Publié le 8 décembre 2022
Quand le soleil éblouit les images
Les algorithmes permettant d’estimer, sur base de données aériennes ou satellitaires, les concentrations de particules algales et non algales dans les environnements aquatiques sont relativement bien développés. Cependant, ils présentent parfois des erreurs très importantes dues au fait que les images sont prises à partir de positions différentes par rapport au soleil.
En effet, lorsque deux capteurs optiques mesurent le faisceau lumineux ascendant partant d’un même point, ils mesureront des valeurs de radiance différentes en fonction de leur position par rapport à ce point. Ceci est dû au fait que la lumière du soleil est directionnelle et qu'en interagissant avec la matière, elle n'est pas diffusée de manière homogène dans toutes les directions. Par exemple, les radiomètres satellitaires ciblant l'eau peuvent observer, en plus de la lumière provenant de l'eau et de la lumière diffusée par l'atmosphère, la lumière résultant de la réflexion spéculaire directe du faisceau solaire sur la surface de l'eau, appelée ‘sunglint’.
Deux images Pléiades stéréo (RGB), l'une (à gauche) affectée par l'effet 'sunglint' (ou scintillement) et l'autre non affectée par cet effet (à droite). Les images ont été acquises au-dessus du port de Zeebruge le 5 avril 2020.
Ainsi, pour pouvoir comparer des mesures effectuées depuis différentes directions, il est important de connaître la distribution de la lumière pour différentes positions azimutales et zénithales par rapport à la position du soleil. La fonction décrivant cette distribution bi-angulaire est appelée BRDF pour Bidirectional Reflectance Distribution Function. La BRDF dépend des particules et des molécules qui interagissent avec la lumière et est donc différente dans chaque milieu.
L'équipe du projet AQUALOOKS, menée par la cellule REMSEM (Remote Sensing and Ecosystem Modelling) de l'Institut Royal des Sciences naturelles, a utilisé des mesures de lumière provenant de différentes directions pour obtenir la distribution lumineuse bi-angulaire. Les mesures ont été réalisées dans l'eau, à la surface de l'eau et au-dessus de l'atmosphère grâce à des satellites permettant des acquisitions multi-vues (CHRIS-PROBA et Pléiades).
Dans l’eau, à la surface de l’eau…
Pour les mesures multi-vues dans l'eau, une structure flottante permettant des mesures radiométriques multi-angulaires a été conçue. En plus des mesures radiométriques, les propriétés optiques inhérentes (IOPs : inherent optical properties) ont également été mesurées, ce qui permet de caractériser les propriétés de diffusion et d'absorption de l'eau. Le couplage des ensembles de données de la radiométrie et des IOPs permet de développer et de tester les algorithmes existants et futurs de la couleur de l'océan.
Installation PANTHYR effectuant des mesures sur la plateforme RT1 près du port d'Ostende
Des mesures multi-vues au-dessus de l'eau ont été effectuées avec le système PANTHYR-2, un système autonome de mesure de la réflectance hyperspectrale au-dessus de l'eau. Il est équipé de deux radiomètres pour mesurer l’irradiance descendante et la radiance ascendante de l'eau et descendante du ciel. Alors que les mesures de radiance sont directionnelles, l’irradiance descendante intègre l’ensemble des radiances provenant d’une demi-sphère. Le système PANTHYR a été conçu au départ pour la validation des données satellitaires. Cependant, la nouvelle version de PANTHYR (PANTHYR-2) a l'avantage d'être orientable en azimut et au zénith. Cette possibilité de pointage permet de réaliser des expériences supplémentaires. Il a par exemple été utilisé pour analyser la distribution bi-angulaire (azimut et zénith) de la lumière à l'interface entre l'eau et l'atmosphère. PANTHYR-2 a été opérationnel sur la plateforme RT1 située à 500m du port d'Ostende de décembre 2019 à août 2020 et de septembre 2021 à aujourd’hui.
Exemple de résultats de l'algorithme de correction de l'effet sunglint sur les images du port de Zeebruge. À gauche : réflectance de surface dans la bande spectrale rouge de l'image affectée par le sunglint après correction atmosphérique. Au centre: estimations de la réflectance de l'eau dans la bande spectrale rouge après application de l'algorithme de correction atmosphérique. A droite : réflectance de l'eau dans la bande spectrale rouge obtenue après correction atmosphérique de l'image non affectée par le sunglint.
…et bien au-dessus de l’eau
À partir d'images satellites Pléiades stéréo en double visée, la réflexion solaire directe (réflectance sunglint) a été calculée et une nouvelle méthode de correction de l’effet sunglint a été développée. Cette méthode, contrairement aux algorithmes de correction existants, est adaptée aux régions turbides et aux capteurs dépourvus de bande SWIR (short-wave infrared), un bande spectrale située entre 1000 et 2500 nm utilisée pour les corrections atmosphériques.
Les images Pléiades corrigées pour l’effet sunglint ont été comparées à des images colocalisées prises au même moment avec une géométrie de visée différente et les résultats obtenus sont plutôt encourageants puisque le glint a pu être éliminé et la surestimation moyenne a pu être réduite à moins de 30 % dans les bandes visibles. En outre, les principaux modèles de réflectance de l'eau ont été récupérés. Cet algorithme peut être adapté à d'autres capteurs à haute résolution, tels que Sentinel 2, fréquemment affectés par cet effet sunglint.