La Terre vue de l’espace : comment la photo satellite se démocratise pour devenir un enjeu majeur

Notamment portées par la démocratisation d’outils géomatiques comme Google Earth ou les GPS de nos smartphones, les images satellites de notre planète deviennent omniprésentes. Entre l’engouement du grand public et les besoins du monde professionnel, la fourniture des images satellites en haute résolution prend de l’ampleur.

Un domaine en pleine expansion

Parmi les spécialistes du domaine, citons par exemple Capella Space, Maxar Technologies, Spire Global ou encore Planet Labs. Cette dernière société se distingue de ses concurrentes par sa flotte de près de 200 satellites en orbite et sa constellation SkySat. Grâce à eux, Planet Labs peut obtenir très rapidement des images en haute résolution de notre planète ; un argument qui fait mouche sur un segment aussi concurrentiel.

Souvent impressionnantes, les images satellites n’existent pas que pour nous émerveiller, même si l’île de Kure — l’atoll corallien le plus au nord du monde, à Hawaii — ici représentée est magnifique vue de l’espace.

© Planet Labs

C’est dans ce contexte que l’agence spatiale européenne (ESA) a annoncé en 2022 un nouveau partenariat avec Planet Labs en intégrant la flotte SkySat dans son Programme de missions de tiers. Pour célébrer l’évènement, les deux entités ont conjointement dévoilé une photo de l’Arc de Triomphe vu de l’espace. Pour mieux découvrir l’envers du décor, nous avons pu échanger avec Louis Rousmaniere, chef produit pour les satellites haute résolution chez Planet Labs.

Surveillance du parc national d'Iguazú, dans le sud du Brésil. La route 277 qui traverse l'État du Paraná sert de frontière entre le parc et les fermes de canne à sucre.

Surveillance du parc national d’Iguazú, dans le sud du Brésil. La route 277 qui traverse l’État du Paraná sert de frontière entre le parc et les fermes de canne à sucre.

© Planet Labs

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Qui commande des images satellites ?

Mais avant de parler image ou satellite, abordons la question de l’usage pour mieux comprendre pourquoi les lancements se multiplient. Si les besoins d’un spécialiste de la cartographie comme Google peuvent paraitre évidents, ce ne sont pas les seuls qui nécessitent un accès à l’imagerie satellite. Le secteur privé fait partie des principaux clients, mais les gouvernements ou les ONG sont aussi de grands utilisateurs des photos satellites.

En 2021, les revenus de Planet Labs étaient répartis en cinq grands blocs. Bien que la cartographie n’arrive qu’en quatrième position, elle nécessite tout de même une catégorie à elle seule pour être comptabilisée, montrant ainsi son importance dans le secteur :

  • 24 % pour le domaine civil en général
  • 23 % pour l’agriculture, le marché principal de l’entreprise
  • 22 % pour la défense et l’intelligence
  • 17 % pour la cartographie
  • 14 % dans une dernière catégorie regroupant divers revenus

La Terre vue de lespace comment la photo satellite se.svg

La Terre vue de lespace comment la photo satellite se.svg
Pont reliant Slavutych en Ukraine à Kamaryn en Biélorussie.

Les images montrent un pont à 4 jours d’intervalle lors de l’invasion russe en Ukraine, en février 2022. Le fleuve Dniepr sépare l’Ukraine (à gauche) de la Biélorussie (à droite). © Planet Labs

Mais pour quels usages ?

Plus concrètement, le monde de l’agriculture, à travers des entreprises comme Farmers Edge ou BASF, utilise les données satellites pour mieux surveiller les cultures et optimiser les rendements. Les questions environnementales liées à la déforestation, aux évolutions du littoral ou à des catastrophes naturelles sont aussi au cœur des usages de l’imagerie satellite. Dans un autre registre, les images satellites ont ainsi pu servir à renseigner sur les dégâts des infrastructures pour mieux orienter les services d’urgences lors de la catastrophe de Beyrouth en 2020, pour ne donner qu’un exemple.

Les satellites jouent également un rôle sur le suivi d’évènements géopolitiques, comme l’a mis en lumière la guerre en Ukraine dès le début 2022. Un suivi des flux de population est aussi possible pour renforcer la sécurité aux frontières ou pour le développement de l’aide humanitaire. Par exemple, l’ONG Human Rights Watch utilise des images satellites pour suivre la crise des réfugiés Rohingya, nous indique Planet Labs.

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L’incontournable SpaceX

Les satellites d’observation de la Terre sont ainsi les yeux technologiques qui permettent d’obtenir des informations pour nous offrir un regard sur notre planète et son activité à partir d’un point de vue particulier. À l’origine, depuis 2013, les satellites de Planet Labs étaient mis en orbite depuis la ville de Yasny en Russie à l’aide du lanceur ukrainien Dniepr. Par la suite, c’est le prestataire SpaceX, fondée par Elon Musk, qui a permis de développer la constellation. Le lanceur partiellement réutilisable Falcon 9 a ainsi été utilisé pour envoyer les tout derniers modèles de satellites.

La flotte Skystat de Planet Labs constituée de 21 satellites permet d’obtenir les fameuses images en haute résolution. Ces satellites ont été conçus en utilisant le concept des CubeSat comme base de réflexion. Pensée à la fin des années 90, cette idée avait pour but de concevoir un satellite avec des moyens rudimentaires, comme des produits informatiques standards de façon à réduire les coûts.

Le décollage à pleine puissance d'une fusée Falcon 9 de SpaceX depuis la base américaine Vandenberg. Le lanceur emporte 10 satellites de communication Iridium.

Le décollage à pleine puissance d’une fusée Falcon 9 de SpaceX depuis la base américaine Vandenberg. Le lanceur emporte 10 satellites de communication Iridium.

© SpaceX

De l’image satellite low cost

De cette façon, des étudiants ou des amateurs éclairés pourraient, eux aussi, avoir accès à l’orbite terrestre. Dans une certaine mesure en tout cas. Des satellites miniatures et cubiques de 10 cm de côté pour un peu plus de 2 kg sont ainsi nés de ces recherches, les fameux CubeSat. En comparaison, un satellite d’observation de la Terre comme l’ERS-2 qui est arrivé en fin de vie à peu près à la même époque en 2000 pesait 2157 kg pour des dimensions de 12 x 2,5 m. Ce satellite conventionnel était positionné en orbite à 785 km.

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Très vite, l’idée de lancer des satellites sur ce nouveau modèle pour en réaliser une exploitation commerciale s’est développée. Et pour cause, un satellite conventionnel coûte entre 50 et 500 millions de dollars, alors que l’on parle d’un montant compris entre 1 et 5 millions de dollars pour un satellite équivalent à ceux de la constellation de Skysat ! Finalement, c’est bien l’idée d’une sorte de satellite low cost qui vient de naitre. C’est d’ailleurs comme cela que s’est construite la société Planet Labs avec ses premiers satellites de la constellation Doves. Aujourd’hui, la société compte plus de 450 satellites lancés à ce jour et 600 employés répartis à travers le monde.

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Marque
NIKON CORPORATION

Modèle
NIKON D3S

Vitesse
1/640 s, ouverture : f/9.0

Sensibilité
200 ISO

Focale, décalage expo
350/10 mm, 0/6 IL

Lancement de deux satellites Dove depuis la Station Spatiale Internationale. La photo a été prise lors de l'expédition 38 par le membre d'équipage Koichi Wakata ; une image d'une qualité assez rare d'un objet en mouvement.

Lancement de deux satellites Dove depuis la Station Spatiale Internationale. La photo a été prise lors de l’expédition 38 par le membre d’équipage Koichi Wakata ; une image d’une qualité assez rare d’un objet en mouvement.

© Koichi Wakata / Johnson Space Center / NASA

Des évolutions, mais toujours des “petits” satellites

Plus évolués que ceux de la constellation Dove, les satellites SkySat sont à l’origine développés par la société Skybox Imaging devenue Terra Bella après avoir été rachetée par Alphabet — la structure qui regroupe les activités de Google — puis revendue à Planet Labs en 2017. Ces satellites restent dans la catégorie des petits gabarits en prenant la forme d’un parallélépipède mesurant environ 95 cm de haut pour 120 kg chez les dernières générations, soit la taille d’un petit réfrigérateur. Chaque face du satellite est recouverte de panneaux solaires pour lui apporter l’énergie nécessaire à son fonctionnement.

Les deux premiers satellites — aussi considérés comme des prototypes — de la constellation sont positionnés à une orbite de 600 km. Les suivants sont passés d’une orbite de 500 km à 450 km, afin d’obtenir des images de meilleure qualité. Les satellites plus récents, lancés à partir de 2020, peuvent être positionnés en orbite jusqu’à seulement 400 km. Ils bénéficient de 4 propulseurs suédois pour pouvoir ajuster leur position.

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Trois satellites SkySat montés sur leur support avant d'être intégrés dans la coiffe d'un lanceur comme le Minotaur-C ou le Falcon 9.

Trois satellites SkySat montés sur leur support avant d’être intégrés dans la coiffe d’un lanceur comme le Minotaur-C ou le Falcon 9.

© Planet Labs

Un équipement conventionnel pour réduire les coûts

Pour enregistrer l’image, un télescope de 35 cm de diamètre de type Cassegrain est embarqué. On retrouve ce système de fonctionnement dans les objectifs catadioptriques en photographie plus traditionnelle, par exemple. Il dispose d’une focale de 3,6 m. Trois capteurs CMOS de 5,5 mégapixels sont utilisés pour capturer les images. Ils sont tout à fait comparables à ceux que l’on trouve dans nos smartphones ou appareils photo. La définition est de 2560 x 2160 px tandis que la taille des photosites est de 6,5 µm, une dimension relativement importante en comparaison d’un appareil photo conventionnel.

Grâce aux capteurs, la constellation SkySat permet d’obtenir des images panchromatiques — dans le spectre visible par l’œil humain — et multispectrales. Pour y arriver, la surface des capteurs est divisée en deux. La partie supérieure s’occupe des images dans le spectre de 450 à 900 nm. Sur la moitié inférieure, 4 bandes autorisent une captation dans les bleus (450-515 nm), les verts (515-595 nm), les rouges (605-695 nm) et l’infrarouge proche (740-900 nm).


La Terre vue de lespace comment la photo satellite se.svg
Proche infrarouge

La Terre vue de lespace comment la photo satellite se.svg
Spectre visible

Les images obtenues grâce aux bandes spectrales invisibles à l’œil nu peuvent se montrer très utiles dans certains cas. La végétation et l’eau réfléchissent et absorbent les ondes différemment, augmentant ainsi le contraste, pour une meilleure surveillance des zones. Ici, une rivière dans le district autonome de Chukotka en Russie. © Planet Labs

Des données brutes à exploiter

Comme nous l’expliquions notamment dans notre article dédié aux nouvelles images capturées par le télescope spatial James Webb ou celles capturées par Hubble, les données enregistrées contiennent beaucoup d’informations inexploitables par le grand public ou par une bonne partie des clients de Planet Labs.

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En effet, les images visibles à la toute fin de la chaîne sont rarement capturées en l’état. S’affranchir d’une couverture nuageuse fait partie des problématiques récurrentes, mais ce n’est pas la seule. La stabilisation ou la compensation du mouvement du satellite en orbite se placent aussi comme des entraves dont on cherche à se débarrasser. Le déplacement très rapide du satellite oblige à réduire le temps de pose avec, pour conséquence, un effet désastreux sur le rapport signal/bruit.

Schéma du fonctionnement d’un capteur de type pushbroom. © Ccarmour – CC BY-SA 4.0

De nombreuses contraintes spécifiques

Comme si les choses n’étaient pas assez compliquées, le fonctionnement de type pushbroom — que l’on peut traduire littéralement par “balai poussant” — de certains capteurs apporte aussi ses problèmes avec lui. Cet enregistrement des pixels ligne par ligne peut être comparé à un balai qui ramasserait les données plutôt que de la poussière. Il induit notamment des complications liées à l’intervalle entre l’enregistrement de la première et de la dernière ligne de pixels du capteur ou à la quantité de données à traiter.

Pour ne rien arranger, utiliser plusieurs capteurs ou enregistrer des images successives alors que le satellite est en mouvement provoque de la parallaxe. Et nous ne parlerons pas de la capacité du capteur à changer d’orientation pour viser différentes zones géographiques en fonction de la position du satellite. Encore une fois, les données récupérées doivent souvent être réinterprétées et réassemblées pour les rendre digestes. D’ailleurs, certains artefacts liés à ces corrections peuvent apparaître sur les images finales sous forme de franges colorées. Ces défauts ne doivent surtout pas être confondus avec des aberrations optiques.

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L'avion accidentellement capturé a créé un décalage entre les images qui n'a pas pu être correctement corrigé.

L’avion accidentellement capturé a créé un décalage entre les images qui n’a pas pu être correctement corrigé.

© Google Earth

Une connexion à 450 Mb/s

Les satellites peuvent acquérir des images par zones, des images stéréoscopiques — prises de vues d’une même zone à quelques secondes d’intervalle — ou des vidéos, de jour comme de nuit. Les images sont compressées en JPEG 2000, tandis que les vidéos capturées à 30 i/s sont compressées en MP4 avec une définition FHD. La durée maximale d’enregistrement atteint alors 90 secondes.

L’ensemble des données collectées est inscrit sur un espace de stockage embarqué de 768 Go. La data peut logiquement être transférée sur Terre, à une vitesse pouvant atteindre 56 Mo/s. De quoi faire rêver tous ceux qui n’ont pas encore d’accès internet en fibre optique.

Capturée le 23 août 2022, cette image montre des incendies dans les bois près de la centrale nucléaire de Zaporijia, en Ukraine.

Capturée le 23 août 2022, cette image montre des incendies dans les bois près de la centrale nucléaire de Zaporijia, en Ukraine.

© Planet Labs

La réactivité, une composante critique

Si les données brutes peuvent être accessibles à la demande pour répondre à certains besoins spécifiques d’une agence gouvernementale, ce sont bien les données traitées qui sont généralement utiles, et qui alourdissent ainsi le délai entre leur enregistrement et la livraison finale. Ce délai, justement, est un des aspects critiques du secteur. La demande est de plus en plus forte pour une disponibilité la plus rapide possible du matériau capturé, particulièrement s’il est retravaillé.

Outre une gamme spectrale et une résolution plus importante, les technologies intégrées dans notre nouvelle génération de satellites vont nous permettre d’organiser, collecter et délivrer des images en quelques minutes plutôt qu’en quelques heures.

Louis Rousmaniere, chef produit pour les satellites haute résolution chez Planet Labs

Louis Rousmaniere, chef produit pour les satellites haute résolution chez Planet Labs, nous l’indique sans détour : “les différentes évolutions apportées aux constellations vont permettre de réduire le temps d’acquisition. Alors que le processus complet pour acquérir une photo se compte en heures, l’organisation, la collecte et la livraison des images pourront se compter en minutes“.

Une image de synthèse montrant un satellite Pelican en orbite.

Une image de synthèse montrant un satellite Pelican en orbite.

© Planet Labs

Une nouvelle génération de satellites arrive

Pour y arriver, la constellation SkySat va être progressivement renouvelée par les nouveaux satellites Pelican plus modernes. Le premier lancement est annoncé pour 2023, avec une mise en service des 32 satellites prévue pour 2025. La résolution spatiale devrait atteindre 30 cm (contre 50 à 80 cm actuellement), en partie grâce à une orbite à 365 km. Si les satellites Pelican bénéficient bien d’une gamme spectrale plus large et d’une résolution spatiale plus importante, c’est aussi le nombre de revisites porté à 30 par jour qui devrait permettre de gagner en réactivité.

L’objectif est affirmé clairement : recevoir les images d’un évènement terrestre quelques minutes après la commande de façon à répondre aux enjeux de l’accès à l’information, de l’écologie, du climat, de la géopolitique, de la défense, de l’aide humanitaire, mais aussi, et de façon peut-être un peu plus anecdotique, pour notre fascination devant des images souvent très impressionnantes.

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La Terre vue de l’espace : comment la photo satellite se démocratise pour devenir un enjeu majeur

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