Une année de données LANDSAT8 de plus disponible au niveau 2A

 

Une des dernières images de l'année 2015, sur les côtes charentaises. Le masque de nuages est entouré de vert, le masque d'eau de bleu. Les données sont traitées avec la chaîne MACCS.

Les données LANDSAT8 acquises sur la France (Métropole et Corse) en 2015 ont toutes été traitées au niveau 2A par le pôle THEIA, et sont toutes en ligne depuis le 19 janvier. Avec les données LANDSAT5 et 7 de 2009 à 2011, puis les données LANDSAT8 de 2013 à 2015, ce sont maintenant 6 années qui sont disponibles sur la France. Les données sont traitées au fil de l'eau avec un retard d'une quinzaine de jours.

 

Pour consulter le catalogue et télécharger les données :

https://theia.cnes.fr/

 

Vous pouvez également télécharger les données de manière automatique en ligne de commande avec l'outil theia-download. C'est très utile pour récupérer des données sur de nombreuses tuiles.

 

Dans le courant du premier semestre, le centre de traitement MUSCATE opérationnel, viendra remplacer le prototype qui jusqu'ici traitait les données LANDSAT et Take5. Ce nouveau centre de traitement sera capable de traiter les données bien plus rapidement, mais il occasionnera pour vous un changement de format des données.

Nous allons aussi très prochainement lancer les mêmes traitements sur les régions et communautés d'outre mer françaises.

L'image du jour de Noel 2015 acquise par LANDSAT8 sur les Pyrénées. En haut à gauche, l'image avant correction atmosphérique, en bas à gauche, l'épaisseur optique des aérosols et les masques (nuages, neige et eau), à droite, les images corrigées des effets atmosphériques, avec en bas la correction des effets du relief.

Premier dépouillement de l'appel à proposition Sentinel-2

Nous avons reçu 28 réponses à notre appel à propositions pour choisir les zones pour lesquelles THEIA produira des niveaux 2A à partir de Sentinel-2. C'est déjà bien, mais certaines de ces propositions fédèrent plusieurs projets sur différents sites, jusqu'à 27 pour l'une d'entre elles, et nous avons au total reçu 75 demandes de sites. Ce résultat donne une idée du succès auquel on peut s'attendre pour la mission Sentinel-2 et les produits de Theia ! Les thématiques représentées ont extrêmement diverses : suivi de la qualité des eaux continentales, suivi du trait de côtes, biodiversité, forêts, agriculture, occupation des sols...


Une petite déception, cet appel était ouvert aux organismes de recherche et plus largement à tous les organismes publics Français, mais seuls les organismes de recherche ont répondu. Celà s'explique probablement en grande partie du fait que la France et les territoires d'outre-mer étaient inclus par défaut et les collectivités locales n'avaient pas besoin de répondre pour obtenir des données sur leurs territoires.

 

Mais le hic, c'est que le CNES a dimensionné ses capacités de traitement à 5 millions de kilomètres carrés (en incluant la France et les ROM COM), alors que 18 millions de km2 ont été demandés. L'une des propositions, toujours la même, couvre près de 10 millions de kilomètres carrés à elle seule !


En orange, les zones demandées lors de l'appel à propositions Theia pour Sentinel-2.

 

 

Ce résultat a plusieurs conséquences :

  • nous allons rechercher des ressources supplémentaires pour essayer d'augmenter nos capacités de production (mais le contexte budgétaire actuel n'aide pas)
  • nous allons aussi passer plus de temps que prévu à dépouiller ces réponses, en discutant avec les proposants pour vérifier que les surfaces demandées sont bien nécessaires, définir des priorités, et éventuellement revoir les demandes à la baisse. Cette phase de sélection des prépositions va donc prendre un peu plus de temps que prévu.
  • Un certain nombre de propositions ne seront malheureusement pas sélectionnées.

 

 

 

 

 

 

SPOT (Take5) and Theia products can now be downloaded without a click

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Since THEIA new Single Sign On authentication went on-line, last summer, it was not possible anymore to use a program to automatically download the products from the Take5 and Theia servers. But after insisting a little bit ( I have good insistance skills ), and with the arrival of a new version, Jerôme Gasperi invented a clever solution, easy and acceptable by CNES security.

 

Thanks to a few examples provided by Jerôme, I coded two little routines to allow you to search and download your products without any click. To use them, you will need an account and password delivered by Theia or Take5 servers, a linux system, python 2.7, the curl utility, and my little codes.

 


Take5 download tool is here and it comes with a couple of examples. To specify a location, you have to know the site same. If you do not know the exact name, you can find it here or here

python take5_download.py -s 'ToulouseFrance' -a auth_theia.txt -c SPOT5

python take5_download.py -s 'ToulouseFrance' -a auth_theia.txt -c SPOT5 -d 2015-04-01 -f 2015-05-01 -l LEVEL2A

 

Theia download tool is here. It allows to access the L2A LANDSAT data over France, and the SpotWorldHeritage L1C products. It may be used in many ways. For instance, the region to download can be specified by a town name (beware of homonyms), by the lat, lon coordinates, or by a latitude, longitude rectangle.

python theia_download.py -l 'Toulouse' -a auth_theia.txt -d 2015-11-01 -f 2015-12-01

python theia_download.py --lon 1 --lat 43.5 -a auth_theia.txt -d 2015-11-01 -f 2015-12-01

python theia_download.py --lonmin 1 --lonmax 2 --latmin 43 --latmax 44 -a auth_theia.txt -d 2015-11-01 -f 2015-12-01

python theia_download.py -l 'Toulouse' -a auth_theia.txt -c SpotWorldHeritage -p SPOT4 -d 2005-11-01 -f 2006-12-01

 

All these examples are explained on the github server. And you may even enhance the codes and allow any one to benefit from your enhancements.

Les produits de Theia et de Take5 peuvent être téléchargés sans clics

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Depuis que THEIA a introduit son système d'authentification unique au début de l'été, il n'était plus possible de se connecter par programme aux serveurs Take5 et Theia et les téléchargements automatiques n'étaient donc plus possibles. Mais à force d'insister (c'est une chose que je sais bien faire), et avec l'arrivée de la nouvelle version du serveur, cette demande a été prise en compte, et Jérôme Gaspéri, du CNES, a inventé une belle solution, à la fois pratique et acceptable par la sécurité informatique du CNES.

 

Avec l'aide d'exemples fournis par Jérôme, j'ai donc codé deux petits outils en Python pour vous permettre de reprendre des téléchargements automatiques. Pour les faire tourner, il vous faudra un login et mot de passe acquis depuis les serveurs Theia ou Take5, une machine linux, python 2.7, l'utilitaire Curl (généralement présent par défaut), et mes petits programmes.

 


L'outil pour Take5 est ici et en prime, voici quelques exemples d'utilisation. La recherche du lieu ne peut se faire que par le nom du site qu'on peut aller chercher sur le serveur Take5..

python take5_download.py -s 'ToulouseFrance' -a auth_theia.txt -c SPOT5

python take5_download.py -s 'ToulouseFrance' -a auth_theia.txt -c SPOT5 -d 2015-04-01 -f 2015-05-01 -l LEVEL2A

 

Pour Theia, l'outil est ici. Il permet d'accéder aux données LANDSAT de niveau 2A, et aux données SpotWorldHeritage, de niveau 1C,  et il peut s'utiliser de nombreuses manières. Le site peut être désigné par le nom d'une ville située dans le site (attention aux homonymes !), par ses coordonnées lat,lon, pour par la définition d'un rectangle en longitude et latitude.

python theia_download.py -l 'Toulouse' -a auth_theia.txt -d 2015-11-01 -f 2015-12-01

python theia_download.py --lon 1 --lat 43.5 -a auth_theia.txt -d 2015-11-01 -f 2015-12-01

python theia_download.py --lonmin 1 --lonmax 2 --latmin 43 --latmax 44 -a auth_theia.txt -d 2015-11-01 -f 2015-12-01

python theia_download.py -l 'Toulouse' -a auth_theia.txt -c SpotWorldHeritage -p SPOT4 -d 2005-11-01 -f 2006-12-01

 

Tous ces exemples, et la manière de s'authentifier sont expliques sur le serveur github. Et vous avez même la possibilité de les améliorer et de faire profiter tout le monde de vos améliorations.

Les grandeurs radiométriques : éclairement, luminance, réflectance

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Attention, cet article contient beaucoup de formules.

Les grandeurs radiométriques sont nombreuses et au premier abord, il n'est pas facile de s'y retrouver. Voici un petit guide des différentes grandeurs que rencontrera tout utilisateur de données de télédétection. C'est un peu rébarbatif, et c'est bourré de formules compliquées, avec des intégrales et tout ;-) , mais bon, il faut en passer par là pour bien comprendre nos images. Allez courage !

Radiométrie

Les détecteurs des instruments optiques sont sensibles à l’énergie lumineuse qu’ils reçoivent pendant un temps d’observation. Sur un appareil photo, ce temps de pose correspond à l’intervalle entre l’ouverture et la fermeture de l’obturateur. Sur un instrument d’observation numérique, on utilise davantage le terme “temps d’intégration” : celui-ci est souvent fixé par l’électronique de l’instrument.

 

L’énergie reçue est reliée aux propriétés de la scène observée, mais dépend aussi de nombreux autres paramètres liés à l’instrument lui même, ce qui n’est pas pratique lorsqu’on cherche, par exemple, à comparer des mesures prises par des instruments différents. Nous allons définir successivement, dans les paragraphes qui viennent, des grandeurs physiques qui permettent peu à peu de s’affranchir de ces paramètres dépendant de l’instrument pour obtenir une caractéristique de la surface observée seulement. Ceci va nécessiter de définir toute une série de grandeurs physiques : la description de cette série de grandeurs peut être ressentie comme rébarbative par les étudiants (et même par leur professeurs...), mais s’avère finalement bien utile un jour ou l’autre pour comprendre ce qui est observé.

Energie, Energie spectrale, Sensibilité spectrale, Energie Equivalente

Un détecteur est sensible à une énergie ε, exprimée en joules (j), reçue au cours du temps d’intégration t i. Cette énergie est apportée par des photons de différentes longueurs d’onde. En fonction de la scène observée, l’énergie spectrale ε(λ) reçue dans chaque longueur d’onde varie. L’énergie spectrale est exprimée en joules par unité de longueur d’onde (souvent en j/µm). Il faut, de plus, tenir compte du fait que l’instrument présente une sensibilité spectrale différente S(λ) en fonction des longueurs d’ondes. S(λ) est une grandeur sans unité.

Sensibilités spectrales des 5 bandes du satellite Formosat-2

 

L’énergie reçue pendant le temps d’intégration par un instrument dont la sensibilité est non nulle dans l’intervalle de longueurs d’onde [λ1, λ2] s’exprime donc de la manière suivante :

\epsilon=\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\epsilon(\lambda)\, d\lambda

Pour un instrument donné, plus la bande spectrale [λ1, λ2] est large, plus l’énergie collectée va être grande. Pour éviter de devoir manipuler des intégrales dans les formules, il est utile de définir l’énergie spectrale équivalente comme la moyenne de l’énergie spectrale dans la bande [λ1, λ2], pondérée par la sensibilité spectrale.

\epsilon_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\epsilon(\lambda)\, d\lambda}{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda}

L’avantage de cette unité est que l’énergie spectrale équivalente ne dépend plus de la largeur de bande si l’énergie spectrale ne varie pas dans la bande.

Le flux

Pour une longueur d’onde donnée, l’énergie spectrale est l’intégrale de la puissance lumineuse qui parvient sur le détecteur pendant le temps d’intégration, cette puissance lumineuse est appelée le Flux Spectral et s’exprime en Watts par unité de longueur d’onde (souvent en W/µm).

\phi(\lambda)=\frac{d\epsilon(\lambda)}{dt}

 

On peut, comme pour l’énergie, définir le flux spectral équivalent, de la manière suivante :

\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\phi(\lambda)\, d\lambda}{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda}

et il suffit de développer cette formule pour vérifier que les grandeurs équivalentes sont reliées de la même manière que les grandeurs spectrales :

\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{d\epsilon_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}{dt}\label{eq:flux-energie-equivalente}

 

Le flux qui parvient à l’instrument reste cependant une grandeur bien éloignée des propriétés optiques de la scène que nous cherchons à mesurer. Il dépend par exemple de la surface du détecteur. Pour s’affranchir de ce paramètre, il est nécessaire d’introduire une nouvelle grandeur : l’éclairement.

L’éclairement

L’éclairement (spectral) est le flux (spectral) qui parvient au détecteur par unité de surface ds du détecteur, il se définit donc par :

E(\lambda)=\frac{d\phi(\lambda)}{ds}

 

De même, l’éclairement solaire équivalent se définit par :

E_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)E(\lambda)\, d\lambda}{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda}=\frac{d\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}{ds}

 

L’éclairement permet par exemple de caractériser la puissance lumineuse qui parvient sur une surface perpendiculaire à la source lumineuse, par unité de surface. L’éclairement solaire reçu sur terre varie avec la distance terre soleil, qui varie au cours de l’année. L’éclairement solaire intégré au jour j pour une surface perpendiculaire au soleil vaut

E(j)=E_{0}\frac{d^{2}(j)}{d_{0}^{^{2}}} , avec E0 = 1367 w / m2 et \frac{d^{2}(j)}{d_{0}^{2}}=(1-0.01673*cos(2\pi/365.3*(j-j0-2))) , et j0 est le 01/01/1950. L’éclairement solaire spectral présente de fortes variations avec la longueur d’onde.

Eclairement solaire en haut de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde. A ma connaissance, la mesure la plus précise disponible de nos jours est celle de Thuillier et al.

 

L’éclairement est une grandeur bien utile, mais qui dépend quand même du champ de vue du détecteur. Plus celui-ci sera réduit, plus l’éclairement sera réduit. Il dépend également de l’orientation du détecteur par rapport à la direction d’où provient la lumière. Par exemple, si le détecteur est orienté parallèlement à la direction des photons, il ne recevra pas de lumière. Inversement, lorsque le détecteur est perpendiculaire à la direction lumineuse, il reçoit un éclairement maximal. Pour obtenir une unité indépendante des caractéristiques de l’instrument, nous allons donc devoir définir une nouvelle grandeur (oui, encore une...).

La Luminance

La Luminance spectrale est le flux spectral qui parvient à l’instrument par unité de surface ds et par unité d’angle solide dΩ, et ce perpendiculairement à la surface du détecteur.

Définition de l’angle solide d\Omega_{s}=\frac{dS_{s}cos\theta_{s}}{r^{2}} . L’angle solide s’exprime en stéradians (sr)

La luminance s’exprime en w / m2 / sr

L(\lambda)=\frac{d^{2}\phi(\lambda)}{ds\, d\Omega\, cos\,\Theta_{s}}

 

La grandeur d2G = ds. dΩ . cos Θ s est très utilisée par les opticiens et s’appelle l’étendue géométrique.

 

Le flux spectral obtenu en entrée d’un instrument de surface S et dont le champ couvre l’angle solide Ω s’écrit donc :

\phi(\lambda)=\intop_{S}\intop_{\Omega}L(\lambda)cos\,\Theta_{s}ds\, d\Omega\,=\iint_{G}L(\lambda)d^{2}G

 

Comme pour les autres grandeurs, on définit la luminance spectrale équivalente de la manière suivante :

L_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)E(\lambda)\, d\lambda}{\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda}=\frac{d^{2}\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}{ds.d\Omega.cos\,\Theta_{s}}=\frac{d^{2}\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}{d^{2}G}

 

Lorsque l’étendue géométrique est petite, ce qui est en général le cas en télédétection, on peut écrire :

L_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}{G}\label{eq:flux-luminance-=0000E9tendue}

 

La luminance est une unité très utilisée en télédétection, puisqu’elle combine plusieurs avantages :

  • l’énergie mesurée par un détecteur est proportionnelle à la luminance équivalente. En effet, pour un instrument d’étendue géométrique G, de sensibilité spectrale S(λ) dans la bande [λ1, λ2], qui effectue des mesures pendant le temps d’intégration ti, la mesure X obtenue par le détecteur de l’instrument s’exprime de la manière suivante :

X=\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\epsilon(\lambda)\, d\lambda=\left(\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda\right).\epsilon_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}.

 

Et en utilisant les formules [eq:flux-energie-equivalente] et [eq:flux-luminance-=0000E9tendue], on obtient donc

X=\left(\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda\right).\phi_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}.t_{i}=\left(\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda\right).L_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}.G.t_{i}=S{}_{[\lambda_{1},\lambda_{2}]}.L_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}.G.t_{i}

avec S_{_{[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}=\intop_{\lambda_{1}}^{\lambda_{2}}S(\lambda)\, d\lambda , sensibilité du détecteur dans la bande [λ1, λ2].

 

Ce qui revient donc à écrire que :

X=A.L_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]} .

où A est un coefficient constant pour un instrument donné, qu'on appelle coefficient d'étalonnage absolu.

  • la luminance ne dépend plus des caractéristiques instrumentales.

 

Dans cette équation, tous les éléments sont des caractéristiques de l’instrument, exceptée la luminance spectrale équivalente, qui elle est indépendante des caractéristiques de l’instrument. Les mesures obtenues sont donc proportionnelles à la luminance du pixel observé, à un facteur(S.G.t) près qui ne dépend que de l’instrument. Les concepteurs de l’instrument vont donc chercher à faire en sorte que S.G.t soit :

  • le plus grand possible, pour augmenter la sensibilité et le rapport signal sur bruit
  • le plus uniforme possible d’un pixel à l’autre, pour éviter de faire apparaître dans l’image des variations qui ne proviendraient pas de la scène observée.

La réflectance

Pour les longueurs d’ondes inférieures à 3 µm, la luminance des surfaces terrestres provient essentiellement de la réflexion par la terre de l’éclairement solaire (à l’exception de quelques sources lumineuses très intenses : projecteurs orientés vers le satellite, coulées de lave (dans le moyen infra rouge)...). Afin de s’abstraire de l’éclairement solaire, qui dépend de la distance entre la terre et le soleil (variable avec la saison), l’introduction d’une nouvelle unité est nécessaire : il s’agit de la réflectance (c’est la dernière grandeur à définir, nous sommes au bout du calvaire).

 

La réflectance spectrale se définit par :

\rho(\lambda)=\frac{\pi.L(\lambda)}{Es(\lambda,t).cos(\theta_{s})}\label{eq:def reflectance spectrale}

 

On définit par ailleurs de la même manière la réflectance équivalente :

\rho{}_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}=\frac{\pi.L{}_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}}{Es{}_{eq\,[\lambda_{1},\lambda_{2}]}(t).cos(\theta_{s})}

 

La formulation ci-dessus peut surprendre au premier abord, on aurait pu s’attendre à une formule beaucoup plus simple, la réflectance étant égale à la luminance divisée par l’éclairement. La formule adoptée pour définir la réflectance provient de considérations géométriques. Le flux reçu sur une surface dépend de son orientation par rapport à la source lumineuse. Si la surface est perpendiculaire aux rayons lumineux, le flux est maximum, alors que si elle est parallèle, il devient nul. Ceci explique la présence du cos(θs). Le facteur de normalisation π fait en sorte que la réflectance soit égale à 1 si la surface réfléchit vers le ciel la totalité de l’éclairement incident. Pour nous en convaincre, il suffit de calculer l’intégrale de la luminance réfléchie dans toutes les directions par une surface dont la réflectance est égale à 1 ( sans oublier que pour intégrer sur la sphère, il faut utiliser le facteur sin \theta_{s} d\theta_{s} d\phi et non pas seulement  d\theta_{s} d\phi .

\intop_{\theta=0}^{\frac{\pi}{2}}\intop_{\phi=0}^{2\pi}Lsin\theta_{s}d\theta_{s}d\varphi=\intop_{\theta=0}^{\frac{\pi}{2}}\intop_{\phi=0}^{2\pi}\frac{Es.cos\theta_{s}}{\pi}sin\theta_{s}d\theta_{s}d\varphi=\frac{E_{s}}{\pi}\intop_{\theta=0}^{\frac{\pi}{2}}\intop_{\phi=0}^{2\pi}\cdot cos\theta_{s}.sin\theta_{s}.d\theta_{s}d\varphi=E_{s}

puisque :
\intop_{\theta=0}^{\frac{\pi}{2}}\intop_{\phi=0}^{2\pi} cos\theta_{s}sin\theta_{s}d\theta_{s}d\varphi

 

=2\pi.\intop_{\theta=0}^{\frac{\pi}{2}}sin\theta_{s}d(sin\theta_{s})=2\pi\frac{sin^{2}\frac{\pi}{2}}{2}=\pi

 

La réflectance est une caractéristique de la surface et ne dépend ni de l’instrument qui l’observe ni de l’éclairement reçu. Cette réflectance dépend cependant de l’angle sous lequel la surface est éclairée et observée et aussi, bien sûr, de la longueur d’onde. On entend parfois parler de l'albédo spectral qui est la moyenne de la réflectance dans toutes les directions, ou de l'albédo, qui est la moyenne de l'albédo spectral sur tout le spectre.

a(\lambda)=\frac{1}{\pi}\intop_{\theta=0}^{\pi}\intop_{\phi=0}^{2\pi}\rho(\lambda).d\theta_{s}d\varphi

 

Cette fois, nous sommes au bout de nos peines, et nous avons démontré que les mesures de nos satellites sont proportionnelles à une grandeur caractéristique de la surface, la réflectance. C'est en réflectance que les données Sentinel-2, ou LANDSAT sont exprimées, même s'il nous a fallu discuter avec les tenants de la luminance. La réflectance présente en effet de nombreux avantages :

  • La réflectance est une caractéristique de la surface, elle ne dépend que de la surface et des angles d'éclairement et d'observation (cf les effets directionnels)
  • Ses valeurs sont en général comprises entre zéro et un (même si des valeurs supérieures à  1 peuvent être observées, c'est assez rare). Ces valeurs sont faciles à mémoriser, contrairement aux valeurs de luminances, qui varient d'une bande à l'autre en fonction de l'éclairement solaire
  • Il est possible de comparer les réflectances d'une bande spectrale à l'autre.
  • Il est possible de comparer directement les réflectances mesurées en hiver et en été, sans avoir à prendre en compte la variation de l'élévation solaire.

Réflectances d'une parcelle de blé, dans les 4 bandes (bleu, vert rouge, et proche infra-rouge), en fonction du temps. La même courbe exprimée en luminance serait beaucoup moins intéressante.

 

Estimation of evapo-transpiration over a water catchment

Evapotranspiration is a key factor to estimate the water quantities involved in the water cycle. For instance, one extimates that 60% of rain water is evapo-transpirated, and wheat plant releases 500mm of water through evapotraspiration. It is therefore useful to monitor this variable along the agricultural seasons, to estimate the crop water needs and maybe identify the water stress periods and measure their impact.

 


Plant evapo-transpiration process

 

In the framework of the SIRHYUS project, in which CESBIO is deeply involved, a prototype of a processor was developped to estimate evapo-transpiration at the scale of a water catchment. The selected catchment is the Fresquel one, which is a 937 km² catchment, in the South of France, near Carcassonne and its famous medieval fortress. The main crops there are cereals, sunflower, vineyards, and, to a lesser extent, corn and rapeseed.


Study zone, the Fresquel catchment

 

As already explained in the post that describes the Sat-irr model, the FAO-56 (Allen & al. 1998) was used and spatialised. The FAO-56 models the E.T. of any crop type is equal to the reference E.T. (written E.T0), multiplied by an empirical crop factor KC. E.T.0 is itself computed with the de Penman-Monteith equation. The crop coefficient KC depends on the biological features of the plant (height, leaf surface, photosynthesis type…) and of its development stage.

 

The Penman-Monteith relies on weather data (temperature, humidity etc.) which are available through the global weather analyses (NCEP, ECMWF) in quasi real time. Some python scripts were developped to automatise the data download.These algorithms are available here.

 

The Landsat Images provided by the THEIA land data center after atmospheric correction, were used to control the value of the Kc coefficient as a function of the plant phenological cycle : the NDVI, computed from and red and near-infrared bands extracted from the images allows to monitor the growth of the crops. These images are also used to obtain land cover maps, as detailed here, and to associate a crop coefficient to each pixel.

 

It is then possible to obtain evapo-transpiration maps for all the catchment,and to provide them through a website (click on evapo-transpiration). The next figure is a screen copy of this web site : on each pixel of the catchment, it is possible to read the whole year evapo-transpiration profile, sampled every 8 days.

 


Screen copy of the evapo-transpiration web page. The bottom plot provides the evapo-transpiration of several crops as a function of time (light green, meadows, red, vineyards, purple, sunflower, and pink, vegetables).

 

These maps are further processed to obtain soil water content maps on the catchment area.


The bottom plot provides the soil water content  (%) as a function of time..

 

Several validation campaigns were lead on the CESBIO sites in Lamasquère and Auradé near Toulouse, between 2006 and 2011. The plot below shows a comparison between the terrain measured evapo-transpiration, and the one modelled by our processing,  for a corn plot.

 


Comparison of terrain ET, in black and ET modelled through remote sensing data (in red) in mm. RMSE is 0.27 mm.

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As the risk of water shortages is becoming more frequent, such a work allows to better understand the water needs at the scale of a catchment, and the knowledge of the ground water content can be used to optimise irrigation and spare some of this precious resource. With the arrival of Sentinel-2, and with its more frequent observations, such a monitoring will be more accurate and reliable.

 

 

 

 

Estimation de l'évapotranspiration à l'échelle d'un bassin versant.

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L’évapotranspiration est un facteur clé pour estimer les quantités mises en jeu dans le cycle de l’eau. On estime par exemple que 60% des quantités d’eau de pluie sont évapotranspirées, et par exemple, un plan de blé rejette environ 500mm d'eau par an via le processus d'évapotranspiration.  Les volumes en question sont donc très importants. Suivre l’évolution de cette variable au cours d’une campagne agricole permet à la fois d'estimer les besoins en eau des plantes, mais aussi d’identifier des périodes de stress hydrique et d’en estimer spatialement l’importance. Le suivi de cet indicateur constitue un enjeu crucial dans la gestion de la ressource en eau à l’échelle de la parcelle mais aussi du bassin versant.

Schéma explicatif du processus d'évapotranspiration des plantes

 

 

Dans le cadre du projet SIRHYUS mené en partie au CESBIO, un prototype de chaîne de traitement de données spatiales a été développé afin d’apporter des éléments de réponse à cette problématique à l’échelle d’un bassin versant. La zone d’étude retenue est le Fresquel, un bassin versant de 937 km², situé entre Castelnaudary (le cassoulet) et Carcassonne (la forteresse). Les principales cultures présentes sur ce bassin sont les suivantes : céréales, tournesol, vigne et -dans une moindre mesure- maïs et colza.

 

Zone d'étude : le bassin versant du Fresquel

Comme dans l’article présentant le modèle Sat-irr, le modèle FAO-56 (Allen & al. 1998) a été utilisé en ajoutant un module spatial. Le modèle FAO-56 propose la modélisation de l’ET de tout type de plante en modulant -via un coefficient empirique KC- l’ET de référence (noté ET0), elle-même calculée avec l’équation de Penman-Monteith. Ce coefficient KC dépend des propriétés biologiques de la plante (hauteur, taille des feuilles, type de photosynthèse…) et de son stade de développement.

 

L’équation de Penman-Monteith nécessite en entrée des données météorologiques (température, humidité etc.) qu’il est possible d’obtenir via des modèles globaux (NCEP, ECMWF) en quasi  temps réel. Afin d’automatiser entièrement la réception de ces données, des algorithmes ont été développés en python. Ils sont disponibles ici.

 

Les images landsat fournies par le centre de donnéeq Theia ont été utilisées pour ajuster le coefficient KC au plus proche du cycle phénologique des plantes. L'utilisation de ces images satellitaires fournit en effet une vision synoptique et quasi temps réel du développement des cultures de la zone étudiée : le NDVI calculé à partir des bandes rouge et InfraRouge, interpolé sur l’ensemble de la saison agricole permet de suivre en temps réel et de façon spatialisée les stades de croissance réels des cultures. Ce recours aux images multitemporelles permet alors d’obtenir une meilleure estimation de l’ET.

 

La connaissance des cultures agricoles sur le bassin permet alors la spatialisation de l’ensemble du modèle en attribuant à chaque pixel, les coefficients culturaux de l’espèce identifiée sur la carte d’occupation du sol.


Ainsi il est possible d'obtenir des cartes d'estimation de l'évapotranspiration à l'échelle d'un bassin versant, disponibles via une interface Web, (rubrique "Evapotranspiration"). La figure suivante est une capture d'écran de l'interface Web produite au CESBIO : sur chaque pixel du bassin versant il est possible d'obtenir la chronique de l'évapotranspiration estimée sur l'ensemble de l'année écoulée, au pas de temps 8 jours et sur l'année entière.

 

Capture écran de l'application web "évapotranspiration". Le graphique au bas de l'image représente l'évapotranspiration de différentes espèces en fonction du temps (vert clair : prairies permanentes, rouge : vignes, violet : tournesol, rose : légumes/fleurs...).

 

Il est ensuite possible de dériver de ce produit des cartes de quantité d'eau dans le sol sur l'ensemble de la zone étudiée.

Représentation de la quantité d'eau dans le sol après calcul du bilan hydrique : le graphique sur le bas de l’image affiche la quantité d’eau présente dans le sol (%) en fonction de la date (jour)).

 

Ces produits modélisés permettent d'estimer en quasi temps réel la quantité d'eau présente dans la zone racinaire du sol de la région étudiée. Cet estimation est importante car elle permet également d'optimiser les apports en eau et ainsi d'économiser cette ressource. Les résultats sont consultables sur le même lien que pour les cartes d'évapotranspiration.

 

Plusieurs campagnes de validation du modèle utilisé dans ce projet ont été menées à Lamasquère et Auradé (les deux sites pilotes du CESBIO) entre 2006 et 2011. Ces études ont permis de tester les performances du modèle utilisé pour modéliser l'évapotranspiration. La figure suivante permet de visualiser la comparaison entre l'évapotranspiration mesurée in situ sur le site test de Lamasquère en 2008 et l'évapotranspiration modélisée.

 

Comparaison entre l'ET observée (courbe noire) et l'ET modélisée (courbe rouge)

.

Face aux nouveaux challenges actuels que sont l'économie de la ressource en eau et la lutte contre le changement climatique et ses répercussions notamment sur le cycle de l'eau, la gestion optimale des ressources en eau est de nos jours un défi important.

Ce travail permet de mieux connaître et appréhender les quantités d'eau évapotranspirées par chaque type de plante à l'échelle d'un bassin versant et ainsi d'estimer les besoins en eaux des bassins versants. La connaissance de l'état hydrique des sols permet également d'optimiser les apports en eau et ainsi d'économiser cette ressource.

Ce travail s’insère dans la perspective de l'arrivée prochaine des images du satellite Sentinel-2 qui permettra d'obtenir des résultats de modélisation encore plus précis du fait de sa période de revisite très courte. La surface opérationnelle sera également accrue : ainsi la fiabilité générale des modélisations sera augmentée.

 

 

 

Best wishes for 2016 !

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Dear readers, may this new year bring you health and happiness !


Image Time series of Piton de la Fournaise eruptions in 2015, as seen by SPOT5 (Take5)

 

On a general point of view, at least in France, it is not with many regrets that we see the end of 2015, and 2016 is much welcome ! But, as far as earth observation time series are concerned, 2015 was for sure a very good year, although we expect even better from 2016.

 

Yann Kerr, now CESBIO former director

Remote sensing history will probably remember 2015 as the year Sentinel-2 was launched, even if a steady acquisition rhythm was only reached at the end of the year. I also hope that the data acquired during the SPOT5 (Take5) experiment helped you wait for Sentinel-2 data availability. 2016 will see the real start of systematic acquisitions by Sentinel-2, the start of THEIA's distribution of Sentinel-2 level 2A data, and the launch of the second Sentinel-2 satellite at the end of the year.

 

At CESBIO, the end of 2015 is also the end of an era, with the end of Yann Kerr's mandate as CESBIO's director, who will be relpaced by Laurent Polidori. Yann created very stimulating and pleasant research conditions, which allowed to produced the results shown in this blog, and much more, such as those shown on the other blog at CESBIO. The good news is that Yann is still staying at CESBIO, at least between two travels, and we will still benefit from his overdeveloped art of making puns.

 

At CESBIO also, the MACCS team will also miss a lot Mireille Huc, who developed and handled our atmospheric correction prototype with a very efficient combination of inventiveness, tenacity and rigour. The CNES teams will now take over, but I would like to thank Mireille for all this work, that benefited to hundreds of users of THEIA products.

 

This blog, which opened at the very end of 2012, is now 3 years old, and this post, with its English version, will be the 300th post. We managed to post articles on a weekly basis, and, if I start lacking inspiration and time, several new bloggers are starting to take over : Simon Gascoin, Jordi Inglada, Yoann Moreau, Isabelle Soleilhavoup, Michel Lepage et Elodie Robert. We would be delighted to welcome more new bloggers, so please feel free to send us news about projects, results and discoveries.

 

Thanks to its steady publication rhythm, the attendance is strongly increasing, as shown in the table below, which shows a 50% increase in 2015.

 


2013 2014 2015
Number of visits 13985 22928 34723
Number of read pages 30922 46940 66947

 

The pages which have known the greatest success are provided in the table below, with of course the blog home page first, followed by the post on the eruption of the Piton de la Fournaise, in Reunion Island, monitored by SPOT5 (Take5), which really made a buzz. The post on Landsat atmospheric correction comes 3rd, and it must be well rated in the search engines, because it is a frequent entry point to the blog. The 4th page was initially a surprise, because the only information was the exact date and hour of Sentinel-2 launch, with a nice image of a champagne bottle. If fact, this image attracted most of the traffic from Google image search engine. It took me some time to understand that, and I removed the post, but it is a good incentive for humility !

 

1. Home 6 783(10,13 %)
2. Les dernières éruptions du Piton de la Fournaise, vues par SPOT5 (Take5) 2 099(3,14 %)
3. USGS now delivers atmospherically corrected LANDSAT data 2 009(3,00 %)
4. Sentinel-2A launch date Date de lancement de Sentinel-2A 1 878(2,81 %)
5. SPOT (TAKE5) 1 642(2,45 %)
6. SPOT5(Take5) 1 569(2,34 %)
7. Take5 Product Format 1 484(2,22 %)
8. LANDSAT 1 177(1,76 %)
9. L’ortho-rectification, comment ça marche ? 1 162(1,74 %)
10. A python module for batch downloads of LANDSAT data. 1 156(1,73 %)
11. La production de cartes d’occupation du sol, comment ça marche? 1 104(1,65 %)
12. Comment télécharger une série d’images LANDSAT 8 2A sur le serveur THEIA 1 067(1,59 %)
13. Download_landsat_scene.py 1 056(1,58 %)
14. SPOT5 (Take5) sites 985(1,47 %)
15. In English 952(1,42 %)
16. Landsat-download 950(1,42 %)
17. Sentinel-2 949(1,42 %)
18. New satellites added to SMAC atmospheric correction 899(1,34 %)
19. Calendrier / Calendar SPOT5 (Take5) 884(1,32 %)
20. The cloud detection : how it works. 854(1,28 %)
21. Olivier Hagolle 740(1,11 %)
22. High cloud detection using the cirrus band of LANDSAT 8 or Sentinel-2 728(1,09 %)
23. Comment ça marche How it works 716(1,07 %)
24. SPOT4 (Take 5) 694(1,04 %)
25. En Français 613(0,92 %)

 

 

Meilleurs voeux pour 2016 !

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Chers lecteurs, que cette nouvelle année vous apporte bonheur et santé !


Sur le plan général, au moins en France, ce n'est pas avec beaucoup de regrets que nous voyons l'année se terminer, et 2016 est vraiment la bienvenue ! Mais du côté des séries temporelles d'images spatiales, 2015 est certainement un bon cru, et nous attendons encore mieux de 2016.

 

Yann Kerr, maintenant ex directeur du CESBIO

L'histoire de la télédétection retiendra certainement que 2015 est l'année du lancement de Sentinel-2, même si les acquisitions régulières n'ont vraiment démarré qu'à la fin de l'année. J'espère aussi que les séries de données acquises à l'occasion de l'expérience SPOT5 (Take5) vous auront permis de patienter. 2016 verra donc le début de l'acquisition systématique des données par Sentinel-2, le début de la production des données de niveau 2A par THEIA, puis le lancement du deuxième satellite à la fin de l'année.

Au CESBIO, le passage à l'année 2016 est aussi un peu la fin d'une ère, avec la fin du mandat de direction de Yann Kerr. Yann nous a permis de réaliser dans des conditions à la fois agréables et stimulantes, le travaux présentés dans ce blog, et bien d'autres encore, que vous pouvez notamment suivre sur l'autre blog du CESBIO. La bonne nouvelle est que Yann reste encore au CESBIO, enfin, de temps en temps, entre deux voyages, et nous allons continuer à bénéficier à la fois de ses conseils et de son art sur-développé du calembour !

 

Au CESBIO aussi, le départ de Mireille Huc de l'équipe MACCS va causer un grand vide. Mireille a développé et maintenu notre prototype de chaîne de correction atmosphérique, avec un mélange savant et efficace d'inventivité, de ténacité et de rigueur. Les équipes du CNES vont maintenant prendre en charge le développement de cette chaîne, mais je pense que nous pouvons remercier Mireille pour tout son travail, qui a bénéficié aux centaines d'utilisateurs des produits distribuées par THEIA.

 

Ce blog-ci, ouvert fin 2012, vient de fêter son troisième anniversaire, et cet article, avec sa version anglaise sera le 300e. Nous avons réussi à maintenir le rythme d'un article par semaine, et si parfois l'inspiration et le temps me manquent, quelques nouveaux auteurs ont pris le relais : Simon Gascoin, Jordi Inglada, Yoann Moreau, Isabelle Soleilhavoup, Michel Lepage et Elodie Robert. N'hésitez pas à me contacter pour contribuer et exposer vos projets vos résultats et vos découvertes.

 

Grâce à ces publications régulières, la fréquentation de ce blog est en forte hausse, comme en témoigne le tableau ci-dessous, qui affiche un taux de croissance de 50 % sur 2015.

 


2013 2014 2015
Nombre de visites 13985 22928 34723
Nombre de pages lues 30922 46940 66947

 

Les pages ayant remporté un gros succès sont fournies dans le tableau ci-dessous, avec bien sûr en tête la page d'accueil, suivie par l'article l'article sur l'éruption de la Fournaise, qui a fait le buzz, puis l'article sur les correction atmosphériques de LANDSAT qui est en tête depuis deux ans. La page au 4e rang m'a étonné, c'est une page très courte qui annonçait la date et l'heure de lancement de Sentinel-2, et sa retransmission au CNES accompagnée de campagne. Et en fait, c'est l'image d'une bouteille de champagne qui s'ouvre qui attirait les foules depuis le moteur de recherche d'images de Google. J'ai mis un peu de temps à m'en rendre compte et j'ai supprimé cette page depuis, mais ça incite un peu à la modestie...

 

1. Home 6 783(10,13 %)
2. Les dernières éruptions du Piton de la Fournaise, vues par SPOT5 (Take5) 2 099(3,14 %)
3. USGS now delivers atmospherically corrected LANDSAT data 2 009(3,00 %)
4. Sentinel-2A launch date Date de lancement de Sentinel-2A 1 878(2,81 %)
5. SPOT (TAKE5) 1 642(2,45 %)
6. SPOT5(Take5) 1 569(2,34 %)
7. Take5 Product Format 1 484(2,22 %)
8. LANDSAT 1 177(1,76 %)
9. L’ortho-rectification, comment ça marche ? 1 162(1,74 %)
10. A python module for batch downloads of LANDSAT data. 1 156(1,73 %)
11. La production de cartes d’occupation du sol, comment ça marche? 1 104(1,65 %)
12. Comment télécharger une série d’images LANDSAT 8 2A sur le serveur THEIA 1 067(1,59 %)
13. Download_landsat_scene.py 1 056(1,58 %)
14. SPOT5 (Take5) sites 985(1,47 %)
15. In English 952(1,42 %)
16. Landsat-download 950(1,42 %)
17. Sentinel-2 949(1,42 %)
18. New satellites added to SMAC atmospheric correction 899(1,34 %)
19. Calendrier / Calendar SPOT5 (Take5) 884(1,32 %)
20. The cloud detection : how it works. 854(1,28 %)
21. Olivier Hagolle 740(1,11 %)
22. High cloud detection using the cirrus band of LANDSAT 8 or Sentinel-2 728(1,09 %)
23. Comment ça marche How it works 716(1,07 %)
24. SPOT4 (Take 5) 694(1,04 %)
25. En Français 613(0,92 %)