Διάδοση της ακτινοβολίας μέσα από την ατμόσφαιρα. Εφαρμογή & αξιολόγηση αλγόριθμων απόλυτων ατμοσφαιρικών διορθώσεων σε τηλεπισκοπικά δεδομένα

Abstract

Στόχος της εφαρμογής των ατμοσφαιρικών διορθώσεων είναι ο προσδιορισμός των πραγματικών τιμών της ανακλαστικότητας της επιφάνειας και η ανάκτηση των φυσικών παραμέτρων της Γήινης επιφάνειας, απαλείφοντας τις ατμοσφαιρικές επιπτώσεις από τις πολυφασματικές ή τις υπερφασματικές απεικονίσεις. Οι ατμοσφαιρικές διορθώσεις είναι αναμφισβήτητα το πιο σημαντικό μέρος της προ-επεξεργασίας των τηλεπισκοπικών απεικονίσεων, ειδικότερα στις περιπτώσεις, όπου απαιτείται η σύγκριση και η ανάλυση απεικονίσεων που έχουν ληφθεί σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Η βασική ιδέα στην οποία στηρίζονται οι αλγόριθμοι απόλυτων ατμοσφαιρικών διορθώσεων είναι ο καθορισμός των οπτικών ιδιοτήτων της ατμόσφαιρας, κατά τη στιγμή της λήψης και στη συνέχεια η αξιοποίηση τους για τη διόρθωση της απεικόνισης. Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η εφαρμογή και η αξιολόγηση αυτών των διορθώσεων. Το θεωρητικό υπόβαθρο των αλγόριθμων απόλυτων ατμοσφαιρικών διορθώσεων αποτελείται από τρεις βασικές ενότητες: 1) τη διάδοση της ακτινοβολίας διαμέσου της ατμόσφαιρας, 2) τη μοντελοποίηση αυτής της διεργασίας και 3) τις μεθόδους επεξεργασίας εικόνων, μέσω των οποίων γίνεται η εφαρμογή της τελικής διόρθωσης στις τηλεπισκοπικές απεικονίσεις. Στο πλαίσιο της συγκεκριμένης εργασίας γίνεται ανάπτυξη και των τριών ενοτήτων. Η δεύτερη ενότητα λειτουργεί συμπληρωματικά στην πρώτη και ουσιαστικά περιγράφει πως από το καθαρά θεωρητικό υπόβαθρο της διάδοσης της ακτινοβολίας καθίσταται δυνατή η χρήση του σε τηλεπισκοπικές εφαρμογές. Η ανάλυση αυτή έγινε ώστε να γίνει κατανοητό ποιες είναι οι παράμετροι (δηλ. οι οπτικές ιδιότητες της ατμόσφαιρας) που επηρεάζουν τη συγκεκριμένη φυσική διεργασία, πόσο σημαντική είναι η επίδραση της κάθε μιας και τελικά ποιες από αυτές λειτουργούν ως δεδομένα εισόδου στους αλγόριθμους διόρθωσης. Το επόμενο βήμα είναι η μελέτη των αλγόριθμων επεξεργασίας εικόνας που αναπτύχθηκαν με στόχο να εκπληρώσουν αυτόν το στόχο και κυρίως αυτών που περιέχονται στο λογισμικό ATCOR. Η μελέτη αυτή έγινε λαμβάνοντας υπόψιν με ποιο τρόπο χρησιμοποιούνται τα δεδομένα που προέκυψαν από το εκάστοτε μοντέλο, τι πληροφορίες εξάγονται από τις τηλεπισκοπικές απεικονίσεις που πρέπει να διορθωθούν και ποιες είναι οι βασικές φυσικές θεωρήσεις που κάνουν οι αλγόριθμοι. Μελετώντας το αντικείμενο συνολικά είναι δυνατή η αξιολόγηση της ακρίβειας, της πληρότητας και της αξιοπιστίας της κάθε μεθόδου ατμοσφαιρικής διόρθωσης, καθώς είναι γνωστό ποια φαινόμενα λαμβάνονται υπόψιν, πως τα αντιμετωπίζουν, αλλά και τι παραδοχές κάνουν γενικά. Σε πρακτικό επίπεδο έγινε μελέτη δύο διαφορετικών μεθοδολογιών αξιολόγησης σε δορυφορικά και αερομεταφερόμενα υπερφασματικά δεδομένα. Η πρώτη είχε ως στόχο την σχετική αξιολόγηση τριών αλγορίθμων απόλυτων ατμοσφαιρικών διορθώσεων (ATCOR-2, FLAASH & QUAC) και μιας μεθόδου σχετικών ατμοσφαιρικών διορθώσεων (Multi-temporal Normalization Method - MNM) σε υπερφασματικά δεδομένα του δέκτη Hyperion. Για την επιλεγείσα περιοχή δεν ήταν διαθέσιμες επίγειες μετρήσεις με ραδιόμετρο, έτσι η συγκεκριμένη αξιολόγηση περιορίστηκε στη σύγκριση των φασμάτων ανακλαστικότητας που προέκυψαν από την κάθε μέθοδο. Στη συνέχεια έγινε η αξιολόγηση της ατμοσφαιρικής διόρθωσης σε υπερφασματικά τηλεπισκοπικά δεδομένα υψηλής χωρικής ανάλυσης από τον αερομεταφερόμενο δέκτη CASI-550 που απεικονίζουν αποκλειστικά επιφάνειες ξηράς ή θάλασσας. Η παρούσα διπλωματική εργασία ανέδειξε τη σημασία των ατμοσφαιρικών διορθώσεων και την αναγκαιότητα εφαρμογής τους κατά την προεπεξεργασία των τηλεπισκοπικών δεδομένων, ιδιαίτερα στην περίπτωση των αερομεταφερόμενων υπερφασματικών απεικονίσεων.

The object of applying an atmospheric correction is to determine true surface reflectance values and to retrieve physical parameters of the Earth’s structure, by removing atmospheric effects from multispectral or hyperspectral remotely sensed imagery (Hadjimitsis et al., 2010). Atmospheric correction is arguably the most important part of the pre-processing of satellite remotely sensed data, especially in cases where multi-temporal images are to be compared and analyzed. The fundamental concept of atmospheric correction is to determine the optical characteristics of the atmosphere at the time of the image acquisition, and then to introduce them in a radiative transfer model so as to correct the remotely sensed imagery. The object of this diploma thesis is the study, the application and the evaluation of atmospheric corrections. The theoretical background of atmospheric correction consists of 1) the radiative transfer (RT) through the Earth’s atmosphere, 2) the modeling of this physical process and 3) the image processing methods employed, so as to correct the image data. In this thesis the first and the third section are being presented in detail, while the second focuses on the link between the RT theory and how it is being utilized in remote sensing applications. The main objects of this thesis was firstly to present the optical parameters of the atmosphere that affect the radiative transfer through it, how important is the contribution of each one of them into the RT, which of them are employed as input parameters to atmospheric correction algorithms; and secondly, the in-depth study of the algorithms employed by the various atmospheric correction software packages and especially the ones used by ATCOR. The study was done considering how the correction algorithms utilize the input data from each RT model, what information do they derive from the remote sensing data, and finally what are the basic physical considerations they need to make. Studying the aforementioned three section as a whole, it is possible to evaluate the accuracy, the completeness and the reliability of each atmospheric correction method, as it is known what phenomena takes into account and how does it treat them. For evaluating the performance of atmospheric correction software, two different hyperspectral datasets have been used. Firstly, a time series of spaceborne hyperspectral data from Hyperion has been employed, in order to test three absolute correction algorithms (ATCOR-2, FLAASH & QUAC) and one relative correction algorithm (Multi-temporal Normalization Method - MNM). For this study area, there weren’t available in-situ radiometer measurements, so the evaluation was based in the normalized relative differences of the derived spectra from each image for every correction method applied. Secondly, ATCOR-4 was evaluated using airborne hyperspectral data from CASI-550 for two different locations, one over sea and the other one over land, both coupled with in-situ ground truth measurements. This thesis highlighted the importance of the application of atmospheric correction on remote sensing data and its importance as a preprocessing step, especially in the case of airborne hyperspectral imagery.