Effets atmosphériques en télédétection optique
Nuages, absorption diffusion et aérosols
Signatures spectrales et directionnelles des surfaces terrestres
Physique de la mesure en télédétection optique partie 2 : atmosphère et signatures
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
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
8. Incendie du 2/2/2
• Ecobuage
• 5000ha
• 1mort
Les aérosols dus à la
fumée se confondent
avec un nuage
9. Effets Atmosphériques
• Deux phénomènes principaux
Absorption :
Diffusion :
• Deux effets :
– les spectres de luminance montants et descendants sont
filtrés par l’atmosphère
– le ciel devient une source lumineuse
10. Comparaison des effets
d’absorption et de diffusion
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
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.
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)
• 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 :
Direction
diffuse
Angle de phase
Angle de diffusion
Direction incidente
1
4
17. Diffusion par les aérosols
• La luminance varie en
1
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 avant pour les
grosses particules
0.1µm
2 µm
18. Effets de la diffusion
B3 (NIR)
0,78-0,89 µm
B0 (blue)
0,43-0,47 µm
19. Ciel bleu
Rayleigh
Aérosols
Rayleigh
Près de la direction
solaire, la diffusion par
les aérosols prend de
l’importance
=> Le ciel est bleu clair
À la direction solaire, la
diffusion provient de la
diffusion moléculaire :
=> Le ciel est bleu sombre
Aerosols
Observer
30. Modélisation de la diffusion (Trajets)
Réflectance atmosphérique
Diffus puis direct
direct + direct
direct puis diffus
Diffusions multiples
31. Equation simple du transfert radiatif
s
v
atmosphere
ground
Réflectance du sol uniforme
Merci à E. Vermote (U.Maryland)
32. Equation simple du transfert radiatif
s
v
atmosphere
ground
Réflectance du sol uniforme
Merci à E. Vermote (U.Maryland)
33. Equation simple du transfert radiatif
s
v
atm
(
s
,
v
, )
atmosphere
Absorbing ground
Réflectance atmosphérique
atm
(
,
s
, )
v
aero
Paero ( )
4 . cos(
mol
s
) cos(
Pmol ( )
s
)
34. Equation simple du transfert radiatif
s
Ei
T atm (
)
s
Et
Ei
Et
Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet descendant
aero
T atm (
)
s
T dir
T dif
et
T dir
e
cos
mol
s
35. Equation simple du transfert radiatif
Et
Er
Réflection par le sol (uniforme et lambertien)
ground
Et
36. Equation simple du transfert radiatif
v
E0
T atm (
)
v
Eo
Er
Er
Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet montant
40
37. Equation simple du transfert radiatif
s
v
Trajets avec une
réflexion à la surface
atmosphere
ground
Eo
app
Eo
Ei
app
atm
T(
v
Ei
)E r
T(
Ei
atm
v
)
ground
Et
Ei
T(
v
)
ground
T(
s
)
T(
v
)
ground
T(
s
)
38. Equation simple du transfert radiatif
Ei
E iT (
s
)
ground
atmosphere albedo =Satm
E iT (
E iT (
s
s
)
)
ground
ground
s
ground
ground
T(
v
)
Trajets avec 2
réflexions à la surface
S atm
)
E iT (
S atm
E iT (
s
)
ground
S atm
ground
39. Equation simple du transfert radiatif
app
T(
atm
1
r
r
2
groundSatm
Therefore
app
atm
s
r
)T (
3
v
)
...r
1
ground
n
1
1
1
S atm
ground
r
ground
Tatm ( s )Tatm (
S
)
v
ground
Satm
r
ground
S
groundSatm)
2
ground
Satm
n ->0
1
3
ground
ground
1
S atm
n
< 1 so when n->∞ then (
1
ground
2
S ...
1
ground
S
3
...
40. Modélisation simple des effets
atmosphériques
Réflectance du sol
Réflectance atmo
(lambertienne, uniforme)
Transmission gazeuse
app
s
,
v
,
Réflectance TOA
Tg
atm
s
,
v
,
T atm (
s
) T atm (
v
ground
)
1
ground
Transmission
atmosphérique
(diffusion)
Réflectance
atmosphérique
S atm
41. Modélisation simple des effets atmosphériques
• Modèle simple et approché
ρ TOA (θ s , θ v , φ) = Tg ρ atm (θ s , θ v , φ) + Tatm (θ s )T atm (θ v )
: réflectance en haut de l’atmosphère
ground : réflectance sans atmosphère
: réflectance atmospherique
atm
ρ ground
1 S atm ρ ground
TOA
s
v
Croît avec les angles et l’abondance d’aérosols
• Tatm
: transmittance atmosphérique
• Satm
: réflectance atmosphérique
• Tg
: transmittance gazeuse
Décroit avec les angles et l’abondance d’aérosols
Croit avec l’abondance d’aérosols
atmosphere
ground
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
443 nm
865 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
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 :
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
55. Effets directionnels
• Surfaces Lambertiennes:
ρ θi ,θr ,φ r
φ i = cste
– 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.
56. Effets directionnels
• Forêt vue d’hélicoptère
Ombre de l’hélicoptère
Vue perpendiculaire au plan solaire
Ombre des arbres
Vue en rétrodiffusion
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. Effets directionnels
Uié ( p s e ae e t
n 4a r r t i m )
t
è
rt
n
cnl
aa
1
cnl
aa
2
cnl
aa
3
60
0
50
0
l a
é c c
r fet ne
40
0
From SPOT
Wheat field, Romania
30
0
20
0
10
0
0
1/ 0 6
2 /
19
0/ 2 6
1 /
19
2/ 1 7
0 /
09
1/ 3 7
1 /
09
3/ 4 7
0 /
09
1/ 6 7
9 /
09
0/ 8 7
8 /
09
dt
ae
From Formosat 2
Sunflower Field Toulouse
69. 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
78. Signature Spectrale de la Végétation
• Indices de Végetation
– NDVI (Le plus utilisé):
(Normalized Difference Vegetation Index)
NDVI =
ρ PIR
NDVI=0.72
ρ rouge
ρ PIR + ρ rouge
– 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,
NDVI=0.14
79. Spectral signatures: vegetation
NDVI interest when reflectances are of poor quality
Surface Reflectances
(Near infrared/red/red)
NDVI
(low in white, high in green)
82. 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 t = L r + (L a + L ra ) + T(L
wc
+ Lg + Lw )
83. Signatures Spectrales des Océans
L t = L r + (L a + L ra ) + tL wc + TL g + t L w
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
