Les produits 3A : synthèses mensuelles de réflectances sans nuages (ou presque)

Pour les satellites optiques d’observation de la terre qui permettent de fournir des observations fréquentes et répétitives, il est assez habituel de distribuer des produits de niveau 3A – qui contiennent des images sans nuages, basées sur les données acquises pendant une longue période (une quinzaine de jours, un mois, un an…)

La plupart des méthodes de traitement conduisent à utiliser, pour chaque pixel, celui correspondant à la date la plus favorable pour ce pixel. La sélection est faite à partir de plusieurs critères, et le but est de sélectionner le pixel qui a le moins de chance d’être couvert par un nuage ou une ombre de nuage. Comme ces méthodes travaillent pixel par pixel, les valeurs des pixels contigus peuvent provenir de dates différentes, ce qui entraîne l’apparition d’artefacts lors du passage d’une date à l’autre. 

Exemple de comparaison d’une méthode du type « meilleur pixel » (critère classique du NDVI maximum, à gauche) avec notre méthode de moyenne pondérée. L’image de droite est beaucoup moins bruitée.

Le CESBIO a développé une méthode de moyenne pondérée utilisant les produits de niveau 3A fournis par MAJA. Sans être parfaite, la qualité de leur masque de nuages et d’ombres permet de ne plus avoir à utiliser un critère supplémentaire pour supprimer les nuages. Il suffit d’écarter les données classées comme « ombres » ou « nuages ».

La production des synthèses de niveau 3A s’appuie sur la chaîne WASP (Weighted Average Synthesis Processor) définie en 2008 au CESBIO pour le satellite Venµs. En 2015, la chaîne a été intégrée au projet Sen2Agri, financé par l’ESA, pour une application à la mission Sentinel-2. Dans ce cadre, le CS-Roumanie a redéveloppé le logiciel pour le rendre plus opérationnel et le distribuer comme logiciel libre. Finalement, Peter Kettig, au CNES, l’a adapté aux formats du centre de traitement MUSCATE en introduisant quelques améliorations et en corrigeant quelques bugs. Cette chaîne est actuellement utilisée pour produire tous les mois, l’ensemble des tuiles Sentinel-2 de la France, la Belgique, la Catalogne et le sud des Pyrénées. Des mosaïques ont déjà été produites la Belgique en Juillet 2018, puis la France en juillet et en août. En janvier 2019, la production sera étendue à l’ensemble des zones couvertes par Theia.

Visualisation des deux premières mosaïques N3A pour la France métropolitaine correspondant à des données juillet et août 2018.

Quelques détails sur la méthode de synthèse

Pour chaque pixel et chaque bande spectrale, WASP calcule une simple moyenne des réflectances de surface observées par ciel clair pendant une période de 45 jours. Par exemple, la synthèse du 15 juillet moyennera les observations sans nuages collectées entre le 26 juin et le 5 août. Et ceci est répété chaque mois.

1- Une correction des effets directionnels permet de faire comme si les images avaient été prises depuis la verticale et d’éviter d’observer des différences sur le bord des emprises des images Sentinel-2.

2- Des poids sont calculés :

• Les pixels proches d’un nuage ou d’une ombre ont un poids plus faible.
• Les pixels acquis avec un jour clair sans aérosols ont un poids plus fort.
• Les images aux dates proches de la date centrale de la période de synthèse (le 15 juillet dans l’exemple ci-dessus) ont un poids plus élevé.

3- Sur la base de ces poids, une moyenne pondérée des réflectances est calculée.

Le processeur WASP est un logiciel libre et les données mensuelles sont désormais disponibles sur le serveur de Theia. Cependant, WASP n’est pas encore pleinement intégré à MUSCATE. Peter Kettig du CNES assure pour l’instant sa production artisanale. L’intégration est néanmoins en cours, et l’équipe espère démarrer la production opérationnelle début 2019.

Utiliser WASP en connaissance de cause

Alors, à quoi sert un produit de niveau 3A ? Quand est-il utile ?

• Comme vous pouvez l’observer ci-dessus, sauf mauvaise météo pendant 45 jours, un produit de niveau 3A est quasiment sans nuages, ce qui le rend plus facile à traiter automatiquement. Comme les produits issus de WASP présentent de plus très peu d’artefacts sur les terres, ils sont donc très pratiques pour visualiser un territoire et observer ses évolutions avec le temps. Ils peuvent donc être utilisés pour fabriquer de très beaux posters !
• La connaissance de la date exacte de chaque produit est néanmoins moins précise qu’en utilisant un produit Sentinel de niveau 2A. Même avec la moyenne pondérée des dates, le produit ne fournit qu’une approximation de la réflectance de surface à cette date-là, en supposant que la réflectance varie de manière linéaire au cours de la période de synthèse. Pour des applications nécessitant des dates bien précises, comme par exemple pour étudier la phénologie (date d’émergence ou de sénescence…), les produits de niveau 2A restent plus intéressant.
• WASP suppose que les variations de la réflectance de surface sont lentes, ce qui n’est pas vrai pour les pixels couverts d’eau ou de neige. Les produits N3A ne sont donc pas adaptés pour ces surfaces.
• Il n’est pas toujours possible d’avoir une observation claire pour chaque pixel en 45 jours. Dans ce cas, N3A fournit un pixel nuageux, dont la nature est indiquée dans un masque. De même quelques petits nuages ou ombres très légères arrivent à échapper à la détection au Niveau 2A. En général, la moyenne pondérée réduit leur influence, excepté lors de périodes très nuageuses.

Les applications à venir

A partir de début 2019, ce sont toutes les tuiles Theia qui seront traitées (https://theia.cnes.fr/atdistrib/rocket/#/sites)

Comme il s’agit d’un nouveau type de produit, nous sommes intéressés de savoir de quelle manière vous allez l’utiliser. Les restes de nuages vous posent ils des problèmes ? Nous calculons les synthèses mensuelles sur une période de 45 jours centrée sur le milieu de chaque mois. Augmenter la longueur de la période permet d’éliminer les derniers résidus, mais rend la datation du pixel moins précise. Aimeriez-vous une autre configuration ? N’hésitez pas à nous contacter pour nous donner un retour d’expérience.

Informations pratiques

• Les produits de niveau 3 de THEIA peuvent être téléchargés ici.
• Le format est très simple, et il est décrit ici.
• L’outil theia_download vous permet de sélectionner et télécharger les produits de niveau 3A en ligne de commande :

Olivier Hagolle
CNES|CESBIO
ResearchGate
@O.Hagolle
Contributions

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CES réflectance de surface