Physique de la mesure
dans le domaine
optique
Effets atmosphériques
Signatures spectrales et directionnelles
Olivier Hagol...
Atmosphere
NUAGES
• Effet atmosphérique principal
• Environ 70% de couverture nuageuse globalement
• 1 image LANDSAT sur 10 (180*180 ...
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’atmosp...
Diffusion par les molécules (Rayleigh) ~ -4
Variation spectrale de la diffusion par les
aérosols~ -
 : Coefficient d’ ...
Sable Végétation
Comparaison des réflectances en bas et au sommet de l’atmosphère
(TOA=Top of Atmosphere)
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Absorption
Sondage Atmosphérique
Infra-rouge ou Micro-Ondes
• Buts :
– Profil de la température atmosphérique en fonction
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Sondage atmosphérique
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Effets Atmosphériques : la diffusion
La diffusion est très
variable dans le temps et
l’espace en raison des
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Diffusion par les molécules (Rayleigh)
• Les molécules de l’air, Azote, oxygène…, difffusent la lumière
• La luminance de ...
Diffusion par les aérosols
• La luminance varie en avec 0,5 <  < 1,5
 : Coefficient d’angström
influence plus forte ...
B3 (NIR)
0,78-0,89 µm
B0 (blue)
0,43-0,47 µm
Effets de la diffusion
Ciel bleu
Observer
Aerosols
Aérosols
Rayleigh
Rayleigh
 À la direction solaire, la
diffusion provient de la
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Aérosols désertiques
Réflectance atmosphérique
Diffus puis direct direct puis diffus Diffusions multiples
direct + direct
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Equation simple du transfert radiatif
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Merci à E. Vermote (U.Maryland)
Réflectance du sol uniforme
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Merci à E. Vermote (U.Maryland)
Réflectance du sol uniforme
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Modélisation simple des effets
atmosphériques
    
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Modélisation simple des effets atmosphériques
• Modèle simple et approché
 TOA : réflectance en haut de l’atmosphère
 ...
Exemples de variations
• Réflectance TOA en fonction de réflectance de surface
• Pour différentes abondances d’aérosols
• ...
Modélisation des effets atmosphériques
• Pour calculer les différents termes de l’équation ci-dessus
• Ou pour obtenir une...
Observations d’aérosols par Lidar
Calipso (NASA/CNES)
Exemples de
cartes d’aérosols
Effets d'environnement
 Pas de dénomination officielle
– « effets d'environnement », « adjacency effect »
– Effet de flou...
Environment correction:
Validation
Date AOT
25/06/05 0.47
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Environment Effects
Environment correction:
Validation
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Environment Effects
Effets d'environnement
 Ordres de grandeur de l'erreur de correction
– Paysage test : parcelle de blé de 400m dans paysag...
Effets d'environnement
 Erreurs de correction atmosphérique :
 Nécessité de connaître l'épaisseur optique pour bien corr...
Effets du relief
 Pas de dénomination officielle
– « effet de pente», « slope effect »
– Variations de l’éclairement dues...
Propriétés
directionnelles des
réflectances
Effets directionnels
• Surfaces Lambertiennes:
– La neige, sable sont quasi lambertiens (mais pas
exactement, surtout si p...
Effets directionnels
• Forêt vue d’hélicoptère
Vue en rétrodiffusion
Vue perpendiculaire au plan solaire
Ombre de l’hélico...
Effets directionnels
Réflectance en fonction de l’angle de phase
(vert : 670 nm , rouge 865 nm)
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Observations vers le sud, verticale et vers le Nord.
Soleil au Sud-est
Observés par POLDER dans le proche infra rouge
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Signatures Directionnelles
Dans quelle montgolfière
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Formosat 2 data, Morocco
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Sentinel 2 data, Toulouse
16/11/2005
Venµs orbits
• project in cooperation between France and Israel
• Acquisitions every 2nd day, with constant observation an...
Satellites à haute résolution, haute
répétitivité, angles constants
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, atmo...
Signature Spectrale de la végétation
Wavelength (m)
EauChlorophylleABSORPTION due à :
Visible
Proche
Infra-Rouge
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Spectral signatures: vegetation
Simulation de spectres de Végétation pour
3 valeurs de chlorophylle différentes
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Moyen-Orient 05/04/98 (B3/B2/B0)
Nil Delta and
Valley
Israël/Egypt
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Spectral signatures: vegetation
• Indices de Végetation
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(Normalized Difference Vegetation Index)
– ARVI, EVI, SAVI…
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Surface Reflectances
(Near infrared/red/red)
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(low in white, high in green)
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Spectral signatures: POLDER
Color composite POLDER : PIR/red/blue
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Spectral signatures: POLDER
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• The ocean colour contains information on the
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Signatures Spectrales des Océans
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Réflectance de l’eau/ Turbidité
Spectral signatures :ocean colour
• Pigment concentration(mg/m3)
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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

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Cours_ Physique de la mesure Télédétection optique , Partie 2

  1. 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. 2. Atmosphere
  3. 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. 4. Cumulus (détection aisée) Différence entre neige et nuages difficile dans le visible
  5. 5. Nuages à bord fins
  6. 6. Nuages élevés et fins
  7. 7. Traces d’avion • Difficiles à détecter • Sans compter leurs ombres
  8. 8. Incendie du 2/2/2 • Ecobuage • 5000ha • 1mort Les aérosols dus à la fumée se confondent avec un nuage
  9. 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. 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. 11. Sable Végétation Comparaison des réflectances en bas et au sommet de l’atmosphère (TOA=Top of Atmosphere) Absorption et Diffusion
  12. 12. Absorption
  13. 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. 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. 15. Effets Atmosphériques : la diffusion La diffusion est très variable dans le temps et l’espace en raison des nuages et des aérosols
  16. 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. 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. 18. B3 (NIR) 0,78-0,89 µm B0 (blue) 0,43-0,47 µm Effets de la diffusion
  19. 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
  20. 20. Aérosols désertiques
  21. 21. Réflectance atmosphérique Diffus puis direct direct puis diffus Diffusions multiples direct + direct Modélisation de la diffusion (Trajets)
  22. 22. Equation simple du transfert radiatif ground atmosphere s v Merci à E. Vermote (U.Maryland) Réflectance du sol uniforme
  23. 23. Equation simple du transfert radiatif ground atmosphere s v Merci à E. Vermote (U.Maryland) Réflectance du sol uniforme
  24. 24. atmosphere s v ),,(  vsatm Absorbing ground Equation simple du transfert radiatif Réflectance atmosphérique )cos()cos(.4 )(P)(P ),,( ss molmolaeroaero vsatm   
  25. 25. 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    
  26. 26. Equation simple du transfert radiatif Et Er  groundEt Réflection par le sol (uniforme et lambertien)
  27. 27. Equation simple du transfert radiatif v Er E0 Tatm (v)  Eo Er 40 Eclairement transmis par l’atmosphère, trajet montant
  28. 28. 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
  29. 29. 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
  30. 30. 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
  31. 31. 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
  32. 32. 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
  33. 33. 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
  34. 34. 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
  35. 35. Observations d’aérosols par Lidar Calipso (NASA/CNES)
  36. 36. Exemples de cartes d’aérosols
  37. 37. 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
  38. 38. Environment correction: Validation Date AOT 25/06/05 0.47 27/06/05 0.11 Environment Effects
  39. 39. Environment correction: Validation Date AOT 25/06/05 0.47 27/06/05 0.11 Environment Effects
  40. 40. Environment correction: Validation Date AOT 25/06/05 0.47 27/06/05 0.11 Environment Effects
  41. 41. Environment correction: Validation Date AOT 25/06/05 0.47 27/06/05 0.11 Environment Effects
  42. 42. 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 :
  43. 43. Effets d'environnement  Erreurs de correction atmosphérique :  Nécessité de connaître l'épaisseur optique pour bien corriger
  44. 44. 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
  45. 45. Propriétés directionnelles des réflectances
  46. 46. 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 
  47. 47. Effets directionnels • Forêt vue d’hélicoptère Vue en rétrodiffusion Vue perpendiculaire au plan solaire Ombre de l’hélicoptère Ombre des arbres
  48. 48. 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 »
  49. 49. Observations vers le sud, verticale et vers le Nord. Soleil au Sud-est Observés par POLDER dans le proche infra rouge Effets Directionnels
  50. 50. Signatures Directionnelles Dans quelle montgolfière était le photographe ?
  51. 51. Signatures Directionnelles Dans quelle montgolfière était le photographe ?
  52. 52. 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
  53. 53. 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
  54. 54. Formosat 2 data, Morocco 16/11/2005 10/11/2005
  55. 55. Formosat 2 data, Morocco 16/11/2005 12/11/2005
  56. 56. Formosat 2 data, Morocco 16/11/2005 18/11/2005
  57. 57. Formosat 2 data, Morocco 16/11/2005 21/12/2005
  58. 58. Formosat 2 data, Morocco 16/11/2005 28/12/2005
  59. 59. Formosat 2 data, Morocco 16/11/2005 04/12/2005
  60. 60. Sentinel 2 data, Toulouse 16/11/2005
  61. 61. 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
  62. 62. Satellites à haute résolution, haute répétitivité, angles constants
  63. 63. Propriétés spectrales des réflectances
  64. 64. Distinction Nuages/Neige
  65. 65. Bleu Vert Rouge Bleu PIR MIR Images LANDSAT
  66. 66. Exemples de Signatures Spectrales Végétation Sols Nus Neige Sols Nus/ Humidité
  67. 67. 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
  68. 68. Signature Spectrale de la végétation Wavelength (m) EauChlorophylleABSORPTION due à : Visible Proche Infra-Rouge Moyen Infra Rouge
  69. 69. Spectral signatures: vegetation Simulation de spectres de Végétation pour 3 valeurs de chlorophylle différentes Bandes Spectrales de Venµs
  70. 70. Moyen-Orient 05/04/98 (B3/B2/B0) Nil Delta and Valley Israël/Egypt Border Spectral signatures: vegetation
  71. 71. • 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
  72. 72. Surface Reflectances (Near infrared/red/red) NDVI (low in white, high in green) NDVI interest when reflectances are of poor quality Spectral signatures: vegetation
  73. 73. Spectral signatures: POLDER
  74. 74. Color composite POLDER : PIR/red/blue Total radiance Polarised radiance Spectral signatures: POLDER
  75. 75. 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
  76. 76. 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
  77. 77. Réflectance de l’eau/ Turbidité
  78. 78. Spectral signatures :ocean colour • Pigment concentration(mg/m3) – multi-year average 0.01 0.1 1

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