Cours de physique de la mesure de télédétection optique donné en master 2 SIA de l'Université Paul Sabatier. Version 2016. Partie 2 : effets atmosphériques, signatures spectrales, effets directionnels

1. 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

2. Atmosphere

3. 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

4. Cumulus
(détection aisée)
Différence entre
neige et nuages
difficile dans le
visible

5. Nuages à bord
fins

6. Nuages élevés et
fins

7. Traces d’avion
• Difficiles à
détecter
• Sans compter
leurs ombres

8. Incendie du 2/2/2
• Ecobuage
• 5000ha
• 1mort
Les aérosols dus à la
fumée se confondent
avec un nuage

9. • 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

10. Diffusion par les molécules (Rayleigh) ~ -4
Variation spectrale de la diffusion par les
aérosols~ -
 : Coefficient d’ Angström Varie entre 0 et
2 en fonction du type d’aérosols
Comparaison des effets
d’absorption et de diffusion

11. Sable Végétation
Comparaison des réflectances en bas et au sommet de l’atmosphère
(TOA=Top of Atmosphere)
Absorption et Diffusion

12. Absorption

13. Sondage Atmosphérique
Infra-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.

14. Sondage atmosphérique
K
0
0.5
1
c
humid
dry
Absorption, altitude de l’observation
Microwave Sounding (MHS), 5 canaux
autour d’une raie d’absorption à 183 GHz

15. Effets Atmosphériques : la diffusion
La diffusion est très
variable dans le temps et
l’espace en raison des
nuages et des aérosols

16. Diffusion par les molécules (Rayleigh)
• Les molécules de l’air, Azote, oxygène…, difffusent la lumière
• 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 :
4
1

Angle de diffusion
Direction incidente
Direction
diffuse
Angle de phase

17. Diffusion par les aérosols
• La luminance varie en avec 0,5 <  < 1,5
 : Coefficient d’angström
influence plus forte dans le bleu
l’abondance des aérosols varie rapidement avec le temps
• Fonction de phase
– depend du type d’aérosols
– Forte pointe vers l’avant pour
les grosses particules


1
0.1µm
2 µm

18. B3 (NIR)
0,78-0,89 µm
B0 (blue)
0,43-0,47 µm
Effets de la diffusion

19. Ciel bleu
Observer
Aerosols
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

29. Aérosols désertiques

30. Réflectance atmosphérique
Diffus puis direct direct puis diffus Diffusions multiples
direct + direct
Modélisation de la diffusion (Trajets)

31. Equation simple du transfert radiatif
ground
atmosphere
s
v
Merci à E. Vermote (U.Maryland)
Réflectance du sol uniforme

32. Equation simple du transfert radiatif
ground
atmosphere
s
v
Merci à E. Vermote (U.Maryland)
Réflectance du sol uniforme

33. atmosphere
s
v
),,(  vsatm
Absorbing ground
Equation simple du transfert radiatif
Réflectance atmosphérique
)cos()cos(.4
)(P)(P
),,(
ss
molmolaeroaero
vsatm




34. Equation simple du transfert radiatif
s
Ei
Et
Tatm (s ) 
Et
Ei
Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet descendant
s
molaero
cos
dirdifdirsatm eTetTT)(T 




35. Equation simple du transfert radiatif
Et Er  groundEt
Réflection par le sol (uniforme et lambertien)

36. Equation simple du transfert radiatif
v
Er
E0
Tatm (v) 
Eo
Er
40
Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet montant

37. Equation simple du transfert radiatif
ground
atmosphere
s
v
app  atm 
Eo
Ei
Eo
Ei

T(v )Er
Ei

T(v )groundEt
Ei
 T(v )groundT(s )
app  atm  T(v )groundT(s )
Trajets avec une
réflexion à la surface

38. Equation simple du transfert radiatif
ground
atmosphere albedo =Satm
Ei
EiT(s )
EiT(s )ground
EiT(s )groundSatm
EiT(s )groundSatmground
EiT(s )groundSatmgroundT(v)
Trajets avec 2
réflexions à la surface

39. Equation simple du transfert radiatif
app  atm  T(s )T(v )ground 1 groundSatm  groundSatm 
2
 ground Satm 
3
... 
app  atm  Tatm (s )Tatm (v )
ground
1 ground Satm
1  r  r
2
 r
3
 ...r
n 1

1  rn
1  r
groundSatm < 1 so when n->∞ then (groundSatm)n ->0
Therefore 1 groundS  groundS 
2
 groundS 
3
... 
1
1 groundS

40. Modélisation simple des effets
atmosphériques
    










atmground
ground
vatmsatmvsatmgvsapp
S1
)(T)(T,,T,,
Réflectance TOA
Réflectance atmo
Transmission
atmosphérique
(diffusion)
Réflectance
atmosphérique
Réflectance du sol
(lambertienne, uniforme)
Transmission gazeuse

41. 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 atmosphérique
Décroit avec les angles et l’abondance d’aérosols
• Satm : réflectance atmosphérique
Croit avec l’abondance d’aérosols
• Tg : transmittance gazeuse








 groundatm
ground
vatmsatmvsatmgvsTOA
ρS1
ρ
)(θ)T(θT+φ),θ,(θρT=φ),θ,(θρ
ground
atmosphere
s
v

42. 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

43. 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

44. Observations d’aérosols par Lidar
Calipso (NASA/CNES)

45. Exemples de
cartes d’aérosols

46. 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

47. Environment correction:
Validation
Date AOT
25/06/05 0.47
27/06/05 0.11
Environment Effects

48. Environment correction:
Validation
Date AOT
25/06/05 0.47
27/06/05 0.11
Environment Effects

49. Environment correction:
Validation
Date AOT
25/06/05 0.47
27/06/05 0.11
Environment Effects

50. Environment correction:
Validation
Date AOT
25/06/05 0.47
27/06/05 0.11
Environment Effects

51. 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 :

52. Effets d'environnement
 Erreurs de correction atmosphérique :
 Nécessité de connaître l'épaisseur optique pour bien corriger

53. 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

54. Propriétés
directionnelles des
réflectances

55. 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 

56. Effets directionnels
• Forêt vue d’hélicoptère
Vue en rétrodiffusion
Vue perpendiculaire au plan solaire
Ombre de l’hélicoptère
Ombre des arbres

57. Effets directionnels
Réflectance 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
Reflectance
Phase Angle
(c)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
-40 -30 -20 -10 0 10 20
Reflectance
Phase Angle
(a)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-40 -30 -20 -10 0 10 20
Reflectance
Phase Angle
(d)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
-40 -30 -20 -10 0 10 20
Reflectance
Phase Angle
(f)
desert conifers
cultures savanne
Bréon,
ISPRS 2001
Pic de
rétrodiffusion
« Hot Spot »

58. Observations vers le sud, verticale et vers le Nord.
Soleil au Sud-est
Observés par POLDER dans le proche infra rouge
Effets Directionnels

59. Signatures Directionnelles
Dans quelle montgolfière
était le photographe ?

60. Signatures Directionnelles
Dans quelle montgolfière
était le photographe ?

61. 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

62. Unité4(aprèsretraitement)
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
réflectance
canal1 canal2 canal3
Effets directionnels
From Formosat 2
Sunflower Field Toulouse
From SPOT
Wheat field, Romania

63. Formosat 2 data, Morocco
16/11/2005
10/11/2005

64. Formosat 2 data, Morocco
16/11/2005
12/11/2005

65. Formosat 2 data, Morocco
16/11/2005
18/11/2005

66. Formosat 2 data, Morocco
16/11/2005
21/12/2005

67. Formosat 2 data, Morocco
16/11/2005
28/12/2005

68. Formosat 2 data, Morocco
16/11/2005
04/12/2005

69. Sentinel 2 data, Toulouse
16/11/2005

70. 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

71. Satellites à haute résolution, haute
répétitivité, angles constants

72. Propriétés spectrales des
réflectances

73. Distinction Nuages/Neige

74. Bleu Vert Rouge Bleu PIR MIR
Images LANDSAT

75. Exemples de Signatures Spectrales
Végétation Sols Nus
Neige Sols Nus/ Humidité

76. 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

77. Signature Spectrale de la végétation
Wavelength (m)
EauChlorophylleABSORPTION due à :
Visible
Proche
Infra-Rouge
Moyen Infra Rouge

78. Spectral signatures: vegetation
Simulation de spectres de Végétation pour
3 valeurs de chlorophylle différentes
Bandes Spectrales
de Venµs

79. Moyen-Orient 05/04/98 (B3/B2/B0)
Nil Delta and
Valley
Israël/Egypt
Border
Spectral signatures: vegetation

80. • 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

81. Surface Reflectances
(Near infrared/red/red)
NDVI
(low in white, high in green)
NDVI interest when reflectances are of poor quality
Spectral signatures: vegetation

82. Spectral signatures: POLDER

83. Color composite POLDER : PIR/red/blue
Total radiance Polarised radiance
Spectral signatures: POLDER

84. 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

85. Signatures Spectrales des Océans
wgwcraart Lt+TL+tL+)L+(L+L=L Lt : Luminance totale
Lr : Luminance Rayleigh
(molecules)
La : Luminance des aérosols
Lra: Luminance due au
couplage entre Rayleigh et
aerosols
T : Transmission
atmosphérique
Lwc: Luminance de l’écume
Lg : Luminance spéculaire
Lw : Luminance de l’eau

86. Réflectance de l’eau/ Turbidité

87. Spectral signatures :ocean colour
• Pigment concentration(mg/m3)
– multi-year average
0.01
0.1
1