Temporal constraints on linear BRDF model parameters

Linear models of bidirectional reflectance distribution are useful tools for understanding the angular variability of surface reflectance as observed by medium-resolution sensors such as the Moderate Resolution Imaging Spectrometer. These models are operationally used to normalize data to common view and illumination geometries and to calculate integral quantities such as albedo. Currently, to compensate for noise in observed reflectance, these models are inverted against data collected during some temporal window for which the model parameters are assumed to be constant. Despite this, the retrieved parameters are often noisy for regions where sufficient observations are not available. This paper demonstrates the use of Lagrangian multipliers to allow arbitrarily large windows and, at the same time, produce individual parameter sets for each day even for regions where only sparse observations are available.

Spectral BRDF-based determination of proper measurement geometries to characterize color shift of special effect coatings

A reduced set of measurement geometries allows the spectral reflectance of special effect coatings to be predicted for any other geometry. A physical model based on flake-related parameters has been used to determine nonredundant measurement geometries for the complete description of the spectral bidirectional reflectance distribution function (BRDF). The analysis of experimental spectral BRDF was carried out by means of principal component analysis. From this analysis, a set of nine measurement geometries was proposed to characterize special effect coatings. It was shown that, for two different special effect coatings, these geometries provide a good prediction of their complete color shift.

A BRDF-BPDF database for the analysis of Earth targets reflectances

A database of representative BRDF and BPDF derived from the POLDER measurements. From the huge amount of data acquired by the spaceborne instrument over a period of 7 years, we selected a set of targets with high quality observations. The selection aimed at a large number of observations, free of cloud or aerosol contamination, acquired in diverse observation geometry with a focus on the backscatter direction that shows the specific Hot-Spot signature. The targets are sorted according to the 16-classes IGBP land cover classification system and the target selection aims at a spatial representativeness within the class. The database thus provides a set of high quality BRDF and BPDF samples that can be used to assess the typical variability of natural surface reflectances or to evaluate models.

Using Imaging Spectroscopy to study soil properties

Imaging Spectroscopy (IS) is a promising tool for studying soil properties in large spatial domains. Going from point to image spectrometry is not only a journey from micro to macro scales, but also a long stage where problems such as dealing with data having a low signal-to-noise level, contamination of the atmosphere, large data sets, the BRDF effect and more are often encountered. In this paper we provide an up-to-date overview of some of the case studies that have used IS technology for soil science applications. Besides a brief discussion on the advantages and disadvantages of IS for studying soils, the following cases are comprehensively discussed: soil degradation (salinity, erosion, and deposition), soil mapping and classification, soil genesis and formation, soil contamination, soil water content, and soil swelling. We review these case studies and suggest that the 15 data be provided to the end-users as real reflectance and not as raw data and with better signal-to-noise ratios than presently exist. This is because converting the raw data into reflectance is a complicated stage that requires experience, knowledge, and specific infrastructures not available to many users, whereas quantitative spectral models require good quality data. These limitations serve as a barrier that impedes potential end-users, inhibiting researchers from trying this technique for their needs. The paper ends with a general call to the soil science audience to extend the utilization of the IS technique, and it provides some ideas on how to propel this technology forward to enable its widespread adoption in order to achieve a breakthrough in the field of soil science and remote sensing. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Bi-directional reflectance of corals

An assessment of the bi-directional reflectance distribution function (BRDF) of corals with different morphologies was undertaken using hyperspectral reflectance measurements. The highest variance in reflectance obtained at different viewing angles was found for the open branching Acropora colony, possibly attributed to branch orientation and internal shadow distribution. Spectral separation within and between features at the nominated sensor-viewing angles was greatest in the near infrared portion of the spectrum. The analysis of coral reef bi-directional reflectance properties and degree of internal shadowing holds potential for future assessment and information extraction relating to coral structural characteristics.

Classification of urban multi-angular image sequences by aligning their manifolds

When dealing with multi-angular image sequences, problems of reflectance changes due either to illumination and acquisition geometry, or to interactions with the atmosphere, naturally arise. These phenomena interplay with the scene and lead to a modification of the measured radiance: for example, according to the angle of acquisition, tall objects may be seen from top or from the side and different light scatterings may affect the surfaces. This results in shifts in the acquired radiance, that make the problem of multi-angular classification harder and might lead to catastrophic results, since surfaces with the same reflectance return significantly different signals. In this paper, rather than performing atmospheric or bi-directional reflection distribution function (BRDF) correction, a non-linear manifold learning approach is used to align data structures. This method maximizes the similarity between the different acquisitions by deforming their manifold, thus enhancing the transferability of classification models among the images of the sequence.

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.

Modes de représentation pour l'éclairage en synthèse d'images

Réalisé en cotutelle avec l'Université Bordeaux 1 (France)

Construction interactive de BRDFs par simulation 2D de micro-géométries en couches multiples

Les modèles de réflexion complexes, avec leurs nombreux paramètres dont certains restent non intuitifs, sont difficiles à contrôler pour obtenir une apparence désirée. De plus, même si un artiste peut plus aisément comprendre la forme de la micro-géométrie d'une surface, sa modélisation en 3D et sa simulation en 4D demeurent extrêmement fastidieuses et coûteuses en mémoire. Nous proposons une solution intermédiaire, où l'artiste représente en 2D une coupe dans un matériau, en dessinant une micro-géométrie de surface en multi-couches. Une simulation efficace par lancer de rayons en seulement 2D capture les distributions de lumière affectées par les micro-géométries. La déviation hors-plan est calculée automatiquement de façon probabiliste en fonction de la normale au point d'intersection et de la direction du rayon incident. Il en résulte des BRDFs isotropes complètes et complexes, simulées à des vitesses interactives, et permettant ainsi une édition interactive de l'apparence de réflectances riches et variées.

Simulation des fonctions de texture bidirectionnelles

Le réalisme des objets en infographie exige de simuler adéquatement leur apparence sous divers éclairages et à différentes échelles. Une solution communément adoptée par les chercheurs consiste à mesurer avec l’aide d’appareils calibrés la réflectance d’un échantillon de surface réelle, pour ensuite l’encoder sous forme d’un modèle de réflectance (BRDF) ou d’une texture de réflectances (BTF). Malgré des avancées importantes, les données ainsi mises à la portée des artistes restent encore très peu utilisées. Cette réticence pourrait s’expliquer par deux raisons principales : (1) la quantité et la qualité de mesures disponibles et (2) la taille des données. Ce travail propose de s’attaquer à ces deux problèmes sous l’angle de la simulation. Nous conjecturons que le niveau de réalisme du rendu en infographie produit déjà des résultats satisfaisants avec les techniques actuelles. Ainsi, nous proposons de précalculer et encoder dans une BTF augmentée les effets d’éclairage sur une géométrie, qui sera par la suite appliquée sur les surfaces. Ce précalcul de rendu et textures étant déjà bien adopté par les artistes, il pourra mieux s’insérer dans leurs réalisations. Pour nous assurer que ce modèle répond aussi aux exigences des représentations multi-échelles, nous proposons aussi une adaptation des BTFs à un encodage de type MIP map.

Estimating the direct aerosol radiative perturbation: impact of ocean surface representation and aerosol non-sphericity

Atmospheric aerosols are now actively studied, in particular because of their radiative and climate impacts. Estimations of the direct aerosol radiative perturbation, caused by extinction of incident solar radiation, usually rely on radiative transfer codes and involve simplifying hypotheses. This paper addresses two approximations which are widely used for the sake of simplicity and limiting the computational cost of the calculations. Firstly, it is shown that using a Lambertian albedo instead of the more rigorous bidirectional reflectance distribution function (BRDF) to model the ocean surface radiative properties leads to large relative errors in the instantaneous aerosol radiative perturbation. When averaging over the day, these errors cancel out to acceptable levels of less than 3% (except in the northern hemisphere winter). The other scope of this study is to address aerosol non-sphericity effects. Comparing an experimental phase function with an equivalent Mie-calculated phase function, we found acceptable relative errors if the aerosol radiative perturbation calculated for a given optical thickness is daily averaged. However, retrieval of the optical thickness of non-spherical aerosols assuming spherical particles can lead to significant errors. This is due to significant differences between the spherical and non-spherical phase functions. Discrepancies in aerosol radiative perturbation between the spherical and non-spherical cases are sometimes reduced and sometimes enhanced if the aerosol optical thickness for the spherical case is adjusted to fit the simulated radiance of the non-spherical case.

Global analysis of radiative forcing from fire-induced shortwave albedo change

Land surface albedo, a key parameter to derive Earth's surface energy balance, is used in the parameterization of numerical weather prediction, climate monitoring and climate change impact assessments. Changes in albedo due to fire have not been fully investigated on a continental and global scale. The main goal of this study, therefore, is to quantify the changes in instantaneous shortwave albedo produced by biomass burning activities and their associated radiative forcing. The study relies on the MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) MCD64A1 burned-area product to create an annual composite of areas affected by fire and the MCD43C2 bidirectional reflectance distribution function (BRDF) albedo snow-free product to compute a bihemispherical reflectance time series. The approximate day of burning is used to calculate the instantaneous change in shortwave albedo. Using the corresponding National Centers for Environmental Prediction (NCEP) monthly mean downward solar radiation flux at the surface, the global radiative forcing associated with fire was computed. The analysis reveals a mean decrease in shortwave albedo of −0.014 (1σ = 0.017), causing a mean positive radiative forcing of 3.99 Wm−2 (1σ = 4.89) over the 2002–20012 time period in areas affected by fire. The greatest drop in mean shortwave albedo change occurs in 2002, which corresponds to the highest total area burned (378 Mha) observed in the same year and produces the highest mean radiative forcing (4.5 Wm−2). Africa is the main contributor in terms of burned area, but forests globally give the highest radiative forcing per unit area and thus give detectable changes in shortwave albedo. The global mean radiative forcing for the whole period studied (~0.0275 Wm−2) shows that the contribution of fires to the Earth system is not insignificant.

Interactive Diffraction from Biological Nanostructures

We describe a technique for interactive rendering of diffraction effects produced by biological nanostructures such as snake skin surface gratings. Our approach uses imagery from atomic force microscopy that accurately captures the nanostructures responsible for structural coloration, that is, coloration due to wave interference, in a variety of animals. We develop a rendering technique that constructs bidirectional reflection distribution functions (BRDFs) directly from the measured data and leverages precomputation to achieve interactive performance. We demonstrate results of our approach using various shapes of the surface grating nanostructures. Finally, we evaluate the accuracy of our precomputation-based technique and compare to a reference BRDF construction technique.

Interactive Diffraction from Biological Nanostructures

We describe a technique for interactive rendering of diffraction effects produced by biological nanostructures, such as snake skin surface gratings. Our approach uses imagery from atomic force microscopy that accurately captures the geometry of the nanostructures responsible for structural colouration, that is, colouration due to wave interference, in a variety of animals. We develop a rendering technique that constructs bidirectional reflection distribution functions (BRDFs) directly from the measured data and leverages pre-computation to achieve interactive performance. We demonstrate results of our approach using various shapes of the surface grating nanostructures. Finally, we evaluate the accuracy of our pre-computation-based technique and compare to a reference BRDF construction technique.

hyDRaCAT Spectral Reflectance Library: Hyperspectral Field Spectroscopy and Field Spectro-Goniometry of Siberian and Alaskan Tundra

hyDRaCAT Spectral Reflectance Library for tundra provides the surface reflectance data and the bidirectional reflectance distribution function (BRDF) of important Arctic tundra vegetation communities at representative Siberian and Alaskan tundra sites. The aim of this dataset is the hyperspectral and spectro-directional reflectance characterization as basis for the extraction of vegetation parameters, and the normalization of BRDF effects in off-nadir and multi-temporal remote sensing data. The spectroscopic and field spectro-goniometric measurements were undertaken on the YAMAL2011 expedition of representative Siberian vegetation fields and on the North American Arctic Transect NAAT2012 expedition of Alaskan vegetation fields both belonging to the Greening-of-the-Arctic (GOA) program. For the field spectroscopy each 100 m2 vegetation study grid was divided into quadrats of 1 × 1 m. The averaged reflectance of all quadrats represents the spectral reflectance at the scale of the whole grid at the 10 × 10 m scale. For the surface radiometric measurements two GER1500 portable field spectroradiometers (Spectra Vista Corporation, Poughkeepsie, NY, USA) were used. The GER1500 measures radiance across the wavelength range of 350-1,050 nm, with sampling intervals of 1.5 nm and a radiance accuracy of 1.2 × 10**-1 W/cm**2/nm/sr. In order to increase the signal-to-noise ratio, 32 individual measurements were averaged per one target scan. To minimize variations in the target reflectance due to sun zenith angle changes, all measurements at one study location have been performed under similar sun zenith angles and during clear-sky conditions. The field spectrometer measurements were carried out with a GER1500 UV-VIS spectrometer The spectrogoniometer measurements were carried out with a self-designed spectro-goniometer: the Manual Transportable Instrument platform for ground-based Spectro-directional observations (ManTIS, patent publication number: DE 10 2011 117 713.A1). The ManTIS was equipped with the GER1500 spectrometer allowing spectro-directional measurements with up to 30° viewing zenith angle by full 360° viewing azimuth angles. Measurements in central Yamal (Siberia) at the research site 'Vaskiny Dachi' were carried out in the late summer phenological state from August 12 2011 to August 28 2011. All measurements in Alaska along the North South transect on the North Slope were taken between 29 June and 11 July 2012, ensuring that the vegetation was in the same phenological state near peak growing season.