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)

Production d'un nouveau lot de données LANDSAT8 sur la France

Image typique de cette période du mois d’août 2014 (ici, la région de Champagne), mais en cherchant bien, on peut trouver quelques trous au milieu des nuages...

Les collègues du centre de production MUSCATE travaillant au CNES pour le centre de données THEIA rajoutent un nouveau lot de données LANDSAT 8 tous les 15 jours.Les dernières données produites vont du 3 au 16 août 2014, elles sont donc produites avec un délai d'un mois à un mois et demi par rapport à leur acquisition.

 

Nous pourrions faire un peu mieux, avec un risque de ne pas traiter certaines images si l'USGS ne les met pas à disposition rapidement. Cela arrive assez rarement, mais cela arrive. Faites nous savoir (en commentant ce blog) si vous avez vraiment besoin d'une mise à disposition plus rapide.

 

Les données sont disponibles ici, sans licence à signer, il suffit de s'inscrire :

http://spirit.cnes.fr/resto/Landsat

Je vous rappelle qu'il est possible d'en télécharger un grand nombre d'un coup, comme expliqué ici

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.

Correction des effets directionnels pour les synthèses mensuelles de Sentinel-2

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Les orbites de Sentinel-2

Fauchées observées par Sentinel-2A, le jour 1 du cycle (vert), le 4 (Bleu), le 7 (gris), le 8 (rose). Pour Sentinel-2B, il faut décaler le tout de 5 jours. L'espacement entre les fauchées est déterminée par l'orbite, qui est calculé pour permettre un léger chevauchement des fauchées adjacentes à l'équateur.

L'orbite de Sentinel-2 a été calculée pour que les fauchées observées par le satellite aient une petite intersection à l'équateur. La largeur de cette intersection augmente rapidement lorsqu'on s'éloigne de l'équateur et qu'on se rapproche des pôles. A la latitude de la France (45 degrés), c'est quasiment la moitié des surfaces qui pourront être observées à deux reprises, à partir de deux fauchées adjacentes.

C'est d'ailleurs un peu injuste car ce seront toujours les mêmes endroits qui seront observés deux fois tous les 5 jours, alors que d'autres endroits ne seront observés qu'une fois, mais à la verticale. Le site Sudmipy du CESBIO semble faire partie des endroits observés deux fois, mais, je ne suis pas sûr de disposer des orbites définitives de Sentinel-2).

Zoom sur la France de l'image ci-contre. On constate qu'à la latitude de 45 degrés, la moitié des terres (trait jaune) est observée une fois par cycle, et l'autre moitié (trait rouge) deux fois par cycle (donc deux fois tous les 5 jours avec les deux satellites).

 

 

 

La correction directionnelle.

 

Bref, le problème, c'est qu'un point à l'intersection de deux fauchées adjacentes sera observé sous deux angles différents et n'aura pas les mêmes réflectances sur les deux images, en raison des effets directionnels. Or les utilisateurs de nos données (oui, vous) nous demandent souvent des images de synthèses mensuelles (si possible sans nuages), et assemblant les données acquises depuis plusieurs orbites, de préférence sans que les coutures entre orbites soient visibles. Pour obtenir de tels produits, il faut donc pratiquer une correction des effets directionnels.

Synthèses mensuelles calculées avec la méthode de la moyenne pondérée, sans correction directionnelle à gauche, avec correction directionnelle à droite.

N.B.. Les points verts que l'on voit par-ci par là sont des pixels invalides, car tout le temps nuageux ou saturés (sur SPOT, les saturations sont fréquentes, ce qui ne sera pas le cas sur Sentinel-2)

 

Pour cela, il existe des modèles directionnels, comme celui de Roujean, ou ceux de Ross-Li, qui permettent de modéliser l'évolution des réflectances en fonction des angles de prise de vue et des angles solaires, avec une précision correcte pour la plupart des surfaces. Ils se présentent sous la forme suivante :

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

 

 \rho est la réflectance dans les conditions de la prise de vue,  \rho_0 est la réflectance pour une direction donnée (par exemple, observation à la verticale et élévation solaire à 45 degrés), F1 et F2 sont des fonctions directionnelles qui dépendent des angles de prise de vue et des angles solaires, et  K_1 et K_2 sont les coefficients du modèle directionnel, qui vont en général dépendre de la nature du pixel observé.

 

Dans le cas de Sentinel-2, nous avons la chance que les différences d'angles de prise de vue entre deux orbites adjacentes soient faibles, tout au plus 20 degrés. Nous avons donc tenté de trouver des coefficients moyens qui fonctionneraient à peu près pour tous les paysages. Pour trouver ces coefficients, nous avons utilisé les sites de l'expérience SPOT4 (Take5) qui ont été observés sous deux angles différents. Il s'agit de Maricopa (aux USA), Midi-Pyrénées, Bretagne et Provence en France. Il s'agit de paysages très différents, avec du désert et de l'agriculture irriguée à Maricopa, un paysage agricole varié en Bretagne et en Midi-Pyrénées, et un paysage de forêts méditerranéennes et de vignes en Provence. Nous avons utilisé tous les couples d'images claires séparées par moins de 5 jours et cherché les coefficients  K_1 et K_2 qui permettent de minimiser les différences.

 

Enfin, ces coefficients ont été utilisés pour corriger les données et produire les composites. Les produits de synthèses mensuelles, sont finalement obtenus en calculant la moyenne des pixels non nuageux pendant une période de 42 jours. Les images ci-dessus présentent les derniers résultats obtenus par Mohamed Kadiri sur le site de CESBIO près de Toulouse. à gauche, sans correction directionnelle, à droite avec correction directionnelle. Le dégradé de couleurs qui apparaît sur la partie droite de l'image de gauche, sans correction, disparaît presque complètement sur l'image de droite (avec correction). Il en va de même pour toutes les dates et pour les 3 autres sites, et j'ai choisi ici l'image qui comportait les effets les plus prononcés. Sachant que la différence angulaire entre les images SPOT acquises depuis des orbites adjacentes est plus grande que pour Sentinel-2, je pense qu'on peut espérer obtenir de bons résultats avec Sentinel-2 avec cette méthode simple.

Ceci dit, notre échantillon statistique, composé de 4 sites est largement insuffisant, ces résultats devront donc être confirmés, par exemple avec SPOT5 (Take5), ou avec les premières données de Sentinel-2 (c'est bientôt !)

 

Même figure que ci-dessus pour le site Provence-Languedoc.

 

Même figure que ci-dessus pour le site Bretagne

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