Retrieval of Surface Reflectance from Hyperspectral Data Using a Look-up Table Approach

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Abstract
Une procédure basée sur une table de recherche à cinq dimensions (LUT) a été élaborée pour l'extraction de la réflectance de surface à partir de données hyperspectrales aéroportées et satellitaires. Cette procédure est applicable dans la région du visible et du moyen infrarouge jusqu'à 2700 nm. Les dimensions de la table de recherche sont: la longueur d'onde; la position du pixel; le contenu en vapeur d'eau de l'atmosphère; l'épaisseur optique des aérosols; et l'altitude du terrain. Les tables de recherche sont composées de données simulées de radiance au capteur générées par les codes de transfert radiatif (RT) M5S (5S modifié), LOWTRAN7, MODTRAN2 ou MODTRAN3. Les réflectances de surface sont compilées par: convolution des données LUT avec la dimension de la longueur d'onde définie par les profils de réponse spectrale des bandes du capteur; interpolation si nécessaire dans les quatre autres dimensions; ajustement des données à une équation paramétrique. Des caractéristiques additionnelles de la procédure comprennent la prise en compte des couches d'aérosols et de gaz atmosphériques en fonction de l'altitude, l'estimation du contenu en vapeur d'eau de l'atmosphère basée sur les scènes, l'élimination au premier ordre des effets d'environnement du pixel et le choix de différentes fonctions d'irradiance solaire exo-atmosphérique. La procédure LUT peut être appliquée à des cubes-images ou des spectres individuels en mode simulation (radiance au capteur) ou correction (réflectance de surface). Elle s'opère dans le système ISDAS (Imaging Spectrometer Data Analysis System) qui permet de l'exécuter avec d'autres outils applicables à l'extraction de la réflectance de surface, tels que le pré-traitement des données, le post-traitement et la visualisation. Des tests de performance montrent une bonne correspondance entre la procédure LUT et celle utilisant les codes RT réels. Des erreurs relatives totales d'au plus ±1.3% ont été atteintes dans le cas de MODTRAN2. Ces erreurs sont d'un facteur environ 0.4 fois plus faible que dans le cas de M5S. Des comparaisons entre les réflectances extraites des mesures au sol et celles de la procédure LUT indiquent en général une correspondance relative meilleure que 6% pour les cas présentés dans l'article. Ce résultat a été atteint en utilisant MODTRAN3. Quoique le temps de calcul requis pour traiter un cube-image peut être assez long, la procédure LUT est nettement plus rapide que le passage machine d'un code RT sur une base pixel par pixel. Par exemple, cela prend 15 heures environ pour traiter un cube entier d'image AVIRIS (Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer) de 614 pixels par 512 lignes par 224 bandes sur une station ULTRASPARC 1 en utilisant les procédures LUT générées à partir de 150 passages machine de MODTRAN3. Ceci est à peu près 3100 fois plus rapide que le passage machine de ce code sur la base du pixel individuel. Le temps de traitement pour le même cube peut être réduit à approximativement 4 heures (130 fois plus rapidement qu 'avec les passages machine de codes RT individuellement) si l'on utilise M5S au lieu de MODTRAN3. Dans ce cas, la précision est réduite, spécialement dans les bandes d'absorption atmosphérique.