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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