28 Octobre 2014

Potentiel des series temporelles de reflectance : intérêt des angles d'observation constants

O.Hagolle1,2, G.Dedieu²,

1 CNES, 18 avenue Edouard Belin, 31401 TOULOUSE Cedex 9. Olivier.Hagolle@cnes.fr
2 CESBIO, Unité mixte CNES-CNRS-IRD-UPS, 18 avenue Edouard Belin, 31401 Toulouse Cedex 9, France

Ce document au format PDF

1. Introduction

La mission Venµs fournira :

  1. des images haute résolution
  2. des observations tous les 2 jours
  3. dans 12 bandes spectrales étroites allant de 415 nm à 910 nm
  4. avec des angles d'observation constants

Ce quatrième point est souvent omis quand le projet Venµs est décrit, mais néanmoins, cette propriété des images Venµs est une clé de l'amélioration de la qualité des séries temporelles Venµs Cette courte note vise à montrer le grand intérêt des angles d'observation constants pour la qualité de la réflectance des séries temporelles, grâce à un jeu de données acquis par le satellite Formosat-2, satellite Taiwanais qui acquiert aussi des images avec des angles d'observation constants.

Habituellement, les séries temporelles de réflectance dans le domaine visible ou proche-infrarouge, telles que celles fournies par des satellites haute résolution comme Spot, ou par des instrument à large champ de vue, comme Vegetation, Meris ou Modis, sont dégradées par deux sources de bruit géophysiques :
1) les effets directionels, étant donné que les réflectances de surface observées dépendent des angles solaires et d'observation.
2) les effets atmosphériques, principalement dus à la diffusion des aérosols, difficiles à corriger car les propriétés optiques des aérosols sont extrêmement variables et difficiles à caractériser.

Grâce aux angles d'observation constants, les effets directionels seront minimisés, étant donné que la seule variation de la géométrie de l'observation et de l'illumination sera causée par les variations de l'élévation solaire au cours de l'année. Il en découle que les variations des effets directionels seront très lentes dans le temps, et en plus, quand on comparera les données acquises à un an d'intervalle, aucun effet directionel ne sera observé.

Exemples de variations de reflectance

Fig 1. Exemples de variations de réflectance pour des forêts de conifères en fonction de l'angle de phase pour la bande proche infrarouge (en rouge) et la bande rouge (en vert) de Polder. L'angle de phase est la distance angulaire à la direction de rétro-diffusion (quand le pixel, le satellite et le soleil sont alignés). La variation de la réflectance peut être supérieure à 100% quand les angles d'observations varient de jour en jour (Figure, F.M. Bréon).

De plus, la quasi absence d'effets directionels peut être utilisée pour améliorer les corrections atmosphériques. Pour cela, nous utiliserons les propriétés suivantes :

  • les propriétés optiques des aérosols varient rapidement dans le temps mais lentement géographiquement.
  • les réflectances varient rapidement géographiquement mais lentement dans le temps, quand il n'y a pas d'effets directionels.

Sur une période de quelques jours, les variations de la réflectance au sommet de l'atmosphère sont principalement dues aux variations des propriétés optiques des aérosols, fournissant un moyen d'estimer ces propriétés. Une telle méthode sera implémentée dans les algorithmes de niveau 2 de Venµs.

2. Exemple de jeu de données Formosat-2

Pour préparer les algorithmes de Venµs, pour promouvoir l'utilisation des séries temporelles d'images telles que Venµs, et pour former les futurs utilisateurs des données de Venµs, un jeu de données partiellement similaire à celles de Venµs a été acquis grâce au satellite Formosat-2.
Formosat-2 est un satellite Taïwanais à haute résolution (NSPO, distribution par Spot-Image) avec les caractéristiques suivantes :

  1. images haute résolution (8m), champ de vue : 24 km
  2. observation possible tous les jours (pas globales)
  3. 4 bandes spectrales (plus larges que Venµs) allant de 490 à 850 nm
  4. des angles d'observation constants

Les images sont acquises tous les trois jours pour un site en France, tous les quatre jours pour un site au Maroc. Nous montrons ci-dessous une séquence de 12 images acquises au cours d'une période de deux mois, entre le 16/11/2005 et le 16/02/2006. Ces images sont des réflectances au sommet de l'atmosphère, avec une table de couleur constante définie ci-dessous.

Rouge : 0-255Bande proche infrarouge (B4) : 0.15-0.5
Vert : 0-255Bande rouge (B3) : 0.06-0.28
Bleu : 0-255Bande Bleue (B1) : 0.08-0.2

Le premier fait marquant de cette série d'images est leur similarité : à l'exception de quelques accidents, toutes les images se ressemblent. Les accidents sont dus à divers phénomènes :

  • le 20/11/2005, l'épaisseur optique des aérosols était plus importante que sur tous les autres jours de cette série temporelle (un photomètre solaire AERONET est disponible près du site). Les produits de niveau 2 Venµs utiliseront les variations quotidiennes de la transparence atmosphérique, ainsi que la stabilité des réflectances, pour inverser le contenu en aérosols atmosphériques.
  • le 29/12/2005 et le 18/01/2006, les images ont été acquises après de gros événements pluvieux.
  • le 16/02/2006, des nuages semi-transparents apparaissent dans les images, et le début de la saison de croissance de la végétation est clairement visible. Le début de la saison de croissance était déjà notable sur de nombreux champs dans l'image du 22/01/2006.

Entre les images acquises le 16/11/2005 et le 28/11/2005, des changements localisés dans les réflectances peuvent aussi être notés. La réflectance sur sol nu sur certaines parcelles décroît soudainement. Ce changement se produit car la parcelle a été labourée. Détecter la date de labours dans cette région est très intéressant car le blé est semé quand la parcelle est labourée.

2005-11-16
16/11/2005
2005-11-20
20/11/2005
2005-11-28
28/11/2005
2005-12-04
04/12/2005
2005-12-08
08/12/2005
2005-12-12
12/12/2005
2005-12-16
16/12/2005
2005-12-29
29/12/2005
2006-01-10
10/01/2006
2006-01-18
18/01/2006
2006-01-22
22/01/2006
2006-02-16
16/02/2006

Il est possible de tracer la réflectance d'un pixel en fonction du temps pour avoir une idée de la qualité future des séries temporelles Venµs. Sur la figure ci-dessous, on peut noter que la quantité de bruit sur la série temporelle est réellement basse grâce à la quasi absence d'effets directionels. Les valeurs plus hautes de réflectance dans les canaux bleu et rouge le 20 novembre sont dues à une plus grande épaisseur optique. La chute soudaine de la réflectance dans tous les canaux le 12 décembre est due au labour des champs. La diminution de la réflectance dans les canaux vert et rouge le 29 décembre est liée à un fort événement pluvieux, mais il est moins visible sur les champs labourés que sur les champs qui ne l'ont pas encore été. Finalement, sur la dernière date, la végétation qui pousse est clairement visible grâce à la réflectance dans le proche infra-rouge.

variations de reflectance
Cette figure montre les variations de
réflectance au sommet de l'atmosphère
en fonction du temps pour un pixel au sol,
pour les quatre canaux de Formosat :
bleu, vert, rouge, proche infrarouge.