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.

Posted under: Composite (3A), En Français, Sentinel-2, Sentinel-2 Agriculture, SPOT4 (Take 5), SudMiPy, THEIA

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2 comments

  • Martin on 13/11/2014 at 19:19 said:

    Bonjour, est il possible d'avoir les valeurs des coefficients K_1 et K_2 pour faire quelques tests ? Merci et a la semaine prochaine ! Martin

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