De l'importance d'un bon masque de nuage pour le traitement automatisé de séries temporelles

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Série temporelle de réflectance au sommet de l'atmosphère pour les 4 bandes à 10m de résolution de Sentinel-2, issues des produits L1C

 

Le graphique ci-dessus montre une série temporelle de réflectance TOA rassemblée par Sentinel-2 sur un pixel choisi au hasard dans une tuile au centre de la France (tuile 31TDK, pixel 3000-7000), à partir de produits L1C. En regardant la série chronologique, il est assez difficile de dire quel type de surface a été observé, même si un cycle végétatif semble être présent. Comme nous le verrons ci-dessous, la plupart du bruit observé est dû à la présence de nuages ​​ou d'ombres de nuages.

 

La courbe ci-dessous montre qu'après avoir retiré tous les nuages ​​et leurs ombres, la réflectance au sommet de l'atmosphère est déjà plus lisse, et il est ainsi beaucoup plus facile de comprendre le type de surface observée. Continue reading

Sentinel-2 et Landsat-8 font équipe pour suivre la coulée de lave du volcan Kilauea

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Le volcan Kilauea à Hawaï est un des plus actifs au monde. Cela fait déjà plus de trente ans qu'il est entré en éruption, mais il a fait les gros titres récemment car ses coulées ont atteint l'océan Pacifique, agrandissant le territoire hawaïen de deux hectares d'un coup ! Voilà une technique efficace pour lutter contre la hausse du niveau de la mer...

Photo aérienne de la coulée de lave 61G au point d'entrée dans l'océan Pacifique le 19 août 2016. Crédit: U.S. Geological Survey Department of the Interior/USGS U.S. Geological Survey.

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Série temporelle de chats

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La télédétection satellite optique est un outil formidable pour suivre l'étendue du manteau neigeux en montagne... sauf quand il y a des nuages ! La télédétection radar du manteau neigeux (indifférente aux nuages) n'est pas encore opérationnelle en zone de montagne, notamment en raison du fait que le signal rétro-diffusé par le manteau neigeux varie très fortement avec son contenu en eau liquide. Sur le plancher des vaches, en revanche, de nombreuses personnes observent le manteau neigeux, même sous un ciel couvert. Certains sont même assez gentils pour prendre des photos, les télécharger sur un site web de partage, et les mettre à disposition sous licence publique. Une bonne partie des photos est géolocalisée, soit parce que l'appareil photo est équipé d'une puce GPS, soit parce que le photographe a lui-même ajouté les coordonnées de la prise de vue lors de la publication de son album.
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2015

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Chers lecteurs de ce blog, que cette année 2015 vous apporte joie et santé  !


L'année 2015 sera une grande année pour les séries temporelles optiques à haute résolution, avec le lancement de Sentinel-2A début mai, dans moins de quatre mois ! Nous attendons ce satellite depuis si longtemps qu'il est difficile de croire que cette date soit si proche. Et pour nous faire patienter, dès début Avril, l'orbite de SPOT5 sera modifiée, et le satellite observera une centaine de sites, avec une répétitivité de 5 jours identique à celle de Sentinel-2, jusqu'à la fin du mois d'Août.

 

Cet article est aussi l'occasion de se pencher sur ce qui a été réalisé en 2014 :

  • En début d'année, nous avons démarré le projet Sen2AGri pour l'ESA, projet qui depuis nous occupe fortement et dont l'objectif ambitieux est de mettre en place une chaîne de classification automatique des zones agricoles et des types de cultures fonctionnant à l'échelle des pays entiers.
  • Au mois de Mars, THEIA a diffusé une nouvelle version des données SPOT4 (Take5), améliorant notamment la superposition géométrique. Ces données ont maintenant été utilisées par près de 600 utilisateurs.
  • En mai, c'est la production en temps quasi réel (15 jours à un mois) des données LANDSAT 8 de Niveau 2A sur la France qui a démarré (ce type de données n'est pas encore disponible aux USA, mais pas pour longtemps...), suivi du retraitement de 3 ans de données LANDSAT 5 et LANDSAT 7.  5 ans de données sont maintenant disponibles, de 2009 à 2014, avec une interruption en 2012, après la fin de LANDSAT 5 et avant le lancement de LANDSAT 8.
  • En septembre, nous avons obtenu la décision de lancer l'expérience SPOT5 (Take5), grâce à une importante participation financière de l'ESA. L'appel a proposition de sites a été lancé par l'ESA en Novembre, et a connu un beau succès, avec 62 propositions, pour près d'une centaine de sites. L'analyse de ces propositions est en cours et le choix sera difficile, car les applications proposées sont très riches et très diverses.
  • En Septembre aussi, s'est tenue au CESBIO la réunion des Centres d'Expertise Scientifiques de Theia, qui a permis d'identifier une vingtaine de produits différents que le pôle pourrait lancer dans les prochaines années. Ces produits sont résumés dans le dernier bulletin de THEIA.
  • En Novembre, le CNES a accueilli les journées des utilisateurs de SPOT4 (Take5), pour faire le point de l'utilisation des données, avec une centaine de participants et de belles  présentations des applications permises par l'expérience.
  • En décembre, nous avons enfin lancé l'appel à propositions de sites pour Venµs, dont le calendrier de lancement est enfin stabilisé. Vous avez jusqu'au 29 janvier 2015 pour y répondre.

 

Nous aurons donc de nombreux sujets à commenter pour ce blog qui commence sa troisième année, avec un grand nombre de fidèles lecteurs. Le blog a reçu 23000 visites, et 47000 pages ont été consultées, en augmentation de 50 % par rapport à l'an dernier. Depuis quelque temps, j'ai un peu de mal à maintenir le rythme d'un article par semaine que j'essayais de tenir depuis deux ans, mais l'année 2015 devrait être riche en événements. Les contributions des utilisateurs de données sont aussi bienvenues !

En blanc, les pays pour lesquels aucune visite du blog n'a été recensée en 2014 (Ouganda, Afghanistan)

Liste des 10 pays dont proviennent le plus fréquemment les consultations du blog. Ca fait plaisir de voir la France en aussi bonne position dans un classement international

 

Une station d'observation permanente au sommet d'une falaise

Des collègues du CESBIO, du LTHE, de l'ONERA et de l'INRA, ont mis en place une station permanente au sommet d'une falaise, dans le massif de la Chartreuse, près de Grenoble en France, pour y installer un énorme radiomètre micro-ondes. Cet instrument fonctionne sur le même principe que le satellite SMOS et permet donc de mesurer des températures de brillance et d'en déduire l'humidité des sols.

 

Cette station est maintenant quasiment opérationnelle. Depuis cette falaise, il est possible d'observer très régulièrement au cours de la journée toute une zone de forêts, prairies, et quelques cultures. Un programme d'expérimentations et d'observations in-situ se met en place au sol pour valider les mesures de télédétection... depuis le haut de la falaise. Et tout ceci pourra être utilisé pour valider les mesures de télédétection depuis le satellite, et pour préparer de nouvelles missions spatiales.

 

La plate-forme accueille aussi un radiomètre thermique (Pyromètre KT19) et une petite caméra optique. Elle pourrait accueillir d'autres instruments (sur la petite plat-forme au dessus du radiomètre) qui fourniraient de superbes séries temporelles à la fois à long terme mais aussi pour étudier les variations diurnes. Je pense notamment à des observations dans le thermique. N'hésitez pas à contacter mon collègue arnaud.mialon@cesbio.cnes.fr, si ce projet vous intéresse.

Produits de Niveau 3A : comparaison avec la méthode classique du maximum de NDVI

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Comme nous le disions dans un précédent article, nous utilisons les données SPOT4 (Take 5) pour tester différentes méthodes de création de produits de niveau 3A. Le pôle Thématique appliquera par la suite ces méthodes aux données Sentinel-2.   Pour rappel, si vous n'avez pas cliqué sur le lien ci-dessus, les produits de niveau 3A sont des synthèses périodiques (a priori mensuelles) de réflectances de surface sans nuages. Notre méthode est basée sur des moyennes pondérées de réflectances des pixels non nuageux obtenus pendant une certaine période de temps. Pour plus de détails, il faudra vraiment aller voir ce lien...

 

Les travaux de Mohamed Kadiri au CESBIO, financés par le budget CNES de THEIA, ont d'abord porté sur la mise au point d'indices de qualité (décrits dans le lien ... bon, j'arrête), et ont permis de montrer que notre méthode produit de bonnes performances. Nous avons voulu comparer ces résultats avec la méthode du "Maximum de NDVI", développée par nos ancêtres télédétecteurs, et appliquée depuis des temps immémoriaux aux données de moyenne résolution comme celles des instruments AVHRR. Cette méthode consiste, pour chaque pixel, à utiliser dans le produit de Niveau 3A, la date dont le NDVI est le plus grand. Pourquoi ce choix ? Principalement parce que le NDVI d'un nuage est très faible, et donc que cette méthode permettra de choisir préférentiellement les pixels non nuageux. Cette méthode date d'un temps où les masques de nuages n'étaient pas très précis.

 

Extrait de synthèse mensuelle obtenue avec la méthode du maximum de NDVI Extrait de synthèse mensuelle obtenue avec la méthode de la moyenne pondérée.

Nous vous présentons ici, avec les données SPOT4-(Take5), une comparaison des résultats obtenus sur le site de Versailles, avec  la méthode du maximum de NDVI à gauche et la méthode de moyenne pondérée à droite.  On note, sur l'image de gauche, la présence de nombreux artefacts sous la forme de points brillants ou sombres que l'on ne voit pas sur l'image de droite. Ces points de niveau différents sont dûs au fait que d'un pixel à l'autre, une date différente a été utilisée, en fonction de la valeur du maximum de NDVI. Ces artefacts sont moins présents sur les zones couvertes de végétation (en rouge), car pour cette synthèse obtenue au printemps, la croissance de la végétation fait que le maximum de NDVI correspond à la date la plus tardive de la synthèse..

 

Si l'on regarde les valeurs de nos critères de qualité, décrits dans l'article précédent (cela faisait longtemps ;) ), on note que les performances de la méthode par moyenne pondérée sont bien meilleures que celles de la méthode du maximum de NDVI, vis à vis de la fidélité à l'image de la date centrale de la synthèse mensuelle (en Jaune, pour les 70% de pixels les meilleurs, et Vert, pour les 95% de pixels les meilleurs), et surtout, vis à vis de la présence ou non d'artefacts (en bleu). L'abscisse des courbes correspond à la moitié du nombre de jours utilisés pour chaque synthèse, nous recommandons la valeur 21.

 

Maximum de NDVI Moyenne Pondérée

Bientôt, des séries LANDSAT de Niveau 2A au pôle THEIA

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Le centre de production MUSCATE du pôle THEIA au CNES va bientôt lancer la production puis la distribution de données de niveau 2A acquises par LANDSAT 5 et 7, puis LANDSAT 8 couvrant toute la surface de la France (Métropole pour LANDSAT 5 et 7, Métropole + ROM COM pour LANDSAT 8).

 

Mosaique de données LANDSAT 5 et 7 produite au CESBIO, à partir de données de l'ESA et de l'USGS. Les données sont découpées en tuiles de 110 x 110 km². Pour chaque tuile, toutes les dates ayant un petit coin de ciel clair sont fournies.

 

Pour LANDSAT 5 et 7, nous utilisons des données provenant à la fois de l'USGS et de l'ESA : en effet pour le moment, seule l'ESA dispose des données LANDSAT 5 acquises au dessus des stations de Mas Palomas (Canaries), Matera (Italie) et Svalbard (Norvège). Un transfert des données de l'ESA vers l'USGS est prévu, il a peut-être débuté pour Svalbard, mais il n'est pas encore commencé pour la station Matera, qui couvre la France.

 

Niveau 1C :

Les données de l'USGS sont bien ortho-rectifiées, mais celles de l'ESA ne le sont pas, nous avons donc mis en place, comme pour SPOT4(Take5), une chaîne d'ortho-rectification des images à partir de l'outil SIGMA du CNES. Les produits de l'ESA dont nous disposons présentent aussi quelques défauts : la bande thermique est inutilisable et vous trouverez, par ci par la, des points brillants colorés, comme ceux que la mobylette du voisin faisait apparaître sur notre télé quand nous étions petits. Malgré tout, nous arrivons à produire des produits de Niveau 1C corrects, même si nous attendons avec impatience le retraitement des données par l'USGS. Depuis peu, l'ESA a sa propre chaîne de traitement de données LANDSAT 5, mais celle-ci s'arrête au niveau 1C.

 

Pour LANDSAT 7, ce traitement n'est pas nécessaire car les données sont déjà ortho-rectifiées. Nous interpolons seulement une petite partie des données manquantes (les stries sur les images), puis nous rognons une grande partie de l'image. Pour LANDSAT 8, aucun de ces traitements n'est nécessaire.

 

Niveau 2A :

Les produits de Niveau 2A (Masque de Nuages, Corrections atmosphériques) seront produits à partir de la chaîne prototype développée et maintenue par Mireille Huc (CESBIO, CNRS). J'avais réalisé au CESBIO, il y a quelques années une production de ces mêmes données sur l'extrême Sud de la France, de Bordeaux à Marseille en passant par les Pyrénées. Cette production est d'ores et déjà disponible sur le site du pôle THEIA. Les illustrations ci-jointes en proviennent.

 

LANDSAT 5 et 7 :

Nous traiterons, dans un premier temps, probablement à partir du mois d'Avril, les données LANDSAT 5 et 7 acquises de 2009 à 2011.

LANDSAT 8 :

A partir d'Avril ou Mai 2014, nous traiterons les données LANDSAT 8 acquises depuis avril 2013, puis nous traiterons les données arrivant au fur et à mesure.

Format des données :

Le format des données sera identique à celui utilisé pour SPOT4 (Take5). La France sera découpée en tuiles de 110*110 kilomètres se recouvrant avec leurs voisines sur 10 kilomètres. (Cf la mosaique d'images de 2010 sur le sud de la France).

 

En fonction du succès de la mise à disposition de ces données, nous déciderons s'il y a lieu de produire d'autres années, ou d'étendre la zone couverte à d'autres produits. N'hésitez donc pas à nous faire part de votre intérêt pour ces données.

Exemple des images disponibles pour les de juillet à octobre 2009 pour la tuile centrée sur Toulouse. Pour chaque date, nous fournissons à gauche l'image de niveau 1C (en réflectances TOA), et à droite l'image de niveau 2A (en réflectances de surface). Les nuages détectés sont entourés en rouge

Et si on rejouait Take Five avec SPOT-5 ?


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Cet article est régulièrement mis à jour avec l'arrivée de nouvelles (la date officielle de lancement de Sentinel-2), ou l'ajout de nouveaux arguments.

 

SPOT5 aussi va bientôt terminer sa carrière. Après 12 ans d'acquisitions d'images, le satellite va prendre sa retraite en 2015. Le CNES pourrait donc lancer prochainement un appel à utilisation scientifique de SPOT5 avant la désorbitation du satellite. Il me semble qu'il pourrait être utile de répéter l'expérience SPOT4(Take5), pour les raisons suivantes :

 

  • la date officielle du lancement de Sentinel-2A est le 30 avril 2015. Même si le satellite est lancé le jour prévu, il faudra un à deux mois pour que le satellite commence ses acquisitions systématiques de routine sur l'orbite prévue, et son segment sol mettra quelques mois à devenir complètement opérationnel.Il est donc malheureusement peu probable que S2A puisse être utilisé pour le suivi des cultures 2015 dans l'hémisphère Nord. Par ailleurs, le deuxième satellite de la constellation (S2-B), qui permet d'obtenir le cycle de 5 jours, ne sera disponible que l'année suivante.
  • Les données d'une expérience SPOT5 (Take5), fournissant des séries temporelles avec une répétitivité de 5 jours, permettraient donc de poursuivre la préparation des utilisateurs et le développement des applications et méthodes basées sur les séries temporelles.
  • SPOT5 permet d'obtenir des images multispectrales avec une résolution de 10 mètres, comme Sentinel-2, l'expérience permettrait donc de s'approcher davantage des caractéristiques de Sentinel-2.
  • l'expérience Take5 a eu lieu au printemps pour l'hémisphère Nord et s'est achevée fin juin. Si l'on pouvait cette fois déborder sur l'été, d'autres expériences pourraient être programmées, par exemple pour le suivi des cultures d'été.
  • l'expérience SPOT4(Take5) s'était décidée très rapidement, nous avions eu peu de temps pour convaincre de nombreux partenaires internationaux de participer à l'expérience. Cette fois, en profitant de la petite notoriété de l'expérience SPOT4(Take5), nous pourrions impliquer de nouveaux partenaires. N'hésitez pas à m'écrire si vous pensez que votre organisme pourrait participer (rappel, le coût d'accès aux données pour SPOT4(Take5) était de l'ordre de 3000 € pour un site).
  • Lors de la première présentation de la proposition SPOT4(Take5), j'avais été prévenu que cette proposition avait peu de chances d'aboutir et j'avais même utilisé ce dessin pour conclure ma présentation. Il en va de même pour SPOT5 (Take5), mais ça vaut la peine d'essayer ?

  • Les sites SPOT4 (Take5) ont été choisis très rapidement, et quelques utilisateurs se sont plaints de ne pas avoir assez de temps pour monter une campagne de mesure ambitieuse, acquérir du matériel, trouver du monde pour faire des mesures de terrain. Cette fois, la durée de préavis plus longue pourrait permettre de faire les choses proprement.
  • la météo exécrable en Europe, pendant l'expérience SPOT4 (Take5), a fortement perturbé quelques expérimentations. On peut espérer que ces conditions ne se répètent pas cette fois, et un renouvellement de Take5 donnerait l'occasion de mener à leur terme ces expériences.
  • en dehors de l'ESA et du JRC, nous n'avions pas eu le temps d'impliquer des partenaires européens dans l'expérience, et les sites choisis par l'ESA et le JRC étaient à 95% en dehors de l'Europe. Nous aurions cette fois le temps d'impliquer des partenaires européens.

 

Malgré le succès de SPOT4(Take5), il nous faudra un excellent dossier pour convaincre le CNES, dans un contexte budgétaire défavorable : alors que l'expérience a déjà eu lieu une fois, il ne s'agit plus d'une grande première et il y a donc moins à gagner sur le plan de la communication, de l'originalité de l'idée...

 

Merci donc de me signaler votre éventuel intérêt pour cette expérience, en m'écrivant directement, ou en laissant un message sur ce blog. Les idées originales sont les bienvenues. N'oubliez pas non plus de nous faire un retour sur vos éventuels résultats obtenus avec SPOT4(Take5), qui serviront peut être aussi à convaincre nos directeurs.