TÉLÉDÉTECTION DES AÉROSOLS : ÉTAT DE L'ART 110 1.1 Télédétection sur des zones terrestres de faible à haute résolution spatiale. Dans ce rapport, l'angle de vue du ciel Ωsky en un point P de la surface est défini comme l'angle solide sous lequel le ciel est vu depuis P.
I NTRODUCTION
C ONTEXTE
Ces diverses propriétés ont conduit au développement de nombreuses méthodes de télédétection des aérosols atmosphériques qui s'appuient principalement sur des observations dans le domaine réflectif (King et al., 1999). Parmi celles-ci, certaines tentent de caractériser les propriétés radiatives des matériaux urbains (Lachérade et al., 2008, Martinoty, 2005) et nécessitent une connaissance préalable de l'atmosphère au moment des mesures.
P ROBLEMATIQUE ET PLAN DU TRAVAIL
- Objectif
- Cadre du travail
- Données utilisées
- Méthodologie
Cela nécessite l’utilisation d’images à très haute résolution spatiale de l’ordre du mètre ou du décimètre. Dans ce cas, pour obtenir une très haute résolution spatiale, ils sont multispectraux et présentent généralement 4 larges bandes de l'ordre de la centaine de nanomètres dans le visible et le proche infrarouge comme Quickbird (Holekamp, 2003) ou Ikonos (Cook et al. ., 2001).
C HAPITRE I
C ARACTERISATION DES AEROSOLS URBAINS
L ES AEROSOLS ATMOSPHERIQUES
- Présentation générale
- Sources et composition
- Formation et granulométrie
- Répartition
- Dépôt
- Propriétés optiques
- Théorie de Mie
- Grandeurs utilisées pour décrire les propriétés optiques
- Modélisation des aérosols pour les calculs radiatifs
- Modélisation des propriétés microphysiques et optiques
- Modélisation verticale
- Climatologies
Les concentrations d'aérosols atmosphériques varient considérablement selon la zone géographique et l'altitude. Dubovik et al., 2002 montrent pour les villes urbaines une diminution du facteur d'asymétrie moyen en fonction de la longueur d'onde.
E TUDE STATISTIQUE DES PROPRIETES OPTIQUES DES AEROSOLS URBAINS A PARTIR DE DONNEES AERONET
- Le réseau AERONET
- Présentation générale et mesures
- Inversions
- Les sites urbains sélectionnés
- Etude des propriétés optiques des aérosols urbains
- Variabilité des propriétés optiques des aérosols urbains
- Relations entre les propriétés optiques des aérosols urbains
Le deuxième ensemble de données a été utilisé pour effectuer des statistiques sur les albédos spectraux de diffusion simple. Ces résultats montrent encore que le coefficient d'Angström est plus corrélé aux facteurs d'asymétrie qu'aux simples albédos de diffusion.
C ONCLUSION
C HAPITRE II
T RANSFERT RADIATIF EN MILIEU URBAIN
I NTRODUCTION AU TRANSFERT RADIATIF EN MILIEU URBAIN
- Généralités sur les échanges radiatifs dans le système Soleil-Terre-atmosphère
- Eclairement solaire au sommet de l’atmosphère
- Impact radiatif de l’atmosphère
- Impact radiatif de la surface
- Spécificités des scènes urbaines
- Modélisation du signal adaptée aux milieux urbains
- Décomposition du signal
- Luminance en entrée d’instrument
- Les codes de transfert radiatif existants et leurs limitations
Éclairement solaire spectral moyen au sommet de l'atmosphère en fonction de la longueur d'onde (Thuillier et al., 2003). Ensuite, la variabilité dépend de la localisation et de l'utilisation des matériaux leur donnant des consommations différentes (Herold & Roberts, 2005).
R EALISATION D ’ UN CODE DE TRANSFERT RADIATIF ADAPTE AUX MILIEUX URBAINS : AMARTIS V 2
- Introduction à AMARTIS v2
- Présentation générale
- Gestion du transfert radiatif
- Les entrées d’AMARTIS v2
- La scène
- L’atmosphère
- Les conditions d’éclairement et d’observation
- Gestion de la 3D
- Détail des calculs radiatifs
- Calculs radiométriques analytiques .1 Eclairement direct
- Calculs radiométriques par méthodes de Monte Carlo
- Les sorties d’AMARTIS v2
- Illustration
- Validation d’AMARTIS v2
- Validation avec AMARTIS v1
- Validation avec 6S
- Validation de la prise en compte de scènes complexes
- Perspectives de validation
- Temps de calcul
Les calculs Monte Carlo implémentés dans AMARTIS v2 sont similaires à ceux effectués par AMARTIS v1, mais adaptés à la gestion 3D. De même, pour calculer l'éclairement diffus, il est nécessaire de connaître l'angle de vue du ciel (voir Définitions) de chaque aspect de la scène. La luminosité directe correspondant au pixel de l'image s'exprime dans le cas général comme suit.
Il est cependant nécessaire de les relier à un environnement de calcul de l'éclairement de couplage et de la luminance diffuse croissante, qui joue un rôle prépondérant. Les ombres observées sur l'image Edir (et donc sur Ldir et L*) sont cohérentes avec les conditions d'éclairage et avec la géométrie de la scène. Cependant, pour les calculs de Monte Carlo, un environnement fictif est créé (voir partie II.2.4.2), correspondant à la répétition infinie de la scène étudiée.
E TUDE PHENOMENOLOGIQUE EN MILIEU URBAIN
- Simulations utilisées
- Résultats
- Variabilité spatiale du signal
- Au niveau du sol
- En entrée du capteur
- Discussion
Éclairement solaire total (à gauche) et à l'ombre (à droite) en fonction de la longueur d'onde pour le cas Rayleigh (MR) et les 5 modèles d'aérosols (M0 à M4). Transmission diffuse vers le soleil en fonction de la longueur d'onde pour l'enveloppe de Rayleigh (MR) et les 5 modèles d'aérosols (M0 à M4) d'épaisseurs optiques de 0,1, 0,2 et 0,4 à 550 nm. Luminosité apparente au soleil (à gauche) et à l'ombre (à droite) en fonction de la longueur d'onde pour la boîte Rayleigh (MR) et les 5 modèles aérosols.
Réflectances directes vers le soleil (à gauche) et l'ombre (à droite) en fonction de la longueur d'onde pour la boîte de Rayleigh (MR) et les 5 modèles d'aérosols (M0 à M4). Réflectance atmosphérique au soleil en fonction de la longueur d'onde pour la boîte de Rayleigh (MR) et les 5 modèles d'aérosols (M0 à M4) d'épaisseurs optiques de 0,1, 0,2 et 0,4 à 550 nm. Réflectance environnementale au soleil en fonction de la longueur d'onde pour la boîte de Rayleigh (MR) et les 5 modèles d'aérosols (M0 à M4) avec épaisseurs.
C HAPITRE III
D EVELOPPEMENT D ' UNE PROCEDURE DE CARACTERISATION DES AEROSOLS URBAINS
T ELEDETECTION DES AEROSOLS : ETAT DE L ’ ART
- Télédétection au-dessus des terres émergées de la basse à la haute résolution spatiale : méthodes classiques et applications aux
- Les méthodes
- Principe général de la caractérisation des aérosols
- Une méthode adaptée à la très haute résolution spatiale et aux milieux urbains : méthode ombre/soleil « par différence »
- Présentation
- Précision
- Discussions
- Sur l’utilisation des méthodes existantes
- Sur la mise en œuvre d’une méthode originale
Une précision caractéristique de l'ordre de 0,05 dans l'inversion des épaisseurs optiques des aérosols a été observée avec cette méthode (Léon et al., 1999). La sensibilité de cette méthode à deux sources principales d'erreur peut être estimée directement à partir de l'équation d'inversion : l'estimation de la réflectance de surface et la précision de l'étalonnage radiométrique de l'instrument. Ainsi, une erreur est enregistrée dans l'estimation de l'épaisseur optique des aérosols en raison d'une mauvaise estimation de la réflectivité des cibles (supposée être la même que celle du soleil et de l'ombre).
Ce code permet, à partir d'images multispectrales et d'un modèle vectoriel de la scène observée, d'estimer la réflectance de surface avec une précision de l'ordre de 0,04 (Lachérade et al., 2008). De même, l'erreur commise dans l'estimation de l'épaisseur optique des aérosols par le mauvais calibrage radiométrique de l'instrument est écrite. Une façon de résoudre ce problème consiste à éliminer la réflexion de surface en observant des matériaux similaires dans des conditions différentes.
P RESENTATION D ’ UNE PROCEDURE ORIGINALE DE CARACTERISATION DES PROPRIETES OPTIQUES DES
- Méthode ombre/soleil « du rapport »
- Principe
- Caractérisation des aérosols
- Réalisation d’un code d’inversion : OSIS
- Introduction à OSIS
- Les entrées d’OSIS
- Modélisation du signal adaptée à l’inversion
- Réalisation de l’inversion
- Les sorties d’OSIS
- Temps de calcul
- Définition d’une LUT adaptée à OSIS
Grâce aux informations sur la géométrie de la scène obtenues à l'aide d'un modèle vectoriel, il devient possible d'estimer les différentes composantes du signal nécessaires pour résoudre l'équation d'inversion. L'utilisation d'un modèle 3D de la scène a conduit au développement d'un code d'inversion permettant la réutilisation des briques AMARTIS v2. Il s'agit des conditions d'observation de la scène, décrites par la hauteur de l'instrument et les angles de vue zénithal et azimutal (cf.
Cette longueur d'onde est déterminée en fonction de la sensibilité spectrale S de l'instrument dans cette bande par. On obtient donc les valeurs de Edir, Ediff, Ecoup, Erefl, Latm et Lenv pour chaque valeur de la longueur d'onde λe, de l'aérosol modèle Met de l'épaisseur optique τa. Tous ont des coefficients Angström différents afin de pouvoir les distinguer au cours de la seconde moitié de l'inversion.
E TUDE DE SENSIBILITE D ’OSIS
- Critères d’évaluation de la qualité d’une inversion
- Méthode de validation
- Principe
- Sources d’erreur étudiées
- Simulations directes AMARTIS v2 : cas de référence
- Données d’entrée d’OSIS
- Etude de sensibilité
- Validation de la modélisation du signal
- Evaluation de la précision intrinsèque de la méthode d’inversion proposée
- Impact de la configuration instrumentale .1 Impact de la résolution spatiale
- Conclusions de l’étude de sensibilité
- Bilan
- Limitations
Dans les cas considérés, l'erreur dans l'estimation de la réflectance de surface reste inférieure à 5 %, ce qui est faible. Erreur des épaisseurs optiques inversées en fonction de l'erreur dans l'estimation de la réflectance du bâtiment pour deux scènes modélisées. Les résultats obtenus montrent que la largeur de la bande spectrale utilisée n'a aucune influence sur l'inversion des épaisseurs optiques des aérosols.
Il en est donc de même pour l'inversion de la réflexion superficielle avec une précision de l'ordre de quelques pourcents. Dans cette section, l'impact de la précision de l'étalonnage radiométrique de l'instrument sur l'inversion est évalué. Cependant, comme pour l’estimation des épaisseurs optiques, cette précision dépend fortement de l’atmosphère et de la longueur d’onde.
U TILISATION DE LA PROCEDURE SUR DES DONNEES REELLES : CAMPAGNE AEROPORTEE MUSARDE AVEC LE
- La campagne MUSARDE
- Description générale
- Le système PELICAN nadir .1 Description
- Les mesures terrain : mesures d’éclairement total et estimation des épaisseurs optiques des aérosols
- Préparation de l’inversion
- Sélection des images PELICAN
- Caractérisation de l’atmosphère à partir des mesures terrain
- Choix des points d’inversion
- Modélisation de la géométrie de la scène
- Réalisation de l’inversion
- Première vérification de la qualité de l’étalonnage des caméras
- Utilisation de la procédure d’inversion
La présence de nuages est détectée en suivant l'évolution temporelle de l'éclairement total. L'épaisseur optique des aérosols est estimée en calculant la transmission atmosphérique directe vers le bas à partir d'une mesure directe de l'irradiance en utilisant la relation suivante. Dans les conditions de manutention, celle-ci est de l'ordre de 1 % et est donc négligeable.
Avant d'utiliser OSIS pour caractériser les aérosols à partir d'images PELICAN, une première vérification de la qualité de l'étalonnage de l'instrument est effectuée sur cette base. Celles obtenues pour les bandes bleue, verte et rouge montrent un bon accord sur les ordres de grandeur, témoignant ainsi de la cohérence de la calibration. Il est ici difficile de juger de l'impact de la précision de calibration du système PELICAN sur les inversions réalisées, car mal maîtrisée.
D ISCUSSIONS SUR L ’ INTERET ET LES CONTRAINTES DE LA PROCEDURE D ’ INVERSION
- Intérêt d’OSIS
- Contraintes expérimentales
- Instrumentation
- Travail de l’opérateur
Il semble donc nécessaire de discuter de l'impact de ces différentes configurations sur l'utilisation d'OSIS. Enfin, selon la partie IV.1.5.3.1, entre 20cm et 3m la résolution spatiale de l'instrument utilisé n'a aucune influence tant que les surfaces observées de part et d'autre de la transition ombre/soleil ont des propriétés radiatives identiques. Dans l’état actuel de la procédure d’inversion, un opérateur est nécessaire pour sélectionner les couples ombre/soleil.
Tout d'abord, comme déjà précisé à plusieurs reprises, il est indispensable d'effectuer des inversions pour plusieurs couples ombre/soleil afin de limiter statistiquement les erreurs d'inversion résultant de la variabilité spatiale des cibles. Ensuite, dans ce chapitre, un problème n'a pas été évoqué, celui de la présence de zones d'obscurité au niveau de la transition ombre/soleil. Cette étude a permis d'évaluer et de quantifier l'influence de différentes sources d'erreur sur la qualité de l'inversion.
B ILAN ET PERSPECTIVES
B ILAN DES TRAVAUX
La deuxième phase de ces travaux consistait à étudier le transfert de rayonnement en milieu urbain et visait à comprendre le signal en ville et notamment l'effet des aérosols sur celui-ci. Un état de l'art a ensuite été réalisé pour évaluer l'adéquation des codes de transfert radiatif existants pour la modélisation du signal en environnement urbain en considérant la diversité des propriétés optiques des aérosols. Une évaluation de l'impact des aérosols sur le rayonnement et donc sur les captures réalisées a également été réalisée, qui a montré que, d'une manière générale, pour de faibles épaisseurs optiques, tous les types d'aérosols urbains sont équivalents du point de vue rayonnement.
Cette étude met en évidence l'importance de la sélection de modèles d'aérosols pour corriger les images acquises dans les scènes urbaines depuis l'atmosphère, notamment dans les ombres. Pour ce faire, tout d’abord, un état de l’art des méthodes de télédétection existantes a été établi et a démontré que les méthodes traditionnelles adaptées aux acquisitions à faible et haute résolution spatiale n’étaient pas pertinentes pour ce travail. Deuxièmement, cette étude de sensibilité a permis d'évaluer l'impact de l'instrument de télédétection utilisé.
P ERSPECTIVES
- Efforts à réaliser sur OSIS
- Développement d’une méthode opérationnelle
- Utilisation de cette méthode pour l’étude de la qualité de l’air
- Utilisation des visées multi-angulaires
Son objectif était donc plus d'étudier la faisabilité de la technique que de mettre en œuvre une méthode opérationnelle. Dans un premier temps, il était justifié de considérer la structure 3D de la scène via un modèle vectoriel pour évaluer les possibilités de cette technique. Dans cette problématique d’étude de la qualité de l’air, la télédétection, notamment satellitaire, peut être un outil complémentaire très utile.
Dans ce contexte, il est donc logique de penser qu’OSIS peut être utilisé comme un outil pour étudier la qualité de l’air en zone urbaine. Acquisitions de la même scène obtenue dans la bande verte de PELICAN avec le système nadir (à gauche) et le système avancé (à droite) pendant la campagne. Tout d’abord, contrairement à la méthode d’inversion proposée dans cet article, elle ne nécessite pas de connaissance de la géométrie de la scène et permet donc une mise en œuvre beaucoup plus simple.
R EFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
The PROBA/CHRIS mission: An inexpensive smallsat for hyperspectral multiangle observations of the Earth's surface and atmosphere. A spectral-based recognition of the urban environment using the visible and near-infrared spectral range (0.4-1.1 mm). Proceedings of the SPIE Algorithms for multispectral, hyperspectral and ultraspectral imagery VII conference Orlando, Etats-Unis, 2001.