AT500348A1 - Verfahren zur bilddatenorientierten atmosphärischen korrektur von satellitenbildern bei der auswertung, erdbeobachtung und kartierung vegetationsdominierter gebiete - Google Patents

Description

Patentschrift

Verfahren zur bilddatenorientierten atmosphärischen Korrektur von Satellitenbildern bei der Auswertung, Erdbeobachtung und Kartierung vegetationsdominierter Gebiete. 4<|ng- Harald Orthaber LacRnecgasse 43/4 1170 WienTAustria

BESCHREIBUNG

Inhaltsübersicht

Technisches Gebiet, Einleitung Stand der technischen Entwicklung Beschreibung des Verfahrens

Technisches Gebiet, Einleitung

Die vorliegend zum Patentanspruch angemeldete Erfindung ist dem Fachgebiet der Satellitenfernerkundung und der Satellitenbilddatenauswertung zuzuordnen.

Erdbeobachtungssatelliten erlangen zunehmend an Bedeutung. Besonders die zivile Nutzung hochauflösender Femerkundungssysteme eröffnen ein zukünftig umfassendes Anwendungsspektrum.

Eines der Produkte von Femerkundungssystemen sind Satellitenbilddaten, deren Auswerteprozess mehrere Schritte umfasst. Ein elementarer Schritt ist der Vorverarbeitungsprozess. Davon ist wiederum die atmosphärische Korrektur ein wichtiges Detail. Die atmosphärischen Aerosoldichten unterliegen besonders in bergigen Arealen engräumigen Schwankungen. Zudem werden zunehmende Luftverunreinigungen mit Sicherheit zukünfig wachsende Probleme in den femerkundlichen optischen Fenstern mit sich bringen. All dies beeinflusst empfindlich die Auswertung mit sogenannten Vegetationsindizes, da der atmosphärische Einfluss, abnehmend vom kurzwelligen blauen Spektralbereich bis zum Inffarotbereich, unterschiedlich ist.

Bislang wurden die notwendigen atmosphärischen Parameter zur Korrektur nur punktuell durch meteorologische Einzelmesswerte oder abgeleitet aus den Bilddaten über dunkle Oberflächen (tiefe Gewässer, Schatten) erfasst. Nun wird durch das vorliegende Verfahren die

Erfassung der atmosphärischen Korrekturparameter auch über visuell hell erscheinende vegetationsbedeckte Oberflächen erweitert. Dadurch wird es erstmals ermöglicht in vegetationsbedeckten gebirgigen Regionen kleinräumige atmosphärische Bilddatenkorrekturen durchzufiihren. Weiters ist bei vertretbarer Verminderung der Genauigkeit der Einsatz von Höheninformationen (digitales Geländemodell oder Oberflächenmodell) beim Korrekturablauf nicht zwingend notwendig, was sich unter gewissen Voraussetzungen als äußerst günstig (bei schlechter Datenverfügbarkeit) und oft als einzig gangbarer Weg zur entscheidenden Aufwands- und Kostenreduktion für knapp bemittelte Projektanwendungen erweist.

Stand der technischen Entwicklung

Zur atmosphärischen Korrektur von Satellitenbilddaten existieren bereits eine Reihe von Routinen, die auf physikalischen Atmosphärenmodellen basieren (mit unterschiedlich exakten Strahlungstransportmodellierungen) sowie Verfahren, die auf eine solche verzichten. Letztere verwenden stattdessen zum Teil einfache Korrekturen der Bilddaten über Histogrammanalysen oder Korrekturen mittels aus den Bilddaten abgeleiteter sogenannter Streulicht(haze)parameter. Die angeführten Beispiele von Korrekturmodellen werden nur soweit behandelt, wie sie dem Verständnis der vorliegenden Entwicklung dienlich sind. Weitere Details sowie Grundlagen der Satellitenfemerkundung sind über die Literaturliste in Erfahrung zu bringen (s. z.B. Richter, Popp, Kaufman, Kattenborn). Eine wissenschaftliche Abhandlung ist in der als Dissertation an der TU Dresden eingereichten Arbeit mit dem Titel “Bilddatenorientierte atmosphärische Korrektur und Auswertung von Satellitenbildem zur Kartierung vegetationsdominierter Gebiete. Ein Beitrag zum Ingenieurwesen für Umweltfragen“ (Orthaber, 1999) zu entnehmen.

Im Zusammenhang mit dem vorliegend beschriebenen Verfahren sind besonders jene Verfahren interessant, die möglichst wenig (oder gar keine) Zusatzdaten (z.B. meteorologische Daten) für die Korrektur benötigen. Die Parameter werden aus dem Bild selbst erfasst. Bilddaten vom TM-Scanner der Satellitenplattform Landsat ermöglichen z.B. die Ableitung eines sogenannten ’haze’-Parameters. Er wird für das Tasseled Cap Verfahren [s. z.B. Lavreau, 1991] ausgenutzt. Popp (1993) bezieht neben der grundsätzlichen Verwendung eines physikalischen Modells aus ähnlichen Ableitungen Zusatzdaten für sein Korrekturverfahren, allerdings gegenüber dem vorliegenden Verfahren nur im beschränkten Umfang (über dunkle Oberflächen). Trotz des anderen methodischen Zugangs des zuletzt genannten Verfahrens muss an dieser Stelle erwähnt werden, dass letztlich die Gesamtgenauigkeit der Korrektur entscheidend von diesen Zusatzdaten abhängt!

Korrekturmodelle basierend auf physikalischen Strahlungstransport:

Eines der derzeit bekannten Atmosphärenmodelle, das in Form spezieller Programmpakete Operationen zur atmosphärischen Korrektur eingesetzt wird, ist das Lowtran-Modell (Low Resolution Transmission Code). Richter (1992) modifiziert und integriert das Modell zu einem Tabellenverfahren (ATCOR).

Das Modell berücksichtigt verschiedene atmosphärische Standardmodelle mit optionaler Integration von aktuellen Ballonaufstiegen, es berücksichtigt radiometrische Referenzflächen (dunkle oder konstant reflektierende Flächen), die Höhenlage (interpolativ zwischen mehreren Werten verschiedener Meereshöhen) zur Errechnung der atmosphärischen Dicke sowie den Nachbarschaftseffekt. Ohne die Erfassung von lokalen Schwankungen der atmosphärischen Dicke bleibt das Modell aber entsprechend ungenau. Bereits die Modellungenauigkeit von

Lowtran7 (das 2-Strom Modell nähert die Mehrfachstreuung durch einen Term bestehend aus 2 isotropen Strahlungsrichtungen - nach oben und nach unten - an) beträgt 10 bis 20%. Nachfolgende Modelle (4 bis 8-Strom Modelle) sollen die Genauigkeit von Strahldichteberechnungen auf etwa 5% verbessern.

Das Korrekturpaket ATCOR2 bietet interaktiv die Möglichkeit zur Kontrolle und Optimierung des Korrekturvorgangs. Der Einfluß der Topographie wird mit Ausnahme der Höhenmodellierung nicht in den Rechenvorgang integriert. Eine Anwendung im engräumig reliefgegliederten Alpenraum ist daher nur sehr bedingt möglich. Die derzeit bereits erhältliche Version ATCOR3 bringt diesbezüglich eine Verbesserung.

Das Verfahren von Richter (ATCOR1 und 2) weist durch die Tabellarisierung hohe Operationalität auf. Es kann im flachen und nur mäßig reliefierten Gelände hohe Genauigkeit erreichen (Albedofehler von 0.03 in einem Wertebereich von 0.05 bis 0.5) Aber auch Modellungenauigkeiten von bis zu 20% können auftreten. Im gebirgigen Gelände werden mitunter aufgrund schnell wechselnder Aerosolkonzentrationen bzw. optischer Dicken (Feuchte, Höhenlage, klimatologische Kessellagen, Prallhänge u.a.) allerdings keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt. Ebenso treten entsprechende Probleme in industriellen städtischen Bereichen mit konzentrierten Rauchgasaerosolen auf.

Zur exakten atmosphärischen Korrektur werden bei den diversen Modellen Reliefinformationen miteinbezogen (Höhenmodell zur Berechnung der atmosphärischen Dicke, reliefabhängige nachbarschaftliche Sichtbeziehungen zur Erfassung der Streulichteffekte, ' Horizont-Sichtwinkelerfassung), Die Weiterenticklung des j5S-Modells (Tandre) zum 6S-Modeli verwendet Reliefinformationen zur Erfassung der Nachbarschaftseinflüsse (z.B. Überstrahlungseffekte).

Popp (1993) versucht den verfahrensimmanenten Absolutfehler der Korrektur mittels eines exakten iterativen Verfahrens, basierend auf SOS (Successive Orders of Scattering, s. POPP, 1993, S.44), auf einen beliebig genauen Wert zu reduzieren. Er stellt jedoch fest, dass die Albedofehler beim Inversionsverfahren durch Ungenauigkeiten der Zusatzdaten nur unvollständig berechnet werden können. Sie erreichen Genauigkeiten von ca. 0.1. Aerosol- und Bodentyp (Indikatrix) sind dabei die entscheidenden Unsicherheitsfaktoren [Popp, 1993, S.31], Der verfahrensimmanente Absolutfehler kann zwar stets unter 1% gehalten werden, die schon erwähnte Unzulänglichkeit nötiger Zusatzdaten vergrößert allerdings den Fehler wieder entsprechend.

Die letztendliche Genauigkeit des atmosphärischen Korrekturergebnisses hängt entscheidend von der Vorgabe der optischen Dicke ab. Eine wichtige Einflussgröße ist dabei die streuoptisch wirksame atmosphärische Schichtstärke. Diese ist wesentlich von der Meereshöhe abhängig. Damit bietet sich die Einbeziehung des Höhenmodells inklusive der Ableitung topographischer Parameter (Geländeneigung und -exposition) einerseits zur Modifizierung der Korrekturparameter gemäß RICHTER und andererseits eine höhenmodellbedingte Interpolation der Maske der optischen Dicke an. ’Haze’-Korrektur mittels Tasseled Can Transformation

Einerseits werden streng physikalische Modelle angestrebt, um exakte radiometrische Messwerte zu ermitteln, andererseits ist man aber geneigt, einen top-down Fernerkundungsanzatz zu verfolgen, mit dem möglichst aus den Bilddaten allein die gewünschte Information abgeleitet werden kann. Häufig bedient man sich dazu statistischer Verfahren. Statistische Verfahren können für eingeschränkte spezifische Operationen eine gute Alternative zu exakten physikalischen Verfahren oder einfacheren Näherungsverfahren sein. Die Gründe sind zu rechenintensive Operationen bei physikalisch exakten Verfahren, ungenaue Eingabedaten oder häufig zu große Fehler bei einfachen Näherungsverfahren. Besonders engräumige Schwankungen werden verursacht durch Einflüsse wie z.B. Dunstbereiche bei Kaltluftansammlungen, industrielle Abgase, natürliche Cirrenwolken oder schwache Kondensstreifen von Flugzeugen.

Aufbauend auf die Erfahrungen von Kauth in den 70er Jahren entwickelten CHRIST ET AL. (1984) die Tasseled Cap Transformation für Landsat5-TM-Daten zur Untersuchung land- und forstwirtschaftlicher Nutzflächen. Die vierte Komponente der Tasseled Cap Transformation erlaubt Rückschlüsse auf die atmosphärischen Streulichteinflüsse. LAVREAU (1991) verwendetet diese Transformation zur Ableitung einer linearen Beziehung zwischen ungetrübter und getrübter Atmosphäre.

Praktische Anwendung zeigten aber gravierende Fehlkorrekturen und verrauschte Ergebnisse. Diese unbefriedigende Situation einer zudem nur unvollständigen Korrektur führte schließlich nach umfangreichen Analysen (s. Orthaber, 1998) zur vorliegenden Verfahrensentwicklung mit weitgehendster Beseitigung der Mängel bis zur Erzielung einer vollwertigen atmosphärischen Korrektur. Im Zuge der vorangegangenen Analysen wurde eine Methode zur Reduzierung der auftretenden Rauscheffekte beim Tasseled Cap Parameter entwickelt (s. Restaurationsverfahren). Diese Methode wurde ebenfalls in ORTHABER (1998) im Zuge eines Workshops vorgestellt.

Beschreibung des Verfahrens

Voraussetzungen für die Anwendung des Verfahrens:

Zur Durchführung der atmosphärischen Korrektur nach der vorliegend entwickelten Methode sind vorerst mehrere Infrarotkanäle, der rote Spektralkanal und insbesondere der blaue Spektralkanal notwendig. Das Verfahren wurde anhand der Kanalkonfiguration von Landsat-TM getestet. Sensoren anderer Spektralkonfigurationen müssen erst getestet und die maßgebende haze-Komponente daraus optimiert werden. Der Verfahrensablauf und das Verfahrensprinzip bleibt davon aber unberührt. Bei manchen der neu geplanten Sensoren fehlt der blaue Spektralbereich. Jedoch wird glücklicherweise aufgrund der besseren Verkäuflichkeit zukünftiger hochauflösender Bilddatenprodukte (zur Echtfarbendarstellung) dieser Bereich nun meist eingeplant. Für Datenprodukte, die inklusive der visuellen Spektralkanäle nur vier Spektralkanäle besitzen, ist eine verlässliche Anwendung jedoch aufgrund einer noch fraglichen Ableitung der haze-Information derzeit nicht gesichert und muss erst geprüft werden.

Simulationstests für die Sicherstellung der atmosphärischen Korrektur

Da ein Feldversuch schon für eine kleine Datenmenge sehr aufwendig ist, wurde der Grundstein der Entwicklung anhand von Simulationsvergleichen mit einem gängigen physikalischen Atmosphärenmodell gelegt. Zur detaillierten Einsicht in die Ergebnisse wird auf Orthaber (1998) und in Form der wichtigsten Ergebnisse auf Orthaber (1999) verwiesen. In der vorliegenden Patentschrift werden nur einige für das Verständnis notwendige | Einzelheiten dargelegt.

Aus den Untersuchungen konnte nachweislich gezeigt werden, dass für den Korrekturvorgang nur Objektgruppen mit dichter bis mäßig dichter (spärlicher) Vegetation verwendbar sind. Unbewachsene Böden und technische Oberflächen (z.B. Asphalt- und Betonflächen) haben bei gleichbleibender atmosphärischer Situation einen sehr starken Einfluss auf die abgeleitete haze-Komponente und scheiden deshalb aus. Auch unterschiedliche Wasserflächen zeigen bereits stärkere Abweichungen und werden nicht für das vorliegende Korrekturverfahren empfohlen. Diese Erkenntnisse machen eine der Korrektur vorausgehende Ausmaskierung der Nicht-Vegetationsflächen nötig.

Verfahrensdurchführung zur atmosphärischen Korrektur

Die aus den Simulationstests mit dem Atmosphärenmodell Lowtran7 gewonnen Erkenntnisse werden zur Entwicklung eines praktikablen Korrekturverfahrens, das in vegetationsdominierten Gebieten die derzeitige Unzulänglichkeit anderer Verfahren entscheidend verbessern soll, herangezogen.

Die wesentlichen Anforderungen, die durch das Verfahren erfüllt werden, sind: - flexible Anwendbarkeit und Anpassung an möglichst viele Sensorsysteme, - schnelle Prozessierung wegen hoher Datendichten.

Gegenüber den im Kapitel “Stand der technischen Entwicklung“ erwähnten Korrekturverfahren entstehen folgende Vorteile: - Verwendbar im alpinen Gelände mit lokal differenzierten optischen Dicken, - kein Höhen-/Geländemodell notwendig, wenn nicht sehr hohe Genauigkeitsansprüche vorliegen müssen; dadurch Kosten- und Arbeitserspamis.

Eine entsprechende Softwareschnittstelle für die Nutzung von den derzeit am Markt erhältlichen physikalischen Atmosphärenmodellen für die Berechnung der für das vorliegende Korrekturverfahren notwendigen Parameter des Strahlungspfades muss noch flexibilisiert werden. Derzeit kann die Durchführung der Korrektur mit dem Modell Lowtran7 über manuelle Berechnungsschritte erfolgen.

Prozessschritte (lt. Blockdiagramm):

Die für die vorliegende Patentschrift relevanten Teile werden nachfolgend verbal beschrieben und nur der Kembereich mathematisch formuliert angegeben. Die Bedeutung der einzelnen Symbole sowie weitere mathematische Formeln und Algorithmen für die konkrete Ausführung sind aus Orthaber (1999) zu entnehmen. Das Blockdiagramm mit den Prozessschritten ist in Abbildung (1) ersichtlich.

Praktischer Verfahrensablauf - Arbeitsschritte: Für den praktischen Verfahrensablauf sind die im Blockdiagramm angeführten Prozessschritte in einen Gesamtablauf der Korrektur zu integrieren und um einige Arbeitsschritte zu erweitern. Insgesamt sind fünf Arbeitsschritte (ohne Überstrahlungskorrektur, die vorläufig nicht empfohlen wird) durchzuführen. Φ Wahl eines optimalen Atmosphärenmodells und des Aerosoltyps ri © Atmosphärische Erstkorrektur von TM3 und TM4 inklusive Restaurationsverfahren 2) ® Ausmaskieren von Nicht-Vegetationsflächen ® Kreation der Tasseled Cap4 Komponente mit Interpolation der Nicht-Vegetationsflächen ® Luftlicht- und Transmissionskorrektur anhand der Korrektur- und Anpassungs-fünktionen 3) (© Überstrahlungskorrektur) 4)

Eine Erfassung der Aerosoltyp-Verteilung wäre für eine genaue Korrektur unter Umständen nötig. Derzeit existiert dazu über Landflächen aber kein verlässliches Verfahren. 2) Die atmosphärische Erstkorrektur umfasst ebenfalls bereits zum Teil den Arbeitsschritt 4 sowie die Arbeitsschritte 5 (und 6). Aufgrund der noch fehlenden Ausmaskierung von Nicht- vegetationsflächen sind diese Flächen damit noch falsch korrigiert. Für deren nachfolgende Ausmaskierung hat dies jedoch kaum einen negativen Einfluss. 3) Die atmosphärische Korrektur ist durch komplexe Interaktionen zwischen Transmission, Streuung und Bodenreflexion der Strahlung in sich ein untrennbarer geschlossener Vorgang. Die Erfassung aller Korrekturparameter mit einem physikalischen Modell dokumentiert diesen Sachverhalt. 4) Die Überstrahlungskorrektur muss in das vorliegende Verfahren erst gesondert implementiert werden. f

Prozess-Schritt 1 Prozess-Schritt 2 Prozess-Schritt 3 Ergebnisse

Abbildung 1: Blockdiagramm zur Methode "TACOR". Für die Verfassung der Patentschrift relevante Verfahrensschritte

Als kennzeichnendes Merkmal werden bei diesem Verfahren zusätzlich zu den bei herkömmlichen Korrekturprozessen verwendeten visuell dunklen Reflexionsflächen (tiefe Gewässer, Schattenflächen) ebenfalls visuell hell reflektierende vegetationsbedeckte Oberflächen miteinbezogen. Dadurch wird es erstmals ermöglicht, in vegetationsbedeckten gebirgigen Regionen kleinräumige atmosphärische Bilddatenkorrekturen durchzuführen. Weiters ist bei vertretbarer Verminderung der Genauigkeit der Einsatz von Höheninformationen (digitales Geländemodell oder Oberflächenmodell) beim Korrekturablauf nicht zwingend notwendig, was sich unter gewissen Voraussetzungen als äußerst günstig (bei schlechter Datenverfiigbarkeit) und oft als einzig gangbarer Weg zur entscheidenden Aufwands- und Kostenreduktion für knapp bemittelte Projektanwendungen erweist.

Einige der Prozessschritte und Verfahrensablauf-Arbeitsschritte [s. nachfolgender Punkt (1)] innerhalb des Gesamtverfahrens sind für sich selbst gestellt nicht neu (deshalb außerhalb des Rahmens des Patentanspruchs gestellt), jedoch Voraussetzung für die operationelle Umsetzung des oben angeführten Merkmals. Andere Schritte erfassen den unmittelbaren Kembereich [s. nachfolgender Punkt (2)] der zum Patentanspruch erhobenen Schrittkombination. Dessen Erkenntnis wurden aus profünden Simulationstests abgeleitet. Das Verfahren ist prinzipiell im Ergebnis des Bilddatenprodukts unter Kenntnis des unkorrigierten Ausgangsbildprodukts und der vorgeblich angegebenen Verarbeitungsprozesse als solches nachweisbar. (1) Dem Kernbereich des Patentanspruchs vorausgehende Prozessschritte (lt. Blockdiagramm) und Verfahrensablauf-Arbeitsschritte:

Prozessschritt 1: Errechnung von strahlungsrelevanten atmosphärischen Parametern unter für das Verfahren spezifisch vorgegebenen Varianzen der atmosphärischen Bedingungen und Objektrefiexionsbedingungen.

Mittels einer zur Verfügung stehenden möglicht hochwertigen Software zur Simulation der atmosphärischen Strahlungsverhältnisse und Strahlungsgänge werden, unter Zugrundelegung von für das Verfahren repräsentativen Reflexionsoberflächen (Kardinalwerte unterschiedlicher Vegetationsoberflächen sowie von Totalschatten mit annähernd Reflexion Null) und von atmosphärischen Varianzen, atmosphärische Strahlungspfadparameter errechnet.

Verfahrensablauf-Arbeitsschritt Kreation eines homogenisierten ‘haze ’-Tasseled Cap-Bildkanals als Information für die kleinräumige atmosphärische Situation.

In diesem Arbeitsschritt werden bekannte Bildverarbeitungsoperatoren (Glättunsoperatoren und Maskierungen) verwendet. Der Arbeitsschritt ist für die nachfolgende Korrektur elementar. (2) Den Kernbereich des Patentanspruchs betreffende Prozessschritte und Verfahrensablauf-Arbeitsschritte:

Prozessschritt 2: Errechnung der eigentlichen Korrekturparameter für den Korrekturprozess im Prozessschritt 3 bzw. im Verfahrensablauf-Arbeitsschritt ®.

Die aus dem Prozessschritt 1 ermittelten Strahlungswerte (zur ‘haze’-Korrektur) und Parameter (Transmissionsparameter zur Transmissionskorrektur) werden mit der Tasseled Cap- haze-Komponente als polynome Funktionen (sogenannte Anpassungsfünktionen) angepasst.

Die Errechnung der Strahlungsdaten und Transmissionsparameter aus diversen physikalischen Atmosphärenmodellen sind Stand der Technik und nicht für die vorliegende Patentschrift relevant. Sie sind quasi Eichinstrumente zur Ermittlung der Anpassungsfunktionen.

Folgende Anpassungsfunktionen inklusive deren Koeffizienten werden errechnet (bezüglich der Erklärung der Bedeutung der Symbole der Korrektur- und Anpassungsfiinktionen sowie weiterer Details wird auf ORTHABER (1999) verwiesen):

Zur ’haze’- und Luftlichtkorrektur: Koeffizienten: Ax (bzw. A1,A2)

Korrekturfunktion: TMC=TMx-(TC42-TC02)*A 1-(TC.4-TC0)*A2 Parameter Lray336

Die Koeffizienten Al, A2 (für Polynom 2. Grades) werden durch Löwtran-Simulationen bei Reflexionsgrad=0 und verschiedenen VIS-Werten abgeleitet.

Der Parameter Lray336 wird durch die Lowtran-Simulation bei Reflexionsgrad=0 und bei VIS=336km ermittelt. Die Kalibrierkoeffizienten werden im Header der Bilddaten gelistet oder sind aus Tabellen zu entnehmen

Zur Transmissionskorrektur: Parameter: (ZuA+Tdi/'), Koeffizienten: a,b,c

Kalibrierkoeffizienten: cO, cl, bb, RSR Anpassungsfunktion: T’=a*TC4n3+b*TC4n+c

Die Koeffizienten a, b, c der Anpassungsfunktion zur Modellierung der Transmissionskoeffizienten werden durch Lowtran-Simulationen bei den Objektreflexionen Albedo 0.01, Wiese und Nadelwald sowie bei verschiedenen VIS-Werten abgeleitet.

Die Objektreflexionen 0.01 Albedo, Wiese und Nadelwald werden als Eckpunkte für grundsätzlich verschiedene Vegetationstypen sowie für Schatten herangezogen, um eine möglichst hohe Objektvariabilität für die Festlegung von Korrektur-Stützpunkten zu erfassen.

Reflexionswerte (%): Wiese (TMl-5,7): 4/7/6/52/25/9%

Nadelwald: 2/4/2/20/9/3%

Verfahrensablauf-Arbeitsschritt®: Atmosphärische Erstkorrektur des roten und blauen Spektralbereichs inklusiv des Restaurationsverfahrens (s. Orthaber, 1998).

In diesem Arbeitsschritt sind mit Ausnahme des Arbeitsschritts © ebenfalls bereits alle Elemente der eigentlichen Korrektur beinhaltet und wird deshalb zum Kembereich gestellt. Beschreibungsdetails erfolgen im Arbeitsschritt (D. Das Restaurationsverfahren wurde bereits im Zuge eines internationalen Workshops 1996 in Wien vorgestellt.

Prozessschritt 3 bzw. Verfahrensablauf-Arbeitsschritte <D: Durchßhrung der Korrektur unter Kombination strahlungsphysikalisch definierter mathematischer Operationen sowie des über Anpassungsfiinktionen eruierten Korrekturanteils.

Die physikalisch definierte Operation liefert den plausiblen Hintergrund des Korrekturvorgangs bis zur Simulation eines atmosphärenffeien Zustands. Über der Anpassungs-fünktionen werden die aktuellen aus den Bilddaten gewonnen Zustandsdaten der Atmosphäre (Tasseled Cap-haze-Komponente) als wesentlicher Schritt in den Berechnungsprozess integriert.

Im Zusammenhang mit der Tasseled Cap-haze-Komonente ist die Aufteilung des Korrekturverfahrens in die haze/Luftlichtkorrektur und die Transmissionskorrektur elementar. Eine Korrektur mittels einer einzigen Anpassungsfunktion ist nicht möglich.

Der Integrationsvorgang zur atmosphärischen Korrektur wird durch folgende mathematische Berechnungsgänge bestimmt (es wird jeweils nur die Berechnung ohne Korrektur des Transmissionsgrads dargestellt, bezüglich der Symbolsbedeutung - s. ORTHABER, 1999), für die Errechnung von Bilddaten-Grauwerten [DN]:

TMCCl=({[(TMC2*cl+cO)*bb/RSR-Lr»y336]/T’}*RSR/bb-cO)/cl für die Errechnung von Strahlungswerten [mW/cm2sr]: TMCC2=[(TMC2*cl+cO)*bb/RSR-Lr»y336]/T’*RSR für die Errechnung von Reflexionsgraden (beinhalten topographische Einflüsse; diese können nur mittels eines Geländemodells eliminiert werden) (p, [%]): p=[(TMC2 * c 1+cO) * bb/RSR-Lny336) *7t/T’/Eo/cos(sz) * 100

Genauigkeitsangaben

Mit Ausnahme von ariden Klimaräumen wird fast immer eine gute Abdeckung an Stützpunkten (vegetationsbedeckte Oberflächen) zur Korrektur über die gesamte Szene erzielt. In Bezug auf das zugrundeliegende physikalische Modell sind die maximalen Reflexionsgrad-Abweichungen mit Einsatz von Höhendaten zumeist deutlich kleiner ±2%. Für Reflexionsgrade bis 15% ist ohne Höhendaten ebenfalls ein Wert von ±2% erzielbar. Bei einem Reflexionsgrad von 60% ist mit einem Fehler von bis zu 10% zu rechnen. Für TM3 (Rotbereich) und TM4 (nahes Infrarot), also für Vegetationsuntersuchungen bislang häufig genutzte Bandbereiche, sind auch über den gesamten untersuchten Wertebereich die Abweichungen ohne Höhenkorrektur nicht größer als ±3%.

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Claims (5)

1. -Patentschrift.

   PATENTANSPRÜCHE 1. Verfahren zur bilddatenorientierten atmosphärischen Korrektur von Satellitenbildern bei der Auswertung, Erdbeobachtung und Kartierung vegetationsdominierter Gebiete, gekennzeichnet durch Prozessschritte und Verfahrensablauf-Arbeitsschritte, die es erstmals erlauben in vegetationsbedeckten, gebirgigen Regionen kleinräumig atmosphärische Korrekturen von Bilddaten, die sowohl Infrarotkanäle als auch die beiden von der Vegetation absorbierenden Spektralbereiche blau und rot beinhalten, durchzufuhren, indem zusätzlich zu den bei herkömmlichen Korrekturprozessen verwendeten visuell dunklen Reflexionsflächen (tiefe Gewässer, Schattenflächen) ebenfalls visuell hell reflektierende vegetationsbedeckte Oberflächen miteinbezogen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Kombination physikalisch definierter mathematischer Berechnungsschritte mit der Integration von aus den Bilddaten abgeleiteter, entsprechend den Satellitenbilddaten, kleinräumiger Referenzdaten über den Atmosphärenzustand.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Ausmaskierung von Nichtvegetationsflächen zusätzlich eine vorangehende, atmosphärischen Korrektur durchgeführt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich beim Korrekturablauf Höheninformationen (digitales Geländemodell oder Oberflächenmodell) eingesetzt werden. • · t I • · · · * # # • · · · · • · · · · • · * · • · • « · · · · · • · • · • * - 1 -

   Patentansprüche : 1. Verfahren zur bilddatenorientierten atmosphärischen Korrektur von Satellitenbildern im solaren Spektralbereich bei der Auswertung, Beobachtung und Kartierung der Erdoberfläche wobei nach Ermittlung von Korrekturdaten bzw. -parametern eine Bilddatenkorrektur durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich visuell hell reflektierende vegetationsbedeckte Oberflächen zu den bei herkömmlichen Korrekturprozessen verwendeten visuell dunklen Reflexionsflächen als direkter Korrekturprozeß, insbesondere als Stützpunkte, einbezogen werden, wobei Korrekturfunktionen, abgeleitet von errechneten Luftlichtwerten und Transmissionsgraden und von simulierten Bilddaten anhand eines bekannten physikalischen atmosphärischen Strahlungsübertragungs-rechenmodells und eines aus diesen simulierten Bilddaten durch einen geeigneten Rechenalgorithmus errechneten Haze-Indikators zur Beschreibung der Streuungs- und Transmissionseigenschaften der Atmosphäre, eingesetzt werden, wobei als Haze-Indikator insbesondere die sensorspezifisch erfaßte vierte Tasseled Cap Komponente (TC4) und ergänzend bevorzugt Infrarotkanäle sowie der blaue und rote Spektralkanal herangezogen werden, und daß für jedes Bildelement eines aufgenommenen Bildes der Erdoberfläche durch ein Abgleichverfahren ein bekanntes oder selbst erfaßtes Atmosphärenmodell sowie ein Aerosoltyp ausgewählt und daraus eine Korrekturfunktion ermittelt werden und eine Korrektur nach bekannten physikalischen mathematischen Beziehungen durchgeführt wird, wobei wahlweise Bodenreflexionsgrade, DN-Werte oder Strahlungsparameter errechnet werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise anhand der SpektraH^anäle—äeefe—wd.. ufihps NACHGEREICHT Infrarot vor einer Ermittlung der Korrekturdaten bzw. -parameter eine Ausmaskierung von Nichtvegetationsflächen abzüglich dunkler Reflexionsflächen durchgeführt wird, die Korrekturparameter der nicht maskierten Flächen errechnet werden und über die maskierten Flächen interpoliert wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich wenigstens eine bekannte Meßgrößeneinheit, wie beispielsweise Visibility etc., zur Ermittlung von Korrekturdaten bzw. -parametern im Korrekturprozeß mitverwendet wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in die Korrekturdaten bzw. -parameter Höheninformationen aufgenommen werden.

   Wi pp . 1 ff-—Oktobei 20(72