Radiomètre avancé à très haute résolution - Advanced very-high-resolution radiometer

Une image des températures globales de la surface de la mer acquise par le satellite NOAA/AVHRR

Le radiomètre avancé à très haute résolution (AVHRR) est un capteur spatial qui mesure la réflectance de la Terre dans cinq bandes spectrales relativement larges par rapport aux normes actuelles. Les instruments AVHRR sont ou ont été transportés par la famille de plates-formes en orbite polaire ( POES ) et les satellites européens MetOp de la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) . L'instrument balaye plusieurs canaux ; deux sont centrés sur les régions rouge (0,6 micromètres) et proche infrarouge (0,9 micromètres), un troisième se situe autour de 3,5 micromètres, et deux autres le rayonnement thermique émis par la planète, autour de 11 et 12 micromètres.

Le premier instrument AVHRR était un radiomètre à quatre canaux . La dernière version, AVHRR/3, portée pour la première fois sur NOAA-15 lancé en mai 1998, acquiert des données sur six canaux. L'AVHRR a été remplacé par le Visible Infrared Imaging Radiometer Suite , embarqué sur le vaisseau spatial Joint Polar Satellite System .

Opération

La NOAA a au moins deux satellites météorologiques en orbite polaire en orbite à tout moment, un satellite traversant l'équateur tôt le matin et en début de soirée et l'autre traversant l'équateur l'après-midi et tard le soir. Le capteur principal à bord des deux satellites est l'instrument AVHRR. Les données satellitaires du matin sont le plus souvent utilisées pour les études terrestres, tandis que les données des deux satellites sont utilisées pour les études de l'atmosphère et des océans. Ensemble, ils fournissent une couverture mondiale deux fois par jour et garantissent que les données de n'importe quelle région de la terre ne datent pas de plus de six heures. La largeur de la fauchée, la largeur de la zone à la surface de la Terre que le satellite peut « voir », est d'environ 2 500 kilomètres (~ 1 540 mi). Les satellites orbitent entre 833 ou 870 kilomètres (+/− 19 kilomètres, 516-541 miles) au-dessus de la surface de la Terre.

La résolution au sol la plus élevée pouvant être obtenue à partir des instruments AVHRR actuels est de 1,1 kilomètre (0,68 mi) par pixel au nadir .

Les données AVHRR sont collectées en continu depuis 1981.

Applications

Le but principal de ces instruments est de surveiller les nuages ​​et de mesurer l' émission thermique de la Terre. Cependant, ces capteurs se sont avérés utiles pour un certain nombre d'autres applications, notamment la surveillance des surfaces terrestres, de l'état des océans, des aérosols, etc. Les données AVHRR sont particulièrement pertinentes pour étudier le changement climatique et la dégradation de l'environnement en raison des enregistrements relativement longs des données déjà accumulées. (plus de 20 ans). La principale difficulté associée à ces investigations est de bien traiter les nombreuses limitations de ces instruments, notamment dans la première période (calibration des capteurs, dérive orbitale, échantillonnage spectral et directionnel limité, etc.).

L'instrument AVHRR vole également sur la série de satellites MetOp . Les trois satellites MetOp prévus font partie du système polaire d'EUMETSAT (EPS) géré par EUMETSAT .

Étalonnage et validation

Les applications de télédétection du capteur AVHRR sont basées sur des techniques de validation (matchup) d'observations au sol colocalisées et d'observations satellitaires. Alternativement, des calculs de transfert radiatif sont effectués. Il existe des codes spécialisés qui permettent de simuler les températures de luminosité et les radiances observables AVHRR dans les canaux proche infrarouge et infrarouge.

Calibrage pré-lancement des canaux visibles (Ch. 1 et 2)

Avant le lancement, les canaux visibles (Ch. 1 et 2) des capteurs AVHRR sont étalonnés par le fabricant de l'instrument, ITT, Aerospace/Communications Division, et sont traçables selon les normes NIST . La relation d'étalonnage entre la réponse de comptage numérique électronique (C) du capteur et l'albédo (A) de la cible d'étalonnage est régressée linéairement :

A = S * C + I

où S et I sont la pente et l'interception (respectivement) de la régression de calage [NOAA KLM]. Cependant, l'étalonnage de pré-lancement très précis se dégradera pendant le lancement et le passage en orbite ainsi que pendant la durée de vie opérationnelle de l'instrument [Molling et al., 2010]. Halthore et al. [2008] notent que la dégradation du capteur est principalement causée par le cycle thermique, le dégazage dans les filtres, les dommages causés par les rayonnements à haute énergie (tels que les ultraviolets (UV)) et la condensation des gaz dégazés sur des surfaces sensibles.

L'un des principaux défauts de conception des instruments AVHRR est qu'ils n'ont pas la capacité d'effectuer des étalonnages précis à bord une fois en orbite [NOAA KLM]. Ainsi, des activités d'étalonnage en orbite post-lancement (connues sous le nom de méthodes d'étalonnage indirect) doivent être effectuées pour mettre à jour et garantir l'exactitude des radiances récupérées et des produits ultérieurs dérivés de ces valeurs [Xiong et al., 2010]. De nombreuses études ont été réalisées pour mettre à jour les coefficients d'étalonnage et fournir des récupérations plus précises par rapport à l'utilisation de l'étalonnage de pré-lancement.

Etalonnage absolu de capteurs individuels/peu de capteurs en orbite

Rao et Chen

Rao et Chen [1995] utilisent le désert libyen comme cible d'étalonnage radiométriquement stable pour dériver les taux de dégradation annuels relatifs pour les canaux 1 et 2 pour les capteurs AVHRR à bord des satellites NOAA -7, -9 et -11. De plus, lors d'une campagne d'avions sur le terrain au-dessus du site désertique de White Sands au Nouveau-Mexique, aux États-Unis [Voir Smith et al., 1988], un étalonnage absolu pour NOAA-9 a été transféré à partir d'un spectromètre bien étalonné à bord d'un avion U-2 volant à une altitude de ~18 km dans une trajectoire congruente avec le satellite NOAA-9 ci-dessus. Après avoir été corrigé de la dégradation relative, l'étalonnage absolu de NOAA-9 est ensuite transmis à NOAA -7 et -11 via une relation linéaire utilisant des observations du désert de Libye qui sont limitées à des géométries d'observation similaires ainsi qu'à des dates du même mois calendaire. Rao et Chen, 1995], et toute dégradation du capteur est corrigée en ajustant la pente (en fonction des jours après le lancement) entre l'albédo et le signal de comptage numérique enregistré [Rao et Chen, 1999].

Loeb

Dans une autre méthode similaire utilisant des cibles de surface, Loeb [1997] utilise des surfaces glaciaires uniformes spatio-temporelles au Groenland et en Antarctique pour produire des courbes d'étalonnage de réflectance polynomiale de second ordre en fonction de l'angle zénithal solaire ; les réflectances proches du nadir de NOAA-9 calibrées sont utilisées pour générer les courbes qui peuvent ensuite dériver les étalonnages pour d'autres AHVRR en orbite (par exemple NOAA-11, -12 et -14).

Il a été constaté que le rapport des coefficients d'étalonnage dérivés par Loeb [1997] et Rao et Chen [1995] sont indépendants de l'angle zénithal solaire, ce qui implique que les courbes d'étalonnage dérivées de la NOAA-9 fournissent une relation précise entre l'angle zénithal solaire et réflectance observée sur le Groenland et l'Antarctique.

Iwabuchi

Iwabuchi [2003] a utilisé une méthode pour calibrer les NOAA-11 et -14 qui utilise des observations de réflectance de l'océan par ciel clair et des stratus dans une région de l'océan Pacifique NW et des calculs de transfert radiatif d'une atmosphère moléculaire théorique pour calibrer AVHRR Ch. 1. À l'aide d'un mois d'observations par ciel clair au-dessus de l'océan, une estimation minimale initiale de la pente d'étalonnage est effectuée. Une méthode itérative est ensuite utilisée pour obtenir les valeurs de pente optimales pour Ch. 1 avec des corrections de pente ajustant les incertitudes de réflectance océanique, de vapeur d'eau, d'ozone et de bruit Ch. 2 est ensuite calibré par la suite à condition que l'épaisseur optique du stratus dans les deux canaux soit la même (spectrale uniforme dans le visible) si leurs calibrages sont corrects [Iwabuchi, 2003].

Vermote et Saleous

Une méthode d'étalonnage plus contemporaine pour AVHRR utilise les capacités d'étalonnage en orbite des canaux VIS/IR de MODIS . Vermote et Saleous [2006] présentent une méthodologie qui utilise MODIS pour caractériser la BRDF d'un site désertique invariant. En raison des différences dans les bandes spectrales utilisées pour les canaux des instruments, des équations de traduction spectrale ont été dérivées pour transférer avec précision l'étalonnage tenant compte de ces différences. Enfin, le rapport de l'AVHRR observé à celui modélisé à partir de l'observation MODIS est utilisé pour déterminer la dégradation du capteur et ajuster l'étalonnage en conséquence.

Autres

Les méthodes d'extension de l'étalonnage et de la continuité des enregistrements utilisent également des activités d'étalonnage similaires [Heidinger et al., 2010].

Étalonnage à long terme et continuité des enregistrements

Dans la discussion jusqu'à présent, des méthodes ont été proposées qui peuvent calibrer individuellement ou sont limitées à quelques capteurs AVHRR. Cependant, un défi majeur d'un point de vue climatique est la nécessité d'une continuité d'enregistrement couvrant plus de 30 ans de trois générations d'instruments AVHRR ainsi que des capteurs plus contemporains tels que MODIS et VIIRS . Plusieurs artefacts peuvent exister dans l'étalonnage nominal AVHRR, et même dans les étalonnages mis à jour, qui provoquent une discontinuité dans l'enregistrement de radiance à long terme construit à partir de plusieurs satellites [Cao et al., 2008].

Méthode du projet international de climatologie des nuages ​​par satellite (ISCCP)

Brest et Rossow [1992], et la méthodologie mise à jour [Brest et al., 1997], ont proposé une méthode robuste pour la surveillance de l'étalonnage des capteurs individuels et la normalisation de tous les capteurs à une norme commune. La méthode du projet international de climatologie des nuages ​​par satellite (ISCCP) commence par la détection des nuages ​​et des corrections pour l'ozone, la diffusion de Rayleigh et les variations saisonnières de l'éclairement énergétique pour produire des réflectances de surface. Des histogrammes mensuels de réflectance de surface sont ensuite produits pour divers types de surface, et diverses limites d'histogramme sont ensuite appliquées comme filtre aux observations originales du capteur et finalement agrégées pour produire une réflectance de surface globale et sans nuage.

Après filtrage, les cartes globales sont séparées en une SURFACE moyenne mensuelle, deux SURFACE bihebdomadaire et une carte de réflectance TOTALE moyenne. Les cartes de réflectance de SURFACE moyennes mensuelles sont utilisées pour détecter les tendances à long terme de l'étalonnage. Les cartes SURFACE bimensuelles sont comparées les unes aux autres et sont utilisées pour détecter les changements à court terme de l'étalonnage.

Enfin, les cartes TOTAL sont utilisées pour détecter et évaluer les biais dans la méthodologie de traitement. Les histogrammes cibles sont également examinés, car les changements dans les réflectances de mode et dans la population sont probablement le résultat de changements dans l'étalonnage.

Continuité des enregistrements à long terme

La continuité d'enregistrement à long terme est obtenue par la normalisation entre deux capteurs. Tout d'abord, les observations du chevauchement de la période de temps de fonctionnement de deux capteurs sont traitées. Ensuite, les deux cartes globales SURFACE sont comparées via un nuage de points. De plus, les observations sont corrigées des changements d'angle zénithal solaire causés par la dérive orbitale. En fin de compte, une ligne est adaptée pour déterminer la dérive globale à long terme de l'étalonnage et, après qu'un capteur a été corrigé pour la dérive, la normalisation est effectuée sur les observations qui se produisent pendant la même période opérationnelle [Brest et al., 1997].

Étalonnage à l'aide du spectroradiomètre imageur à résolution modérée

Une autre méthode récente pour l'étalonnage absolu de l'enregistrement AHVRR utilise le capteur MODIS contemporain à bord des satellites TERRA et AQUA de la NASA. L'instrument MODIS a une précision d'étalonnage élevée et peut suivre ses propres changements radiométriques grâce à l'inclusion d'un système d'étalonnage embarqué pour la région spectrale VIS/NIR [MCST]. La méthode suivante utilise la haute précision de MODIS pour calibrer de manière absolue les AVHRR via des passages supérieurs au nadir (SNO) simultanés des paires de satellites MODIS/AVHRR et AVHRR/AVHRR ainsi que des réflectances de surface caractérisées par MODIS pour une cible du désert libyen et Dome-C en Antarctique [Heidinger et al., 2010]. En fin de compte, chaque événement d'étalonnage individuel disponible (MODIS/AVHRR SNO, Dôme C, Désert libyen ou AVHRR/AVHRR SNO) est utilisé pour fournir une série temporelle de pente d'étalonnage pour un capteur AVHRR donné. Heidinger et al. [2010] utilisent un polynôme de second ordre à partir d'un ajustement par les moindres carrés pour déterminer la série chronologique.

La première étape consiste à utiliser un modèle de transfert radiatif qui convertira les scènes MODIS observées en celles qu'un AVHRR parfaitement calibré verrait. Pour les occurrences MODIS/AVHRR SNO, il a été déterminé que le rapport entre les radiances AVHRR et MODIS dans les canaux 1 et 2 est bien modélisé par un polynôme de second ordre de la radio des réflectances MODIS dans les canaux 17 et 18. Les canaux 17 et 18 sont situés dans une région spectrale (0,94 mm) sensible à la vapeur d'eau atmosphérique, une quantité qui affecte l'étalonnage précis de AVHRR Ch. 2. En utilisant le rapport Ch17 à Ch 18, une estimation précise de l'eau précipitable totale (TPW) est obtenue pour augmenter encore la précision des étalonnages MODIS à AVHRR SNO. Les sites d'étalonnage du désert libyen et du Dôme-C sont utilisés lorsque les SNO MODIS/AVHRR ne se produisent pas. Ici, le rapport AVHRR à MODIS des réflectances est modélisé comme un polynôme de troisième ordre en utilisant le logarithme népérien de TWP de la réanalyse NCEP. En utilisant ces deux méthodes, des pentes d'étalonnage mensuelles sont générées avec un ajustement linéaire forcé à travers l'origine des réflectances MODIS ajustées par rapport aux comptes AVHRR.

Pour étendre la référence MODIS aux AVHRR avant l'ère MODIS (avant 2000), Heidinger et al. [2010] utilisent les cibles terrestres stables du Dôme C en Antarctique et dans le désert de Libye. Les réflectances moyennes du nadir MODIS sur la cible sont déterminées et tracées en fonction de l'angle zénithal solaire. Les décomptes des observations AVHRR à un angle de zénith solaire donné et la réflectance MODIS correspondante, corrigés pour le TWP, sont ensuite utilisés pour déterminer quelle valeur AVHRR serait à condition qu'elle ait l'étalonnage MODIS. La pente d'étalonnage est maintenant calculée.

Étalonnage à l'aide de SNO AVHRR/AVHRR directs

Une dernière méthode utilisée par Heidinger et al. [2010] pour étendre l'étalonnage MODIS aux AVHRR qui fonctionnaient en dehors de l'ère MODIS se fait par le biais des SNO AVHRR/AVHRR directs. Ici, les décomptes des AVHRR sont tracés et une régression forcée à travers l'origine calculée. Cette régression est utilisée pour transférer l'étalonnage précis des réflectances d'un AVHRR aux comptes d'un AVHRR non étalonné et produire des pentes d'étalonnage appropriées. Ces SNO AVHRR/AVHRR ne fournissent pas eux-mêmes un point d'étalonnage absolu ; ils agissent plutôt comme des points d'ancrage pour l'étalonnage relatif entre les AVHRR qui peuvent être utilisés pour transférer l'étalonnage MODIS ultime.

Système de nouvelle génération

L' expérience opérationnelle avec le MODIS capteur embarqué Terra et Aqua de la NASA a conduit au développement de suivi sur, de AVHRR VIIRS . VIIRS opère actuellement à bord des satellites Suomi NPP et NOAA-20 .

Dates de lancement et de service

Nom du satellite Date de lancement Début du service Fin de service
TIROS-N ['tairəus]

[Télévision et satellite d'observation infrarouge]

13 octobre 1978 19 octobre 1978 30 janvier 1980
NOAA-6 27 juin 1979 27 juin 1979 16 novembre 1986
NOAA-7 23 juin 1981 24 août 1981 7 juin 1986
NOAA-8 28 mars 1983 3 mai 1983 31 octobre 1985
NOAA-9 12 décembre 1984 25 février 1985 11 mai 1994
NOAA-10 17 septembre 1986 17 novembre 1986 17 septembre 1991
NOAA-11 24 septembre 1988 8 novembre 1988 13 septembre 1994
NOAA-12 13 mai 1991 14 mai 1991 15 décembre 1994
NOAA-14 30 décembre 1994 30 décembre 1994 23 mai 2007
NOAA-15 13 mai 1998 13 mai 1998 Cadeau
NOAA-16 21 septembre 2000 21 septembre 2000 9 juin 2014
NOAA-17 24 juin 2002 24 juin 2002 10 avril 2013
NOAA-18 20 mai 2005 30 août 2005 cadeau
NOAA-19 6 février 2009 2 juin 2009 cadeau
Metop-A 19 octobre 2006 20 juin 2007 cadeau
Métop-B 17 septembre 2012 24 avril 2013 cadeau
Métop-C 7 novembre 2018 3 juillet 2019 cadeau
Les dates TIROS/NOAA proviennent du site Web de l'USGS et du site Web NOAA POES Status

Les références

Lectures complémentaires

  • Brest, CL et WB Rossow. 1992. Étalonnage et surveillance radiométriques des données NOAA AVHRR pour l'ISCCP. Journal international de télédétection. Vol. 13. p. 235-273.
  • Brest, CL et al. 1997. Mise à jour des étalonnages de rayonnement pour l'ISCCP. Journal de technologie atmosphérique et océanique. Vol 14. pp. 1091–1109.
  • Cao, C. et al. 2008. Évaluation de la cohérence de la réflectance AVHRR et MODIS L1B pour générer des enregistrements de données climatiques fondamentales. Journal de recherche géophysique. Vol. 113. D09114. doi: 10.1029/2007JD009363.
  • Halthore, R. et al. 2008. Rôle de l'absorption des aérosols dans l'étalonnage des capteurs satellites. Lettres IEEE Géosciences et Télédétection. Vol. 5. p. 157-161.
  • Heidinger, AK et al. 2002. Utilisation du spectromètre imageur à résolution modérée (MODIS) pour étalonner les canaux de réflectance du radiomètre avancé à très haute résolution. Journal de recherche géophysique. Vol. 107. doi : 10.1029/2001JD002035.
  • Heidinger, AK et al. 2010. Dérivation d'un étalonnage cohérent entre les capteurs pour l'enregistrement de données de réflectance solaire AVHRR. Journal international de télédétection. Vol. 31. p. 6493–6517.
  • Iwabuchi, H. 2003. Calibration des canaux visible et proche infrarouge des AVHRR NOAA-11 et NOAA-14 en utilisant les réflexions de l'atmosphère moléculaire et du nuage de stratus. Journal international de télédétection. Vol. 24. p. 5367-5378.
  • Loeb, NG 1997. Étalonnage en vol des bandes NOAA AVHRR visible et proche infrarouge au-dessus du Groenland et de l'Antarctique. Journal international de télédétection. Vol. 18. p. 477-490.
  • MCST. Document de base théorique de l'algorithme MODIS niveau 1B, version 3. Goddard Space Flight Center. Ceinture de verdure, Maryland. décembre 2005.
  • Molling, CC et al. 2010. Calibrations pour les canaux AVHRR 1 et 2 : examen et chemin vers le consensus. Journal international de télédétection. Vol. 31. p. 6519-6540.
  • Guide de l'utilisateur NOAA KLM avec supplément NOAA-N, -N'. NOAA NESDIS NCDC. Asheville, Caroline du Nord. Février 2009.
  • Rao, CRN et J. Chen. 1995. Liaisons d'étalonnage inter-satellites pour les canaux visible et proche infrarouge du radiomètre avancé à très haute résolution sur les satellites NOAA-7, -9 et -11. Journal international de télédétection. Vol. 16. p. 1931-1942.
  • Rao, CRN et J. Chen. 1999. Révision de l'étalonnage post-lancement des canaux visible et proche infrarouge du radiomètre avancé à très haute résolution sur le vaisseau spatial NOAA-14. Journal international de télédétection. Vol. 20. p. 3485-3491.
  • Smith, GR et al. 1988. Calibration des canaux solaires du NOAA-9 AVHRR utilisant des mesures d'avion à haute altitude. Journal de technologie atmosphérique et océanique. Vol. 5. p. 631-639.
  • Vermote, EF et NZ Saleous. 2006. Calibration de NOAA16 AVHRR sur un site désertique en utilisant les données MODIS. Télédétection de l'environnement. Vol. 105. p. 214-220.
  • Xiong, X. et al. 2010. Étalonnage et performances en orbite des bandes solaires réfléchissantes Aqua MODIS. Transactions IEEE sur les géosciences et la télédétection. Vol 48. pp. 535-546.

Liens externes