Les effets d'environnement, comment ça marche ?

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Comme expliqué dans l'article sur les effets atmosphériques, la diffusion de la lumière par les molécules et les aérosols présents dans l'atmosphère provoque plusieurs effets. La diffusion ajoute un voile aux données (la réflectance atmosphérique), atténue le signal en provenance de la surface (la transmission atmosphérique), et rend les images floues (les effets d'environnement). Cet article s'intéresse aux effets d'environnement, les autres aspects ont été abordés dans le lien fourni ci-dessus.

 

Le schéma ci-joint montre les différents types de trajets que peut suivre la lumière avant d'arriver au capteur. Le Trajet 1 correspond à la réflectance atmosphérique, le trajet 2 est proportionnel à la réflectance de la cible observée atténué par sa traversée de l'atmosphère, c'est celui qui nous intéresse et nous permet de retrouver la réflectance de surface. Les trajets 3 et 4 apportent au capteur une part de signal qui ne provient pas directement de la surface que le satellite observe mais de son voisinage (d'où le nom d'"effets d'environnement"). Ce sont ces trajets qui apportent du flou sur l'image.

 

Les effets d'environnement peuvent engendrer de fortes erreurs lorsqu'on observe une parcelle de végétation entourée de sols nus ou de végétation senescente. Pour un tel cas, la figure ci-dessous présente les erreurs en pourcentage de réflectance et de NDVI, si on ne prend pas en compte les effets d'environnement, en fonction de l'épaisseur optique des aérosols.

 

Il est possible de corriger ces effets de manière approchée, à condition de connaître la quantité d'aérosols. Dans les traitements de la chaîne MACCS, nous procédons de la manière suivante :

 

  1. Nous procédons à la correction atmosphérique en supposant que le paysage est uniforme. Nous obtenons une réflectance de surface sous hypothèse uniforme que nous notons  \rho_{s,unif} .
  2. Nous calculons la réflectance de l'environnement du pixel (  \rho_{s,env} ) en utilisant un filtre de convolution gaussien de 2 km de diamètre, qui calcule une moyenne pondérée de la réflectance environnante. En toute rigueur, ce filtre devrait dépendre de la quantité d'aérosols présents dans l'atmosphère (moins il y a d'aérosols, plus le rayon devrait être grand), et des angles de prise de vue, mais nous n'avons pas encore travaillé sur cet aspect, nous avons donc utilisé un filtre constant.
  3. Nous corrigeons finalement la réflectance des trajets 3 et 4 par la formule suivante :

 \rho_{s}=\frac{\rho_{s,unif}.T^{\uparrow}.\frac{1-\rho_{s,unif}.s}{1-\rho_{s,env}.s}-\rho_{s,env}. T_{dif}^{\uparrow}}{T_{dir}^{\uparrow}}

  •  T^{\uparrow}=T_{dif}^{\uparrow}+T_{dir}^{\uparrow} est la transmission atmosphérique montante totale, somme de la transmission atmosphérique diffuse et directe. s est l'albedo atmosphérique. Toutes ces grandeurs sont déduites de calculs de transfert radiatif et dépendent de la quantité et du type d'aérosols.

 

Cette correction qui implique l'utilisation de convolutions est assez lourde et prend près d'un quart du temps de correction atmosphérique.

 

Exemples de résultats

Les images ci dessous présentent 3 stades de la correction atmosphérique pour deux images Formosat-2 acquises au dessus du Canada, à deux jours d'intervalle, la première image est acquise un jour il y a beaucoup d'aérosols (épaisseur optique de 0.47 d'après nos calculs), alors que la seconde est acquise un jour très clair (épaisseur optique de 0.1 selon nos calculs).

 

  • La première ligne correspond aux images au sommet de l'atmosphère, sans correction atmosphérique. On voit bien que l'image de gaucheest plus floue.
  • La deuxième ligne correspond aux images corrigées en supposant le paysage uniforme. Il s'agit de l'image obtenue à l'issue de l'étape 1 dans la méthode décrite ci-dessus. L'image de gauche est toujours plus floue.
  • La troisième ligne présente ces mêmes images après la correction d'environnement. Dans ce cas, l'image de gauche n'est plus floue, elles est même légèrement trop nette (un peu de sur correction).

Images TOA (à gauche, l'image avec fort contenu en aérosols)

 

Images en réflectance de surface, en supposant le paysage uniforme (à gauche, l'image avec fort contenu en aérosols)

 

Images en réflectance de surface après correction des effets d'environnement (à gauche, l'image avec fort contenu en aérosols)

 

On peut aussi comparer point à point les réflectances pour juger de l'amélioration après correction des effets d'environnement. La courbe ci-dessous compare les images corrigées en supposant le paysage uniforme, et les images corrigées en tenant compte des effets d'environnement. On constate que les points se rapprochent de la diagonale après correction des effets d'environnement. Sur l'image du 27 mai, pour laquelle l'épaisseur optique est la plus forte, on note que les fortes réflectances sont un peu trop faibles, alors que les faibles réflectances sont un peu trop fortes, ce qui correspond bien à une perte de contraste.

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