Zpracování dat ze senzorů CASI a SASI

Postup zpracování dat je dobře patrný na následujících grafech zobrazujících spektrálních charakteristiky dvou vzorových pixelů (vegetace, půda) po jednotlivých krocích zpracování. Příklady jsou uvedeny pouze pro VNIR spektrální oblast.

spektralni_krivka

Spektrální charakteristiky dvou vzorových pixelů (vegetace- silnější křivka, půda – tenčí křivka) zobrazené po jednotlivých krocích zpracování. První graf zobrazuje surové hodnoty (digital numbers) nasnímané senzorem. Druhý graf zobrazuje hodnoty převedené na fyzikální veličinu (radiance) po radiometrických korekcích. Třetí graf zobrazuje hodnoty po atmosférických korekcích (odrazivost).

Radiometrické korekce
Základní postup radiometrických korekcí se skládá z odečtení pozaďového šumu (dark subtract) a převodu surových hodnot nasnímaných senzorem (DN – digital numbers) na fyzikálně definované jednotky radiance. Radiometrické korekce naměřených dat jsou prováděny v programu RadCorr (Itres Ltd) pomocí laboratorně určených kalibračních parametrů, které jsou určovány pro každý pixel matrice senzoru. Hodnoty finálních obrazových dat jsou uvedeny v radiometrických jednotkách [μW cm-2 sr-1 nm-1].

mereni kalibracnich parametru

Ukázka laboratorního určování radiometrických kalibračních koeficientů sensoru SASI-600 na CzechGlobe.

V průběhu radiometrických korekcí je možno korigovat data od dalších nežádoucích vlivů negativně ovlivňujících nasnímaná hyperspektrální data.

Scattered light correction: Korigování světla rozptýleného v optickém systému senzoru je důležité zejména u senzoru CASI-1500. Korekce je prováděna pro jednotlivé řádky. Množství rozptýleného světla je detekováno pomocí definovaných sloupců čipu, na které nedopadá obrazový signál. Pro sensor SASI-600 je možno množství rozptýleného světla modelovat pomocí obrazových dat nasnímaných v atmosférických absorpčních pásech.

Frame Shift Smear Correction: Korigování přidaného signálu vznikajícího při přesunu naměřených dat z čipu na datové úložiště je prováděno zejména u senzoru CASI-1500. Přidaný signál je odstraňován pro jednotlivé nasnímané řádky v průběhu odečtu dark current.

Second Order Light Correction: Koriguje efekt způsobený difrakční mřížkou při širokém spektrálním rozsahu senzoru CASI-1500. Efekt způsobuje umělé navyšování signálu na určitých vlnových délkách. Efekt je korigován pomocí modelu založeného na laboratorních experimentech s daným senzorem.

Bad Pixel Interpolation: Detekce vadných pixelů je důležitá zejména pro senzory SASI-600 a TASI-600 s detektorem vybaveným citlivou vrstvou z MCT- Mercury Cadmium Telluride materiálu. Hodnota vadných pixelů je nahrazena interpolovanou hodnotou z okolních prostorových nebo spektrálních pixelů. Data nasnímaná senzorem CASI-1500 vybaveným CCD čipem vadné obvykle pixely neobsahují.

Residual Correction: Korekci využívající homogenizovaná Uniformity data naměřená na začátku a konci každé letové linie je možno využít v případě nahodilých efektů ovlivňující jednotlivé pixely, které není možné odstranit v průběhu standardního zpracování. Např. částečné zakrytí prachovými částicemi.

Georeferencování 
Georeferencování je provedeno metodou parametrického geokódování za pomoci dat pořízených GNSS/IMU jednotkou a digitálního modelu terénu v programu GeoCor (Itres ltd.). V jednom kroku jsou provedeny geometrické korekce, ortorektifikace i georeferencování dat. Pro převzorkování dat do souřadnicového systému je použita metoda nejbližšího souseda (nearest neighbor). Hyperspektrální data jsou obvykle georeferencována do souřadnicového systému UTM (zóna 33N, ETRS-89). Data jsou obvykle mozaikována metodou „Min. nadir“, kdy je v případě překrytu dvou linií do mozaiky umístěn pixel, který je blíže nadiru. Tato metoda mozaikování spolehlivě vylučuje okrajové pixely více zatížené BRDF efektem.

Sloučení CASI a SASI dat 
Pro spektrální analýzy je vhodné mít data sloučena do jedné hyperspektrální datové kostky v plném spektrálním rozsahu senzoru CASI i SASI. Sloučení dat je prováděno pro georeferencované hyperspektrální datové kostky CASI a SASI. Vzhledem k vyššímu prostorovému rozlišení senzoru CASI jsou CASI data převzorkována do rozlišení senzoru SASI. Pro převzorkování byla použita metoda „pixel agrregate“.

Z důvodu zachování vyššího prostorového rozlišení senzoru CASI-1500 jsou data předávána ve dvou variantách. Data pořízena senzorem CASI-1500 jsou odevzdána samostatně a následuje hyperspektrální datová kostka se sloučenými daty ze senzorů CASI-1500 a SASI-600.

Atmosférické korekce 
Signál odražený od povrchu a změřený leteckým spektroradiometrem je vždy ovlivněn průchodem tou části atmosféry, která je v daném okamžiku mezi sluncem, povrchem a senzorem. Při průchodu záření atmosférou dochází zejména ke dvěma jevům – absorpci a rozptylu. Při průchodu záření atmosférou dochází k absorpci záření ve specifických vlnových délkách. Různé složky atmosféry absorbují záření v různých vlnových délkách, např: vodní pára – 0,94; 1,14; 1,38 a 1,88 μm, kyslík – 0,76 μm, oxid uhličitý 2,08 μm. Zejména v důsledku rozptylu se signál změřený senzorem neskládá jen ze signálu měřeného povrchu. Rozptylem je ovlivněna zejména část záření s vlnovou délkou menší než 1 μm. Měřený signál (L – radiance) se tedy skládá z: path radiance – záření rozptýleného atmosférou (L1), reflected radiance – záření odraženého od měřeného povrchu (L2) a adjacency radiance – záření odraženého od objektů sousedících s měřeným povrchem (L3). L=L1+L2+L3

slozeni zareni

Schématické znázornění složení záření měřeného senzorem. L1 = path radiance, L2 = reflected radiance, L3 = adjacency radiance.

Atmosférické korekce založené na modelech radiativního transferu (model přenosu záření atmosférou) umožňují výpočet absolutní odrazivosti bez předchozí znalosti reflektančních vlastností povrchu. Tento výpočet je rozdělen do dvou částí: odhad atmosférických parametrů a výpočet odrazivosti povrchu. Hlavními parametry atmosféry, které jsou relevantní pro atmosférické korekce, jsou: druh i množství aerosolů (AOT) a obsah vodních par. To jsou parametry, které významně ovlivňují procházející záření a mohou se  v průběhu času měnit. Parametry atmosféry mohou být měřeny sunphotometrem  v rámci terénních podpůrných měření nebo mohou být odhadnuty přímo z nasnímaných dat. Vlastní výpočet odrazivosti (reflektance) je potom založen na look-up tabulkách generovaných pomocí modelu radiativního transferu. Při modelování je pro každou vlnovou délku, kombinaci parametrů atmosféry a letovou hladinu vypočtena příslušná transmitance atmosféry. Pokud předpokládáme plochý terén bez adjacency efektů a bezmračné podmínky, pak může být radiance na úrovni senzoru (L) vyjádřena jako:

L = L1 + ρτEg1/π

kde L1 je path radinace, ρ – odrazivost povrchu, τ – transmitance atmosféry vypočtená jako součet přímé a difúzní transmitance, Eg – globální iradiance na úrovni povrchu, vypočtená jako suma přímé a difúzní iradiance pro povrch s nulovou reflektancí. Jelikož všechny členy rovnice kromě ρ jsou známé (změřené nebo získané z modelu), je možné vypočítat odrazivost měřeného povrchu.

Z důvodu vyloučení vlivu aktuálního stavu atmosféry na snímaná data, zejména vlivu aerosolů a atmosférických plynů jak je popsáno výše, jsou v programu ATCOR-4 (ReSe Aplication Schlapfler/DLR) provedeny atmosférické korekce nasnímaných dat s použitím radiativního modelu atmosféry MODTRAN. V průběhu korekcí je korigována L1 path radiance i L3 adjacency radiance a výsledná odrazivost je vypočtena z L2 (reflected radiance). Výsledná atmosféricky korigovaná data jsou vyjádřena v hodnotách odrazivosti (reflektance) na úrovni povrchu. Hodnoty odrazivosti jsou v datech vynásobeny konstantou 100 tzn. Hodnota 1000 značí odrazivost 10.00%.

Pro minimalizaci BRDF efektu je obvykle použit modul BREFCOR, jehož výstupem je korekce každého pixelu na odrazivost jakou by měl pokud by byl nasnímán v nadiru. Ukázka dvou mozaikovaných linií bez provedení korekce v modulu BREFCOR viz. MapServer

Více informací o leteckém dálkovém průzkumu můžete nalézt v monografii: Letecký dálkový průzkum Země.

Standardní výstupy:

  • odrazivost na povrchu v prostorovém rozlišení senzoru CASI (spektrální rozsah 400-1000nm)
  • odrazivost na povrchu v prostorovém rozlišení senzoru SASI (spektrální rozsah 400-2400nm)