Transcript Les corrections radiométriques des images optiques

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)
 Lmax  Lmin 
* ( VN  VN min )
Ls  Lmin  
 VN max  VN min 
• Étalonnage du capteur  Metadonnées
Exemple: Landsat-7
Étape 2 (RSR et IRT)
• 𝐿𝑠 = 𝐿𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝑇 ↑ +𝐿𝑝
• 𝑇 ↑  transmittance atmosphérique surfacecapteur
• 𝐿𝑝  luminance atmosphérique «parasite»
Question: comment connaître les paramètres
atmosphériques au moment du passage du
satellite?
Étape 3 (RSR)
• 𝐿𝑠𝑜𝑙 = 𝐸𝑐𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 ∗ 𝑟é𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒/𝑐
c  conversion W/m2 en W/m2/sr
Question: comment connaître l’éclairement au
sol au moment du passage du satellite?
Étape 3 (IRT)
• 𝐿𝑠𝑜𝑙 = 𝐿𝑠𝑜𝑙 𝑣𝑟𝑎𝑖𝑒 ∗ é𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑣𝑖𝑡é +
𝐸𝑐𝑙𝑎𝑖𝑟𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡 ∗ 𝑟é𝑓𝑙𝑒𝑐𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒/𝑐
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
T( C ) 
k2
  k1

ln VRAIE  1 

  LSOL
 273
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 intégrodifférentiale 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)
ATMOSPHÈRE 1-D
34 couches
TERRE
Les conditions aux limites: L’éclairement solaire aux
confins de l’atmosphère (supposé connu 
observations)
Éclairement solaire (W m-2)
2100
1900
1700
1500
1300
1100
900
700
500
300
100
0.5
1.0
1.5
2.0
Longueur d'onde (m)
2.5
3.0
Conditions géométriques:
illumination-observation (cas satellite)
s
N
W
v
v
s
E
S
e au
Trac
so
lite
atel
s
u
ld
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;
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
Profil Atmophérique : zone tempérée : été
Température [K]
H2 O
O3
Altitude [km]
P
T
Log(O3 [gm-3])
2
-3
Log(P [mb]) -3 2
Log(H2O [gm-3])
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
Le code alors calcule
l’éclairement direct incident
à un élément au sol
Ro  2

Es  Ts E o   cos Z
 R

 cos Z
T s  Tg  e

Éclairement
direct du
soleil
Le code alors calcule
l’éclairement du ciel
incident à un élément au sol
Éclairement
diffus du ciel
• 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 hémisphériquedirectionnelle
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
0.8
Alluminium
Asphalte
0.7
Béton
Cuivre
Réflectance
0.6
Conifères
0.5
Feuillus
Herbe
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Longueur d'onde (m)
2.5
3.0
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 hémisphériquedirectionnelle; alors
Luminance quittant
la surface =
Lsol = Etot*ρ/ 
E tot  Es + E ciel
Luminance de la
surface est
atténuée par
l’atmosphère

Tr  Tg  e  cos Zc

Le code calcule la
transmittance
Le code calcule la
luminance parasite
À cette luminance
s’ajoute la
luminance propre à
l’atmosphère Lp
Rayonnement dans le visible quittant
l’atmosphère selon le type de l’aérosol
Maritime
Rural
Urbain


SOLEIL
La luminance par longueur d’onde qui arrive au
capteur est finalement: Lsat = Lsol Tr + Lp
SENSIBILITÉ SPECTRALE
DES BANDES TM3,TM4 et TM5
TM 3
Longueur d’onde [m]
Réponse spectrale [%]
Réponse spectrale [%]
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
TM 4
Longueur d’onde [m]
Estimation de la charge totale d’aérosols
 Profondeur optique d’aérosols
1. Capteurs spéciaux
2. Cibles obscures
3. Visibilité
1. Capteurs spéciaux : MISR
Résolution basse par de système
disponible équivalent pour les
résolutions moyennes et hautes
2. La méthode des cibles obscures
Lsat = 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 visibilité
Si 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
• 𝐿𝑠 = 𝐿𝑠𝑜𝑙 ∗ 𝑇 ↑ +𝐿𝑝
• 𝐿𝑠𝑜𝑙 = 𝐿𝑠𝑜𝑙 𝑣𝑟𝑎𝑖 ∗ 𝜀 + 𝜌 ∗ 𝐿𝑐𝑖𝑒𝑙
• Approximation :𝜌 = (1 − 𝜀)
• 𝐿𝑠𝑜𝑙 = 𝐿𝑠𝑜𝑙 𝑣𝑟𝑎𝑖 ∗ 𝜀 + 1 − 𝜀 ∗ 𝐿𝑐𝑖𝑒𝑙
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 (temperatureemissivity 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