Méthode D`étalonnage Radiométrique des Images Satellitaires

Journées d’Animation Scientifique (JAS09) de l’AUF Alger Novembre 2009
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Résumé— La télédétection spatiale est un outil très puissant
pour déterminer les faibles atténuations de rayonnement so-
laire au sol. La télédétection dans l’infrarouge thermique
consiste essentiellement à mesurer le rayonnement émis par
la terre à partir de l’espace. Ce domaine permet l'étude
d'étalonnages pour l’image NOAA-HRPT qui représentent
l’objet essentiel de ce travail. Des images satellitaires qui sont
acquises à partir d'une station de réception réalisée au labo-
ratoire LAAR, d'un nouveau récepteur HRPT (High Résolu-
tion Picture Transmissission), cette station permet la récep-
tion quotidienne des images satellitaires polaires NOAA.
Les images acquises sont des images brutes, codées sur 8 bits,
couvrant les domaines du visible et de l’infrarouge ther-
mique (IRT), leur résolution spatiale est de 1,1 km au Nadir
du satellite ; par contre, les images originales sont codées sur
10 bits au niveau de satellite. Pour étalonner ces images, on
utilise une fonction de calibration permettant la transforma-
tion des comptes numériques de la mesure du radiomètre en
données physiques (luminance). Lors de cette transformation,
les données des canaux visibles VIS sont converties en albédo
et les mesures des canaux infrarouges (IRT) sont converties
en températures de brillance par le logiciel (PCNOAA) déve-
loppé pour cette étude.
Mots clefs — NOAA, HRPT, calibration, températures de
brillance, albédo.
I. INTRODUCTION
La télédétection spatiale est basée sur l’utilisation
d’instruments appelés radiomètres imageurs qui enregis-
trent le rayonnement électromagnétique réfléchi ou émis
dans différents domaines de longueurs d'onde, tels que
l'ultraviolet, le visible et l'infrarouge par les objets de la
surface terrestre ou de l’atmosphère. En effet, ils mesurent
des rayonnements et convertissent ces mesures sous forme
d’images.
II.PRINCIPE DES RADIOMETRES IMAGEURS
Un radiomètre imageur est un capteur optique ou un appa-
reil électro-optique qui réunit toute la technologie néces-
saire à l’acquisition d’images à distance et qui est embar-
qué dans un satellite. Il permet de capturer l’information
pour différentes régions du spectre. C’est les régions du
spectre électromagnétique, elles n'ont rien avoir avec les
images bidimensionnelles. Un capteur optronique est con-
çu pour recueillir et focaliser un rayonnement lumineux
(partie optique) et pour le convertir en un signal électrique
(partie électronique).
De façon plus détaillée, un instrument comprend les élé-
ments suivants :
 Système optique : antenne, miroir, filtre
 Système de détection: convertit l’énergie électromagné-
tique reçue en signal électrique
3
 Système d’étalonnage: pour comparer le signal reçu à
un signal de référence.
La figure 1 présente le schéma fonctionnel d'un capteur
optique
Fig.1 Schéma fonctionnel d'un capteur
III. LE RADIOMETRIE IMAGEUR
NOAA-AVHRR/3
Les satellites NOAA (National Oceanic and Atmospheric
Administration) sont équipés de multiples capteurs dont le
plus connu est le capteur imageur AVHRR/3 (Advanced
Very High Resolution Radiometer) de mesurer les réponses
radiatives et énergétiques de la végétation et les formations
nuageuses et de déterminer la température et l’humidité
dans l’atmosphère et sur la Terre. L’instrument AVHRR /
3 est un radiomètre à balayage solaire fournissant trois ca-
Méthode D'étalonnage Radiométrique des Images Satellitaires
NOAA-HRPT
Nawal Mokhataria Zemaili
(1)
, Noureddine Benabadji
(1)
,Abdelatif Hassini
(1)(2)
,A.H.Belbachir
(1)
(1) Laboratiore d'Analyse et d Application du Rayonnement LAAR.
Faculte des seciences,Dépertement de Physique Université des Sciences et de la technologie d'Oran
USTOMB, BP 1505 El Mnaouar
(2) Institut de Maintenance et Sécurité industrielle, Université d’Oran Es-Senia
E-mail : [e-mail]

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naux dans la visible et proche-infrarouge et comportent
trois canaux dans l’infrarouge thermique. La résolution
spatiale est de 1,1 km, au niveau de la surface de la Terre,
à la verticale du satellite. Dans l’infrarouge thermique, la
résolution thermique est de 0,12°C. L'instrument mesure
20.32 cm de diamètre et collecte de télescope réflecteur de
type Cassegrain. Un balayage rotatif est accompli par un
miroir tournant en continu directement par un moteur, à
45° de l’axe optique du télescope. Sa vitesse de rotation est
de 360 tours/min, assurant le balayage d’une ligne de
l’image en 0,051 s, ce balayage étant effectué de la droite
vers la gauche, suivant le déplacement du satellite.
Fig.2 Le capteur AVHRR embarqué dans le satellite NOAA
Fig.3 Instrument AVHRR/3
Fig.4. Les rayonnements reçus par le capteur AVHRR/3
L’AVHRR/3 caractéristique spectrale dans les tableaux
suivait :
canaux Spectrale
(µm) Détecteur de type Résolution (km) IFOV en (milliradians) Application
Ch.1 0.58-
0.68 Si 1.09 1.3 surveillance
des nuages,
de la neige
et de la
glace
Ch.2 0.725-
1.0 Si 1.09 1.3 surveillance
de l'eau, de
la végéta-
tion, et de
l'agricole
Ch.3A 1.58-
1.64 InGaAs 1.09 1.3 température
de la surface
des océans,
volcans,
feux de fo-
rêts
Ch.3B 3.55-
3.93 InSb 1.09 1.3 température
de la surface
des océans,
volcans,
feux de fo-
rêts
Ch.4 10.3-
11.3 HgCdTe 1.09 1.3 température
de la surface
des océans,
humidité du
sol
Ch. 5 11.5-
12.5 HgCdTe 1.09 1.3 température
de la surface
des océans,
humidité du
sol
Tab.1 Résumé des AVHRR / 3 canaux Caractères spectrale.
A. Transmission d'Images à Haut Débit
(NOAA-HRPT)
Le service de Transmission d'Images à Haut Débit (HRPT)
installé sur les satellites NOAA est depuis deux décennies
la source principale de données de haute qualité issues des
satellites météorologiques polaires pour les stations-
utilisateur à travers le monde. Le flux de données contient
non seulement des images haute résolution en format nu-
mérique issues de l'instrument AVHRR/3 mais aussi l'in-
formation atmosphérique du jeu d'instruments de sondage.
Grâce à la réception HRPT le site utilisateur peut obtenir
des données d'au moins trois passages consécutifs de
chaque satellite deux fois par jour, produisant une couver-
ture haute résolution d'une région s'étendant sur un rayon
de 1500 km autour de la station. L'imagerie donne, en ins-
tantané, des conditions météorologiques et peut être éga-
lement utilisée pour de nombreuses applications terrestres
ou maritimes, tandis que les données de sondage fournis-
sent des observations atmosphériques détaillées qui peu-
vent être traitées et utilisées dans les modèles numériques
régionaux.

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Tab.2 Caractéristiques de Transmission HRPT
IV. METHODE D'ETALONNAGES DES CANAUX
AVHRR/3
L’étalonnage radiométrique vise d’une part à éliminer la
différence de sensibilité entre les capteurs en assignant à
chaque bande spectrale un coefficient de correction.
D’autre part, le calibrage vise aussi à corriger la dégrada-
tion du signal du capteur dans le temps par l’application
d’une correction linéaire qui est appliquée à chacun des
coefficients de calibrage pré-lancement, la formule géné-
rale est décrite par la formule
Lλ =aλ+ bλ *Xλ (1)
où :
L : est la radiance spectrale,
aλ et bλ : sont des coefficients déterminés pour la bande
spectrale du capteur,
Xλ : est le compte numérique de la bande spectrale.
V. DONNEES
Dans notre travail nous avons utilisé des images satelli-
taires et des données météorologiques mesurées au sol.
A. Données satellitaires
Les images satellitaires utilisées dans notre étude sont
des images acquises à haute résolution sous forme nu-
mérique non dégradée (High Resolution Picture Trans-
mission ou HRPT) a partir du radiomètre AVHRR, nous
avons utilisé le logiciel PCNOAA est un système de trai-
tement d’image spécifique aux images NOAA APT et
HRPT. Il fournit une visualisation et une analyse com-
plète des données pour des images de n’importe quelle
taille (limite : 32767 x 32767). PCNOAA support une
large gamme d’environnement informatique
PC/Windows (Windows9x / Millenium / win2000 /Win
XP) et son langage de développement est le C++ Builder
de Borland (v3.0), développé au laboratoire LAAR, per-
met de transformer les mesures brutes de chaque bande
en mesure de réflectance ou températures de brillance qui
correspond à la région d’étude (1km sur 1km). La valeur
de cette mesure comprise entre 0 et 255 qui représente
sur l’image un point appelé pixel, de couleur variant du
blanc au noir.
B. Algorithme AVHRR-HRPT
 Étalonnages des canaux visibles (1 et 2) :
La calibration convertit les comptes numériques X en me-
sure de paramètre physique, soit la luminance spectrale Ai,
et ce pour la longueur d’onde centrale de la bande. Cette
calibration est basée sur une relation linéaire de type :
Ai = Gi Xi + Ii (2)
Où:
Ai: est l'albédo mesuré dans le canal i.
Xi : valeur de numériques l'image (8 bits).
Gi et Ii : sont des coefficients de précalibration (sur terre).
 Étalonnages des canaux infrarouges (3,4 et
5) :
La calibration convertit les comptes numériques X en tem-
pératures de brillance .pour appliquer cette technique, on
utilise les étapes suivantes:
1. Calcule de radiance linéaire par canal i :
IIILI IXGN  (3)
Gi et Ii sont des coefficients de précalibration (sur terre).
2. Calcule de radiance corrigée par canal i :
2
210 liilIiiCi NbNbbN   (4)
canaux b0 b1 b2
Canal 4 2.96 -0.0541 0.00024532
Canal 5 2.25 -0.0366 0.00014854
Tab. 3 les valeurs des coefficients de correction pour NOAA16
3. Calcule de radiance de la terre par canal i :
CILIE NNN  (5)
4. Température équivalente corps noir par canal i :
E
C
c
E
Nvc
vc
T3
1
2
*
1ln
(6)
c1 = 1.1910659 10-5 mW.m-2.sr-1.cm4
et c2 = 1.438833 K.
Débit lignes 360 lignes AVHRR/minute
Canaux de données 5 transmis, 6 disponibles
Résolution des don-
nées 1,1 km
Modulation de por-
teuse Phase numérique dédoublée, mo- dulation de phase
Fréquence de
l’émetteur (MHz) 1698,0 ou 1707,0

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5. température de brillance par canal i :
B
AT
TE
E
* (7)
Les valeurs de Vc et les coefficients A et B pour les 3B, 4,
5 sont uniques pour chaque plate forme.
Canaux νc A B
Canal 3B 2700.1148 1.592459 0.998147
Canal 4 917.2289 0.332380 0.998522
Canal 5 838.1255 0.674623 0.998363
Tab.4 Les valeurs centrale Vc et des coefficients A et B pour
NOAA16
VI. RESULTAS ET DISCUSION
Nous avons appliqué l'algorithme d'’étalonnage radiomé-
trique des images AVHRR-HRPT introduite dans notre lo-
giciel PCNOAA qui se trouve dans le menu « Traite-
ment> Prétraitement >Calibration HRPT», il contient une
fenêtre calibration HRPT:
Fig.4 Traitement
Dans fenêtre «Calibration HRPT» on retrouve les étapes
suivantes:
Etape 1 : Calcul de la radiance linéaire par canal i :
Fig.5 Etape 1
Etape 2 : Calcul de la radiance corrigée par canal i :
Fig.6 Etape 2
Etape 4 : Température équivalente corps noir par canal i :
Fig.8 Etape 4

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Etape 5: Température de brillance par canal i :
Fig.9 Etape 5
Pour voir les résultats de chaque canal il faut ouvrir la fe-
nêtre«Prévisualisation d’un fichier image codé 32
bits(Float)» en cliquant sur «Fichier>Pré visualiser co-
dage Float....».cette fenêtre est divisée en trois parties la
première fournit le dossier de calibration et si on clique
dessus on obtient les cinq images en format (dat )et leurs
détails (taile, date et heur) qui sont dans la deuxième partie
et pour voir l image il sufit de cliquer sur son nom qui sera
affichée dans la troisième partie. Et si on clique sur l image
on obtient la légende.
Fig. 10 Prévisualisation d’un fichier image codé 32 bits (Float)
Les images satellitaires utilisées dans notre étude sont des
images brutes qui sont captées le 16/02/2005 à 16 :20 UTR
par le satellite NOAA16-AVHRR/3 3 à partir d'une station
de réception réalisée au laboratoire d'Analyse et d Application
du Rayonnement (LAAR) ; Les images résultantes représen-
tées sont issues d’une capture d’écran, à l’aide du logiciel
PCNOAA
Image brute HRPT Image albédo HRPT
Fig.11 Résultat de calibration de canal 1 par
le logiciel PCNOAA
Image brute HRPT Image TB albédo HRPT
Fig.12 Résultat de calibration de canal 2 par
le logiciel PCNOAA
Image brute HRPT Image HRPT
Fig.13 Résultat de calibration de canal 3 par
le logiciel PCNOAA