Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Physique de la mesure dans le domaine

optique

Effets atmosphériquesSignatures spectrales et directionnelles

Olivier Hagolle

Centre d’Etudes Spatiales de la Biosphère (CESBIO)

http://cesbio.ups-tlse.fr

Atmosphere

NUAGES

• Effet atmosphérique principal• Environ 70% de couverture nuageuse globalement• 1 image LANDSAT sur 10 (180*180 km) présente moins de 5%

de nuages

• Détection délicate• Forte variabilité des types de nuages

• Hauts ou bas, • épais ou fins, • eau liquide ou glace

• Forte variabilité des paysages sous le nuage

Cumulus(détection aisée)

Différence entre neige et nuages difficile dans le visible

Nuages à bord fins

Nuages élevés et fins

Traces d’avion• Difficiles à

détecter

• Sans compter leurs ombres

Incendie du 2/2/2• Ecobuage• 5000ha• 1mort

Les aérosols dus à la fumée se confondent avec un nuage

• Deux phénomènes principaux

• Deux effets : – les spectres de luminance montants et descendants sont

filtrés par l’atmosphère– le ciel devient une source lumineuse

Absorption : Diffusion :

Effets Atmosphériques

Diffusion par les molécules (Rayleigh) ~ -4

Variation spectrale de la diffusion par les aérosols~ -

a : Coefficient d’ Angström Varie entre 0 et 2 en fonction du type d’aérosols

Comparaison des effets d’absorption et de diffusion

Sable Végétation

Comparaison des réflectances en bas et au sommet de l’atmosphère (TOA=Top of Atmosphere)

Absorption et Diffusion

Absorption

Sondage AtmosphériqueInfra-rouge ou Micro-Ondes

• Buts :– Profil de la température atmosphérique en fonction

de l’altitude – Si la température est connue, calcul de l’abondance

des absorbants en fonction de l’altitude– Nécessite plusieurs canaux d’absorption différentes.

Sondage atmosphérique

K

0

0.5

1

c

humid

dry

Absorption, altitude de l’observation

Microwave Sounding (MHS), 5 canauxautour d’une raie d’absorption à 183 GHz

Effets Atmosphériques : la diffusion

La diffusion est très variable dans le temps et

l’espace en raison des nuages et des aérosols

Diffusion par les molécules (Rayleigh)

• La luminance de la diffusion moléculaire (Rayleigh) varie en

– C’est l’effet atmosphérique principal dans le bleu explique le ciel bleu et le soleil rouge au coucher

• Fonction de phase du Rayleigh :

41

Angle de diffusion

Direction incidente

Directiondiffuse

Angle de phase

Diffusion par les aérosols

• La luminance varie en avec 0,5 < < 1,5

: Coefficient d’angströminfluence plus forte dans le bleul’abondance des aérosols varie rapidement avec le temps

• Fonction de phase– depend du type d’aérosols– Forte pointe avant pour les

grosses particules

1

0.1µm

2 µm

B3 (NIR)0,78-0,89 µm

B0 (blue)0,43-0,47 µm

Effets de la diffusion

Ciel bleu

ObserverAerosols

Aérosols

Rayleigh

Rayleigh

À la direction solaire, la diffusion provient de la diffusion moléculaire :=> Le ciel est bleu sombre

Près de la direction solaire, la diffusion par les aérosols prend de l’importance=> Le ciel est bleu clair

Aérosols désertiques

Réflectance atmosphérique

Diffus puis direct direct puis diffus Diffusions multiples

direct + direct

Modélisation de la diffusion (Trajets)

Equation simple du transfert radiatif

ground

atmosphere

sv

Merci à E. Vermote (U.Maryland)

Réflectance du sol uniforme

Equation simple du transfert radiatif

ground

atmosphere

sv

Merci à E. Vermote (U.Maryland)

Réflectance du sol uniforme

atmosphere

sv ),,( vsatm

Absorbing ground

Equation simple du transfert radiatif

Réflectance atmosphérique

)cos()cos(.4

)(P)(P),,(

ss

molmolaeroaerovsatm

Equation simple du transfert radiatif

s Ei

Et

Tatm(s ) EtEi

Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet descendant

s

molaero

cosdirdifdirsatm eTetTT)(T

Equation simple du transfert radiatif

Et Er groundEt

Réflection par le sol (uniforme et lambertien)

Equation simple du transfert radiatif

v

Er

E0

Tatm(v) EoEr

40

Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet montant

Equation simple du transfert radiatif

ground

atmosphere

sv

app atm EoEi

EoEi

T(v )ErEi

T(v )groundEt

EiT(v )groundT(s )

app atm T(v )groundT(s )

Trajets avec une réflexion à la surface

Equation simple du transfert radiatif

ground

atmosphere albedo =Satm

Ei

EiT(s )

EiT(s )ground

EiT(s )groundSatm

EiT(s )groundSatmground

EiT(s )groundSatmgroundT(v)

Trajets avec 2 réflexions à la surface

Equation simple du transfert radiatif

app atm T(s )T(v )ground 1 groundSatm groundSatm 2 groundSatm 3...

app atm Tatm(s )Tatm(v )ground

1 groundSatm

1 r r2 r 3 ...r n 1 1 r n

1 r

groundSatm < 1 so when n->∞ then (groundSatm)n ->0

Therefore 1 groundS groundS 2 groundS 3... 1

1 groundS

Modélisation simple des effets atmosphériques

atmground

groundvatmsatmvsatmgvsapp S1)(T)(T,,T,,

Réflectance TOA

Réflectance atmo

Transmission atmosphérique(diffusion)

Réflectance atmosphérique

Réflectance du sol

(lambertienne, uniforme)Transmission gazeuse

Modélisation simple des effets atmosphériques• Modèle simple et approché

TOA : réflectance en haut de l’atmosphère ground : réflectance sans atmosphère atm : réflectance atmospherique Croît avec les angles et l’abondance d’aérosols

• Tatm : transmittance atmosphériqueDécroit avec les angles et l’abondance d’aérosols

• Satm : réflectance atmosphériqueCroit avec l’abondance d’aérosols

• Tg : transmittance gazeuse

groundatm

groundvatmsatmvsatmgvsTOA ρS1

ρ)(θ)T(θT+φ),θ,(θρT=φ),θ,(θρ

g ro u n d

a tmo s p h e re

sv

Exemples de variations

• Réflectance TOA en fonction de réflectance de surface• Pour différentes abondances d’aérosols • Tau= épaisseur optique

• Noter le croisement des courbes en un point

865 nm443 nm

Modélisation des effets atmosphériques

• Pour calculer les différents termes de l’équation ci-dessus• Ou pour obtenir une modélisation plus précise

• Utilisation de codes de transfert radiatif dans l’atmosphère• 6S, MODTRAN, SOS

• Modélisation très précise• À condition de connaitre les paramètres atmosphériques• Abondance de vapeur d’eau, d’aérosols…

• Calculs longs, impossibles à effectuer sur chaque pixels• Utilisation de tableaux précalculés une fois pour toutes

• Look-up tables (LUT)• Pour la diffusion : Tableaux à 9 Dimensions

• Angles de visée (2), Angles solaires(2)• Réflectance du sol, altitude du sol, • abondance d’aérosols, type d’aérosols,• bande spectrale

Observations d’aérosols par LidarCalipso (NASA/CNES)

Exemples de cartes d’aérosols

Effets d'environnement

Pas de dénomination officielle– « effets d'environnement », « adjacency effect »

– Effet de flou apporté par l'atmosphère

Contributions à la réflectance TOA

1. Réflectance atmosphérique 2. Réflectance du pixel 3+4. effets d'environnement

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Effets d'environnement Ordres de grandeur de l'erreur de correction

– Paysage test : parcelle de blé de 400m dans paysage de sol nu• Comparé à un paysage uniforme• Aérosols continentaux, theta_s=45, theta_v=20°• « pire cas réaliste »

– Au centre de la parcelle :

Effets d'environnement Erreurs de correction atmosphérique :

Nécessité de connaître l'épaisseur optique pour bien corriger

Effets du relief

Pas de dénomination officielle– « effet de pente», « slope effect »

– Variations de l’éclairement dues à l’orientation des pentes par rapport au soleil

Effets

angle par rapport à la direction solaire Portion du ciel non visible Réflexion sur les surfaces adjacentes

Propriétés directionnelles

des réflectances

Effets directionnels

• Surfaces Lambertiennes:– La neige, sable sont quasi lambertiens (mais pas

exactement, surtout si présence de dunes)

• La réflectance peut-être plus grande que 1– Ex : soleil réfléchi par une vitre

• La réflectance de l’eau est très directionnelle– Réflectances élevées dans la direction spéculaire (0.2

à 0.6 en général)– Supérieure à 1 pour les lacs.

cste=φφ,θ,θρ irri

Effets directionnels

• Forêt vue d’hélicoptère

Vue en rétrodiffusion

Vue perpendiculaire au plan solaire

Ombre de l’hélicoptère

Ombre des arbres

Effets directionnelsRéflectance en fonction de l’angle de phase

(vert : 670 nm , rouge 865 nm)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

-40 -30 -20 -10 0 10 20

Refl

ecta

nce

Phase Angle

(c)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

-40 -30 -20 -10 0 10 20

Refl

ecta

nce

Phase Angle

(a)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-40 -30 -20 -10 0 10 20

Refl

ecta

nce

Phase Angle

(d)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

-40 -30 -20 -10 0 10 20

Refl

ecta

nce

Phase Angle

(f)

desert conifers

cultures savanne

Bréon, ISPRS 2001

Pic de rétrodiffusion« Hot Spot »

Observations vers le sud, verticale et vers le Nord.Soleil au Sud-est

Observés par POLDER dans le proche infra rouge

Effets Directionnels

Signatures Directionnelles

Dans quelle montgolfière était le photographe ?

Signatures Directionnelles

Dans quelle montgolfière était le photographe ?

Effets directionnels

• Conclusions– Directional effects contain information to study Vegetation

cover, Atmophere, Oceans , Clouds

– Reflectances can vary by more than a factor 2 on lands– Directional effects cannot be neglected– When using temporal series, it is necessary to correct for

directional effects

- Other Idea :- Avoid Directional effects :

- Venµs Project (CNES)- Formosat-2 (Taiwan)

- Constant observation angles

Maisongrande, 2001

Unité 4 (après retraitement)

0

100

200

300

400

500

600

12/10/96 01/12/96 20/01/97 11/03/97 30/04/97 19/06/97 08/08/97

date

réfl

ec

tan

ce

canal1 canal2 canal3

Effets directionnels

From Formosat 2 Sunflower Field Toulouse

From SPOT Wheat field, Romania

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

10/11/2005

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

12/11/2005

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

18/11/2005

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

21/12/2005

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

28/12/2005

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

04/12/2005

Venµs orbits• project in cooperation between France and Israel• Acquisitions every 2nd day, with constant observation angles• Resolution : 5m, Field 28 km, 12 spectral bands, 50 sites

Propriétés spectrales des réflectances

Distinction Nuages/Neige

Bleu Vert Rouge Bleu PIR MIR

Images LANDSAT

Exemples de Signatures Spectrales

Végétation Sols Nus

Neige Sols Nus/ Humidité

B0 B1 B2 B3 MIR

Spectral signatures: vegetation

VEGETATION instrument (SPOT 4 et SPOT5):• blue (B0):

– Ocean colour, atmosphere• red (B2)

– Chlorophyll absorption• Near infra red (B3):

– VEGETATION reflexion maximum• Moyen infra-rouge (MIR):

– Snow and cloud distinction– Vegetation classifications

Signature Spectrale de la végétation

Wavelength (m)

EauChlorophylleABSORPTION due à :

VisibleProche

Infra-Rouge Moyen Infra Rouge

Spectral signatures: vegetation

Simulation de spectres de Végétation pour 3 valeurs de chlorophylle différentes

Bandes Spectrales de Venµs

Moyen-Orient 05/04/98 (B3/B2/B0)

Nil Delta and Valley

Israël/EgyptBorder

Spectral signatures: vegetation

• Indices de Végetation– NDVI (Le plus utilisé): (Normalized Difference Vegetation Index)

– ARVI, EVI, SAVI…– NDWI (le SWIR remplace le rouge

dans la formule du NDVI)

• Les indices de Végétation sont très utiles– Pour réduire les données à une seule dimension– Pour réduire le bruit quand les réflectances sont bruitées

• Mais le NDVI n’est pas une grandeur physique

• utiliser des variables géophysiques (LAI, fAPAR, fCover)

• De l’information est perdue : – Si les réflectances sont de bonne qualité, il vaut mieux utiliser des

réflectances,

rougePIR

rougePIR

ρ+ρ

ρρ=NDVI

NDVI=0.72 NDVI=0.14

Signature Spectrale de la Végétation

Surface Reflectances (Near infrared/red/red)

NDVI(low in white, high in green)

NDVI interest when reflectances are of poor quality

Spectral signatures: vegetation

Spectral signatures: POLDER

Color composite POLDER : PIR/red/blue

Total radiance Polarised radiance

Spectral signatures: POLDER

Spectral signatures :ocean colour• The ocean colour contains information on the

water content– Chlorophyll concentration (Phytoplankton)– Suspended matters (sediments)

• Used for– Carbon cycle studies– Coastal monitoring

• fish farms, sediment transport– Fishing…

• Retrieving this information requires – very accurate instruments – an accurate modelisation of atmosphere

)L +L+T(L + )L+(L+L=L wgwcraart

Signatures Spectrales des Océans

wgwcraart L t +TL+ tL+ )L+(L+L=L Lt : Luminance totaleLr : Luminance Rayleigh (molecules)La : Luminance des aérosolsLra: Luminance due au couplage entre Rayleigh et aerosolsT : Transmission atmosphériqueLwc: Luminance de l’écumeLg : Luminance spéculaireLw : Luminance de l’eau

Réflectance de l’eau/ Turbidité

Spectral signatures :ocean colour• Pigment concentration(mg/m3)

– multi-year average

0.010.1

1