Quel est l’angle solaire zénithal maximum dans les produits Sentinel-2 ?

Simon Gascoin, 28 février 2024

Pour certaines applications il est utile de connaître l’angle solaire au moment de l’acquisition d’un produit Sentinel-2. Par exemple pour notre chaine de détection de la neige LIS nous avons besoin de pré-calculer les ombres créées par le relief à partir d’un MNT. Cela nous permet d’améliorer la détection de la neige dans les zones à l’ombre. Pour savoir si un pixel est à l’ombre, il faut tester si des pixels placés dans la direction du soleil ont une altitude assez élevée pour masquer le soleil. L’algorithme va devoir parcourir un nombre de pixels de plus en plus grands plus le soleil est bas à l’horizon, ce qui peut entrer en conflit avec la fenêtre du MNT chargée en mémoire. Comme notre chaîne tourne en contexte opérationnel nous devons être vigilants vis à vis des cas limites.


                          _____
                        x|     |  ^
                    x    |     |  | Height
               x   __    |     |  |
      ____p_______|  |___|     |__v____________
          <-------------->
              Distance

Extrait de la docstring de la classe hillshade du logiciel rastertools.

Schematic illustration of the Solar Zenith Angle (SZA) and Viewing Zenith Angle (VZA) for observations from satellite-based instrument.

Nous avons ainsi été amenés à nous demander quel est l’angle solaire zénithal maximal possible dans les produits Sentinel-2 ? Je n’ai pas trouvé cette information dans la documentation de la mission Sentinel-2. Les utilisateurs de Sentinel-2 savent sans doute qu’il n’y a pas d’images en hiver dans les régions proches des pôles, car l’angle solaire zénithal est trop élevé à l’heure d’acquisition (~10:30 heure locale) si bien que la lumière est insuffisante pour éclairer la scène.

Heureusement, la valeur de l’angle solaire zénithal est fournie dans les métadonnées de chaque produit (notamment la valeur moyenne dans la tuile). Il est donc possible d’évaluer empiriquement la distribution des angles solaires. Sur la période 01-Jan-2022 au 31-Dec-2022 la valeur maximale dans tous les produits L1 disponibles dans le catalogue de Google Earth Engine est 86,2°, soit une élévation solaire de 3,8° ! Autant dire un soleil déjà très rasant… On voit sur la carte ci-dessous que l’ESA pousse les acquisitions le plus tard possible en Europe du Nord

Bien sûr la majorité des acquisitions est faite lorsque le soleil est plus proche du zénith, comme le montre l’histogramme ci-dessous également calculé à partir de tous les produits L1C de l’année 2022.

Le code suivant permet de générer les résultats ci-dessus dans Earth Engine.

// Earth Engine code
var s2 = ee.ImageCollection("COPERNICUS/S2_HARMONIZED")
  .filterDate('2022-01-01','2022-12-31')//.limit(10000);
var p = 'MEAN_SOLAR_ZENITH_ANGLE';
var szamax = s2.aggregate_max(p);
var get_sza = function(im){
  var sza = im.metadata(p).clip(im.geometry());
  return sza;
};
var s2sza = s2.map(get_sza);
var im_szamax = s2sza.select(p).max();
print('Max SZA of all products',szamax);
print(ui.Chart.feature.histogram(s2, p, null, 1));
Export.image.toDrive(im_szamax, 'SZA', 'GEE', 'SZA', null, null, 10000);

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