7.3. Les rapports de bandes
Un rapport de bandes correspond à la division des valeurs d'une bande par celles d'une autre.
Ces rapports peuvent renforcer les contrastes entre matériaux présentant des comportements spectraux différents.
Ils sont notamment employés dans certaines méthodes de cartographie des altérations minérales.
Toutefois, la signification d'un rapport dépend du capteur, des bandes choisies et des caractéristiques des matériaux étudiés.
Les rapports de bandes doivent être calculés sur des données correctement préparées, et il faut gérer les pixels pour lesquels le dénominateur est nul ou très faible.
8. Réaliser une première analyse géologique avec Sentinel‑2
Cette partie propose une méthode accessible à un étudiant débutant, sans programmation.
Étape 1 — Choisir une zone d'étude
On peut sélectionner une région présentant des affleurements bien visibles, comme une zone désertique ou semi-aride.
Pour un premier exercice, la structure de Richat, en Mauritanie, constitue un sujet intéressant.
Ses anneaux concentriques, sa faible couverture végétale et son relief permettent d'observer plusieurs caractéristiques géologiques.
Étape 2 — Accéder aux images
La plateforme officielle Copernicus Browser permet de rechercher et de visualiser les images Sentinel.
Elle propose notamment des compositions colorées et des outils de comparaison.
Selon les fonctionnalités utilisées, une connexion à un compte gratuit peut être nécessaire.
Étape 3 — Définir la période d'acquisition
Choisir de préférence une période présentant une faible nébulosité.
Il faut également tenir compte des variations saisonnières, de l'état de la végétation et de l'humidité des surfaces.
Deux images d'une même zone ne sont pas nécessairement directement comparables si les conditions d'observation diffèrent fortement.
Étape 4 — Observer l'image en couleurs naturelles
Afficher la composition Sentinel‑2 :
RGB = B4 / B3 / B2
Repérer les formes du relief, les vallées, les contrastes de surface et les grands alignements.
Étape 5 — Tester une composition SWIR
Afficher, par exemple :
RGB = B12 / B11 / B4
Cette combinaison associe les bandes SWIR 2 et SWIR 1 aux canaux rouge et vert, et la bande rouge visible au canal bleu.
Elle peut améliorer certains contrastes entre surfaces dans les terrains peu végétalisés.
Il faut noter la composition utilisée, car les couleurs n'ont pas la même signification que sur une image naturelle.
Étape 6 — Identifier les unités visuelles
Observer les différences de teinte, de texture et de relief.
Essayer de délimiter plusieurs ensembles présentant une apparence homogène.
À ce stade, parler d'unités visuelles ou spectrales plutôt que de formations lithologiques identifiées.
Étape 7 — Rechercher les structures
Repérer les motifs courbes, concentriques, rectilignes ou répétitifs.
Identifier les linéaments éventuels et les relations avec les réseaux de drainage.
Ces observations peuvent suggérer des plis, des fractures ou des contacts entre formations.
Étape 8 — Vérifier l'interprétation
Comparer les résultats avec une carte géologique disponible, une publication scientifique ou des observations de terrain.
Cette dernière étape est indispensable pour transformer une hypothèse issue de la télédétection en interprétation géologique argumentée.
9. Étude de cas : la structure de Richat en Mauritanie
La structure de Richat, parfois appelée « œil du Sahara », est une formation géologique spectaculaire située dans le désert de l'Adrar, en Mauritanie.
Depuis l'espace, elle apparaît comme un ensemble de vastes anneaux concentriques.
Son diamètre est de l'ordre de plusieurs dizaines de kilomètres.
Cette structure est associée à un bombement géologique et à une longue histoire d'intrusions magmatiques, de déformations et d'érosion.
9.1. Ce qu'on observe sur les images
Une image satellitaire permet de repérer :
- Des anneaux concentriques.
- Des variations de couleur entre unités affleurantes.
- Des reliefs et des dépressions.
- Des formes de drainage.
- Des contrastes liés à la résistance des matériaux à l'érosion.
Ces observations permettent de proposer une première délimitation des grandes unités géomorphologiques.
9.2. Ce qu'on ne peut pas déterminer directement
Une image optique ne permet pas, à elle seule, d'établir de façon certaine :
- L'âge absolu des roches.
- La composition minéralogique détaillée de chaque unité.
- La nature exacte des contacts géologiques.
- La géométrie complète des formations en profondeur.
Il faut donc consulter des cartes géologiques et des travaux de terrain pour compléter l'interprétation.
9.3. Intérêt de la combinaison image et topographie
Les données topographiques, notamment celles issues de la mission SRTM, permettent de mieux comprendre l'organisation du relief.
En combinant une image satellite et un modèle numérique d'élévation, on peut visualiser les anneaux de Richat en perspective.
Cette combinaison permet de mieux distinguer les variations de relief des simples différences de couleur.
10. Les limites de la télédétection géologique
La télédétection est un outil puissant, mais elle présente plusieurs limites.
La couverture végétale
Une végétation dense masque les formations géologiques situées en dessous.
Dans les régions tropicales, l'interprétation lithologique directe par imagerie optique peut être particulièrement difficile.
Les sols et produits d'altération
Le signal spectral observé provient souvent du matériau de surface, qui peut différer sensiblement de la roche sous-jacente.
Une couche de sol, une croûte d'altération ou des dépôts alluviaux peuvent masquer le substratum.
La résolution spatiale
Les structures de petite dimension peuvent être difficiles à identifier si elles occupent moins d'un ou quelques pixels.
Une faille étroite ou un filon de quelques mètres peut ainsi rester invisible sur une image à 10 ou 30 mètres de résolution.
Les ambiguïtés spectrales
Des matériaux différents peuvent présenter des comportements spectraux proches dans les bandes disponibles.
Inversement, une même roche peut présenter des signatures différentes en fonction de son altération ou de son état de surface.
Les effets topographiques
Dans les régions montagneuses, les ombres et les différences d'orientation des versants par rapport au Soleil influencent fortement l'apparence des images.
Les corrections topographiques et les données d'élévation peuvent aider à limiter ces effets.
La télédétection doit donc être considérée comme une méthode d'investigation complémentaire de la cartographie géologique, de la pétrographie, de la géochimie et des observations de terrain.
11. Conclusion
La télédétection constitue aujourd'hui un outil important pour les géologues.
Les satellites Sentinel‑2 et Landsat permettent d'observer les paysages à différentes échelles, d'analyser les propriétés spectrales des surfaces et de suivre leur évolution dans le temps.
Les compositions en couleurs naturelles facilitent la reconnaissance générale des terrains, tandis que les fausses couleurs et les rapports de bandes peuvent renforcer certains contrastes géologiques.
Ces techniques contribuent notamment à la cartographie lithologique, à l'identification des structures tectoniques, à l'exploration minérale et à l'étude des risques naturels.
Cependant, une image satellitaire ne constitue jamais, à elle seule, une preuve suffisante de la nature d'une roche ou de l'origine d'une structure.
L'approche la plus rigoureuse consiste à associer télédétection, cartographie géologique, données topographiques, analyses pétrographiques et observations de terrain.
La maîtrise de ces principes constitue une première étape vers l'utilisation de logiciels SIG, le traitement numérique des images et la cartographie géologique assistée par satellite.
