Les bandes spectrales et leurs Applications. Présentation B du HPTE

Transcription

1 Les bandes spectrales et leurs Applications Présentation B du HPTE

2 Centre d'intérêt Les données visible, proche infrarouge et infrarouge constituent le centre d'intérêt principal de la conférence B, parce que ces données sont reçues habituellement par les SMHN. A la fin, il y a une section aussi bien sur les hyperfréquences et les produits, que sur les capteurs actifs Pour des informations détaillées sur la partie hyperfréquence du spectre et ses applications, il faut se référer aux exposés de la rubrique des cours d'instruction de la Bibliothèque de Ressources Virtuelles

3 Buts Comprendre la différence entre le rayonnement visible, proche infrarouge et infrarouge (les différents canaux) Comprendre l'influence de la surface et des propriétés atmosphériques sur ce que nous voyons avec un capteur de satellite Comprendre les principes fondamentaux qui sous-tendent la sélection d'un canal et les facteurs qui influent sur cette sélection Comprendre quelle information peut être obtenue en utilisant les différents canaux disponibles sur les satellites opérationnels et de recherche Comprendre comment interpréter les données des différents canaux individuels et en combinaison avec d'autres canaux Comprendre la différence entre les données multispectrales et hyperspectrales

4 Informations de base Information de la Bibliothèque de Ressources Virtuelles Texte, séries de cours d'instruction et des présentations PowerPoint qui couvrent l'ensemble de ce thème en détail Liens aux images et aux produits du BRV, aussi bien que les sites des Sponsors et ceux des Centres d'excellence Les notes de conférence qui accompagnent la présentation Hydra lab pour l inspection et la manipulation des données multispectrales.

5 Rayonnement du corps noir en fonction de la longueur d onde à 6000 K (Soleil) et 300 K (Terre), voir le domaine 3.9 μm Les satellites mesurent l'énergie dans des domaines spectraux s'étendant du visible à l'infrarouge lointain du spectre électromagnétique et dans le domaine des hyperfréquences Aux longueurs d'onde visible, cette énergie est seulement le rayonnement solaire réfléchi; aux longueurs d'onde de l infrarouge lointain, cette énergie est seulement du rayonnement terrestre émis. Cependant pour le canal infrarouge de courtes longueurs d'onde, la bande 5 spectrale de 3.9 µm, l'énergie mesurée par le satellite peut être un mélange du rayonnement solaire qui est réfléchi et celui qui est émis.

6 Effets des propriétés de surface et atmosphérique sur ce que nous voyons avec le capteur du satellite (solaire à gauche, émis à droite IR)

7 Nous sommes aujourd hui NUMERIQUE et multispectral (voir point 4, de la conférence A)

8 Un avantage des données numériques: renforcement d image: pour Aider l œil à détecter Palette avec chaud à gauche et froid à droite Sommets protubérants d orage et la température du sommet d un nuage 8

9 Analyse avec les combinaisons infrarouges multispectrales refl 0.65 μm 0.85 μm 0.72 μm herbe & végétation l imagerie numérique et multispectrale, permet l identification des cibles en tenant compte de leurs signatures spectrales A partir d une réponse spectrale d une surface ou de phénomènes atmosphériques, sélectionner une partie du spectre où la réflectivité ou l absorption varie avec la longueur d onde Ex. réflexion de l herbe et de la végétation Si les canaux 0.65 μm et 0.85 μm ont la même réflectivité alors la surface observée n est pas de la végétation; Si 0.85 μm a une réflectivité considérablement plus élevée que celle de 0.65 μm alors la surface pourrait être de la végétation.

10 refl 0.65 μm 0.85 μm 0.72 μm herbe & végétation Investigation avec les combinaisons Multi-spectrales Etant numérique et multispectral, permet l identification des propriétés en tenant compte de leurs signatures spectrales A partir d une réponse spectrale d une surface ou atmosphérique sélectionner une partie du spectre où la réflectivité ou l absorption varie avec la longueur d onde Ex. réflexion de l herbe et de la végétation Si les canaux 0.65 μm et 0.85 μm ont la même réflectivité alors la surface observée n est pas de la végétation; Si 0.85 μm a une réflectivité considérablement plus élevée que celle de 0.65 μm alors la surface pourrait être de la végétation.

11 De nombreux satellites ont des canaux pour extraire la végétation, aussi bien que les caractéristiques de la surface. SPOT et LANDSAT sont bien connus. En haut, la végétation et le changement de carte pour la zone de la précédente diapositive. La carte de végétation de résolution 1km (à droite) et l image de couleur naturelle (à gauche) de la même zone de 12:10-12:25 UTC par MODIS. Note: AVHRR et MODIS n ont pas la même échelle ou projection de carte.

12 transmission trans 11 μm AVHRR channels transmission (total) transmission (scattering) transmission (absorption) 12 μm 11.5 μm absorption diffusion total 4 5 Ash Longueur d onde Cendres Volcaniques ou poussière TB: Température de Brillance Analyse avec les combinaisons infrarouges multispectrales A partir d une réponse spectrale d une surface ou de phénomènes atmosphériques, sélectionner une partie du spectre où la réflectivité ou l absorption varie avec la longueur d onde Ex. transmission à travers la poussière ou les cendres volcaniques Si 12 μm a une TB considérablement élevée plus que celle de 11 μm, alors l atmosphère contient probablement de la poussière ou des cendres volcaniques; si 11 μm a la même TB ou supérieure à celle de 12 μm l atmosphère ne contient ni poussière ni cendres volcaniques

13 transmission trans 11 μm AVHRR channels transmission (total) transmission (scattering) transmission (absorption) 12 μm 11.5 μm absorption diffusion total 4 5 Ash Longueur d onde TB: Température de Brillance Cendres volcaniques ou poussière Investigation avec les combinaisons infrarouges multispectrales A partir d une réponse spectrale d une surface ou atmosphérique sélectionner une partie du spectre où la réflectivité ou l absorption varie avec la longueur d onde Animation METEOSAT d une vaste zone de tempête de poussière sur l Afrique Si 12 μm a une TB considérablement plus élevée que celle de 11 μm, alors l atmosphère contient probablement de la poussière ou des cendres volcaniques; si 11 μm a la même TB ou supérieure à celle de 12 μm l atmosphère ne contient ni la poussière ni les cendres volcaniques

14 Information Spectrale Maintenant, regardons plus en détail les parties visible, proche infrarouge et infrarouge du spectre. Notre objectif est d obtenir une meilleure compréhension de leurs propriétés individuelles et comment cette information peut être utilisée pour analyser le continent, l océan et l atmosphère.

15 La portion visible au proche infrarouge du spectre

16 Cliquez sur l image pour commencer ou arrêter l animation. L'animation spectrale d'une scène simple d'aviris révèle la capacité d'observer avec la haute résolution spectrale. En commençant à 400 nanomètres, les caractéristiques de la Terre sont difficiles à discerner, principalement en raison de la dispersion moléculaire qui diminue aux plus grandes longueurs d'onde. Comme nous observons la scène aux plus grandes longueurs d'onde, quelques caractéristiques deviennent distinctes (continent), tandis que d'autres deviennent obscures (diminution apparente de la fumée). Notez l effet de l absorption de la vapeur d eau sur la brillance. Voir la diapositive suivante.

17 Information Spectrale d AVIRIS à partir d une scène détectant les nuages, la fumée et les zones brûlées Cloud Fire Hot Area Grass Lake Bare Soil Herbe Lac fumée - grande partie Ombre Feux Zone chaude nuage Apparent Reflectance 1.0 Smoke (sm. part.) Smoke (lg. part.) Shadow Sol fumée - petite partie 0.1 Image AVIRIS - Linden CA 20 Août Bandes spectrales : μm Pixel: 20m x 20m Scène: 10km x 10km Wavelength (nm) Signatures Spectrales des pixels sélectionnées

18 En bas, la même scène vue avec la combinaison des longueurs d onde du visible au proche infrarouge Vraie couleur Rouge, Bleu, vert Bandes d eau non-réflective Rouge, Bleu, vert

19 VIIRS, MODIS, FY-1C, AVHRR, ABI, GOES, MSG MSG GOES 8-P O3 O2 H2O O2 CO2 O2 H2O H2O H2O H2O CO2 H2O ABI

20 On pourrait se demander «pourquoi les différentes largeurs de canaux d imageurs de satellites et leurs localisations spectrales?» Les réponses sont complexes, mais elles sont liées fondamentalement de nouveau aux résolutions décrites plus tôt (exposé A), spécifiquement la différence entre les résolutions spectrales désirées et le caractère pratique de la résolution spatiale et la disponibilité d'un rapport optimal de signal-bruit, de sorte que les données de l'instrument puissent être employées pour décrire la propriété d'intérêt, avec le niveau désiré d'exactitude.

21 Vue des nuages bas (eau liquide) le jour; l enclume d orage (glace) dans les différents canaux de réflexion de MODIS

22 Rouge Vert Bleu La composition colorée facilite l interprétation du type de nuage

23 Voyons maintenant la réflexion dans le canal 1.38 microns de MODIS situé au centre du domaine d absorption de la vapeur d eau

24

25

26 Couleur de l océan: telle qu illustrée par SeaWifs Bandes de l instrument nm nm nm nm nm nm nm nm Caractéristiques de la mission Orbite héliosynchrone 705 km Nœud descendant 12:20 PM Période Orbitale 99 minutes Largeur de la fauchée 2801 km Résolution Spatiale 1.1 km Période de révolution 1 jour Numérisation 10 bits

27 La couleur de l océan à partir de MODIS, montre l abondance de chlorophylle le long d une partie de l Océan Pacifique.

28 Estimation de l épaisseur optique des aérosols par MODIS Kaufman et al.

29 Image multi spectrale de jour, de METEOSAT-8, d une vaste tempête de sable audessus de l Afrique. Elle a été réalisée en utilisant la composition colorée d images à partir des canaux 0.6, 0.8 et 1.6 microns. Cliquez sur l image pour voir l animation.

30 Les spectres d émission de la Terre superposés sur la fonction de Planck VIIRS MODIS ABI MSG GOES 8/11 GOES 12/P

31 Les spectres d émission de la Terre superposés sur la fonction de Planck VIIRS MODIS ABI MSG GOES 8/11 GOES 12/P Le domaine spécial dans l intervalle 3 and 4 microns

32 Applications de l imagerie du canal µm Brouillard de nuit, Stratus & Cirrus Nuages d eau surfondue Brouillard, glace & nuages de gouttelettes d eau audessus de la glace Vents forts d hiver Températures du continent et de la mer Cirrus fins & nuages en couches «Ilot» de chaleur urbaine Détection du feu Réflexion spéculaire Bandes de cumulus nocturnes Phases des nuages convectifs Suivi des cendres volcaniques

33 Un agrandissement autour de 3.9 µm, avec un rayonnement à 100%, 50% et 20% pour une source à 6000 K Le domaine spécial aux voisinages de 3 et 4 microns 33

34 Fonction spectrale, phase du nuage et aspects non linéaires de la réponse thermique La réflexion des gouttelettes d eau et de la glace à 3.9 microns Réponse de 3.9 et 10.7 microns à la variation de Température dans un FOV

35 Fonction spectrale, caractéristiques de surface

36 Visualisation et analyse de l imagerie à 3.9 microns. Animation du Visible (à gauche) et animation de la composante réflective de 3.9 (à droite) à partir de GOES-ouest (ratio de l aspect non 1:1) Cliquer sur les images pour démarrer et arrêter les animations. A C B D

37 En haut à gauche: 10.7 infrarouge renforcée En haut à droite: 3.9 infrarouge renforcée En bas: brouillard au même moment Ce sont des images de nuit. Nuage de gouttelettes d eau est brillant et nuage de glace est sombre A: Brouillard ou stratus avec TSN de 4C B: nuage de gouttelettes d eau avec température du sommet de nuage (TSN) entre -12 et 15C C: nuage de gouttelettes d eau audessus de l océan avec TSN entre 5 et 0 C TSN: T Sommet Nuage

38 A gauche, un exemple de différence de température entre 3.9 et 10.7 microns pour un champ visuel partiellement rempli (FOV) durant la nuit, quand il n y a pas de réflexion solaire. Dans cet exemple, la zone chaude est à 500 K et le reste du pixel est à 300 K.

39 Couverture du feu par le géostationnaire, à intervalles réguliers Les Pixels avec des feux dans le champ visuel sont rouges 39

40 Feux détectés le 08 octobre 1997, par AVHRR sur Bornéo, et les aérosols sur la région à mi-octobre 1996 et mi-octobre

41 Feux détectés par MODIS sur l Afrique (à gauche) et NDVI (à droite)

42 Les Spectres d émission de la terre superposés sur la fonction de Planck VIIRS MODIS ABI MSG GOES 8/11 GOES 12/P La région de forte absorption de la vapeur d'eau

43 La Haute Résolution Spectrale (AIRS) résout les propriétés spectrales de l H 2 O (à droite). Cliquez sur l'image pour l'animer. Cette animation illustre immédiatement l'avantage pour beaucoup d'applications, de la très haute résolution spectrale, avec les canaux larges (Ci-dessus), les canaux H 2 O du sondeur GOES-I/M

44 Avec GOES-12, le canal de vapeur d'eau de large bande spectrale a été augmentée pour s'étendre sur l'intervalle 5.8 à 7.3 microns Film de l'infrarouge 6.7 microns de GOES-9 (canal vapeur d eau): un canal de large bande qui s'étend de 6.47 à 7.02 microns

45 Les Spectres d émission de la terre superposés sur la fonction de Planck VIIRS MODIS ABI MSG GOES 8/11 GOES 12/P Les régions de fenêtres infrarouges et la bande d'absorption de l ozone

46 Le produit AVHRR de la Température de Surface de la Mer, élaboré par la Veille Côtière. Cette image est sur l'océan Atlantique au niveau de la Côte Est des États-Unis. Remarquez le fort gradient de température à travers la limite du Gulf Stream et les tourbillons chauds qui se sont détachés et ont émigré dans les eaux plus froides

47 Les Anomalies de la Température de Surface de la Mer (Deg.C) d'avhrr. Novembre 1996 contre novembre

48

49

50 Composition des nuages Image sur le Kansas - 21 avril 1996 Trainée de condens ation Nuage de glace Trainée de condens ation Différence de Température Infrarouge: 8.6 μm (Bande29) μm (Bande 31) Nuage de gouttelettes d eau Différence de Température Infrarouge: 11.0 μm (Bande 31) μm (Bande 32)

51 Quatre groupes d images GOES sur le Centre des USA. Cliquer sur l image pour l animer. Visible en haut à gauche ; infrarouge renforcée 10.7 microns en haut à droite; la partie réflective du canal 3.9 microns en bas à gauche; l infrarouge vapeur d'eau renforcée 6.7 microns est en bas à droite.

52 Information spectrale, les caractéristiques de surface

53 Détection METEOSAT-8 (MSG) d'une grande tempête de poussière sur l'afrique utilisant les combinaisons des canaux visibles, proche IR (à droite) et IR (à gauche) Une image de fausses couleurs des canaux MSG. A gauche : (R), (G), 10.7 (B). A droite : 1.6 (R), 0.8 (G), 0.6 (B). Cliquez sur n'importe quelle image pour voir l'animation.

54 Les satellites d'aujourd'hui ont beaucoup de canaux à partir desquels des informations peuvent être obtenues A partir de MODIS

55 Intra-satellite

56 Les produits basés sur l'analyse mathématique d'images de canaux multiples nous pouvons les faire maintenant avec MODIS et MSG! Produit Multi-canal Eau et terre mouillée Limite entre air sec et instable Humidité de niveau moyen Cirrus Orage violent

57 Les Spectres d émission de la terre superposés sur la fonction de Planck VIIRS MODIS ABI MSG GOES 8/11 GOES 12/P Région d absorption par le CO 2 dans les grandes ondes

58 La courbe rouge montre le spectre thermique terrestre entre 4 µ m et 15 µ, du point de vue des températures de brillance au sommet de l'atmosphère calculées pour l'atmosphère standard d'été des latitudes moyennes et la vue de nadir. Le courbes bleues représentent la fonction de réponse spectrale relative du sondeur de la série GOES I-M.

59 Détection d Eventuelles Inversions de Température avec l IR Hyperspectral Température de brillance (K) Texas Ontario Pointes en bas - Refroidissement avec altitude (pas d inversion) Pointes en haut - réchauffement avec altitude (inversion de basses couches) Longueur d ondes (cm -1 ) La détection d'inversions est essentielle pour les prévisions météorologiques de mauvais temps. Combinée avec la détection améliorée d'humidité de basses couches, les principaux facteurs de développement d orages nocturnes violents peuvent être contrôlés

60 La partie Hyperfréquence du spectre Spectre hyperfréquence de la terre au sommet de l atmosphère.

61

62 Cliquer sur le film pour arrêter l animation

63 L Animation se démarre ou s arrête en cliquant sur le film. Remarquez aussi bien, à quel point le produit tpw retrace bien la ZCIT que l interaction entre les systèmes tropicaux et ceux des moyennes latitudes. (Version agrandie sur la diapositive suivante)

64 L Animation se démarre ou s arrête en cliquant sur le film. Remarquez aussi bien, à quel point le produit tpw retrace bien la ZCIT que l interaction entre les systèmes tropicaux et ceux des moyennes latitudes. (Version agrandie sur la diapositive suivante)

65 Capteurs actifs Les détecteurs actifs des satellites de recherche sont utilisés pour mesurer diverses propriétés de la surface de la mer (altimétrie, vitesse et direction du vent, aussi bien les caractéristiques des champs de glace que la surveillance des icebergs). Ils sont aussi utilisés pour mesurer la pluie au-dessus de l'eau ou de la terre. Beaucoup de ces produits sont disponibles pour l'utilisation par les SMHN.

66 Altimétrie A droite: à partir de l altimétrie satellitaire, anomalie du niveau de la mer sur le Golfe du Mexique. A gauche se trouvent les cartes d anomalie du niveau de la mer au-dessus du Pacifique Equatorial, montrant l augmentation du niveau de la mer de la Côte Ouest de l Amérique du Sud, accompagnant le début de el Nino.

67 Exemple de couverture du vent global à partir de QuikSCAT le 1 er avril l heure 20:58 TU, sur la légende d en haut, indique le passage le plus récent pour le produit

68 Produit Vitesse du Vent de SAR Vitesse du vent (m/s) 25 Oct :37 GMT

69 Poursuite des icebergs et surveillance de la forme des morceaux de glace et de la glace des mers par SAR

70 Coupes transversales du Radar TRMM, à partir du site web NASA/GSFC.

71 Le système Un Train avec les heures de traversée de l équateur. Dans le système, les satellites suivent le même chemin. Cliquez en bas à droite pour voir l animation des nuages faite à partir du système Terra, SAC-C et LandSat-7 (un intervalle total d environ 40 minutes à partir du premier au dernier).

72 Mission de la Dynamique Atmosphérique (ADM) Le Lidar de Vent Doppler Actif pour la détermination des vents atmosphériques (mais aussi des aérosols). Vols en orbite jour/nuit

73 Polaire et/ou Géo avec GPS RO La figure de gauche est de Collard et Healy (2003). Elle montre la précision prévue lorsque le GPS et le sondage sont combinés. Notez qu en les utilisant ensemble, la réponse est meilleure à lorsqu ils sont utilisés séparément. Collard et Healy, QJRMS, 129, p.2741, 2003

74 Ceci conclue la Présentation B Plus d informations sur les bandes spectrales et leurs applications pourraient être trouvées en accédant à la Bibliothèque de Ressources Virtuelles (BRV). Si vous n avez pas de CD qui contient l information de la BRV, en utilisant Internet, aller au site web de l OMM et accéder au Programme Satellitaire de l OMM pour vous connecter au Laboratoire Virtuel.