Observation de la Terre
Coordinateur scientifique : Françoise Nerry
Nous avons toujours abordé le thème « observation de la terre » avec l’ambition d’extraire au mieux les informations physiques contenues dans les données de télédétection. Notre démarche relève plus de l’approche physique que thématique même si les paramètres obtenus peuvent être ensuite utilisés dans des études environnementales. Nous présentons ici des méthodes originales développées dans notre équipe, ainsi qu’une étude sur le bilan hydrique du Plateau Tibétain.
Méthode de détermination du rayonnement net de la surface à partir des données MODIS en condition de ciel clair
Le rayonnement net de surface, composé du rayonnement net à courte et grande longueur d’onde est à l’origine de tous les processus énergétiques à l’interface surface/l’atmosphère. Nous avons développé une méthode d’inversion quantitative du bilan radiatif à courte longueur d’onde à partir des données de 7 canaux MODIS. Nous avons également développé une méthode permettant de déterminer le rayonnement atmosphérique descendant grande longueur d’onde à partir de 6 canaux thermiques de MODIS. Nous sommes donc en mesure de déterminer le rayonnement net de la surface à partir des données MODIS sous la condition du ciel clair sans aucune donnée auxiliaire.
Map of the Net surface shortwave radiation flux derived from MODIS data on October 15, 2003. (B. Tang, Z. Li, R. Zhang “Direct method for estimating net surface shortwave radiation from MODIS data” Remote Sensing of Environment, Elsevier (IF : 4.769), pages 115-126, Volume 103, 2006, doi:10.1016/j.rse.2006.04.008.)
Méthode d’extraction de la réflectivité bidirectionnelle de la surface dans la bande infrarouge moyenne (MIR) à partir des canaux 22 (3.97µm) et 23 (4.06µm) de MODIS
Les mesures dans le domaine MIR ont depuis toujours été difficiles à exploiter car elles sont constituées d’une combinaison du rayonnement réfléchi solaire et du rayonnement émis par la surface. Nous proposons une méthode originale, de type Split-Window, qui permet de déterminer la température de brillance au niveau de la surface sans la contribution du rayonnement solaire direct à partir des températures de brillance mesurées par les deux canaux adjacents de MIR. De plus, nous avons étendu avec succès le modèle BRDF développé pour les bandes visibles aux bandes MIR et avons réussi à déterminer l’émissivité de surface dans MIR à partir de la réflectivité bidirectionnelle de surface.
Comparison of brightness temperature T0g estimated using Tang and Li’s algorithm and the atmospheric radiative transfer equation, respectively. (B. Tang, H. Wu, Z. Li, F. Nerry “Validation of MODIS-derived bidirectional reflectivity retrieval algorithm in mid-infrared channel with field measurements” Optics Express, Optical Society of America (IF : 3.525), pages 17760--17766, Volume 20, No 16, April 2012, doi:10.1364/OE.20.017760.
Amélioration du logiciel opérationnel de production de la température de surface globale à partir de données MODIS et mise au point d’une nouvelle méthode de validation du produit température de surface terrestre dérivé des données spatiales
En collaboration avec Dr. Wan (ICESS/UCSB, USA), nous avons développé un algorithme pour déterminer à la fois la température et les émissivités de surface à partir des données jour/nuit de l’instrument MODIS (7 canaux IRT). Cet algorithme est maintenant utilisé de façon opérationnelle pour extraire la température et les émissivités des surfaces continentales. Cependant, la solution de 14 équations non linéaires pour retrouver 13 inconnues est parfois instable. Nous avons alors développé une méthode de type neuronal permettant de restituer à la fois la température de surface et les profils atmosphériques en utilisant le nombre maximum des canaux disponibles de MODIS/Terra ou MODIS/Aqua.
Nous avons donc proposé une méthode de validation « Radiance-based method» permettant de valider la température de surface sur des surfaces hétérogène thermiquement. En l’appliquant aux 3 campagnes de mesure réalisées aux USA et à l’Espagne, il s’avère que cette nouvelle méthode est tout à fait adéquate pour la validation de température de surface restituée à l’échelle de 1km.
llustration of radiative transfer equation in infrared regions (Z. Li, B. Tang, H. Wu, H. Ren, G. Yan, Z. Wan, I. Trigo, J. Sobrino “Satellite-derived land surface temperature: Current status and perspectives” Remote Sensing of Environment, Elsevier (IF : 4.769), pages 14--37, No 131, April 2013, doi:10.1016/j.rse.2012.12.008 )
Y. Qian, Z. Li, F. Nerry “Evaluation of land surface temperature and emissivities retrieved from MSG-SEVIRI data with MODIS land surface temperature and emissivity products” International Journal of Remote Sensing, Taylor & Francis (IF : 1359), pages 3140-3152, Volume 34, No 9-10, May 2013, doi:10.1080/01431161. 2012.716538.
Elaboration et mise au point d’une méthode permettant de restituer à la fois la température et l’émissivité de surface à partir de données de satellite météorologique géostationnaire de nouvelle génération
La méthode couple jour/nuit a été appliquée avec succès aux données des satellites polaires AVHRR et MODIS. Cependant la faible fréquence de passage rend difficile l’acquisition de données. Les satellites géostationnaires (MSG) fournissent les mesures du disque de la Terre toutes les 15 minutes les rendant particulièrement appropriées pour la détermination de l’émissivité de surface (LES) en utilisant le concept d’un couple jour/nuit. En basant sur ces caractéristiques particulières de données du satellite météorologique géostationnaire, nous avons développé un nouvel algorithme pour déterminer à la fois la température et de l’émissivité de surface à partir de données du satellite météorologique géostationnaire de nouvelle génération telles que des données MSG et FY-2E.
C. Gao, Z. Li, S. Qiu, B. Tang, H. Wu, X. Jiang An improved algorithm for retrieving land surface emissivity and temperature from MSG-2/SEVIRI data, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) (IF : 2.933), pages 3175-3191, Volume 52, No 6, June 2014, doi:10.1109/TGRS.2013.2271510.
Méthode de détermination de la température et des émissivités à partir de données infrarouges thermiques hyperspectrales
De nombreuses méthodes ont été proposées pour restituer la température et les émissivités de surface à partir de données infrarouges thermiques (TIR) multispectrales. Cependant, en raison de la complexité du problème de cette restitution et de la limite de nombre de canaux utilisés, il reste toujours impossible de déterminer simultanément la température et les émissivités de surface sans hypothèse. L’introduction de la technique hyperspectrale ouvre une voie pour résoudre ce problème. Les données TIR hyperspectrales contiennent de l’information spectrale détaillée et abondante et elles permettent de fournir des contraintes physiques et de conduire à la restitution exacte de la température et des émissivités de surface. En tenant compte du fait que le spectre d’émissivité est plus lisse que l’absorption atmosphérique dans TIR, nous avons proposé une nouvelle méthode pour restituer la température et les émissivités de surface à partir des données TIR hyperspectrales.
Ning Wang, Hua Wu, Françoise Nerry, Chuanrong Li, and Zhao-Liang Li “Temperature and Emissivity Retrievals From Hyperspectral Thermal Infrared Data UsingLinear Spectral Emissivity Constraint” IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 49, NO. 4, APRIL 2011 1291
H. Wu, L. Ni, N. Wang, Y. Qian, B. Tang, Z. Li “Estimation of atmospheric profiles from hyperspectral infrared IASI sensor” IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) (IF : 2.827), pages 1485-1494, Volume 6, No 3, June 2013, doi:10.1109/JSTARS.2013.2258138.
Plateau du Tibet
Avec une altitude moyenne de 4700 mètres pour une surface supérieure à 2,5 millions de kilomètres carrés, le Plateau du Tibet est un élément clé dans la compréhension de l’hydrologie et de la climatologie de l’Asie. En particulier, le plateau – aussi qualifié de troisième pôle – a un rôle déterminant sur les ressources en eau, de par son rôle dans le phénomène de mousson d’Asie du Sud-Est, mais aussi sur le réseau hydrographique asiatique. Les principaux bassins hydrologiques d’Asie y trouvent leur source : le Fleuve Jaune, le Yang Tsé Kiang, le Mekong, le Salween, l’Irrawaddy, le Brahmaputre et le Ganges, dont les eaux alimentent au total plus de 1,4 milliard d’habitants. Les enjeux liés à la compréhension des processus dynamiques et thermodynamiques induits par le Plateau et leurs conséquences en termes d’hydrologie, de phénomènes météorologiques extrêmes et de climatologie de l’ensemble de la région sont donc non seulement scientifiques et environnementaux, mais aussi sociétaux. L’étendue même du plateau rend toute étude basée sur des observations de terrain difficile et partielle. L’utilisation d’observations de télédétection satellitaire présente alors un intérêt réel pour le suivi régulier de l’état de la surface et des paramètres bio-géophysiques et hydriques du sol. Regroupant une vaste communauté de spécialistes reconnus en télédétection, en hydrologie et en météorologie, le projet FP7 CEOP-AEGIS –coordonné par l’équipe TRIO- vise à démontrer le potentiel de la télédétection pour le suivit de l’hydrologie du plateau tibétain, et pour l’amélioration des connaissances relatives aux processus intervenant dans la variabilité saisonnière et interannuelle de la mousson d’Asie du Sud-Est. Outre de nombreux algorithmes de traitement d’images de télédétection, le projet a d’ores et déjà généré un grand nombre de séries temporelles d’observations et de sorties de modèles hydrologiques et atmosphériques, contribuant ainsi à l’initiative du Global Earth Observation System of Systems dans la thématique « Eau » en Asie.
Pour en savoir plus : www.ceop-aegis.net