L'estimation de l'épaisseur optique des aérosols dans MACCS

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J'ai expliqué dans ce blog les principes de mesure de l'épaisseur optique des aérosols que nous utilisons pour traiter les données LANDSAT ou SPOT(Take5), et bientôt Sentinel-2 ou Venµs, avec la méthode MACCS développée au CESBIO et utilisée par THEIA. Nous avions commencé un article en 2010 (!) pour présenter les détails de la méthode et les résultats de sa validation, mais il nous a fallu un moment de calme relatif cet automne pour enfin trouver le temps de le terminer. Il est maintenant publié dans le journal remote sensing (MDPI), en libre accès. Bonne lecture !

 

Hagolle, O.; Huc, M.; Villa Pascual, D.; Dedieu, G. A Multi-Temporal and Multi-Spectral Method to Estimate Aerosol Optical Thickness over Land, for the Atmospheric Correction of FormoSat-2, LandSat, VENμS and Sentinel-2 Images. Remote Sens. 2015, 7, 2668-2691.

De gauche à droite, les résultats de validation d'épaisseurs optiques d'aérosols pour la méthode multi-spectrale, pour la méthode multi-temporelle, et pour la combinaison des deux, utilisée dans MACCS. La combinaison des deux méthodes permet de mesurer l'épaisseur optique dans de plus nombreux cas, sans dégrader l'estimation.

Venµs 140 - 75 SPOT5 (Take5)

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It might look like a basket ball score, but it is only the number of proposals received for VENµS and SPOT5 (Take5) calls. One day before VENµS's deadline, on February the 16th, it looked like it would end as a draw, but 60 proposals were received on the last 24 hours by Gérard Dedieu, VENµS's PI.

 

In both cases, the number of proposed sites is even higher, since many proposals ask for several sites, sometimes up to ten, and I am afraid we will not be able to select all of them.

  • The 62 proposals received at ESA, plus the 13 received at CNES, were analysed and their accessibility is now being checked.
  • For VENµS, we are going to start reading. Great, I only have 139 proposals to read left...

Venµs 140 - 75 SPOT5 (Take 5)

Cela pourrait ressembler à un score de basket ball, mais il s'agit simplement du nombre de dossiers reçus pour les appels à propositions de sites de la mission Venµs et de l'expérience SPOT5 (Take5). A un jour de la date limite, le 16 février, on se dirigeait vers un match nul, mais ce sont près de 60 propositions qui sont parvenues à Gérard Dedieu, le responsable scientifique de la mission Venµs, dans les dernières 24 heures !

 

Dans les deux cas, le nombre de sites demandés est encore supérieur au nombre de propositions, car de nombreuses propositions contiennent plus d'un site, parfois même une dizaine, et il ne sera malheureusement pas possible de donner satisfaction à tout le monde.

  • Les 62 propositions de SPOT5 (Take5) reçues à l'ESA, plus 13 au CNES, ont été analysées et nous en sommes à la phase de vérification de faisabilité, au cours de laquelle on vérifie qu'il est bien possible d'enchaîner les sites.
  • Pour Venµs, nous allons démarrer la lecture... allez, courage, plus que 139 dossiers.

Deadlines / Echéances

Please be aware of 3 deadlines in February :

 

 

Attention ! Attention ! Plusieurs échéances approchent :

  • la date limite pour répondre à l'appel à communications pour le colloque Multitemp 2015 à Annecy est le 27 février. J'y organise une session sur les expériences SPOT (Take5).

2015

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Dear reader,  may 2015 bring you health and happyness !


2015 should be a great year for the time series of optical images at a high resolution, with the launch of Sentinel 2A in Mat, in less than four months ! We have been waiting for it for so long that we can hardly believe it will be launched so soon. And to help you wait until then. SPOT5 orbit will be changed, to observe a hundred of sites with a 5 day repetitivity similar to that of Sentinel-2, until the end of August.

 

This post is also an opportunity to recall what was achieved in 2014 :

  • In February, we started the Sen2Agri project for l'ESA, with our partners, UCL, CS-SI France and CS-SI Romania. This project which is keeping us busy busy aims at producing a system for automatic classification of crops at the scale of whole countries.
  • In March, THEIA released a new version of SPOT4 (Take5) data, in particular with an enhanced geometrical superposition. This data set has now been downloaded by more than 600 users.
  • In May, the production in near real time (with a delay of 15 to 20 days) of LANDSAT 8 L2A products over France started (this type of product is still not available at USGS, but not for long, I guess...), followed by the processing of de 3 years of LANDSAT 5 & 7 data. 5 years of data, from 2009 to 2014, with an interruption in 2012, after LANDSAT 5 end of life and before LANDSAT 8 launch.
  • In September, CNES finally decided to launch SPOT5 (Take5) experiment,  thanks to a large contribution from ESA. The call for sites proposal was launched by ESA in November, and was largely successful, with 62 proposals for a hundred of sites. The analysis of this proposal is now on-going, and the choice will be difficult as the proposed applications are rich and very diverse.
  • In September too, CESBIO hosted the meeting of THEIA Scientific Expertise Centres, which allowed to identify about 20 products that the centre could prepare in the coming years. These products are described in the recent THEIA bulletin (in French).
  • In November, CNES hosted the SPOT4 (Take5) users meeting, to summarize data use, with a hundred of participants and  23 excellent presentations of the applications allowed by the experiment.
  • In December, we finally launched the call for sites proposal for Venµs mission, which will be launched in 2016. The deadline is January the 28th, 2015.

 

We will have several topics to comment for this blog that starts its third year, with a large audience : it received 23000 visits, and 47000 pages were read, a 50 % increase compared to last year. These weeks, it is getting harder for me to maintain a rhythm of a post per week that I tried to keep in the first two years. Contributions of data users are welcome !

In white, the countries from which no visit was observed in 2014 (Ouganda, Afghanistan)

Liste of the 10 countries from which the most frequent visits are observed.

2015

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Chers lecteurs de ce blog, que cette année 2015 vous apporte joie et santé  !


L'année 2015 sera une grande année pour les séries temporelles optiques à haute résolution, avec le lancement de Sentinel-2A début mai, dans moins de quatre mois ! Nous attendons ce satellite depuis si longtemps qu'il est difficile de croire que cette date soit si proche. Et pour nous faire patienter, dès début Avril, l'orbite de SPOT5 sera modifiée, et le satellite observera une centaine de sites, avec une répétitivité de 5 jours identique à celle de Sentinel-2, jusqu'à la fin du mois d'Août.

 

Cet article est aussi l'occasion de se pencher sur ce qui a été réalisé en 2014 :

  • En début d'année, nous avons démarré le projet Sen2AGri pour l'ESA, projet qui depuis nous occupe fortement et dont l'objectif ambitieux est de mettre en place une chaîne de classification automatique des zones agricoles et des types de cultures fonctionnant à l'échelle des pays entiers.
  • Au mois de Mars, THEIA a diffusé une nouvelle version des données SPOT4 (Take5), améliorant notamment la superposition géométrique. Ces données ont maintenant été utilisées par près de 600 utilisateurs.
  • En mai, c'est la production en temps quasi réel (15 jours à un mois) des données LANDSAT 8 de Niveau 2A sur la France qui a démarré (ce type de données n'est pas encore disponible aux USA, mais pas pour longtemps...), suivi du retraitement de 3 ans de données LANDSAT 5 et LANDSAT 7.  5 ans de données sont maintenant disponibles, de 2009 à 2014, avec une interruption en 2012, après la fin de LANDSAT 5 et avant le lancement de LANDSAT 8.
  • En septembre, nous avons obtenu la décision de lancer l'expérience SPOT5 (Take5), grâce à une importante participation financière de l'ESA. L'appel a proposition de sites a été lancé par l'ESA en Novembre, et a connu un beau succès, avec 62 propositions, pour près d'une centaine de sites. L'analyse de ces propositions est en cours et le choix sera difficile, car les applications proposées sont très riches et très diverses.
  • En Septembre aussi, s'est tenue au CESBIO la réunion des Centres d'Expertise Scientifiques de Theia, qui a permis d'identifier une vingtaine de produits différents que le pôle pourrait lancer dans les prochaines années. Ces produits sont résumés dans le dernier bulletin de THEIA.
  • En Novembre, le CNES a accueilli les journées des utilisateurs de SPOT4 (Take5), pour faire le point de l'utilisation des données, avec une centaine de participants et de belles  présentations des applications permises par l'expérience.
  • En décembre, nous avons enfin lancé l'appel à propositions de sites pour Venµs, dont le calendrier de lancement est enfin stabilisé. Vous avez jusqu'au 29 janvier 2015 pour y répondre.

 

Nous aurons donc de nombreux sujets à commenter pour ce blog qui commence sa troisième année, avec un grand nombre de fidèles lecteurs. Le blog a reçu 23000 visites, et 47000 pages ont été consultées, en augmentation de 50 % par rapport à l'an dernier. Depuis quelque temps, j'ai un peu de mal à maintenir le rythme d'un article par semaine que j'essayais de tenir depuis deux ans, mais l'année 2015 devrait être riche en événements. Les contributions des utilisateurs de données sont aussi bienvenues !

En blanc, les pays pour lesquels aucune visite du blog n'a été recensée en 2014 (Ouganda, Afghanistan)

Liste des 10 pays dont proviennent le plus fréquemment les consultations du blog. Ca fait plaisir de voir la France en aussi bonne position dans un classement international

 

Venµs Call for sites is out

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Starting in 2016, the Venµs satellite will provide optical data at a high resolution (5 to 10 mètres),  every second day, on a hundred of sites acquired under constant viewing angles, with 12 spectral bands (the  Graal !).

 

If you want to sit at the round table of Venµs knights,  please send your proposals before January the 29th. All the information is available here :

http://www.theia-land.fr/venusRA

 

L'appel à proposition de sites Venµs est sorti

A partir de 2016, le satellite Venµs fournira des données optiques à haute résolution (5 à 10 mètres), tous les deux jours, sur une centaine de sites acquis avec des angles constants, dans 12 bandes spectrales (le Graal !).

 

Si vous voulez vous asseoir à la table ronde des chevaliers de l'ordre de Venµs, proposez vos sites pour l'appel à propositions, avant le 29 janvier 2015. Toute l'information est disponible ici :

http://www.theia-land.fr/venusRA

SPOT4 (Take5) surface reflectance validation using CNES ROSAS station in la Crau.

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More than 10 years ago, on the Crau plain, in Provence, CNES set up an automatic calibration station to measure the atmospheric optical properties and the surface reflectances. This station, named ROSAS (RObotic Station for Atmosphere and Surface), is at the top of a 10 meter mast, and is equipped with a CIMEL instrument similar to the ones of the AERONET network that are used to characterize the atmospheric aerosols. But this one has been modified to observe also the ground. The initial objective of this station was to check the absolute calibration of optical remote sensing instruments with a high resolution (because the site uniformity is not sufficient for satellites with a kilometric resolution). But this station proves also useful to validate the surface reflectances from satellite level 2A products.

 

This work was done by some CNES colleagues, Vincent Lonjou, Sébastien Marcq et Aimé Meygret, using the level 2A products obtained from SPOT4 (Take5) experiment.

The ROSAS station needs 90 minutes to fully characterize the downward radiance and thus the atmosphere, and the upward radiance. The ratio of both measurements enable to compute the surface reflectance. However, the process is a little more complex than described here, as the surface around the mast is not perfectly uniform and the reflectances are affected by directional effects. A bidirectional model is therefore fitted to the measurements, and this model is then used to predict the reflectances measured by the satellite.

B2

The ROSAS instrument, during the SPOT4 (Take5) experiment, was equipped with 10 spectral bands described in the table below. The instrument is now being modified in view of Sentinel-2 and Venµs launches, to accommodate new spectral bands, in the near infra-red mainly, where the sampling of the spectrum was not sufficient.

Band λ (nm), detector
1 1020Si
2 1600 InGaAs
3 870 Si
4 670 Si
5 440 Si
6 550 Si
7 1020 InGaAs
8 937 Si
9 380 Si
10 740 Si

B3 (clear symbols for SPOT4, dark symbols for ROSAS)

 

B4 (clear symbols for SPOT4, datk symbols for ROSAS)

The agreement of ROSAS and SPOT4(Take5) surface reflectance measurement is excellent, in all band but near-infrared : better than 5% in the green (B1), red (B2) and SWIR (B4) channels, and 7-8% in the NIR (B3). The differences observed in the NIR are being investigated, but could be linked to the spectral interpolation, as SPOT4 B3 band is quite far from ROSAS spectral bands.

In the SWIR, the greater variations of surface reflectances with time may be noticed, with large reflectance drops after rains. The SWIR band is very sensitive to the soil moisture, at least when the vegetation cover is sparse, which is the case at La Crau. In the other bands, these variations are much less visible, and what should be noticed is the great stability of surface reflectances with time, thanks to the acquisitions with constant viewing angles and also to the quality of atmospheric correction...

 

 

A poster was shown by Aimé Meygret at the "Sentinel-2 for science" symposium in Frascati in may 2014.

 

 

 

Validation des réflectances de surface de SPOT4 (Take5) sur la Crau, avec la station ROSAS du CNES

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Sur la plaine de Crau, en Provence, le CNES a mis en place une station automatique de mesure des conditions atmosphériques et des réflectances de surface. Cette station, nommée ROSAS (RObotic Station for Atmosphere and Surface), est installée au sommet d'un mât de 10 mètres, et est équipée d'un instrument CIMEL analogue à ceux du réseau AERONET qui servent à caractériser l'atmosphère, mais modifié pour observer aussi le sol. L'objectif initial de cette station était de vérifier l'étalonnage absolu des instruments en orbite, pour les satellites à haute résolution (car l'uniformité du site n'est pas suffisante pour les capteurs à résolution kilométrique). Mais cette station peut aussi être utilisée pour valider les réflectances de surface fournies dans les produits de niveau 2A
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C'est le travail qu'ont effectué des collègues du CNES, Vincent Lonjou, Sébastien Marcq et Aimé Meygret, à partir des produits de niveau 2A issus de l'expérience SPOT4 (Take5).

 

La station Rosas effectue un cycle de mesure toutes les 90 minutes, caractérisant successivement le rayonnement descendant (et donc l'atmosphère), puis le rayonnement montant provenant de la surface. Le rapport des deux permet de calculer la réflectance de surface. Le processus est un peu plus complexe que ce que je décris ici, car il faut tenir compte de la non-uniformité de la surface autour du mât, et des variations directionnelles des réflectances. Un modèle bidirectionnel des réflectances de surface est donc ajusté sur les mesures, et ce modèle permet de prédire les réflectances que doit mesurer le satellite.

 

B1 (vert)

B2 (rouge)

L'instrument disposait, lors de l'expérience SPOT4 (Take5) des longueurs d'ondes du tableau ci-dessous. Il est en cours de modification pour ajouter de nouvelles bandes spectrales, notamment dans le proche infra-rouge, dont l'échantillonnage n'était pas suffisant, et en préparation des activités d'étalonnage et de validation des satellites Sentinel-2 et Venµs.

Band λ (nm), detector
1 1020Si
2 1600 InGaAs
3 870 Si
4 670 Si
5 440 Si
6 550 Si
7 1020 InGaAs
8 937 Si
9 380 Si
10 740 Si

B3 - PIR (symboles clairs pour SPOT4, sombres pour ROSAS)

 

B4 - MIR (symboles clairs pour SPOT4, sombres pour ROSAS)

On note que l'accord entre les réflectances de surface obtenues avec la station ROSAS et celles issues des produits de niveau 2A de SPOT4 (Take5) est excellent, dans toutes les bandes sauf dans le proche infra-rouge : mieux que 5% en B1, B2, B4 et 7-8% en B3. Les différences observées dans le proche infra-rouge sont en cours d'investigation et pourraient être liées à l'interpolation spectrale, la bande spectrale de SPOT4 étant très éloignée de celle de ROSAS.

 

On peut remarquer aussi les variations plus importantes des réflectances de surface dans le moyen infra-rouge, avec de fortes baisses de la réflectance observées après des pluies. On peut en déduire que les données optiques multi-temporelles acquises sous des angles constants pourraient être utilisées pour détecter des variations de l'humidité superficielle des sols, au moins quand la couverture végétale n'est pas très importante, comme c'est le cas sur la prairie clairsemée de la Crau. Dans les autres bandes spectrales les variations dues à l'humidité des sols sont bien moins prononcées, et c'est surtout la grande stabilité des réflectances avec le temps qui doit être notée, grâce aux angles de visée constants et à une bonne correction des effets atmosphériques.

 

Un poster a été présenté par AImé Meygret au colloque "Sentinel2 for science" à Frascati au mois de mai 2014.

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