Les corrections atmosphériques Réalisé par : AMAHRACH Anass ELBARBORI Abdellah Encadré par : Mme JAMATY Latifa

Plan Introduction Les effets de l’atmosphère en télédétection De l’utilité des corrections atmosphériques Modélisation simplifiée 5S, logiciel de Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire Un exemple d’utilisation du logiciel 5S-PC sur une image à haute résolution Conclusion

Introduction Un rapide tour d’horizon des différents aspects des effets atmosphériques en télédétection est indispensable à la compréhension du fonctionnement du logiciel 5S. Les capteurs installés à bord des satellites (longueurs d’onde de 0,2 à 4 µm) mesurent la luminance En atmosphère non-nuageuse, le signal radiométrique dépend : de la réflectance de la surface terrestre des effets de l’atmosphère Le simple étalonnage des données d’un capteur, en luminances (valeurs absolues mesurées en Wm-2 sr-1 µm-1) ou en réflectances (valeurs relatives) dites "exo-atmosphériques", ne fournit donc pas une information sur la surface mais un signal composite ; l’objet des corrections atmosphériques est d’extraire de ce signal une information indépendante des effets de l’atmosphère, variables dans le temps et l’espace, et concernant la seule surface terrestre, qui est l’objet à étudier.

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Les effets de l’atmosphère en télédétection : L'atmosphère perturbe l'observation de la surface terrestre depuis un instrument optique sur un satellite. Deux effets atmosphériques se conjuguent pour altérer les images : L'absorption du rayonnement par les molécules de l'air La diffusion du rayonnement par les molécules et les aérosols (sans compter les nuages)

Les effets de l’atmosphère en télédétection : Voici deux images SPOT4 (Take5), acquises à 5 jours d'écart, au dessus du Maroc, avec des effets atmosphériques plus prononcés sur la deuxième date en raison d'une plus grande quantité d'aérosols en suspension dans l'atmosphère. La deuxième image est moins nette et plus "laiteuse" que la première.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : l’absorption Si l’on considère le rayonnement solaire comme un flux de particules élémentaires d’énergie radiative (les "photons"), l’absorption par les molécules gazeuses ou les particules d’aérosols correspond à la transformation d’une partie des photons en chaleur ; elle se traduit donc par : une diminution du nombre des photons et un affaiblissement du signal mesuré. Dans le spectre du Soleil, entre 0,2 et 4 µm, les principaux gaz atmosphériques responsables de l’absorption sont : l’oxygène (O2), l’ozone (O3), la vapeur d’eau (H2O) et le dioxyde de carbone (CO2). Au total, les effets de l’absorption gazeuse apparaissent faibles dans la plupart des bandes spectrales utilisées par les capteurs de télédétection qui correspondent à des "fenêtres" atmosphériques.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : l’absorption Les molécules absorbent le rayonnement sur des bandes d'absorption souvent très étroites. A ces longueurs d'onde, le rayonnement est d'autant plus absorbé que l'abondance des molécules absorbantes est importante. La réflectance observée par le satellite est donc atténuée, et dans certains cas, pour de très fortes bandes d’absorption, le rayonnement peut même être totalement absorbé, et la réflectance observée est nulle (par exemple, à 1.4µm dans la figure ci-dessous) Absorption atmosphérique : En bleu, la réflectance de surface pour un pixel couvert de végétation, en fonction de la longueur d'onde, en rouge la réflectance au sommet de l'atmosphère pour ce même pixel. Les bandes d'absorption bien visibles.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : La diffusion La diffusion est le résultat des changements de trajectoire des photons après interaction avec les molécules gazeuses et les particules des aérosols. La diffusion par les molécules gazeuses La diffusion par les aérosols

Les effets de l’atmosphère en télédétection : La diffusion La diffusion par les molécules gazeuses, dont la dimension est très faible par rapport à la longueur d’onde est une diffusion de type Rayleigh, c’est à dire isotrope : elle peut se faire à probabilité égale dans toutes les directions. Elle est en revanche très dépendante de la longueur d’onde et affecte fortement les courtes longueurs d’onde du spectre solaire.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : La diffusion En revanche, la diffusion par les aérosols, particules dont la dimension est du même ordre que celle de la longueur d’onde, est anisotrope. Elle obéit à la théorie de Mie : le changement de direction de propagation se fait de façon préférentielle dans la direction de propagation initiale, ce qui donne une grande importance aux problèmes d’angles qui seront évoqués par la suite. Elle est beaucoup moins sensible à la longueur d’onde que la diffusion Rayleigh.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : Si l’on cherche à analyser le devenir possible des photons constituant le rayonnement solaire réfléchi par la portion de surface terrestre (cible ou pixel) visé par le radiomètre au cours du double trajet à travers l’atmosphère (Soleil- surface terrestre et surface-capteur), on peut distinguer les cas suivants :

Les effets de l’atmosphère en télédétection : une partie des photons peut être absorbée (absorption gazeuse ou par les aérosols) au cours de l’un des deux trajets. Il s’ensuit un affaiblissement du signal utile (luminance) reçu par le capteur en provenance de la surface et donc de la réflectance apparente de la cible. Cet affaiblissement par absorption peut être cependant partiellement compensé par le fait que la cible reçoit un éclairement solaire diffus qui lui provient indirectement du Soleil après diffusion et s’ajoute à son "éclairement" direct,

Les effets de l’atmosphère en télédétection : une partie des photons diffusés par les gaz et les aérosols peut parvenir au capteur sans avoir atteint la surface terrestre. Les photons constituent alors un signal parasite qui vient s’ajouter au signal utile (luminance ou réflectance propre de l’atmosphère). Dans le cas d'une surface peu réfléchissante telles que comme la mer, cette réflectance atmosphérique peut constituer l’essentiel ou la totalité du signal.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : dans le cas d’une surface terrestre hétérogène, faisant voisiner des pixels de réflectance contrastée, la diffusion simple ou multiple des photons au cours des deux trajets aboutit à un affaiblissement des contrastes entre les pixels plus ou moins réfléchissants, les plus réfléchissants contribuant par diffusion à l’éclairement indirect des moins réfléchissants et au signal apparent reçu des pixels les plus sombres par le capteur. Ces effets d’environnement dus à l’atmosphère, qui s’ajoutent aux effets directs de la fonction de transfert de modulation du capteur peuvent être un obstacle important à l’interprétation ou à la classification des images.

Les effets de l’atmosphère en télédétection : Les angles jouent un rôle important dans l’importance des effets atmosphériques. Lors de l’étalonnage des données radiométriques en réflectances "exo-atmosphériques" et en supposant comme le fait 5S une réflectance isotrope ("Lambertienne") de la surface, le seul angle important à considérer est : l’élévation solaire (mesurée par rapport à l’horizon) ou son complémentaire l’angle zénithal solaire s , qui détermine l’éclairement reçu par la surface du sol (figure 2).

Les effets de l’atmosphère en télédétection : La réflectance exo-atmosphérique est en effet obtenue ainsi : Es  est l’éclairement solaire équivalent correspondant à la bande spectrale considérée cosθs  le cosinus de l’angle zénithal solaire (équivalent au sinus de l’élévation solaire). l  : est la luminance en W/m2/sr,

Récapitulation : L'atmosphère perturbe l'observation de la surface terrestre. Deux effets atmosphériques se conjuguent pour altérer les images : l'absorption du rayonnement par les molécules de l'air la diffusion du rayonnement par les molécules et les aérosols Les différents types de trajets que peut suivre la lumière avant d'arriver au capteur. - Le Trajet 1 correspond à la réflectance atmosphérique, - Le trajet 2 est proportionnel à la réflectance de la cible observée atténué par sa traversée de l'atmosphère, c'est celui qui nous intéresse et nous permet de retrouver la réflectance de surface. - Les trajets 3 et 4 apportent au capteur une part de signal qui ne provient pas directement de la surface que le satellite observe mais de son voisinage (d'où le nom d'effets d'environnement"). Ce sont ces trajets qui apportent du flou sur l'image. Les angles à considérer lors de l’étalonnage des données radiométriques en réflectances "exo-atmosphériques" :

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De l’utilité des corrections atmosphériques : la pratique des corrections atmosphériques est une étape difficile et peu naturelle du traitement des images. Certains, avant de l’avoir pratiquée, imaginent qu’elle va supprimer les défauts d’images de qualité médiocre, voire nuageuses ; d’autres abandonnent rapidement devant la complexité apparente de la méthode. Il est donc indispensable de s’interroger sur l’intérêt mais aussi sur les limites des méthodes de correction atmosphérique.

De l’utilité des corrections atmosphériques : Deux remarques préliminaires s’imposent : la correction des effets de l’atmosphère sur une image est toujours associée à un étalonnage en grandeurs physiques (réflectances) des comptes numériques, qu’elle complète en vue d’accéder à une propriété physique propre à la surface. dans l’état actuel des méthodes, la correction atmosphérique est toujours partielle et approximative ; elle est inopérante lorsque les effets de l’atmosphère sont trop importants. Elle repose le plus souvent sur des hypothèses simplificatrices. L’usage d’un logiciel tel que 5S conduira souvent à une évaluation des effets de l’atmosphère sur l’image traitée plutôt qu’à une correction effective.

De l’utilité des corrections atmosphériques : D’une manière générale, on peut affirmer que la pratique d’un traitement radiométrique incluant la correction atmosphérique n’est pas nécessaire, et même parfois gênante pour : l’utilisation d’une seule image fondée sur l’interprétation ou l’analyse visuelle, avec ou sans travail préliminaire d’amélioration de l’image, la pratique des classifications dirigées à partir d’échantillons pris sur l’image à classer, les travaux de traitement d’image à base de morphologie mathématique.

De l’utilité des corrections atmosphériques : Elle devient en revanche indispensable dès que le traitement d’images de télédétection a pour but : d’accéder à des propriétés quantifiées (grandeurs physiques) des surfaces, de comparer ces grandeurs physiques tirées de l’image à des mesures radiométriques de terrain, d’effectuer des comparaisons multi dates entre des images provenant du même capteur ou de capteurs et de satellites différents,  -assurer une reproductibilité de méthodes d’identification ou de classification des surfaces, sans devoir reprendre l’analyse d’échantillons pris sur l’image à traiter.

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Modélisation simplifiée : D'une manière très simplifiée, on peut modéliser les effets atmosphériques de la manière suivante : ρTOA= Tg (ρatm +Td ρsurf) Où : ρTOA est la réflectance au sommet de l'atmosphère ρsurf est la réflectance de surface qu'on cherche à mesurer ρatm est la réflectance de l'atmosphère, qu'on observerait au dessus d'un sol noir. Tg est la transmission gazeuse, inférieure à 1 Td est la transmission due à la diffusion, inférieure à 1. Quand l'abondance d'aérosols augmente, on observe que ρatm augmente, alors que Tddiminue. Ces deux variables varient aussi avec les angles d'observation et avec la position du soleil. Plus on est près de la verticale, plus ρatm est petit, et plus Td est proche de 1. cette modélisation n'est valable que pour un paysage uniforme, mais une atmosphère fortement chargée en aérosols va aussi rendre les images acquises à haute résolution plus floues.(effets d’environnement)

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5S, logiciel de Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire Le logiciel 5S est un logiciel destiné à simuler le signal mesuré par le satellite visant une cible (surface au sol) de réflectance connue et dans des conditions géométriques, atmosphériques et spectrales définies. un modèle physique destiné à résoudre un problème direct la correction des effets d’atmosphère en télédétection est un problème de type inverse : >> calculer la réflectance de la surface connaissant le signal satellitaire fourni par étalonnage en réflectance des données.

un exemple pour une image SPOT Entrées/Sorties du logiciel 5S :  un exemple pour une image SPOT

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Un exemple d’utilisation du logiciel 5S-PC sur une image à haute résolution : comparaison d’indices de végétation en saisons différentes (Réserve biologique Domaniale de Merlimont, Pas-de-Calais)

Les données : traitement de deux images SPOT extraites de scènes SPOT 1 et SPOT 2 acquises en mode multispectral avec un angle de visée quasi-vertical. Cas : où les données exogènes pour l’évaluation des conditions atmosphériques (radiosondages, etc..) sont totalement absentes. Et où les seules données utilisables pour un étalonnage sont celles fournies par les en-tête des scènes fournies sur CD-ROM. Les deux scènes SPOT, acquises en janvier et mai 1992, sont utilisées en vue d’une classification des types de végétation à partir des variations saisonnières de l’Indice de Végétation par Différence Normalisée (NDVI) calculé à partir des canaux XS2 (rouge) et XS3 (proche infra-rouge) :

Les données : SPOT 1 hvr 1 KJ 37-248 14/05/1992

Composition colorée NDVI bruts Les données : Le calcul du NDVI effectué à partir des données brutes s’avère peu satisfaisant : des variations saisonnières normales pour les surfaces végétalisées, des variations importantes sur des surfaces non-végétales telles que les plages, dunes vives ou espaces urbanisés où l’indice est négatif (noir) sur l’image de mai et positif sur l’image de janvier. Le traitement radiométrique proposé ici a donc pour objet de rétablir des valeurs de NDVI plus précises par étalonnage et correction des effets d’atmosphère.

Des données satellitaires brutes aux réflectances : L’étalonnage des comptes numériques en réflectances dites "exo-atmosphériques" : terre + atmosphère l = Cn / G Où : l  : est la luminance en W/m2/sr, Cn : le compte numérique (0-255) G : le gain d’étalonnage absolu du capteur.  Le gain utilisé ici est celui qui est fourni par les en-tête des images. La réflectance, en supposant que la surface est lambertienne (réflexion isotrope), est obtenue par la formule  : Où : Es  est l’éclairement solaire équivalent correspondant à la bande spectrale considérée et cosθs  le cosinus de l’angle zénithal solaire (équivalent au sinus de l’élévation solaire).

Des données satellitaires brutes aux réflectances : Pour nos deux scènes SPOT, les valeurs nécessaires sont fournies par les en-tête et le Guide des Utilisateurs SPOT. L’angle solaire zénithal pour le centre de notre image a été calculé par 5S à partir des coordonnées (latitude, longitude) du centre de notre image, de la date et de l’heure.

Des données satellitaires brutes aux réflectances : On obtient ainsi (tableau ci-contre) pour chaque image et chaque canal une relation linéaire entre les comptes numériques et les réflectances (en %)

Des données satellitaires brutes aux réflectances : Un nouveau calcul de l’indice de végétation NDVI à partir des données étalonnées apporte déjà une nette correction aux valeurs calculées à partir des données brutes. Le facteur d’étalonnage plus élevé pour le canal XS3 que pour le canal XS2 aboutit à une sensible augmentation des valeurs de NDVI calculées, en particulier pour le 14 mai où l’écart des facteurs d’étalonnage est très important. Cette augmentation aboutit à faire disparaître les valeurs négatives de NDVI qui apparaissaient sur terre dans l’image obtenue à partir des canaux bruts. NDVI bruts NDVI étalonné

Evaluation des effets atmosphériques : L’évaluation des effets de l’atmosphère sur chacune des deux images à partir de 5S est la première étape d’une stratégie de correction. Nous supposons en effet que nous ne disposons d’aucune donnée exogène (radiosondage, etc...) sur l’atmosphère pour ces deux jours. L’information nécessaire à la correction doit être extraite de l’image elle-même ; la présence de la mer sur les scènes SPOT étudiées simplifie le problème puisque la mer présente une réflectance nulle dans le canal proche infrarouge XS3. Pour cette bande spectrale, le signal enregistré correspond uniquement à l’effet de l’atmosphère et permet donc d’en mesurer les caractéristiques. Comptes numériques et réflectances apparentes mesurées sur la mer au large de Merlimont :

Evaluation des effets atmosphériques : Pour déterminer les propriétés de l’atmosphère, il est nécessaire d’utiliser le logiciel 5S de façon itérative, en faisant varier les caractéristiques de l’atmosphère jusqu’à retrouver le signal mesuré sur mer, la réflectance réelle de la surface dans le canal XS3 de SPOT étant supposée nulle. Les conditions angulaires sont définies à partir des date et heure de la scène, et des coordonnées géographiques (latitude, longitude) de la région étudiée. Prenons l’exemple du 22 janvier 92 :

Evaluation des effets atmosphériques : L’atmosphère est définie à partir de trois caractéristiques : un profil vertical standard Qui détermine les contenus en gaz absorbants ( H2O et O3 principalement) un type d’aérosols la concentration des aérosols C’est le seul paramètre susceptible de varier et donc celui sur lequel se fait l’ajustement des effets atmosphériques.

Evaluation des effets atmosphériques : Afin d’évaluer l’importance des choix effectués, il est intéressant de comparer les résultats obtenus avec d’autres choix, apparemment moins judicieux, de modèles d’atmosphère et d’aérosols et d’examiner leurs incidences sur les paramètres atmosphériques qui seront ensuite utilisés pour la correction atmosphérique des images :

Evaluation des effets atmosphériques : Dans notre exemple, les choix effectués peuvent être confortés par la comparaison assez satisfaisante entre les réflectances apparentes mesurées sur la mer dans l’image pour les 3 canaux de SPOT et celles qui sont prédites par 5S avec l’atmosphère Hiver Latitudes moyennes, le modèle d’aérosols continental, et une visibilité de 6 km (tableau ci-dessous). Ce sont donc ces paramètres atmosphériques qui seront utilisés pour la correction atmosphérique.

Correction partielle des effets atmosphériques : L’utilisation des caractéristiques de l’atmosphère ainsi déterminées par 5S pour une correction repose sur le postulat que ces effets sont constants sur l’image à traiter. On fait ainsi l’hypothèse que, sur une image d’environ 10 x 10 km2, les angles solaires et de visée sont constants, de même que les propriétés de l’atmosphère. La correction atmosphérique effectuée est obligatoirement partielle : elle porte uniquement sur les effets supposés constants sur l’image, à savoir : la réflectance propre de l’atmosphère, évaluée pour chaque canal par 5S, qui est à déduire du signal mesuré, les effets de l’absorption gazeuse : la réflectance de la surface est à corriger en fonction de la transmission gazeuse totale déterminée pour chaque canal par 5S.

Correction partielle des effets atmosphériques : La correction des effets d’environnement, qui supposerait un traitement lourd, pixel par pixel, ne sera pas effectuée. La correction atmosphérique se réduit ainsi à une transformation linéaire des réflectances "exo- atmosphériques" : ρ ea = (ρ* - ρ atm ) / Tg où : ρ * : est la réflectance exo-atmosphérique obtenue par l’étalonnage des comptes numériques, ρ atm : est la réflectance propre de l’atmosphère, Tg  : est la transmission gazeuse totale pour le canal considéré.

Correction partielle des effets atmosphériques : Pour l’image du 22 janvier 1992, on utilisera donc : Appliquée à l’image du 14 mai 1992, la même méthode d’évaluation des effets de l’atmosphère aboutit à la détermination des paramètres atmosphériques suivants : atmosphère : US Standard 62 (elle correspond à une situation intermédiaire à celles des atmosphères Hiver et Eté Latitudes moyennes) aérosols : maritime épaisseur optique : 0.8 Visibilité : 4,9 km Elle fournit les valeurs du tableau ci-dessous :

Correction partielle des effets atmosphériques : Elle revient à substituer à la relation linéaire d’étalonnage une autre relation linéaire. la relation linéaire d’étalonnage en réflectance, avant et après correction des effets atmosphériques.

Correction partielle des effets atmosphériques : NDVI étalonnés NDVI corrigés

Correction partielle des effets atmosphériques : Appliquée aux deux images SPOT du 14 mai et du 22 janvier 1992 (figure 6), cette nouvelle relation d’étalonnage aboutit : à rapprocher sensiblement les valeurs de NDVI calculées pour les surfaces non-végétales de l’image (urbain, dunes vives) et d’apprécier de façon plus précise les changements saisonniers qui affectent les surfaces végétalisées de différents types. Il est à noter cependant qu’elle aboutit à calculer une valeur de NDVI supérieure à 0 pour certaines surfaces marines le 14 mai, ce qui peut s’expliquer en partie par l’état de surface de la mer (miroitement), ou encore par une charge planctonique élevée au printemps.

Résumé : Détermination des caractéristiques de l’atmosphère : la détermination est faite à partir de la mesure de la réflectance apparente d’une "cible" de réflectance réelle connue dans l’image : mer "claire" (au large) : réflectance XS3=0 choix d’un modèle d’atmosphère, choix d’un type d’aérosols, ajustement (itérations) de l’épaisseur optique des aérosols jusqu’à retrouver la réflectance apparente Correction partielle des effets atmosphériques : déduction de la contribution atmosphérique (dans chaque canal) correction de la transmittance gazeuse totale

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Conclusion L’application des corrections atmosphériques effectuées dans l’exemple précédent repose sur le postulat que : les conditions géométriques (angles solaires et de la visée radiométrique) et atmosphériques (nature et concentration des aérosols en particulier) ne connaissent qu’une variation négligeable sur un espace étudié d’environ 10 x 10 km2. Ce type d’hypothèse, valable pour le traitement d’images partielles extraites de scènes SPOT ou Landsat, cesse de l’être pour le traitement de scènes entières ou d’images issues de radiomètres à champ large et faible résolution du type NOAA-AVHRR. Dans ces cas, le logiciel 5S-PC peut rester un outil d’évaluation des effets atmosphériques et d’analyse fine des réflectances réelles de cibles isolées, mais la mise en œuvre d’une correction des effets d’atmosphère valable pour l’ensemble de l’image devient impossible. Il devient dans ce cas nécessaire de faire appel à une programmation intégrant de façon plus ou moins précise des éléments du modèle 5S ;