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) Étalonnage du capteur  Metadonnées Exemple: Landsat-7

Étape 2 (RSR et IRT) 𝐿 𝑠 = 𝐿 𝑠𝑜𝑙 ∗𝑇↑ +𝐿𝑝 𝑇↑  transmittance atmosphérique surface-capteur 𝐿𝑝  luminance atmosphérique «parasite» Question: comment connaître les paramètres atmosphériques au moment du passage du satellite?

Étape 3 (RSR) 𝐿 𝑠𝑜𝑙 =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) 𝐿 𝑠𝑜𝑙 = 𝐿 𝑠𝑜𝑙 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

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 intégro- différentiale 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)

Les conditions aux limites: L’éclairement solaire aux confins de l’atmosphère (supposé connu  observations)

Conditions géométriques: illumination-observation (cas satellite)

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;

Profil Atmophérique : zone tempérée : été 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 Température [K] Log(H2O [gm-3]) Log(O3 [gm-3]) 2 -3 Log(P [mb]) -3 2 P T Altitude [km] H2O O3 Profil Atmophérique : zone tempérée : été

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

Éclairement direct du soleil Le code alors calcule l’éclairement direct incident à un élément au sol Éclairement direct du soleil

Éclairement diffus du ciel 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 Comment réagit la surface face à l’éclairement solaire direct? La réflectance bidirectionnelle

Comment réagit la surface face à l’éclairement diffus du ciel Comment réagit la surface face à l’éclairement diffus du ciel? La réflectance hémisphérique-directionnelle 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

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 hémisphérique-directionnelle; alors Luminance quittant la surface = Lsol = Etot*ρ/ 

Luminance de la surface est atténuée par l’atmosphère Le code calcule la transmittance Luminance de la surface est atténuée par l’atmosphère

À cette luminance s’ajoute la luminance propre à l’atmosphère Lp 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

La luminance par longueur d’onde qui arrive au capteur est finalement: Lsat = Lsol Tr + Lp 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 SENSIBILITÉ SPECTRALE DES BANDES TM3,TM4 et TM5 Longueur d’onde [mm] Réponse spectrale [%] Longueur d’onde [mm] Réponse spectrale [%] TM 3 TM 4

1. Capteurs spéciaux 2. Cibles obscures 3. Visibilité 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 𝐿 𝑠 = 𝐿 𝑠𝑜𝑙 ∗𝑇↑ +𝐿𝑝 𝐿 𝑠𝑜𝑙 = 𝐿 𝑠𝑜𝑙 𝑣𝑟𝑎𝑖 ∗𝜀 +𝜌∗𝐿𝑐𝑖𝑒𝑙 𝐿 𝑠𝑜𝑙 = 𝐿 𝑠𝑜𝑙 𝑣𝑟𝑎𝑖 ∗𝜀 +𝜌∗𝐿𝑐𝑖𝑒𝑙 Approximation :𝜌=(1−𝜀) 𝐿 𝑠𝑜𝑙 = 𝐿 𝑠𝑜𝑙 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)

Créer des cartes approximatives d’émissivité 1 canal Créer des cartes approximatives d’émissivité Ex. type d’occupation du sol  valeurs par défaut

Ex. Algorithme TES (temperature-emissivity separation) Plusieurs canaux Ex. Algorithme TES (temperature-emissivity 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