85
Physique de la mesure dans le domaine optique Effets atmosphériques Signatures spectrales et directionnelles Olivier Hagolle Centre d’Etudes Spatiales de la Biosphère (CESBIO) http://cesbio.ups-tlse.fr

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

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 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

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

Atmosphere

Page 3: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 4: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Cumulus(détection aisée)

Différence entre neige et nuages difficile dans le visible

Page 5: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Nuages à bord fins

Page 6: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Nuages élevés et fins

Page 7: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Traces d’avion• Difficiles à

détecter

• Sans compter leurs ombres

Page 8: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Les aérosols dus à la fumée se confondent avec un nuage

Page 9: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

• 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

Page 10: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 11: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Sable Végétation

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

Absorption et Diffusion

Page 12: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Absorption

Page 13: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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.

Page 14: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 15: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Effets Atmosphériques : la diffusion

La diffusion est très variable dans le temps et

l’espace en raison des nuages et des aérosols

Page 16: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 17: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 18: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

B3 (NIR)0,78-0,89 µm

B0 (blue)0,43-0,47 µm

Effets de la diffusion

Page 19: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 20: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 21: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 22: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 23: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 24: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 25: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 26: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 27: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 28: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
Page 29: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Aérosols désertiques

Page 30: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Réflectance atmosphérique

Diffus puis direct direct puis diffus Diffusions multiples

direct + direct

Modélisation de la diffusion (Trajets)

Page 31: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Equation simple du transfert radiatif

ground

atmosphere

sv

Merci à E. Vermote (U.Maryland)

Réflectance du sol uniforme

Page 32: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Equation simple du transfert radiatif

ground

atmosphere

sv

Merci à E. Vermote (U.Maryland)

Réflectance du sol uniforme

Page 33: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

atmosphere

sv ),,( vsatm

Absorbing ground

Equation simple du transfert radiatif

Réflectance atmosphérique

)cos()cos(.4

)(P)(P),,(

ss

molmolaeroaerovsatm

Page 34: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Equation simple du transfert radiatif

s Ei

Et

Tatm(s ) EtEi

Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet descendant

s

molaero

cosdirdifdirsatm eTetTT)(T

Page 35: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Equation simple du transfert radiatif

Et Er groundEt

Réflection par le sol (uniforme et lambertien)

Page 36: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Equation simple du transfert radiatif

v

Er

E0

Tatm(v) EoEr

40

Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet montant

Page 37: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 38: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 39: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 40: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 41: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 42: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 43: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 44: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Observations d’aérosols par LidarCalipso (NASA/CNES)

Page 45: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Exemples de cartes d’aérosols

Page 46: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 47: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Page 48: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Page 49: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Page 50: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Environment correction:Validation

Date AOT

25/06/05 0.47

27/06/05 0.11

Environment Effects

Page 51: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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 :

Page 52: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Effets d'environnement Erreurs de correction atmosphérique :

Nécessité de connaître l'épaisseur optique pour bien corriger

Page 53: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 54: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Propriétés directionnelles

des réflectances

Page 55: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 56: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Effets directionnels

• Forêt vue d’hélicoptère

Vue en rétrodiffusion

Vue perpendiculaire au plan solaire

Ombre de l’hélicoptère

Ombre des arbres

Page 57: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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 »

Page 58: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Observés par POLDER dans le proche infra rouge

Effets Directionnels

Page 59: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Signatures Directionnelles

Dans quelle montgolfière était le photographe ?

Page 60: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Signatures Directionnelles

Dans quelle montgolfière était le photographe ?

Page 61: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 62: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 63: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

10/11/2005

Page 64: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

12/11/2005

Page 65: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

18/11/2005

Page 66: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

21/12/2005

Page 67: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

28/12/2005

Page 68: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Formosat 2 data, Morocco

16/11/2005

04/12/2005

Page 69: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 70: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Propriétés spectrales des réflectances

Page 71: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Distinction Nuages/Neige

Page 72: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Bleu Vert Rouge Bleu PIR MIR

Images LANDSAT

Page 73: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Exemples de Signatures Spectrales

Végétation Sols Nus

Neige Sols Nus/ Humidité

Page 74: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 75: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Signature Spectrale de la végétation

Wavelength (m)

EauChlorophylleABSORPTION due à :

VisibleProche

Infra-Rouge Moyen Infra Rouge

Page 76: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Spectral signatures: vegetation

Simulation de spectres de Végétation pour 3 valeurs de chlorophylle différentes

Bandes Spectrales de Venµs

Page 77: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Nil Delta and Valley

Israël/EgyptBorder

Spectral signatures: vegetation

Page 78: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

• 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

Page 79: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Surface Reflectances (Near infrared/red/red)

NDVI(low in white, high in green)

NDVI interest when reflectances are of poor quality

Spectral signatures: vegetation

Page 80: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Spectral signatures: POLDER

Page 81: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Color composite POLDER : PIR/red/blue

Total radiance Polarised radiance

Spectral signatures: POLDER

Page 82: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 83: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

Page 84: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

Réflectance de l’eau/ Turbidité

Page 85: Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures

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

– multi-year average

0.010.1

1