Global scale top of atmosphere reflectance end-to-end cross-calibration: evaluation of using an hyperspectral imager as a calibration transfer between Landsat-9 and Sentinel-2 missions

Optical space-based sensors used for Earth Observation (EO) purposes can detect the solar radiation that is reflected from the Earth’s surface. This precious information is used, among others, to monitor the Earth’s climate and its changes. To study them, decades of trends and variations need to be analyzed, making the combination of data coming from different satellites unavoidable. This thesis proposes an end-to-end global-scale approach for the Landsat-9 (L9) and Sentinel-2 (S2) cross-comparison (for S2A and S2B), using the hyperspectral imager mounted onboard EMIT as a calibration transfer. This would simulate the work of a plausible SI-Traceable Satellite (SITSat). Firstly, the Simultaneous Nadir Overpass approach is used to cross-compare the three single couples and, secondly, the double-differencing technique is implemented to indirectly compare L9 and S2, using indeed EMIT as a calibration transfer. Top Of Atmosphere (TOA) reflectance measurements are compared for the VNIR and SWIR spectral bands, using its mean values inside 1x1km calibration sites to reduce measurements noise. Results show a systematic pattern when comparing L9 and S2, where L9 always passes in average 14 minutes before S2 and for mostly of the cases they are in opposite positions compared to the Earth. On the contrary, L9 or S2 comparisons with EMIT do not show them. The relative error for the single cross-comparisons always stays below the combined uncertainty, for reflectance values greater than 0.2, revealing that the proposed methodology produces affordable sites for cross-calibration purposes. The indirect L9 vs S2 cross-comparison results in a nearly-constant error for the visible bands (in between -2.5% and zero) and for the NIR band (in between -0.5% and 0.5% for reflectance values greater than 0.3), whereas for the direct one results are worst. For the SWIR bands, the error reaches values of 5% approximately because of high error in the L9 vs EMIT cross-comparison. The hyperspectral nature of the EMIT sensor allows to overcome the usual problems when comparing multispectral optical satellite sensors. Further, the indirect comparison between Landsat-9 and Sentinel-2 does not suffer from the systematic differences obtained in the direct comparison, thanks to the non-polar and non-Sun-synchronous orbit of EMIT. Indeed, the proposed SITSat missions have, among others, these precise theoretical benefits, that seemed confirmed from the very first results of this thesis.

La classe dei sensori ottici a bordo di piattaforme satellitari, usati per osservazione della Terra (Earth Observation, EO), hanno la capacità di misurare la radiazione solare riflessa dalla superficie terrestre. Tra le varie applicazioni, questa preziosa informazione è utilizzata per monitorare il clima della Terra ed i suoi cambiamenti. Quest'ultimi, per essere studiati e per scovare tendenze, hanno bisogno di essere osservati a lungo, anche per decenni, rendendo indispensabile l'aggregazione di dati provenienti da diversi satelliti. Questo progetto di tesi propone un approccio globale, dall'inizio alla fine, di calibrazione incrociata fra Landsat-9 (L9) e Sentinel-2 (S2, sia S2A che S2B), usando il sensore ottico iperspettrale montato a bordo di EMIT come riferimento intermedio. Questo simulerebbe l'uso di un possibile satellite di tipo SIT (SI-Traceable). Inizialmente, per comparare singolarmente le tre coppie delle tre missioni, viene utilizzato l'approccio SNO (Simultaneous Nadir Overpass) e, dopo questo, viene implementata la tecnica di calibrazione incrociata basata sulla doppia-differenza (cross-calibration double-differencing technique) per comparare indirettamente L9 e S2, usando appunto EMIT come referenza intermedia. Per le comparazioni incrociate, la misura radiometrica utilizzata è la riflettanza al confine con l'atmosfera (TOA, Top Of Atmosphere), per le bande nel visibile e vicino infrarosso (VNIR) e quelle nell'infrarosso ad onda corta (SWIR). Per ridurre l'effetto del rumore nelle misure radiometriche, viene estratto ed utilizzato il valore medio della riflettanza, calcolato su siti di calibrazione che si estendono su aree di un chilometro quadrato. I risultati mostrano una differenza sistematica per la comparazione diretta fra Landsat-9 e Sentinel-2, con L9 che acquisisce le misure in media 14 minuti prima di S2 e per la maggior parte dei casi i due satelliti si trovano in posizioni opposte rispetto alla Terra. Le singole comparazioni di L9 o S2 con EMIT, invece, non presentano nessuna differenza sistematica. L'errore relativo per le singole comparazioni incrociate risulta sempre minore delle incertezze di misura complessive, per valori di riflettanza maggiori di 0.2, mostrando come la metodologia proposta sia adatta a trovare siti di calibrazione. La comparazione indiretta fra L9 e S2 presenta un errore quasi costante per le bande nel visibile (compreso fra -2.5% e zero), come per la banda nel vicino infrarosso (compreso fra -0.5% e 0.5% per valori di riflettanza maggiori di 0.3), mentre per la comparazione diretta gli errori relativi sono più alti. Per le bande infrarosse ad onda corta, l'errore sale ad un valore del 5%, dovuto principalmente all'errore nella comparazione diretta fra L9 ed EMIT. La natura iperspettrale del sensore montato a bordo di EMIT, permette di evitare i problemi che comunemente si affrontano quando due sensori ottici multispettrali e a bordo di piattaforme satellitari vengono comparati. Inoltre, le differenze sistematiche che si ottengono quando Landsat-9 e Sentinel-2 vengono comparati in modo diretto, vengono cancellate nella comparazione indiretta, cioè quando EMIT viene usato come riferimento intermedio, grazie alla sua orbita non-polare e non-eliosincrona. Le missioni SITSat presentano, fra i tanti, anche questi fra i loro benefici teorici, che sembrano confermati dai primi, embrionali, risultati di questa tesi.