Utilisation de Copernicus Atmosphere dans la correction atmosphérique de MAJA

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La principale difficulté de la correction atmosphérique réside dans la détermination des propriétés optiques des aérosols : il faut connaître les propriétés optiques du type d'aérosols présent dans l'atmosphère et déterminer leur quantité, symbolisée par l'épaisseur optique. Il est très difficile, à partir des données Sentinel-2, de déterminer le type d'aérosols, et notre chaîne MAJA, utilisée pour générer les produits L2A de Theia se contente de déterminer l'épaisseur optique des aérosols en supposant le type d'aérosols connu.
 
La version opérationnelle actuelle de MAJA utilise, durant la correction atmosphérique, un type d'aérosol constant spatialement et temporellement, ce qui affecte la qualité de la correction atmosphérique si le type d'aérosol choisi n'est pas le bon. L'alternative proposée ici est d'utiliser l'information venant de CAMS (Copernicus Atmosphere Monitoring Service), qui fournit des prévisions d'épaisseur optique (AOT pour Aerosol Optical Thickness, voir figure ci-dessous) pour cinq types d'aérosols différents : dust, black carbon, sea salt, sulfate et organic matter.

Cartes d'épaisseur optique des aérosols issues de CAMS (AOT) à la longueur d'onde 550 nm le 14 Juin 2016, 03:00 UTC: (haut gauche) pussières, (haut droit) sel de mert, (bas gauche) carbone noir, and (bas droit) sulfate.

La contribution de chacun de ces aérosols durant la correction atmosphérique faite par MAJA est donc proportionnelle à leur AOT. Grâce à cette nouvelle configuration, le type d'aérosol utilisé pendant la correction atmosphérique est désormais variable à la fois spatialement et temporellement (et dépend des AOT prédites par CAMS), et n'est plus un paramètre devant être défini à l'avance.

 

Des séries temporelles Sentinel-2A sont utilisées pour effectuer la correction atmosphérique sur une sélection de sites de validation arides et couverts par de la végétation, afin de couvrir une large gamme de types de surface et d'aérosols. Une méthode pour évaluer les performances de MAJA lorsqu'on utilise l'information de CAMS est de comparer l'AOT à 550 nm estimée par MAJA aux observations du réseau AERONET. Les cas stables, en bleu, correspondent aux données AERONET qui sont stables dans le temps et où il n'y a pas plus de 10% de nuage (d'après le masque de nuage de MAJA) dans un voisinage de 10 km autour du site AERONET. Lors de l'évaluation des performances on se concentre sur ces cas stables.
 

Sur les sites arides (figure ci-dessous), l'utilisation de CAMS (à droite) permet une amélioration significative de l'AOT estimée par MAJA (RMSE=0.068), par rapport à la méthode aérosol constant (à gauche, RMSE=0.095). C'est particulièrement vrai à Saada (Maroc) où la RMSE passe de 0.206 à 0.068, ainsi qu'à Banizoumbou (Niger) où la RMSE passe de 0.464 à 0.256.

 

Scatter plot of AOT estimated by MAJA at 550 nm versus AERONET, over arid sites. Left: constant aerosol model. Right: five CAMS aerosol models.

 

Sur les sites avec de la végétation (figure ci-dessous), l'utilisation de CAMS (à droite) fait apparaître une légère augmentation de la RMSE par rapport à la méthode aérosol constant (à gauche), mais les performances sont du même ordre de grandeur. Cette légère augmentation peut s'expliquer par le fait que l'aérosol constant est un type d'aérosol continental standard, conçu pour donner de meilleures performances sur les sites avec de la végétation, et par le bruit lié au passage d'un aérosol constant à un aérosol variable.
 

Scatter plot of AOT estimated by MAJA at 550 nm versus AERONET, over vegetated sites. Left: constant aerosol model. Right: five CAMS aerosol models.

 

L'objectif initial était d'éviter d'avoir à sélectionner une méthode particulière ou un type d'aérosol en fonction du site à traiter. L'introduction de CAMS permet d'avoir un type d'aérosol variable automatiquement (selon les prévisions d'AOT) et représente un choix adéquat afin d'augmenter significativement les performances sur les sites arides et de garder quasiment les mêmes performances sur les sites avec de la végétation.

 

Tous les détails sur cette étude sont disponibles dans l'article “Using Copernicus Atmosphere Monitoring Service Products to Constrain the Aerosol Type in the Atmospheric Correction Processor MAJA” publié dans la revue Remote Sensing et disponible ici.

Posted under: CESBIO, Corrections (geometry, atmosphere, clouds), En Français, Sentinel-2

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