Corrections radiométriques des images optiques satellitales (Travail pratique 2)

Pour le moment dans notre cours:• Rayonnement solaire réfléchi trouver la

réflectance au sol des mesures des capteurs• Rayonnement émis trouver la température

au sol des mesures des capteurs

Rayonnement solaire réfléchi (RSR)

• Étape 1: Conversion des valeurs numériques en luminances au capteur

• Étape 2: Calcul des luminances au sol par élimination des effets atmosphériques

• Étape 3: Conversion des luminances au sol en réflectances au sol

Rayonnement émis (IRT)

• Étape 1: Conversion des valeurs numériques en luminances au capteur

• Étape 2: Calcul des luminances au sol par élimination des effets atmosphériques

• Étape 3: Conversion des luminances apparentes au sol en luminances vraies au sol en éliminant les effets de l’émissivité

• Étape 4: Calcul des températures au sol par les luminances vraies

Étape 1 (RSR et IRT)

• Étalonnage du capteur Metadonnées

)VNVN(*VNVN

LLLL min

minmax

minmaxmins

Exemple: Landsat-7

Étape 2 (RSR et IRT)

• transmittance atmosphérique surface-capteur

• luminance atmosphérique «parasite» Question: comment connaître les paramètres atmosphériques au moment du passage du satellite?

Étape 3 (RSR)

c conversion W/m2 en W/m2/sr

Question: comment connaître l’éclairement au sol au moment du passage du satellite?

Étape 3 (IRT)

c conversion W/m2 en W/m2/sr

Question: comment connaître l’éclairement au sol au moment du passage du satellite; l’émissivité et la réflectance de surface dans l’IRT?

Étape 4 (IRT)

• Calcul de la température par le Lsol (vraie) approximation de la loi de Plank

273

1L1k

ln

2k)C(T

VRAIESOL

Réponses aux questions

• Plusieurs façons d’aborder le problème ici modélisation physique du transfert radiatif dans le système surface-atmosphère (code atmosphérique)

RSR (Transfert radiatif)

Qu’est-ce qu’un code peut faire?Un code simule la quantité du rayonnement solaire (éclairement, luminance) mesurable à un point quelconque dans le système Terre-atmosphère et à une longueur d’onde quelconque.

Pour ce faire :• Solution approximative de l’équation intégro-

différentiale du transfert du rayonnement solaire dans le système Terre-atmosphère, pour cela il faut aussi:

• Fixer les conditions aux limites du système• Fixer la structure de l’atmosphère• Décrire les deux phénomènes de base: absorption +

diffusion

Exemple: le CODE 6S (Second Simulation of a Satellite Signal in the Solar Spectrum)

• Solution: méthode de qualité, relativement rapide à exécuter

• Conditions aux limites du système: plusieurs possibilités pour la surface terrestre, possibilités de simuler diverses conditions géométriques d’illumination et d’observation

• Structure de l’atmosphère: atmosphère multi-couches, introduction de l’altitude du terrain, plusieurs possibilités quant aux composants (gaz, aérosol)

• Phénomènes: absorption, diffusion, possibilité de mieux approcher les effets de la vapeur d’eau.

Structure de l’atmosphère: chaque couche est peuplée d’un nombre de molécules des gaz et de particules en

suspension (aérosol)

TERRE

34 couches

ATMOSPHÈRE 1-D

Les conditions aux limites: L’éclairement solaire aux confins de l’atmosphère (supposé connu observations)

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Longueur d'onde (m)

100

300

500

700

900

1100

1300

1500

1700

1900

2100

Éclairementsolaire(W

m-2)

Conditions géométriques: illumination-observation (cas satellite)

v

s

Passage par l’atmosphère

Diffusion et absorption

La constitution de l’atmosphère en molécules des gaz pas mal connue et stable à l’exception de la vapeur d’eau et dans une moindre mesure de l’ozone stratosphérique;

Les propriétés de diffusion et d’absorption des molécules des gaz pas mal connues;

Le grand inconnu les particules de l’aérosol;

Température [K]

Log(H2O [gm-3])

Log(O3 [gm-3])

2 -3 Log(P [mb]) -3 2

PT

Alt

itu

de

[km

]

H2OO3

Profil Atmophérique : zone tempérée : été

Pour les calculs de l’absorption et de la diffusion par les molécules des gaz nécessaire de connaître profil vertical température/pression ainsi que le profil vertical ozone + vapeur d’eau: modèles par défaut

Pour les aérosols on suppose la composition connue (rural, urbain, maritime,…) et on cherche à estimer la charge par les données satellitales mêmes ou d’autres approches (plus loin). Pour la distribution verticale autres hypothèses…. Également le plus souvent on suppose l’indépendance des phénomènes d’absorption et de diffusion

Éclairement direct du soleil

sE osT E oRR

Z

2cos

sT T egZ cos

Le code alors calcule l’éclairement direct incident à un élément au sol

Éclairement diffus du ciel

Le code alors calcule l’éclairement du ciel incident à un élément au sol

• Comment réagit la surface face à l’éclairement solaire direct? La réflectance bidirectionnelle

• Comment réagit la surface face à l’éclairement diffus du ciel? La réflectance hémisphérique-directionnelle

Pour toute direction de provenance on trouve la réflectance bidirectionnelle et l’on fait la somme

Attention!!! LES COURBES DE SIGNATURES SPECTRALES RÉFLECTANCE HÉMISPHÉRIQUE-HÉMISPHÉRIQUE

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Longueur d'onde (m)

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Réflectance

Alluminium

Asphalte

Béton

Cuivre

Conifères

Feuillus

Herbe

Réflectance bidirectionnelle

• Le code 6S propose une série de modèles adaptées à différents types de surface (surtout couvert végétal)

• Dans la pratique difficultés d’appliquer ces modèles car on ne connaît pas le type de surface

• Le plus souvent (malgré la validité questionnable de l’hypothèse) on suppose que la surface est isotrope alors: La réflectance bidirectionnelle = réflectance hémisphérique-directionnelle; alors

Luminance quittant la surface =

Lsol = Etot*ρ/

totE sE cielE +

Luminance de la surface est atténuée par l’atmosphère

T T er gZc cos

Le code calcule la transmittance

À cette luminance s’ajoute la luminance propre à l’atmosphère Lp

Le code calcule la luminance parasite

Maritime Rural Urbain

Rayonnement dans le visible quittant l’atmosphère selon le type de l’aérosol

SOLEIL

Longueur d’onde [mm]

Rép

onse

sp

ectr

ale

[%]

Longueur d’onde [mm]

Rép

onse

sp

ectr

ale

[%]

SENSIBILITÉ SPECTRALEDES BANDES TM3,TM4 et TM5

TM 3TM 4

La luminance par longueur d’onde qui arrive au capteur est finalement: Lsat = Lsol Tr + Lp

Le capteur filtre le rayonnement reçu selon la bande spectrale: la luminance totale est la somme de toute luminance spectrale qui passe par le filtre pondérée par la sensibilité du détecteur de cette bande

1. Capteurs spéciaux2. Cibles obscures3. Visibilité

Estimation de la charge totale d’aérosols Profondeur optique d’aérosols

1. Capteurs spéciaux : MISR

Résolution basse par de système disponible équivalent pour les résolutions moyennes et hautes

2. La méthode des cibles obscuresLsat = Lsol Tr + Lp Lsat = Lp

Application du code d’une manière itérative trouve la profondeur optique qui donne une luminance parasite équivalente à celle observée

3. La visibilitéSi l’on dispose d’une mesure de la visibilité (exemple aéroport) 6S a des modèles de calcul de la profondeur optique (méthode très approximative)

Un exemple de correction

Les choses se complexifient lorsque le terrain est accidenté

Le modèle de réflectance isotrope simplifie les calculs mais des erreurs importantes.

Les capteurs aéroportés: effets importants de réflexion bidirectionnelle

IRT (Transfert radiatif)

Formulation

• Approximation :

Comment faire pour enlever l’effet de l’émissivité?

Solutions?• 1 seul canal (ex. Landsat)• 2 et plus canaux (ex. ASTER)

1 canal

Créer des cartes approximatives d’émissivité

Ex. type d’occupation du sol valeurs par défaut

Plusieurs canaux

Ex. Algorithme TES (temperature-emissivity separation)

Idée de base: peu importe le canal la température de surface reste la même;Alors processus itératif: quelles sont les valeurs de l’émissivité pour que les valeurs de Lsol (vraie) calculées pour une température, qui reste constante

pour l’ensemble de bandes, sont équivalentes à Lsol (vraie) observées simultanément pour tous les canaux