Comparaison des corrections atmosphériques entre les modèles MODTRAN et 6S

 

La correction atmosphérique a pour but d'éliminer l'influence des facteurs atmosphériques et lumineux sur la réflexion des objets au sol, d'obtenir les paramètres réels du modèle physique tels que la réflectivité et l'émissivité des objets au sol, ainsi que la température de surface, et de les utiliser pour éliminer l'influence de la vapeur d'eau, de l'oxygène, du dioxyde de carbone, du méthane et de l'ozone présents dans l'atmosphère sur la réflexion des objets au sol, et pour éliminer l'influence des molécules atmosphériques et de la diffusion des aérosols.

6S vs. MODTRAN : Correction atmosphérique et transfert radiatif  

6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the Solar Reflective Spectrum) et MODTRAN (Moderate Resolution Atmospheric Transmission) sont deux modèles de transfert radiatif largement utilisés pour la correction atmosphérique et la simulation spectrale des images de télédétection. Ils diffèrent sensiblement par leur fonction, leur domaine d'application et leurs procédures opérationnelles. La comparaison qui suit porte sur leurs fonctions principales, leur gamme de bandes et leurs scénarios d'application.

01. Fonctions principales et types de problèmes

MODTRAN : 
En saisissant la réflectance de surface, les paramètres atmosphériques (épaisseur optique des aérosols, AOT ; teneur en vapeur d'eau ; concentration de gaz, etc.) et les paramètres du capteur, la luminance ou la réflectance apparente du sommet de l'atmosphère (TOA) peut être simulée.

Caractéristiques : Fournit une simulation de transfert radiatif de haute précision et prend en charge des conditions atmosphériques complexes (telles qu'une atmosphère stratifiée et des aérosols non uniformes).

Applications typiques : analyse de données hyperspectrales, conception de capteurs et simulation spectrale dans des environnements complexes.

6S :

En saisissant la réflectance apparente au sommet de l'atmosphère (réflectance TOA) et les paramètres atmosphériques (AOT, vapeur d'eau, ozone, etc.), la réflectance de surface est directement inversée sur la base d'une table de consultation (LUT) précalculée.

Caractéristiques : Facile à utiliser, conçu spécifiquement pour le spectre de réflectance solaire, adapté à la correction atmosphérique standardisée.

Application typique : Correction atmosphérique pour les satellites multispectraux (tels que Landsat-8 et Sentinel-2).

02. Gamme de bandes

MODTRAN : 
Il couvre la gamme de 0,2 μm à 100 μm (ultraviolet, visible, proche infrarouge, infrarouge à ondes courtes, infrarouge moyen à infrarouge lointain) et prend en charge la simulation de l'émission et de l'absorption infrarouge thermique.

Adapté aux données hyperspectrales (telles que PRISMA, AVIRIS) et aux applications à large bande.

6S :

Elle couvre la gamme de 0,25 μm à 4,0 μm (du visible à l'infrarouge à ondes courtes, gamme du spectre de réflectance solaire), mais n'implique pas l'infrarouge thermique.

Conçu spécifiquement pour les données multispectrales et partiellement hyperspectrales, il convient à l'analyse de cibles telles que la végétation et le sol dans les bandes VNIR-SWIR.

03. Scénarios applicables et avantages/inconvénients

MODTRAN :

Avantages : Prend en charge de larges bandes spectrales et une haute précision, adapté aux conditions atmosphériques complexes et aux données hyperspectrales.

Inconvénients : Complexité de calcul élevée, nécessite une inversion manuelle, temps d’exécution long, convient aux applications de recherche.

Scénarios : Correction d'images hyperspectrales (par exemple, identification des minéraux calcaires, 2,31–2,33 μm), simulation de la chimie atmosphérique.

6S :

Avantages : Rapide, facile à utiliser, adapté à la correction standardisée des données multispectrales et bénéficiant d'un large soutien de la communauté.

Inconvénients : Gamme de bandes limitée (pas d’infrarouge thermique) et prise en charge limitée des conditions atmosphériques complexes.

Scénario : Télédétection agricole (telle que le calcul de l'indice de position du bord rouge), surveillance de la végétation.

procédures opérationnelles

1. L'outil FLAASH d'ENVI utilise le modèle MODTRAN.
   Les données utilisées proviennent du satellite XIGUANG-002, avec 150 bandes et une gamme spectrale de 440 à 840 nm.

Le nom des données standard est : XIGUANG-002_20250301_0000000001_0222_0064_W106.1_N43.7_L1BF_HSI. Ces données correspondent aux valeurs DN nécessaires à la correction géométrique du système.

Ouvrez le fichier XML à l'aide de l'outil XiGuang-XG02 du plugin ENVI China Satellite.

Lecture automatique des métadonnées pour obtenir la longueur d'onde, la largeur à mi-hauteur (FWHM) et le facteur d'étalonnage radiométrique.

L'étalonnage radiométrique a été effectué à l'aide de l'outil d'étalonnage radiométrique.

Le facteur d'échelle est défini pour correspondre à l'outil FLAASH. Après l'étalonnage radiométrique, l'unité de données passe de la valeur DN à µW/(cm2 * sr * nm).

Ensuite, la correction atmosphérique est effectuée à l'aide de l'outil FLAASH, qui lit automatiquement les données de temps de vol à partir des métadonnées. L'altitude du capteur et l'altitude moyenne doivent également être obtenues à partir du fichier XML. Elles correspondent aux champs suivants du fichier XML :

485607.870514

1490,9 mètres

Pour les modèles atmosphériques, reportez-vous au tableau de correspondance ci-dessous ; pour les modèles d’aérosols, sélectionnez en fonction du type de zone cible.

2. Le modèle 6S a été implémenté à l'aide de la bibliothèque Python Py6s.

Après avoir établi un modèle 6S et configuré les informations de base telles que les données géographiques, solaires, le modèle atmosphérique, le modèle d'aérosols, la hauteur du capteur et la hauteur de la cible, le modèle est exécuté bande par bande. Les bandes manquantes, comme les fenêtres d'absorption de la vapeur d'eau, sont complétées par interpolation. Le résultat final correspond au même nombre de données de luminance et de réflectance de surface qu'en entrée.

 

Affichage des résultats

Vous trouverez ci-dessous quelques résultats de correction atmosphérique pour les données XIGUANG-002 :

Ville de Yuncheng, province du Shanxi, Chine

Salakhstan, Turkménistan 

Ce qui suit est une comparaison des résultats obtenus à l'aide de deux modèles de correction atmosphérique.

La partie gauche montre les résultats du modèle de correction atmosphérique MODTRAN (réflectivité amplifiée 10 000 fois), et la partie droite montre les résultats du modèle 6S.

Parce que MODTRAN est un modèle plus raffiné basé sur le spectre d'absorption moléculaire, et que l'outil FLAASH d'ENVI intègre un post-traitement tel que le lissage spectral, la bande d'absorption de l'oxygène près de 760 est lissée, tandis que le modèle 6S est basé sur une simulation physique, de sorte que chaque bande d'absorption de gaz est préservée.

Globalement, les courbes spectrales présentent des tendances similaires, le modèle 6S affichant une réflectance absolue légèrement supérieure. Le modèle MODTRAN offre une précision et une fiabilité accrues, tandis que le modèle 6S, étant un modèle open source, est facile à déployer et à développer, permettant ainsi le choix de différentes méthodes de correction selon les applications.