REFLECT : logiciel de restitution des réflectances au sol pour l’amélioration de la qualité de l'information extraite des images satellitales à haute résolution spatiale

RÉSUMÉ - Les images satellitales multispectrales, notamment celles à haute résolution spatiale (plus fine que 30 m au sol), représentent une source d’information inestimable pour la prise de décision dans divers domaines liés à la gestion des ressources naturelles, à la préservation de l’environnement ou à l’aménagement et la gestion des centres urbains. Les échelles d’étude peuvent aller du local (résolutions plus fines que 5 m) à des échelles régionales (résolutions plus grossières que 5 m). Ces images caractérisent la variation de la réflectance des objets dans le spectre qui est l’information clé pour un grand nombre d’applications de ces données. Or, les mesures des capteurs satellitaux sont aussi affectées par des facteurs « parasites » liés aux conditions d’éclairement et d’observation, à l’atmosphère, à la topographie et aux propriétés des capteurs. Deux questions nous ont préoccupé dans cette recherche. Quelle est la meilleure approche pour restituer les réflectances au sol à partir des valeurs numériques enregistrées par les capteurs tenant compte des ces facteurs parasites ? Cette restitution est-elle la condition sine qua non pour extraire une information fiable des images en fonction des problématiques propres aux différents domaines d’application des images (cartographie du territoire, monitoring de l’environnement, suivi des changements du paysage, inventaires des ressources, etc.) ? Les recherches effectuées les 30 dernières années ont abouti à une série de techniques de correction des données des effets des facteurs parasites dont certaines permettent de restituer les réflectances au sol. Plusieurs questions sont cependant encore en suspens et d’autres nécessitent des approfondissements afin, d’une part d’améliorer la précision des résultats et d’autre part, de rendre ces techniques plus versatiles en les adaptant à un plus large éventail de conditions d’acquisition des données. Nous pouvons en mentionner quelques unes : - Comment prendre en compte des caractéristiques atmosphériques (notamment des particules d’aérosol) adaptées à des conditions locales et régionales et ne pas se fier à des modèles par défaut qui indiquent des tendances spatiotemporelles à long terme mais s’ajustent mal à des observations instantanées et restreintes spatialement ? - Comment tenir compte des effets de « contamination » du signal provenant de l’objet visé par le capteur par les signaux provenant des objets environnant (effet d’adjacence) ? ce phénomène devient très important pour des images de résolution plus fine que 5 m; - Quels sont les effets des angles de visée des capteurs hors nadir qui sont de plus en plus présents puisqu’ils offrent une meilleure résolution temporelle et la possibilité d’obtenir des couples d’images stéréoscopiques ? - Comment augmenter l’efficacité des techniques de traitement et d’analyse automatique des images multispectrales à des terrains accidentés et montagneux tenant compte des effets multiples du relief topographique sur le signal capté à distance ? D’autre part, malgré les nombreuses démonstrations par des chercheurs que l’information extraite des images satellitales peut être altérée à cause des tous ces facteurs parasites, force est de constater aujourd’hui que les corrections radiométriques demeurent peu utilisées sur une base routinière tel qu’est le cas pour les corrections géométriques. Pour ces dernières, les logiciels commerciaux de télédétection possèdent des algorithmes versatiles, puissants et à la portée des utilisateurs. Les algorithmes des corrections radiométriques, lorsqu’ils sont proposés, demeurent des boîtes noires peu flexibles nécessitant la plupart de temps des utilisateurs experts en la matière. Les objectifs que nous nous sommes fixés dans cette recherche sont les suivants : 1) Développer un logiciel de restitution des réflectances au sol tenant compte des questions posées ci-haut. Ce logiciel devait être suffisamment modulaire pour pouvoir le bonifier, l’améliorer et l’adapter à diverses problématiques d’application d’images satellitales; et 2) Appliquer ce logiciel dans différents contextes (urbain, agricole, forestier) et analyser les résultats obtenus afin d’évaluer le gain en précision de l’information extraite par des images satellitales transformées en images des réflectances au sol et par conséquent la nécessité d’opérer ainsi peu importe la problématique de l’application. Ainsi, à travers cette recherche, nous avons réalisé un outil de restitution de la réflectance au sol (la nouvelle version du logiciel REFLECT). Ce logiciel est basé sur la formulation (et les routines) du code 6S (Seconde Simulation du Signal Satellitaire dans le Spectre Solaire) et sur la méthode des cibles obscures pour l’estimation de l’épaisseur optique des aérosols (aerosol optical depth, AOD), qui est le facteur le plus difficile à corriger. Des améliorations substantielles ont été apportées aux modèles existants. Ces améliorations concernent essentiellement les propriétés des aérosols (intégration d’un modèle plus récent, amélioration de la recherche des cibles obscures pour l’estimation de l’AOD), la prise en compte de l’effet d’adjacence à l’aide d’un modèle de réflexion spéculaire, la prise en compte de la majorité des capteurs multispectraux à haute résolution (Landsat TM et ETM+, tous les HR de SPOT 1 à 5, EO-1 ALI et ASTER) et à très haute résolution (QuickBird et Ikonos) utilisés actuellement et la correction des effets topographiques l’aide d’un modèle qui sépare les composantes directe et diffuse du rayonnement solaire et qui s’adapte également à la canopée forestière. Les travaux de validation ont montré que la restitution de la réflectance au sol par REFLECT se fait avec une précision de l’ordre de ±0.01 unités de réflectance (pour les bandes spectrales du visible, PIR et MIR), même dans le cas d’une surface à topographie variable. Ce logiciel a permis de montrer, à travers des simulations de réflectances apparentes à quel point les facteurs parasites influant les valeurs numériques des images pouvaient modifier le signal utile qui est la réflectance au sol (erreurs de 10 à plus de 50%). REFLECT a également été utilisé pour voir l’importance de l’utilisation des réflectances au sol plutôt que les valeurs numériques brutes pour diverses applications courantes de la télédétection dans les domaines des classifications, du suivi des changements, de l’agriculture et de la foresterie. Dans la majorité des applications (suivi des changements par images multi-dates, utilisation d’indices de végétation, estimation de paramètres biophysiques, …), la correction des images est une opération cruciale pour obtenir des résultats fiables. D’un point de vue informatique, le logiciel REFLECT se présente comme une série de menus simples d’utilisation correspondant aux différentes étapes de saisie des intrants de la scène, calcul des transmittances gazeuses, estimation de l’AOD par la méthode des cibles obscures et enfin, l’application des corrections radiométriques à l’image, notamment par l’option rapide qui permet de traiter une image de 5000 par 5000 pixels en 15 minutes environ. Cette recherche ouvre une série de pistes pour d’autres améliorations des modèles et méthodes liés au domaine des corrections radiométriques, notamment en ce qui concerne l’intégration de la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) dans la formulation, la prise en compte des nuages translucides à l’aide de la modélisation de la diffusion non sélective et l’automatisation de la méthode des pentes équivalentes proposée pour les corrections topographiques.

New medical registration and segmentation techniques using information-theoretic tools

El processament d'imatges mèdiques és una important àrea de recerca. El desenvolupament de noves tècniques que assisteixin i millorin la interpretació visual de les imatges de manera ràpida i precisa és fonamental en entorns clínics reals. La majoria de contribucions d'aquesta tesi són basades en Teoria de la Informació. Aquesta teoria tracta de la transmissió, l'emmagatzemament i el processament d'informació i és usada en camps tals com física, informàtica, matemàtica, estadística, biologia, gràfics per computador, etc. En aquesta tesi, es presenten nombroses eines basades en la Teoria de la Informació que milloren els mètodes existents en l'àrea del processament d'imatges, en particular en els camps del registre i la segmentació d'imatges. Finalment es presenten dues aplicacions especialitzades per l'assessorament mèdic que han estat desenvolupades en el marc d'aquesta tesi.

Cloud clearing techniques over land for land surface temperature retrieval from the Advanced Along Track Scanning Radiometer

We present five new cloud detection algorithms over land based on dynamic threshold or Bayesian techniques, applicable to the Advanced Along Track Scanning Radiometer (AATSR) instrument and compare these with the standard threshold based SADIST cloud detection scheme. We use a manually classified dataset as a reference to assess algorithm performance and quantify the impact of each cloud detection scheme on land surface temperature (LST) retrieval. The use of probabilistic Bayesian cloud detection methods improves algorithm true skill scores by 8-9 % over SADIST (maximum score of 77.93 % compared to 69.27 %). We present an assessment of the impact of imperfect cloud masking, in relation to the reference cloud mask, on the retrieved AATSR LST imposing a 2 K tolerance over a 3x3 pixel domain. We find an increase of 5-7 % in the observations falling within this tolerance when using Bayesian methods (maximum of 92.02 % compared to 85.69 %). We also demonstrate that the use of dynamic thresholds in the tests employed by SADIST can significantly improve performance, applicable to cloud-test data to provided by the Sea and Land Surface Temperature Radiometer (SLSTR) due to be launched on the Sentinel 3 mission (estimated 2014).

Aerosol retrieval experiments in the ESA Aerosol_cci project

Within the ESA Climate Change Initiative (CCI) project Aerosol_cci (2010–2013), algorithms for the production of long-term total column aerosol optical depth (AOD) datasets from European Earth Observation sensors are developed. Starting with eight existing pre-cursor algorithms three analysis steps are conducted to improve and qualify the algorithms: (1) a series of experiments applied to one month of global data to understand several major sensitivities to assumptions needed due to the ill-posed nature of the underlying inversion problem, (2) a round robin exercise of "best" versions of each of these algorithms (defined using the step 1 outcome) applied to four months of global data to identify mature algorithms, and (3) a comprehensive validation exercise applied to one complete year of global data produced by the algorithms selected as mature based on the round robin exercise. The algorithms tested included four using AATSR, three using MERIS and one using PARASOL. This paper summarizes the first step. Three experiments were conducted to assess the potential impact of major assumptions in the various aerosol retrieval algorithms. In the first experiment a common set of four aerosol components was used to provide all algorithms with the same assumptions. The second experiment introduced an aerosol property climatology, derived from a combination of model and sun photometer observations, as a priori information in the retrievals on the occurrence of the common aerosol components. The third experiment assessed the impact of using a common nadir cloud mask for AATSR and MERIS algorithms in order to characterize the sensitivity to remaining cloud contamination in the retrievals against the baseline dataset versions. The impact of the algorithm changes was assessed for one month (September 2008) of data: qualitatively by inspection of monthly mean AOD maps and quantitatively by comparing daily gridded satellite data against daily averaged AERONET sun photometer observations for the different versions of each algorithm globally (land and coastal) and for three regions with different aerosol regimes. The analysis allowed for an assessment of sensitivities of all algorithms, which helped define the best algorithm versions for the subsequent round robin exercise; all algorithms (except for MERIS) showed some, in parts significant, improvement. In particular, using common aerosol components and partly also a priori aerosol-type climatology is beneficial. On the other hand the use of an AATSR-based common cloud mask meant a clear improvement (though with significant reduction of coverage) for the MERIS standard product, but not for the algorithms using AATSR. It is noted that all these observations are mostly consistent for all five analyses (global land, global coastal, three regional), which can be understood well, since the set of aerosol components defined in Sect. 3.1 was explicitly designed to cover different global aerosol regimes (with low and high absorption fine mode, sea salt and dust).

Improved information about the vertical location and extent of monolayer clouds from POLDER3 measurements in the oxygen A-band

This paper describes new advances in the exploitation of oxygen A-band measurements from POLDER3 sensor onboard PARASOL, satellite platform within the A-Train. These developments result from not only an account of the dependence of POLDER oxygen parameters to cloud optical thickness τ and to the scene's geometrical conditions but also, and more importantly, from the finer understanding of the sensitivity of these parameters to cloud vertical extent. This sensitivity is made possible thanks to the multidirectional character of POLDER measurements. In the case of monolayer clouds that represent most of cloudy conditions, new oxygen parameters are obtained and calibrated from POLDER3 data colocalized with the measurements of the two active sensors of the A-Train: CALIOP/CALIPSO and CPR/CloudSat. From a parameterization that is (μs, τ) dependent, with μs the cosine of the solar zenith angle, a cloud top oxygen pressure (CTOP) and a cloud middle oxygen pressure (CMOP) are obtained, which are estimates of actual cloud top and middle pressures (CTP and CMP). Performances of CTOP and CMOP are presented by class of clouds following the ISCCP classification. In 2008, the coefficient of the correlation between CMOP and CMP is 0.81 for cirrostratus, 0.79 for stratocumulus, 0.75 for deep convective clouds. The coefficient of the correlation between CTOP and CTP is 0.75, 0.73, and 0.79 for the same cloud types. The score obtained by CTOP, defined as the confidence in the retrieval for a particular range of inferred value and for a given error, is higher than the one of MODIS CTP estimate. Scores of CTOP are the highest for bin value of CTP superior in numbers. For liquid (ice) clouds and an error of 30 hPa (50 hPa), the score of CTOP reaches 50% (70%). From the difference between CTOP and CMOP, a first estimate of the cloud vertical extent h is possible. A second estimate of h comes from the correlation between the angular standard deviation of POLDER oxygen pressure σPO2 and the cloud vertical extent. This correlation is studied in detail in the case of liquid clouds. It is shown to be spatially and temporally robust, except for clouds above land during winter months. The analysis of the correlation's dependence on the scene's characteristics leads to a parameterization providing h from σPO2. For liquid water clouds above ocean in 2008, the mean difference between the actual cloud vertical extent and the one retrieved from σPO2 (from the pressure difference) is 5 m (−12 m). The standard deviation of the mean difference is close to 1000 m for the two methods. POLDER estimates of the cloud geometrical thickness obtain a global score of 50% confidence for a relative error of 20% (40%) of the estimate for ice (liquid) clouds over ocean. These results need to be validated outside of the CALIPSO/CloudSat track.

Cloud information content analysis of multi-angular measurements in the oxygen A-band: application to 3MI and MSPI

The vertical distribution of cloud cover has a significant impact on a large number of meteorological and climatic processes. Cloud top altitude and cloud geometrical thickness are then essential. Previous studies established the possibility of retrieving those parameters from multi-angular oxygen A-band measurements. Here we perform a study and comparison of the performances of future instruments. The 3MI (Multi-angle, Multi-channel and Multi-polarization Imager) instrument developed by EUMETSAT, which is an extension of the POLDER/PARASOL instrument, and MSPI (Multi-angles Spectro-Polarimetric Imager) develoloped by NASA's Jet Propulsion Laboratory will measure total and polarized light reflected by the Earth's atmosphere–surface system in several spectral bands (from UV to SWIR) and several viewing geometries. Those instruments should provide opportunities to observe the links between the cloud structures and the anisotropy of the reflected solar radiation into space. Specific algorithms will need be developed in order to take advantage of the new capabilities of this instrument. However, prior to this effort, we need to understand, through a theoretical Shannon information content analysis, the limits and advantages of these new instruments for retrieving liquid and ice cloud properties, and especially, in this study, the amount of information coming from the A-Band channel on the cloud top altitude (CTOP) and geometrical thickness (CGT). We compare the information content of 3MI A-Band in two configurations and that of MSPI. Quantitative information content estimates show that the retrieval of CTOP with a high accuracy is possible in almost all cases investigated. The retrieval of CGT seems less easy but possible for optically thick clouds above a black surface, at least when CGT > 1–2 km.

Report on the Workshop on Techniques for Effective Participation in the Caribbean Information System

Informa sobre el taller que tuvo como objetivo mejorar las tareas del Servicio de Documentacion de Haiti en su funcion de punto focal nacional del Sistema de Informacion del Caribe.

Report of the Workshop on Indexing and Abstracting Techniques for Effective Participation in the Caribbean Information System

Informa sobre el taller que tuvo como objetivo establecer procedimientos para mejorar los servicios del Stichting Planbureau Suriname y capacitarlo en su funcion de punto focal nacional del Sistema de Informacion del Caribe

Report of the Workshop on Techniques for Effective Participation in the Caribbean Information System

Informa sobre el taller que tuvo como objetivo establecer procedimientos para mejorar los servicios del Centro de Documentacion del Secretariado Tecnico de Republica Dominicana y capacitarlo en su funcion de punto focal nacional del sistema de Informacion del Caribe.