mise à jour : 28/12/2005

Etalonnage des satellites sur les calottes polaires

Dernière mise à jour: Décembre 2005
 Collaboration entre:
Avec le soutien de:
CNES, PNTS (Programme National de Télédétection Spatiale), IPEV (Institut Polaire Français), NSF (National Science Fundation, USA)

Objectifs

Les données satellitales sont un outil indispensable à l'étude et à la compréhension de notre environnement à de nombreuses échelles de temps et d'espace mais leur interprétation, en terme d'évolution de paramètres climatiques par exemple, nécessite un bon étalonnage des instruments. Suivant les instruments, différentes techniques sont utilisées : étalonnage avant lancement, visée sur le soleil, visée sur des cibles terrestres. Cependant, les bons sites d'étalonnage ne sont pas très nombreux dans le monde. Notre objectif est, dès lors, d'étudier la possibilité d'utiliser le site de Dôme Concordia (ou Dôme C) sur le plateau de l'Antarctique de l'Est comme cible naturelle d'étalonnage des capteurs satellitaux dans le spectre solaire.
Les intérêts d'un tel site sont nombreux : surface homogène et très plate (pente inférieure à 0.2°), vent et précipitations faibles (3 cm équivalent eau/an), des phénomènes atmosphériques très atténués dus à l'élévation du site (3200 m), à son éloignement des côtes (plus de 1000 km) et avec, la plupart du temps, un ciel très clair. De plus, sa latitude (75°S, 123°E) permet, au contraire du Pôle Sud, de nombreux passages de satellites. Enfin la réalisation de la station franco-italienne Concordia pérennise son accessibilité pour de nombreuses années. Dôme C pourrait ainsi devenir un site de référence international dans ce domaine, quelles que soient les bandes spectrales des capteurs, de l'ultra violet aux micro-ondes.


Vue d'avion de la base de Dome Concordia. Le site est plat et uniforme à perte de vue. (Photo de E. Lefebvre, LGGE)


Etalonnage dans le spectre solaire

Au niveau français cette opération rentre dans le cadre de l'étalonnage de capteurs du type SPOT4/Végétation (VGT) ou POLDER en collaboration avec le CNES. Pour nos collègues américains il s'agit principalement de l'étalonnage des capteurs NOAA/AVHRR. Ce projet comporte une partie de traitement de données satellitales et une partie expérimentale de caractérisation du site Antarctique.

Traitement des données satellitales

Dans un premier temps nous nous sommes intéressés plus particulièrement au traitement des données obtenues par le capteur Vegetation (VGT) embarqué à bord du satellite SPOT4 depuis 1998. Spécifiquement pour notre programme, les images sont acquises pour une région centrée sur la station de Dome C (zone de 716 * 716 km² centrée sur Dome C). Au cours de cette première étude, seule les données du canal B0 (0.4 microns) ont été traitées. Plus de 1000 images ont été acquises pendant 4 étés austraux de 1998 à 2002.L'objectif de ce travail est de démontrer la stabilité de ce site Antarctique tant spatialement que temporellement, afin d'en tester la qualité comme nouveau site d'étalonnage terrestre comme le sont actuellement certains déserts de sable comme en Libye.
Deux pré-traitements ont tout d'abord été développés pour ces images pour en permettre ensuite l'analyse. Tout d'abord, nous avons élaboré un algorithme d'élimination des nuages sur les images, car la neige du plateau Antarctique et les nuages ont des signaux similaires dans le visible. Cet algorithme prend en compte la texture de l'image et la réflectance à 1.6 µm qui dépend de la taille des particules plus petites dans les nuages que pour la neige. D'autre part, nous avons également adapté un modèle de transfert radiatif (le modèle de base étant développé à Lille et se nommant 6S), aux conditions atmosphériques de l'Antarctique (en tenant compte notamment des variations spatiales et journalières de l'ozone), afin d'obtenir, à partir du signal reçu à l'altitude du satellite, les valeurs de réflectance au sol qui nous permettent ensuite de mener à bien notre étude de stabilité du site.
Ces deux pré-traitements étant réalisés sur toutes les images, nous avons pu analyser les variations de la réflectance au sol sur la région sélectionnée (716*716 km²), et conclure à la très faible variabilité de la surface si l'on considère par exemple des sous mailles de 100*100 km². Globalement, la variabilité spatiale est inférieure à 3%, ce qui est très prometteur pour un site d'étalonnage. D'autre part, les variabilités mensuelles montrent que globalement les mois de novembre et décembre sont en général plus stables que janvier et février, probablement lié à la présence moins nombreuse de nuages, mais aussi peut être à des phénomènes de surface (givre) pouvant se produire en janvier quand la température augmente. Ces deux résultats nous montrent la qualité de ce site comme cible d'étalonnage terrestre.
Par la suite, nous avons alors pu déterminer la variabilité inter-annuelle du capteur en considérant que la surface, quant à elle, ne variait pas d'année en année, afin d'accéder à la dérive du capteur sur les 4 années de mesure. Cette étude nous a montré que les dérives étaient très faibles sur les 4 ans, inférieures à 2%, ce que nous pouvons considérer comme étant le bruit lié à la mesure satellite. L'étalonnage actuel du capteur SPOT4/Végétation peut donc être considéré comme très bon.

Mesures de terrain à Dôme C

La partie expérimentale du projet est indispensable pour une bonne caractérisation du site qui seule permettra l'étalonnage en absolu et en relatif des capteurs satellitaux. Trois missions sont prévues sur le terrain, pendant les étés austraux, 2002-2003, 2003-2004 et 2004-2005. Les objectifs de ces mesures sont la caractérisation de l'atmosphère par photométrie solaire, d'une part, et celle de la surface de neige d'autre part.

Saison 2002-2003
Delphine SIX (LGGE) et Richard BRANDT ont participé à cette campagne.
Une tour de 30 m a été montée avec succès pour effectuer les mesures de la distribution des réflectances au sol (ou FDRB : fonction de distribution des réflectances bidirectionnelles). Ces mesures ont été testées sur une journée pendant la première saison, montrant des résultats très encourageants pour la prochaine saison où cette variable sera mesurée en continu, 24 heures sur 24 pendant deux mois. Cette acquisition donnera ainsi accès à toute la variation du signal reçu par un détecteur en fonction de l'angle solaire et de l'angle de positionnement du capteur, simulant ainsi le signal reçu par le satellite pour l'étalonnage absolu du capteur embarqué.
D'autre part, les mesures atmosphériques, nécessaires notamment aux modèles de transfert radiatif ont largement commencé au cours de cette première saison. Des mesures journalières d'ozone ont été réalisées à la station à l'aide d'un photomètre portatif (MICROTOP). Une très bonne concordance a été trouvée entre ces mesures ponctuelles et les données d'ozone mesurées quotidiennement par le satellite TOMS. Ce type de mesure n'avait jamais été réalisé jusqu'alors sur le plateau Antarctique.
Nous avons également pu suivre les variations des aérosols au dessus de la station à l'aide d'un photomètre solaire CIMEL. L'utilisation du photomètre solaire a été rendue délicate à cause du froid mais quelques mesures préliminaires sont disponibles. L'épaisseur optique mesurée par ciel clair est très faible, montrant ainsi la très faible quantité de particules présentes dans l'air, ce qui confirme la qualité de ce site comme site d'étalonnage, étant très peu perturbé par les phénomènes de pollution atmosphérique.

Saison 2003-2004
La saison 2003-2004 a permis de caractériser pendant deux mois, 24h/24 différents mécanismes comme : les réflectances au sol en fonction des angles solaires et de visée, la composition de l'atmosphère, la rugosité de la surface, la taille des grains de neige, la transmission du rayonnement à travers les nuages, le spectre d'absorption de la glace, le carbone suie en surface autour de la station…
Delphine SIX du LGGE a participé à toute la campagne.
Voir le Rapport de mission par D. Six.

Saison 2004-2005
Une équipe réduite uniquement composée de collègues de Seattle (USA) complète les séries de mesures de réflectance bi-directionnelle.


Tour de 30 m pour les mesures de réflectance bidirectionnelle. Plus la tour est haute, plus la taille de la tâche au sol du radiomètre est grande (intégration petite rugosité) pour une même définition angulaire.(Photo, D. Six)
Vue de la base à partir de la tour.(Photo D. Six)
Le photomètre solaire (CIMEL) est utilisé pour la caractérisation de l'atmosphère.(Photo D. Six)


Références

  • Six, D., M. Fily, L. Blarel and Ph. Goloub, 2005, First Aerosol Optical Thickness measurements at Dome C (East Antarctica), summer season 2003-2004, Atmospheric Environment, 39, 5041-5050. (article pdf)

  • Six D., M. Fily, S. Alvain, P. Henry, J.P. Benoist, 2004, Surface characterisation of the Dome Concordia area (Antarctica) as a potential satellite calibration site, using SPOT4/Vegetation instrument, Remote Sensing of Environment, 89, 83-94. (article pdf)

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    • Rédaction : fily

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