On a parlé de SPOT4 (Take5) au colloque RAQRS à Valencia

 

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La quatrième édition du colloque RAQRS (Recent Advances in Quantitative Remote Sensing) s'est déroulée à Valencia, en Espagne, il y a deux semaines. Ce colloque a lieu tous les 4 ans, il est parfaitement organisé par J.Sobrino et ses collègues de l'Université de Valencia. Son objectif est de passer en revue les dernières avancées concernant la télédétection des surfaces continentales, dans toutes les longueurs d'ondes, actives ou passives. Nous y avons donc discuté de séries temporelles optiques à basse ou haute résolution, de radar, de micro-ondes passives, d'infra rouge thermique, de paella, de fluorescence, d'humidité des sols, de jamon, d'évapo-transpiration, biomasse, d'orchata.et de variables biophysiques...

 

L'expérience SPOT4 (Take5) était aussi présente dans quelques posters et présentations, qui sont joints ci-dessous. Et j'en ai profité pour annoncer SPOT5 (Take5) ! (si les images n'apparaissent pas (elles sont trop grosses), cliquez sur le bouton en haut à droite, si ça n’apparaît toujours pas , cliquez sur télécharger)

 

Take 5 : a happy end for SPOT5

In a classical Hollywood thriller, in which the hero nearly dies several times, a last sequence of the film is usually dedicated to the happy ending with a swinging music. The same happens with the SPOT5 (Take5) story : after several periods with very little hopes of success, the SPOT5 (TAKE5) experiment is finally close to be decided (at least with a 90% likelihood...)

 

Despite an intensive campaign to show that repeating the experiment would still be useful, with very motivated users writing that the experiment would be useful (thanks to all !),  it quickly turned out that CNES could not afford the full cost of the experiment a second time alone. Therefore the support of ESA was sought, as the experiment is considered to fall in the core mandate of ESA's Third Party Mission Earthnet Program. ESA's decision to takeover CNES external costs still has to be approved by its Member States in autumn, however funding is already set aside. And finally, CNES as agreed to hold the experiment thanks to ESA's decision to take charge of CNES external costs : CNES has contracted several companies to operate its satellites and ground segments and these expenses for the experiment will be covered by ESA, while CNES will fund its internal costs, and provide the satellite.

 

The experiment will start in April 2015 and stop at the end of August, the exact start date still needs to be determined and will depend on the finally selected orbit. Sentinel-2 launch is expected between the end of April 2015 and the end of June 2015, but the "ramp-up phase" will take a couple of months to start the routine acquisitions, probably too late to monitor the main part of 2015 growing season in the Northern Hemisphere routinely. For a number of selected sites, the SPOT5 (TAKE5) experiment will be useful to enable several teams to start building their applications for 2015 growing season, without having to wait for an additional year. Early Sentinel-2 images might also be taken on these sites.

 

This time, the selection of the sites will be lead by ESA, who will issue a call for sites proposal this autumn, in a very short time frame, as the final site list needs to be determined before the end of the year. If you are interested by proposing a site, get ready to answer and stay tuned on this blog  !

 

(Thanks to Sylvia Sylvander (CNES) and Bianca Hoersch  (ESA) for their contributions to this post)

Directional effect correction for Sentinel-2 composites.

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Sentinel-2 orbits

Swaths observed by Sentinel-2A, for day 1 (green), 4 (Blue), 7 (grey), 8 (Pink). For Sentinel-2B, we will have to shift that by 5 days. Distance between swaths was computed so that a little overlap is available at the equator.

The Sentinel-2 orbit was set so that the swaths observed by the satellite have a little overlap at the equator. The width of the overlap increases quickly at higher latitudes. For instance, at France latitude (45 degrees), about half of the surface will be observed twice per satellite cycle, from two adjacent swaths.

It is not very fair, since it will always be the same places that will be observed twice and the rest of the world will only be observed once (The Cesbio site is well located !)

Same as above, with a zoom over France. Here, half of the land will be observed twice per cycle (red segments), and the other half (yellow segments) once per cycle.

 

 

 

Directional correction for composites.

 

Well, the issue is that each point within the overlap zone will be observed twice, but under two different viewing angles, and therefore will have different reflectances in each swath, due to the directional effects. The users of our data often ask for monthly syntheses as cloud free as possible, that merge the data observed from different orbits.To obtain such products, a directional correction is therefore necessary.

Monthly syntheses in Toulouse region, without directional correction on the left,  with a directional correction on the right.

N.B.. The scattered green points you may see are invalid points due to saturated pixels (saturations are often observed with SPOT? which will not be the case for Sentinel-2).

 

To do that, directional models have been developed, such as the ones of Roujean or Ross-Li, that model the directional variations as a function of viewing angles and solar angles, with a rather good accuracy for most types of surfaces. Here is how they look like :

 \rho= \rho_0 (1 + K_1. F_1(angles), + K_2. F_2 (angles))

 

 \rho is the reflectance for the actual viewing and solar angles  \rho_0 is the reflectance for a given angular condition chosen to standardise the data (for instance viewing at nadir and solar angle at 45 degrees), F1 and F2 are the directional functions that depend on the angles, and  K_1 and K_2 are the coefficients of the directional model, that depend on the observe pixel type of surface.

Fortunately, in the case of S2, the angle differences are low, no more than 20 degrees. We have tried, as a first test; to find mean coefficient that could work more or less for all surfaces. Tu compute these coefficients, we used the SPOT4 (Take5) sites which have been observed under two viewing directions. These are Maricopa (In the USA), and Midi-Pyrénées, Bretagne and Provence in France. They show very different landscapes, with desert and irrigated crops in Maricopa, a very diverse agricultural landscape in Bretagne and Midi-Pyrénées, and Mediterranean forests and vineyards in Provence. We have used all the available couples of clear images separated by less than 5 days and we searched for the coefficients K_1 and K_2 that allow to minimise differences.

 

Finally, these coefficients were used to correct the data and produce composites. The monthly syntheses are finally obtained by computing  a weighted mean value of the reflectance of cloud free pixels obtained during a period of 42 days. The images above or below show the results obtained by M. Kadiri on the French sites (Maricopa is still running), with on the left the synthesis without directional correction, and on the right the one with directional correction. The shading observed from right to left on the image without correction almost disappears on the images with correction. It is the same for all 3 sites and the chosen images are the ones which show the highest differences. Knowing that the angle difference is greater for SPOT4 (Take5) than for Sentinel-2, we have good hopes that this simple method could work for Sentinel-2.

However, our sampling of 4 sites is not sufficient, we will have to prove that theses results still hold for other types of surfaces. We could do that with SPOT5 (Take5) or with the first Sentinel-2 data (which should come soon !).

 

Same as above, for Provence-Languedoc.

 

Same as above, for Bretagne

Fauchée d'un instrument : c'est la surface observée par un satellite au cours d'un passage.

SPOT5 (Take5) : a step forward / un pas en avant

CNES just gave a green light to go on with the studies to repeat the Take5 experiment with SPOT5. These studies will determine the exact cost of the experiment and see if it fits with what could be available, accounting for ESA's help. If everything goes well, the experiment would start around April 2015, until the end of August 2015. It will provide the opportunity, for several sites, to anticipate the launch of Sentinel-2. I do not know yet how the sites would be chosen, but I will keep you posted.

Le CNES vient de donner son feu vert pour poursuivre les études de faisabilité d'une nouvelle expérience Take5 réalisée avec SPOT5. Ces études auront notamment pour but de déterminer le coût exact de l'expérience et de voir s'il correspond aux budgets qui peuvent être dégagés, avec l'aide de l'ESA. Si tout se passe bien, l'expérience démarrerait en Avril 2015 et durerait jusqu'à fin Août, elle permettrait donc d'anticiper le lancement de Sentinel-2 pour quelques sites. Je ne sais pas encore comment les sites seraient choisis, mais je vous tiens bien sûr au courant.

Phased orbits, how do they work ?

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As we are working to set a new Take5 experiment with SPOT5, here are some explanations of how it is possible to change the repeat cycle of a satellite from 26 days to 5 days, by just changing the satellite altitude by a couple of kilometres. There is nothing complicated behind that, just some simple arithmetic.

A phased orbit is an orbit for which the satellite repeats the same trajectory periodically. From its orbit at an altitude of 822 km, SPOT5, like its predecessors, has a cycle of 26 days. Every 26 days, it overflies the same places on earth. In 26 days, SPOT5 makes 369 revolutions around the earth. In 24 hours, a SPOT satellite runs through 369/26=14.19 orbits. Lowering its altitude by 2 km, the satellite slows a little, but the length of the circle it has to run along is reduced. It takes a little less time to make a revolution around the earth. The satellite does exactly 14.2 orbits per day.

 

Here are some of the orbits of SPOT4 (Take5), with some of the sites observed in France and North Africa during the experiment. The satellite started with the Cyan track, then the green one on the day after, then the yellow one on the next day and so on. 5 days later, it came back to the cyan orbit. You may see that it was possible to acquire a site on on the green track from the adjacent one on the cyan track.

 

14.2 orbits per days, is equivalent to 71 orbits in 5 days. After 71 orbits and 5 days exactly  SPOT4 was always at the same place during the Take5 experiment, and its cycled was changed from 26 to 5 days.

 

I have been also asked how the initial 26 days repeat cycle of SPOT5 was defined. The CNES engineers who designed it wanted to make it possible to observe each point on the earth from the vertical. As the SPOT satellites had a field of view of 116 km using both instruments, with a 26 days repeat cycle we had 116x26x14.19 = 43000km, just a little more than earth equator length. However, it was quickly seen that users did not ask for exactly vertical images and that the instruments were programmed mostly independently looking in different directions. However, the 26 days cycle was kept for all the SPOT satellites just as the High Speed Trains rail separation is related to the width of the hindquarters of a horse.

Finally, nothing would prevent from using the SPOT satellites from a 5 days repeat cycle orbit, which would not really change the ability to use the images how they are used now, but would allow new possibilities thanks to the possibility to observe users from constant viewing angles.

 

It is a little funny to observe that SPOT6 and SPOT7 do not use the initial SPOT orbit, and only fly at an altitude of 694 km but still with a 26 days phased orbit, this time obtained with 379/26=14.58 orbits per day. However, the justification cannot be the field of view, as this field of view is only 60 km.  But just by rising the orbit by a few kilometers, a 5 days orbit could be obtained

 

 

 

Les orbites phasées, comment ça marche ?

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En ces jours où l'on reparle d'une expérience Take5 avec SPOT5, je m'aperçois que je n'ai pas expliqué ici comment on arrive à faire passer le cycle orbital de SPOT de 26 à 5 jours exactement, en abaissant l'orbite de SPOT de seulement 3 kilomètres. Il n'y a en fait rien de sorcier là dedans, juste de la simple arithmétique.

 

Depuis son orbite à 822 km d'altitude, SPOT5, comme ses prédécesseurs, a un cycle de 26 jours. Tous les 26 jours, il se retrouve au même endroit exactement. Au cours de ces 26 jours, SPOT 5 fait 369 tours de la terre. En 24 heures, un satellite SPOT parcourt donc 369/26 = 14.19 révolutions (on utilise aussi improprement le mot orbite à la place de révolution).  En diminuant l'altitude du satellite de 3 km, la vitesse du satellite diminue un peu, mais la distance à parcourir diminue davantage, le rayon du cercle à parcourir étant plus petit, son périmètre est plus court. Le satellite met donc un peu moins de temps à parcourir un tour de la terre. Il effectue ainsi 14.2 orbites par jour exactement.

Voici les orbites utilisées pour SPOT4 (Take5), avec quelques uns des sites observés en France et en Afrique du Nord. Le satellite parcourait d'abord l'orbite bleu clair, à l'ouest de la France, puis l'orbite verte le lendemain, la jaune le jour suivant et ainsi de suite. On constate qu'il était possible d'observer un site sur la trace verte depuis l'orbite bleue, et donc que chaque point au sol est bien accessible depuis un cycle orbital de 5 jours avec les capacités de dépointage de SPOT.

 

14.2 orbites en un jour, c'est aussi exactement 71 orbites en 5 jours. Le tour est donc joué, et le cycle est passé de 26 jours à 5 jours. C'est ainsi que nous avons pu réaliser l'expérience Take5.

 

On m'a aussi souvent demandé pourquoi SPOT avait une orbite de 26 jours. Nos prédécesseurs ont voulu proposer que chaque point au sol puisse être observé depuis la verticale, ou presque. Les satellites SPOT 1 à 5 avait un champ de vue de 116 km en utilisant les deux instruments, et l'on constate que 116x26x14.19 = 43000km, soit à peine plus que le périmètre de la terre à l'équateur. Ceci dit, on a rapidement constaté que la programmation de SPOT utilisait rarement cette possibilité d'observer avec les deux instruments joints. C'est donc le poids de l'histoire qui fait que l'on a conservé cette orbite pour tous les satellites SPOT, un peu comme l'écartement des voies des TGV qui provient directement de la largeur de l'arrière train d'un cheval. Il serait donc possible d'exploiter les satellites SPOT directement depuis l'orbite à 5 jours, ce qui ne changerait rien pour l'exploitabilité des satellites et la commercialisation des images mais fournirait des possibilités supplémentaires avec la possibilité d'observer à angles constants.

 

On peut d'ailleurs s'amuser à observer que les satellites SPOT6 et SPOT7 n'utilisent plus la même orbite que SPOT 1 à 5, et ne circulent qu'à une altitude de 694 km (probablement pour diminuer un peu la taille du satellite et le coût de son lancement), mais toujours avec un cycle de 26 jours, réalisé cette fois à partir de 379/26=14.58 orbites par jour. Pourtant, la justification de ces 26 jours ne tient plus, le champ des satellites SPOT n'est plus que de 60km. Mais il suffirait d'augmenter cette altitude de deux kilomètres pour se retrouver sur un cycle de 5 jours.

 

 

 

What about playing Take Five again with SPOT-5 ?

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This post is regularly updated with news (the official date of Sentinel-2 launch) or to add new arguments.


SPOT5 will soon end its career. After 12 years of image acquisitions, the satellite will retire in 2015. CNES might launch a call for scientific experiments with SPOT5 before the satellite de-orbitation. I am quite sure it would be useful to repeat the SPOT4 (Take5) experiment, for the following reasons :

 

  • The official Launch date of Sentinel-2A in now March the 30th, 2015. Even if the satellite is launched in time, the routine acquisition on the 10 day cycle orbit will start one or two months later, and it will take several months to distribute data operationally. Data from the second Sentinel-2 satellite will probably only be available the year after, we will thus have to wait until 2016 to get data with a 5 days repetitivity.
  • A new Take5 experiment based on SPOT5 would allow to go on preparing uses, methods and applications based on time series, to get ready to make an operational use of Sentinel-2 just after the data are released.
  • SPOT5 provides multispectral images with a 10 m resolution, just like Sentinel-2. A new Take5 experiment would allow better simulations of Sentinel-2 data.
  • SPOT4 (Take5) experiment was held in Spring and ended in June, we might this time try to extend the time period towards the Summer to monitor the summer crops.

For the first presentation of SPOT4(Take5) proposal, I had been told that it had no chance to succeed, and I had even used this drawing as my last slide. SPOT5 (Take5) chances of success are the same, but isn't it worth trying ?

  • The SPOT4(Take5) experiment was set up very quickly and we lacked time to convince international partners to take part to the experiment. This time, thanks to SPOT4(take5). Now, thanks to SPOT4(Take5) little celebrity, it should be easier to involve new international partners, and to reach new users. The cost for international partners to get access to data for one site every fifth day during five months was about 4000€. Please contact me if you think your organism might participate.
  • SPOT4 (Take5) sites were chosen very quickly, and many users complained they had no time to set-up ambitious measurement campaigns, to hire people for ground truth measurements and define protocols. This time, we might obtain a longer prior notice period to set things up properly.
  • The dreadful weather we had in Europe during SPOT4(take5), nearly spoiled a few experiments, but we may hope that it would not happen again if we tried it one more time.
  • ESA and JRC excepted, we did not have time to involve European partners in SPOT4 (Take5), and 95% of the sites chosen by ESA and JRC were outside Europe. This time, we could focus part of the experiment on Europe.
  • We might try to have the experiment running for a longer period that in the first time, but it will mean a  larger cost for CNES, and we willl need to have a convincing set of experiments to convince CNES.

Even if SPOT4(Take5) was a success, we will need to build an excellent proposal in order to convince CNES, in a constrained funding context. After the experiment was already funded once, it is not a premiere anymore, and its impact will be less straightforward.

 

We thus need to compensate with original ideas and a large support.  If you are interested to participate to a possible SPOT5 (Take5), please leave messages on this blog or on my email, Please do not forget to provide us the results you obtained with SPOT4(Take5).

 

Et si on rejouait Take Five avec SPOT-5 ?


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Cet article est régulièrement mis à jour avec l'arrivée de nouvelles (la date officielle de lancement de Sentinel-2), ou l'ajout de nouveaux arguments.

 

SPOT5 aussi va bientôt terminer sa carrière. Après 12 ans d'acquisitions d'images, le satellite va prendre sa retraite en 2015. Le CNES pourrait donc lancer prochainement un appel à utilisation scientifique de SPOT5 avant la désorbitation du satellite. Il me semble qu'il pourrait être utile de répéter l'expérience SPOT4(Take5), pour les raisons suivantes :

 

  • la date officielle du lancement de Sentinel-2A est le 30 avril 2015. Même si le satellite est lancé le jour prévu, il faudra un à deux mois pour que le satellite commence ses acquisitions systématiques de routine sur l'orbite prévue, et son segment sol mettra quelques mois à devenir complètement opérationnel.Il est donc malheureusement peu probable que S2A puisse être utilisé pour le suivi des cultures 2015 dans l'hémisphère Nord. Par ailleurs, le deuxième satellite de la constellation (S2-B), qui permet d'obtenir le cycle de 5 jours, ne sera disponible que l'année suivante.
  • Les données d'une expérience SPOT5 (Take5), fournissant des séries temporelles avec une répétitivité de 5 jours, permettraient donc de poursuivre la préparation des utilisateurs et le développement des applications et méthodes basées sur les séries temporelles.
  • SPOT5 permet d'obtenir des images multispectrales avec une résolution de 10 mètres, comme Sentinel-2, l'expérience permettrait donc de s'approcher davantage des caractéristiques de Sentinel-2.
  • l'expérience Take5 a eu lieu au printemps pour l'hémisphère Nord et s'est achevée fin juin. Si l'on pouvait cette fois déborder sur l'été, d'autres expériences pourraient être programmées, par exemple pour le suivi des cultures d'été.
  • l'expérience SPOT4(Take5) s'était décidée très rapidement, nous avions eu peu de temps pour convaincre de nombreux partenaires internationaux de participer à l'expérience. Cette fois, en profitant de la petite notoriété de l'expérience SPOT4(Take5), nous pourrions impliquer de nouveaux partenaires. N'hésitez pas à m'écrire si vous pensez que votre organisme pourrait participer (rappel, le coût d'accès aux données pour SPOT4(Take5) était de l'ordre de 3000 € pour un site).
  • Lors de la première présentation de la proposition SPOT4(Take5), j'avais été prévenu que cette proposition avait peu de chances d'aboutir et j'avais même utilisé ce dessin pour conclure ma présentation. Il en va de même pour SPOT5 (Take5), mais ça vaut la peine d'essayer ?

  • Les sites SPOT4 (Take5) ont été choisis très rapidement, et quelques utilisateurs se sont plaints de ne pas avoir assez de temps pour monter une campagne de mesure ambitieuse, acquérir du matériel, trouver du monde pour faire des mesures de terrain. Cette fois, la durée de préavis plus longue pourrait permettre de faire les choses proprement.
  • la météo exécrable en Europe, pendant l'expérience SPOT4 (Take5), a fortement perturbé quelques expérimentations. On peut espérer que ces conditions ne se répètent pas cette fois, et un renouvellement de Take5 donnerait l'occasion de mener à leur terme ces expériences.
  • en dehors de l'ESA et du JRC, nous n'avions pas eu le temps d'impliquer des partenaires européens dans l'expérience, et les sites choisis par l'ESA et le JRC étaient à 95% en dehors de l'Europe. Nous aurions cette fois le temps d'impliquer des partenaires européens.

 

Malgré le succès de SPOT4(Take5), il nous faudra un excellent dossier pour convaincre le CNES, dans un contexte budgétaire défavorable : alors que l'expérience a déjà eu lieu une fois, il ne s'agit plus d'une grande première et il y a donc moins à gagner sur le plan de la communication, de l'originalité de l'idée...

 

Merci donc de me signaler votre éventuel intérêt pour cette expérience, en m'écrivant directement, ou en laissant un message sur ce blog. Les idées originales sont les bienvenues. N'oubliez pas non plus de nous faire un retour sur vos éventuels résultats obtenus avec SPOT4(Take5), qui serviront peut être aussi à convaincre nos directeurs.