Méthode D`étalonnage Radiométrique des Images Satellitaires

Journées d’Animation Scientifique (JAS09) de l’AUF Alger Novembre 2009
Méthode D'étalonnage Radiométrique des Images Satellitaires
NOAA-HRPT
Nawal Mokhataria Zemaili(1), Noureddine Benabadji(1),Abdelatif Hassini(1)(2),A.H.Belbachir(1)
(1) Laboratiore d'Analyse et d Application du Rayonnement LAAR.
Faculte des seciences,Dépertement de Physique Université des Sciences et de la technologie d'Oran
USTOMB, BP 1505 El Mnaouar
(2) Institut de Maintenance et Sécurité industrielle, Université d’Oran Es-Senia
E-mail : [email protected]
Résumé— La télédétection spatiale est un outil très puissant
pour déterminer les faibles atténuations de rayonnement solaire au sol. La télédétection dans l’infrarouge thermique
consiste essentiellement à mesurer le rayonnement émis par
la terre à partir de l’espace. Ce domaine permet l'étude
d'étalonnages pour l’image NOAA-HRPT qui représentent
l’objet essentiel de ce travail. Des images satellitaires qui sont
acquises à partir d'une station de réception réalisée au laboratoire LAAR, d'un nouveau récepteur HRPT (High Résolution Picture Transmissission), cette station permet la réception quotidienne des images satellitaires polaires NOAA.
Les images acquises sont des images brutes, codées sur 8 bits,
couvrant les domaines du visible et de l’infrarouge thermique (IRT), leur résolution spatiale est de 1,1 km au Nadir
du satellite ; par contre, les images originales sont codées sur
10 bits au niveau de satellite. Pour étalonner ces images, on
utilise une fonction de calibration permettant la transformation des comptes numériques de la mesure du radiomètre en
données physiques (luminance). Lors de cette transformation,
les données des canaux visibles VIS sont converties en albédo
et les mesures des canaux infrarouges (IRT) sont converties
en températures de brillance par le logiciel (PCNOAA) développé pour cette étude.
(partie optique) et pour le convertir en un signal électrique
(partie électronique).
De façon plus détaillée, un instrument comprend les éléments suivants :
 Système optique : antenne, miroir, filtre
 Système de détection: convertit l’énergie électromagnétique reçue en signal électrique
3
 Système d’étalonnage: pour comparer le signal reçu à
un signal de référence.
La figure 1 présente le schéma fonctionnel d'un capteur
Mots clefs — NOAA, HRPT, calibration, températures de
brillance, albédo.
I. INTRODUCTION
La télédétection spatiale est basée sur l’utilisation
d’instruments appelés radiomètres imageurs qui enregistrent le rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis
dans différents domaines de longueurs d'onde, tels que
l'ultraviolet, le visible et l'infrarouge par les objets de la
surface terrestre ou de l’atmosphère. En effet, ils mesurent
des rayonnements et convertissent ces mesures sous forme
d’images.
optique
Fig.1 Schéma fonctionnel d'un capteur
II.PRINCIPE DES RADIOMETRES IMAGEURS
Un radiomètre imageur est un capteur optique ou un appareil électro-optique qui réunit toute la technologie nécessaire à l’acquisition d’images à distance et qui est embarqué dans un satellite. Il permet de capturer l’information
pour différentes régions du spectre. C’est les régions du
spectre électromagnétique, elles n'ont rien avoir avec les
images bidimensionnelles. Un capteur optronique est conçu pour recueillir et focaliser un rayonnement lumineux
III. LE RADIOMETRIE IMAGEUR
NOAA-AVHRR/3
Les satellites NOAA (National Oceanic and Atmospheric
Administration) sont équipés de multiples capteurs dont le
plus connu est le capteur imageur AVHRR/3 (Advanced
Very High Resolution Radiometer) de mesurer les réponses
radiatives et énergétiques de la végétation et les formations
nuageuses et de déterminer la température et l’humidité
dans l’atmosphère et sur la Terre. L’instrument AVHRR /
3 est un radiomètre à balayage solaire fournissant trois ca-
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naux dans la visible et proche-infrarouge et comportent
trois canaux dans l’infrarouge thermique. La résolution
spatiale est de 1,1 km, au niveau de la surface de la Terre,
à la verticale du satellite. Dans l’infrarouge thermique, la
résolution thermique est de 0,12°C. L'instrument mesure
20.32 cm de diamètre et collecte de télescope réflecteur de
type Cassegrain. Un balayage rotatif est accompli par un
miroir tournant en continu directement par un moteur, à
45° de l’axe optique du télescope. Sa vitesse de rotation est
de 360 tours/min, assurant le balayage d’une ligne de
l’image en 0,051 s, ce balayage étant effectué de la droite
vers la gauche, suivant le déplacement du satellite.
Fig.2 Le capteur AVHRR embarqué dans le satellite NOAA
canaux
Spectrale
(µm)
Détecteur
de type
Résolution
(km)
IFOV en
(milliradians)
Application
Ch.1
0.580.68
Si
1.09
1.3
surveillance
des nuages,
de la neige
et de la
glace
Ch.2
0.7251.0
Si
1.09
1.3
Ch.3A
1.581.64
InGaAs
1.09
1.3
Ch.3B
3.553.93
InSb
1.09
1.3
surveillance
de l'eau, de
la végétation, et de
l'agricole
température
de la surface
des océans,
volcans,
feux de forêts
température
de la surface
des océans,
volcans,
feux de forêts
Ch.4
10.311.3
HgCdTe
1.09
1.3
température
de la surface
des océans,
humidité du
sol
Ch. 5
11.512.5
HgCdTe
1.09
1.3
température
de la surface
des océans,
humidité du
sol
Tab.1 Résumé des AVHRR / 3 canaux Caractères spectrale.
A. Transmission d'Images à Haut Débit
(NOAA-HRPT)
Fig.3 Instrument AVHRR/3
Le service de Transmission d'Images à Haut Débit (HRPT)
installé sur les satellites NOAA est depuis deux décennies
la source principale de données de haute qualité issues des
satellites météorologiques polaires pour les stationsutilisateur à travers le monde. Le flux de données contient
non seulement des images haute résolution en format numérique issues de l'instrument AVHRR/3 mais aussi l'information atmosphérique du jeu d'instruments de sondage.
Grâce à la réception HRPT le site utilisateur peut obtenir
des données d'au moins trois passages consécutifs de
chaque satellite deux fois par jour, produisant une couverture haute résolution d'une région s'étendant sur un rayon
de 1500 km autour de la station. L'imagerie donne, en instantané, des conditions météorologiques et peut être également utilisée pour de nombreuses applications terrestres
ou maritimes, tandis que les données de sondage fournissent des observations atmosphériques détaillées qui peuvent être traitées et utilisées dans les modèles numériques
régionaux.
Fig.4. Les rayonnements reçus par le capteur AVHRR/3
L’AVHRR/3 caractéristique spectrale dans les tableaux
suivait :
-2-
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Débit lignes
Canaux de données
Résolution des données
Modulation de porteuse
Fréquence de
l’émetteur (MHz)
B. Algorithme AVHRR-HRPT
360 lignes AVHRR/minute
5 transmis, 6 disponibles
1,1 km
 Étalonnages des canaux visibles (1 et 2) :
La calibration convertit les comptes numériques X en mesure de paramètre physique, soit la luminance spectrale Ai,
et ce pour la longueur d’onde centrale de la bande. Cette
calibration est basée sur une relation linéaire de type :
Phase numérique dédoublée, modulation de phase
1698,0 ou 1707,0
Ai = Gi Xi + Ii
Tab.2 Caractéristiques de Transmission HRPT
(2)
Où:
IV. METHODE D'ETALONNAGES DES CANAUX
AVHRR/3
L’étalonnage radiométrique vise d’une part à éliminer la
différence de sensibilité entre les capteurs en assignant à
chaque bande spectrale un coefficient de correction.
D’autre part, le calibrage vise aussi à corriger la dégradation du signal du capteur dans le temps par l’application
d’une correction linéaire qui est appliquée à chacun des
coefficients de calibrage pré-lancement, la formule générale est décrite par la formule
Lλ =aλ+ bλ *Xλ
(1)
où :
L : est la radiance spectrale,
aλ et bλ : sont des coefficients déterminés pour la bande
spectrale du capteur,
Xλ : est le compte numérique de la bande spectrale.
V. DONNEES
Ai: est l'albédo mesuré dans le canal i.
Xi : valeur de numériques l'image (8 bits).
Gi et Ii : sont des coefficients de précalibration (sur terre).
 Étalonnages des canaux infrarouges (3,4 et
5) :
La calibration convertit les comptes numériques X en températures de brillance .pour appliquer cette technique, on
utilise les étapes suivantes:
1. Calcule de radiance linéaire par canal i :
N
LI
 GIX
I
 II
(3)
Gi et Ii sont des coefficients de précalibration (sur terre).
2. Calcule de radiance corrigée par canal i :
Dans notre travail nous avons utilisé des images satellitaires et des données météorologiques mesurées au sol.
N Ci  b0i  b1i N lI  b2 i N li2
A. Données satellitaires
Les images satellitaires utilisées dans notre étude sont
des images acquises à haute résolution sous forme numérique non dégradée (High Resolution Picture Transmission ou HRPT) a partir du radiomètre AVHRR, nous
avons utilisé le logiciel PCNOAA est un système de traitement d’image spécifique aux images NOAA APT et
HRPT. Il fournit une visualisation et une analyse complète des données pour des images de n’importe quelle
taille (limite : 32767 x 32767). PCNOAA support une
large
gamme
d’environnement
informatique
PC/Windows (Windows9x / Millenium / win2000 /Win
XP) et son langage de développement est le C++ Builder
de Borland (v3.0), développé au laboratoire LAAR, permet de transformer les mesures brutes de chaque bande
en mesure de réflectance ou températures de brillance qui
correspond à la région d’étude (1km sur 1km). La valeur
de cette mesure comprise entre 0 et 255 qui représente
sur l’image un point appelé pixel, de couleur variant du
blanc au noir.
-3-
canaux
Canal 4
Canal 5
b0
2.96
2.25
b1
-0.0541
-0.0366
(4)
b2
0.00024532
0.00014854
Tab. 3 les valeurs des coefficients de correction pour NOAA16
3. Calcule de radiance de la terre par canal i :
N E  N LI  N CI
(5)
4. Température équivalente corps noir par canal i :
T E* 
c2vc

ln 1 

 c1 v C3

 NE

(6)




c1 = 1.1910659 10-5 mW.m-2.sr-1.cm4
et c2 = 1.438833 K.
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5. température de brillance par canal i :
T
E

T
*
E
 A
B

(7)
Les valeurs de Vc et les coefficients A et B pour les 3B, 4,
5 sont uniques pour chaque plate forme.
Canaux
Canal 3B
Canal 4
Canal 5
νc
2700.1148
917.2289
838.1255
A
1.592459
0.332380
0.674623
B
0.998147
0.998522
0.998363
Tab.4 Les valeurs centrale Vc et des coefficients A et B pour
NOAA16
Fig.5 Etape 1
VI. RESULTAS ET DISCUSION
Etape 2 : Calcul de la radiance corrigée par canal i :
Nous avons appliqué l'algorithme d'’étalonnage radiométrique des images AVHRR-HRPT introduite dans notre logiciel PCNOAA qui se trouve dans le menu « Traitement> Prétraitement >Calibration HRPT», il contient une
fenêtre calibration HRPT:
Fig.6 Etape 2
Etape 4 : Température équivalente corps noir par canal i :
Fig.4 Traitement
Dans fenêtre «Calibration HRPT» on retrouve les étapes
suivantes:
Etape 1 : Calcul de la radiance linéaire par canal i :
Fig.8 Etape 4
-4-
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Etape 5: Température de brillance par canal i :
Image brute HRPT
Image albédo HRPT
Fig.11 Résultat de calibration de canal 1 par
le logiciel PCNOAA
Fig.9 Etape 5
Pour voir les résultats de chaque canal il faut ouvrir la fenêtre«Prévisualisation d’un fichier image codé 32
bits(Float)» en cliquant sur «Fichier>Pré visualiser codage Float....».cette fenêtre est divisée en trois parties la
première fournit le dossier de calibration et si on clique
dessus on obtient les cinq images en format (dat )et leurs
détails (taile, date et heur) qui sont dans la deuxième partie
et pour voir l image il sufit de cliquer sur son nom qui sera
affichée dans la troisième partie. Et si on clique sur l image
on obtient la légende.
Image brute HRPT
Image TB albédo HRPT
Fig.12 Résultat de calibration de canal 2 par
le logiciel PCNOAA
Fig. 10 Prévisualisation d’un fichier image codé 32 bits (Float)
Les images satellitaires utilisées dans notre étude sont des
images brutes qui sont captées le 16/02/2005 à 16 :20 UTR
par le satellite NOAA16-AVHRR/3 3 à partir d'une station
de réception réalisée au laboratoire d'Analyse et d Application
du Rayonnement (LAAR) ; Les images résultantes représentées sont issues d’une capture d’écran, à l’aide du logiciel
PCNOAA
-5-
Image brute HRPT
Image HRPT
Fig.13 Résultat de calibration de canal 3 par
le logiciel PCNOAA
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- résolution,
- Fonction de Transfert de Modulation (FTM).
Image brute HRPT
L’étalonnage radiométrique permet de donner une interprétation physique à la valeur numérique de chaque pixel
de l’image, en la reliant à une grandeur appelée luminance
par l’intermédiaire d’un coefficient d’étalonnage absolu.
L'étalonnage radiométrique c'est une étape nécessaire pour
faire la correction des images corrigées nous permettent le
calcul de l'indice de végétation et le suivi du couvert végétale dans le visible, et la température de surface dans le
domaine de l'infrarouges thermique
Image TB
Fig.14 Résultat de calibration de canal 4 par
le logiciel PCNOAA
VIII. REFERENCES
[1] Danill Ducrot : Methodes d’analyse et d’interpertation d’image de tétédection multisouces extraction de caracteristiques de paysage,Mémoire de
recherches,le 1 décembre 2005,Habilitation à diriger des recherches INP
Toulouse.
[2] Kidwell,K,B, NOAA polar orbiter data user’s.U.S.Department of Commerce National Oceanic and Atmospheric Administration,,National
Environmental Satellite Data and Information Servirce National Climatic
Data Center, section3.2,199
[3] Laurent POLIDORI : Introduction à la télédétection spatiale, conservatoire national des arts et métiers Ecole Supérieure Des Géomètres Et Topogrpues
Image brute HRPT
[4] A. Hassini, N.Benabadji, A.H.Belbachir. Noaa HRPT and Meteosat
WEFAX Dissemination, 4émé WORKSHOP de Laboratoire d'Analyse et d
Application du Rayonnement LAAR,oran, 2004.
Image TB
Fig.15 Résultat de calibration de canal 5 par
le logiciel PCNOAA
[5] A.Hassini, Acquisition et exploitation des données satellitaires à forte
résolution temporelle, thèse de Doctorat, Université des sciences et de la
technologie Mohamemed Boudiaf d' Oran,Algérie,le 25/12/ 2006.
Les différents résultats obtenus représentent des images
étalonnées, qui offrent un meilleur contraste par rapport
aux
images brutes, pour les canaux 1 et 2 en réflectance, et les
canaux 4 et 5 en température de brillance.
[6] Josiane ZERUBIA: Analyse du milieu urbain par une approche de fusion
de données satellitaires optiques et radar, thèse de Docteur en
Sciences, 10 Juin 2003, Université de Nice-Sophia Antipolis, pages (15-19).
[7] D. Laoprtier, Thèse présentée à la Faculté des études supérieures de
l’Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences
géométriques pour l’obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.).2003.
[8] Proceedings of the Society of Photo Optical, Instrumentation Engineers
Volume 51, Scanners and Imagery Systems for Earth observation., San
Diego, California-August 19-20,1974.
VII. CONCLUSION
[9] A. de Leffe : Les instruments spatiaux à détection photoélectrique et à
balayage, Cours de Technologie Spatiale, 1979, Cartographie spatiale de la
Terre, CNES Editeur.
La télédétection par satellites est une solution permettant
de fournir une couverture régionale et planétaire de façon
efficace et économique.
[10] François CABOT : Estimation De L’albédo De Surface a L’échelle
Globale, A L’aide De Mesures Setellitaires. Centre D' etudes spatiales de
Labiosphere, Thèse présentée pour obtenir le grade Docteur de l'Université
d'Orsay-Paris Sud, TOULOUSE CEDEX ,15 mai 1995.
La qualité des résultats de calibration s'exprime en termes
de :
[11] R.Frouin and C.Gautier: Calibration of NOAA-7AVHRR, GOES-5 and
GOES-6
VISSR/VAS
Solar
channels,
Remote
Sens.Environ
- précision d’étalonnage,
-6-