DE4102579A1 - Verfahren zur kompensation atmosphaerischer einfluesse im solaren bzw. thermalen spektralbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren bzw. thermalen Spektralbereich bei von der Erdoberfläche mittels opto-elektronischer Satelliten-Sensoren aufgenommenen Bildern, wobei der solare Spektralbereich von 0,4 bis 3 µm und der thermale Spektralbereich von 3 bis 14 µm reicht.

Bisher wird eine Kompensation atmosphärischer Einflüsse in der Regel ohne Berücksichtigung des Überstrahlungseffektes durchgeführt. Bei räumlich hoch-auflösenden Satelliten-Sensoren, mit welchen beispielsweise Bildelemente (Pixel) mit Abmessungen von weniger als 100 m erhalten werden, ist in vielen Fällen eine Kompensation des Überstrahlungseffektes erforderlich, da er zu einer Verschmierung von Bildern führt; d. h. hierdurch wird die räumliche Auflösung reduziert und gleichzeitig die spektrale Signatur, d. h. der ermittelte Boden-Reflexionsgrad verfälscht. In extremen Fällen, d. h. bei großen Unterschieden im Reflexionsgrad benachbarter Flächen, kann der Reflexionsgrad um einen Faktor von 3 bis 6 verfälscht werden; dies wiederum führt zu Fehlinterpretationen der entsprechenden Flächen in Satelliten-Bildern.

Der erwähnte Überstrahlungseffekt wird bisher allenfalls monochromatisch, d. h. für die Wellenlänge im Zentrum des Spektralkanals, kompensiert. Somit wird die Wellenlängenabhängigkeit von atmosphärischen Parametern, von der solaren Bestrahlung sowie beispielsweise von Sensorparametern vernachlässigt, weshalb die Kompensation des Überstrahlungseffektes entsprechend ungenau und fehlerbehaftet ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein schnell durchzuführendes Verfahren zur Kompensation von atmosphärischen Einflüssen im solaren bzw. thermalen Spektralbereich bei von der Erdoberfläche mittels opto-elektronischer Satelliten- Sensoren aufgenommener Bilder zu schaffen, bei welchem mit einer beinahe beliebig feinen Auflösung die Wellenlängen- Abhängigkeit von atmosphärischen Parametern, der solaren Einstrahlung und der Sensor-Empfindlichkeit bei der Kompensation des Überstrahlungseffektes zur Verbesserung des Reflexionsgrades berücksichtigt wird. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des jeweiligen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich kann beispielsweise ein aus (512×512) Punkten bestehendes Bild jeweils in einer Zeit von einer Minute für zwei Schritte zur Ermittlung von Reflexionsgraden ρ⁽¹⁾ und ρ⁽²⁾ auf einem Personalcomputer mit einem Prozessor der Serie 386 hinsichtlich der Kompensation des Überstrahlungseffekts entsprechend kompensiert werden. Hierzu kann bei den erfindungsgemäßen Verfahren beispielsweise das Atmosphären-Modell LOWTRAN (LOW resolution TRANsmission) benutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich wird im Unterschied zum Stand der Technik, bei welchem bei einer atmosphärischen Kompensation im thermalen Spektralbereich zwei oder mehr Spektralkanäle benötigt werden, jeweils nur ein einzelner Spektralkanal eines satelliten-getragenen Sensors im thermalen Infrarotbereich von 3 bis 14 µm benutzt, um die Temperatur der Erdoberfläche zu ermitteln. Im Spektralbereich von 3 bis 5 µm kann das Verfahren zur Kompensation at­ mosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich wegen des störenden Einflusses der Sonne nur für Nachtaufnahmen angewendet werden, dagegen im Spektralbereich von 8 bis 14 µm bei Tag- und Nachtaufnahmen, da in diesem Spektralbereich der Einfluß der Sonne vernachlässigbar ist. (Der Spektralbereich von 5 bis 8 µm ist dagegen wegen starker atmosphärischer Absorption zur Ermittlung der Temperatur der Erdoberfläche ungeeignet.)

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in Form eines Flußdiagramms die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich, und

Fig. 2 in Form eines weiteren Flußdiagramms die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich.

Kompensationsverfahren für den solaren Spektralbereich

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich wird eine Anzahl benötigter atmosphärischer Parameter festgelegt und daraus dann eine Anzahl von Kompensationsfunktionen a₀, a₁ und q ermittelt und festgehalten, in dem sie in einem Speicher abgelegt werden, wobei als Speicher ein Magnetband, eine Magnetplatte, ein Halbleiterspeicher, eine optische Platte u. ä. verwendet werden können. Durch das Ablegen der ermittelten Kompensationsfunktionen ist dann ein Katalog von solchen Kompensationsfunktionen erstellt. Dies ist im Flußdiagramm der Fig. 1 mit den Schritten S1 bis S4 bezeich­ net.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein solcher Katalog von Kompensationsfunktionen beispielsweise bereits für die Sensoren Landsat TM (Thematic Mapper) und SPOT HRV (Système Pour l'Observation de la Terre - Haute Resolution Visible) ermittelt und in Speichermedien festgehalten. Mit Hilfe dieses erstellten und damit zur Verfügung stehenden Katalogs von Kompensationsfunktionen kann beispielsweise für einen weiten Bereich von atmosphärischen Parametern und Sonnenständen im solaren Spektralbereich eine operationelle Ermittlung und Bestimmung des Boden-Reflexionsgrades in wolkenfreien Satellitenbildern durchgeführt wer­ den.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich wird zuerst die sogenannte Globalstrahlung, d. h. die direkte und diffuse solare Bestrahlungsstärke am Erdboden für eine feste Bodenalbedo, d. h. es wird das Rückstrahlungs- bzw. Reflexionsvermögen einer festen, nicht selbst leuchtenden, diffus reflektierenden Bodenfläche ermittelt. (Hierbei wird die geringe Abhängigkeit der Globalstrahlung von der jeweiligen Bodenalbedo vernachlässigt, obwohl mit steigendem Aufwand auch diese Abhängigkeit berücksichtigt werden könnte.) Es wird dann für den Nadirwinkel (α=0°) die Streustrahlung ausgewertet und für einen Bereich von α<10° zugrundegelegt. Das wiederum bedeutet, die Abhängigkeit von dem relativen Azimutwinkel, d. h. dem Winkel zwischen der Blickrichtung des Sensors und der Sonnenrichtung, projiziert auf die Ebene des Erdbodens, wird vernachlässigt. (Alternativ kann jedoch auch die Streustrahlung für einen Winkel α≠0° (α<10°) ausgewertet werden, wobei dann für diesen Winkel auch die Abhängigkeit von dem relativen Azimutwinkel zu berücksichtigen ist.)

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, wie vorstehend angeführt eine große Anzahl von ermittelten und festgehaltenen Kompensationsfunktionen, d. h. ein Katalog solcher Kompensationsfunktionen, benutzt. Es kann ein einfacher analytischer Zusammenhang zwischen einem registrierten Signal, d. h. dem Grauwert in jedem Spektralbereich sowie einem Boden-Reflexionsgrad jeweils in Abhängigkeit von atmosphärischen Parametern, dem jeweiligen Sonnenstand und den Parametern des verwendeten Sensortyps hergestellt werden, wie nachstehend im einzelnen noch ausgeführt wird.

Die wählbaren Parameter zur Erstellung eines Katalogs von Kompensationsfunktionen sind beispielsweise die folgenden typischen atmosphärischen Bedingungen und Schwankungsbreiten:

• a) Verschiedene Standard-Atmosphären, wie beispielsweise Sommer und Winter in mittleren, geographischen Breiten von Europa, oder eine US-Standard-Atmosphäre mit klimatologischen Mittelwerten des Höhenprofils für Druck, Temperatur, Luftfeuchte und Ozongehalt;
• b) Aerosoltypen über ländlichem, städtischem oder maritimem Gebiet;
• c) Aerosolkonzentration bei einer Normsichtweite zwischen 5 bis 40 km als Parameter;
• d) die Bodenhöhe bezogen auf Normal-Null (NN), da hierdurch die rayleigh-optische Dicke beeinflußt wird. (Hierbei werden eine Bodenhöhe 0 (Meereshöhe - NN), 0,5 km bzw. 1 km über Meereshöhe berücksichtigt);
• e) der Sonnenstand in einem Zenitwinkel-Bereich zwischen 20 bis 70° sowie
• f) das Höhenprofil von aktuellen, atmosphärischen Meßda­ ten.

Mit zur Verfügung stehenden Sensoren, wie beispielsweise die eingangs angeführten Sensoren Landsat TM und SPOT HRV, wird ein solcher Katalog von Funktionen erstellt, mit welchem dann Boden-Reflexionswerte für einen weiten Bereich von atmosphärischen Parametern ermittelbar sind.

In Fig. 1 werden bei einem Schritt S7 nummehr die gemessene und die aus dem Atmosphären-Modell (z. B. LOWTRAN) abgeleitete planetare Albedo (Erde/Atmosphäre) miteinander verglichen, um daraus den Reflexionsgrad der Bodenoberfläche zu berechnen. Die beim Schritt S6 gemessene, planetare Albedo ρ_p ist über die folgende Beziehung mit dem Signal, d. h. dem Grauwert (DN=Digital Number) in dem jeweiligen Spektralkanal i verknüpft: (Schritt S7);

wobei L(λ_i) die spektrale Strahldichte, E_s(λ_i) die extraterrestrische, solare Bestrahlungsstärke und c₀(i) und c₁(i) die Verschiebung (offset) und die Steigung der Kalibrierfunktion des Sensors im entsprechenden Kanal i sind. Ferner ist mit λ_i die Wellenlänge im Zentrum, mit R_s der solare Zenitwinkel und mit d der Abstand Sonne-Erde in astronomischen Einheiten bezeichnet. (Bei flugzeug-getragenen Sensoren ist die Größe E_scosR_s durch die in der Flughöhe herrschende, zur Erde gerichtete, solare Bestrahlungsstärke zu ersetzen.)

Bei dem Verfahrensschritt S7 wird der Erdboden als ein homogener Lambert-Reflektor mit einem Reflexionsgrad ρ(λ) angenommen. Die reflektierte und gestreute Strahldichte am Ort des Sensors wird mit Hilfe der nachstehenden Gl. (2) ermittelt (Schritt S7):

wobei L₀ die Streustrahlung für einen völlig absorbierenden Boden (ρ=0), E_g die globale Bestrahlungsgröße am Boden sowie τ_dir und τ_dif der direkte bzw. diffuse Transmissionsgrad der Atmosphäre (Boden - Sensor) sind. Hierbei sind in bekannter Weise in den vorstehenden in Gl. (2) verwendeten Größen die Abhängigkeiten von den nachstehend aufgeführten atmosphärischen Parametern enthalten, nämlich das Höhenprofil von Druck, Temperatur, Luftfeuchte und Ozongehalt, der Aerosoltyp und die Aerosol-Konzentration oder die Normsichtweite. Für das vorstehend bereits erwähnte Modell LOWTRAN ergibt sich dann für die Streustrahlung L_p in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ:

Der Wert L₀(λ) wird daher beispielsweise mit dem LOWTRAN- Modell für einen Bodenreflexionsgrad von ρ=0 erhalten. Der Term τ_dif, welcher beim Schritt S11 benötigt wird, kann dann aus der vorstehenden Gl. (3) ermittelt werden.

Die aus dem jeweiligen Modell, beispielsweise LOWTRAN, abgeleitete, planetare Albedo wird dann durch Integration über den Spektralbereich erhalten:

ρ_p(Modell) = a₀(Atm, R_ν, R_s, ϕ) + a₁(Atm, R_ν, R_s) × ρ (4)

Hierbei ist ρ der mittlere Reflexionsgrad (ρ≈∫ρ(λ)Φ(λ)dλ), mit Atm ist die Abhängigkeit von atmosphärischen Parametern bezeichnet, während R_ν der Blickwinkel des Sensors, ϕ der relative Azimutwinkel (zwischen der Sonnenrichtung und der Blickrichtung des Sensors) und Φ die normierte spektrale Empfindlichkeit des Sensors im jeweiligen Spektralkanal i sind.

Wenn dann die gemessene, planetare Albedo (gemäß Gl. (1)) mit der aus dem verwendeten Modell abgeleiteten, planetaren Albedo (Gl. (4) bis (6)) übereinstimmt, (Schritt S7) so wird gemäß der Erfindung für den Boden-Reflexionsgrad ρ⁽¹⁾ erhalten:

Beim nächsten Schritt (S9) wird dann der gemittelte Reflexionsgrad in einer (N×N) Bildelement-(Pixel-)Umgebung ermittelt, in deren Mitte das betrachtete und zu kompensierende Bildelement (Pixel) liegt:

wobei mit N die Größe eines in Betracht zu ziehenden Fensters bezeichnet ist; eine angemessene Größe eines Fensters N hängt hierbei von der Bildelement-(Pixel-)Größe, von den atmosphärischen Parametern, dem Spektralbereich und den Raumfrequenzen in dem betrachteten Gesamtbild selbst ab. Die Fenstergröße selbst liegt in einem Bereich von 200 bis 1000 m.

Der mittels des Modells beim Schritt S8 ermittelte Reflexionsgrad ρ⁽¹⁾ aus Gl. (7) basiert auf der Annahme, daß der Erdboden als ein homogener Lambert-Reflektor zu betrachten ist (siehe Gl. (2)), wohingegen sich die tatsächlich durchgeführte Messung (siehe Gl. (1)) aus der direkt reflektierten Strahlung von dem betrachteten Bildelement mit dem Boden-Reflexionsgrad ρ und aus einer diffus reflektierten Strahlung aus der Umgebung des Bildelements mit dem Reflexionsgrad ⁽¹⁾ zusammensetzt:

Aus einem Vergleich der Gl. (2) und (9) ergibt sich dann:

ρ⁽¹⁾ (τ_dir + τ_dif) = ρ τ_dir + ⁽¹⁾ τ_dif.

Daraus ergibt sich dann für den interessierenden, endgültigen Bodenreflexionsgrad ρ=ρ⁽²⁾:

ρ⁽²⁾ = ρ⁽¹⁾ + q(ρ⁽¹⁾ - ⁽¹⁾) (10)

Die Kompensationsfunktionen a₀, a₁ und q gemäß den Gl. (5), (6) und (11) werden beispielsweise mit dem Modul SENSAT (SENSor Atmosphäre Target, d. h. einem Modell zur Beschreibung des gesamten Komplexes aus Sensor, Atmosphäre und Meßobjekt, d. h. Erdboden) ermittelt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Globalstrahlung E_g auf der Erdoberfläche für eine bestimmte Albedo, d. h. für ein bestimmtes Reflexionsvermögen von der diffus reflektierenden Erdoberfläche, mit beispielsweise 30% ermittelt, wobei die Abhängigkeit der Globalstrahlung bei Albedo-Änderungen vernachlässigt ist. Weiterhin wird die Streustrahlung L₀ für den Nadirwinkel ausgewertet. (Die Abhängigkeit vom relativen Azimutwinkel ϕ zwischen Sensor-Blickrichtung und Sonnenrichtung wird vernachlässigt.)

Beide Näherungen haben jedoch im Rahmen des Scanwinkel-Bereichs α<10° einerseits einen geringen Einfluß auf die Genauigkeit, andererseits wird hierdurch ganz wesentlich der numerische Aufwand bei der Berechnung des Reflexionsgrades sowie dementsprechend auch der Umfang des Katalogs der Kompensationsfunktionen reduziert.

Kompensationsverfahren im thermalen Spektralbereich

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich wird, ähnlich wie bei dem Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich, ebenfalls eine große Menge von ermittelten und in einem Speicher festgehaltenen Kompensationsfunktionen, d. h. auch ein Katalog solcher Kompensationsfunktionen benutzt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich ist ein einfacher analytischer Zusammenhang zwischen dem registrierten Signal, d. h. dem Grauwert in einem thermalen Spektralkanal und der kinetischen Temperatur bzw. Strahlungstemperatur der Erdoberfläche hergestellt, wie nachstehend anhand von Fig. 2 noch im einzelnen erläutert wird.

Bei dem Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich umfassen die wählbaren Parameter für den Katalog von Kompensationsfunktionen die vorstehend unter a), c) und f) angeführten typischen, atmosphärischen Bedingungen und Schwankungsbreiten (S1′, S2′). Die Bodenhöhe bezogen auf Normal-Null (NN) wird wegen der starken Abhängigkeit des Wasserdampfgehaltes von der Höhe ebenfalls als Parameter berücksichtigt. Die Abhängigkeit von verschiedenen Aerosoltypen über ländlichen, städtischen oder maritimen Gebieten im spektralen Bereich kann vernachlässigt werden.

Für den eingangs erwähnten Sensor Landsat TM, welcher einen Spektralkanal im thermalen Spektralbereich von 10,4 bis 12,5 µm besitzt, wird ein derartiger Katalog von Funktionen erstellt; mit diesem Katalog können dann die Temperaturen der aufgenommenen Erdoberfläche für einen weiten Bereich von atmosphärischen Parametern, d. h. eine Vielzahl von Satellitenbildern, die bei verschiedenen atmosphärischen Bedingungen aufgenommen wurden, ermittelt werden. Hierbei kann eine Auswahl und Überprüfung der offenen Parameter, wie der Aerosolkonzentration oder des Feuchtegehaltes (Wasserdampfs) der Atmosphäre vorgenommen werden, wenn die Temperatur einer Referenzfläche im Satellitenbild bekannt ist. Nach diesem interaktiven Schritt kann die gesamte Szene in ein Temperaturbild umgewandelt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich wird die Temperatur der Oberfläche in weiteren Schritten (S5′, S6′, S13′, S14′) ermittelt:

Der Grauwert DN (Digital Number) wird mit Hilfe der nachstehenden Gl. (12) in die zugehörige Strahldichte L umgewandelt:

L = c₀ + c₁ DN (12)

wobei c₀ und c₁ die Kalibrierwerte des Sensors im betrachteten, thermalen Spektralkanal sind, welche aus entsprechenden Messungen für den Satellitensensor vorliegen. Die Strahldichte L wird dann mit Hilfe der nachstehenden Gl. (13) in eine äquivalente Schwarzkörper-Temperatur am Sensor umge­ wandelt:

wobei Koeffizienten K₁ und K₂ aus Messungen für den betreffenden Satelliten vorliegen oder auch aus den Bilddaten selbst bestimmt werden können, falls die atmosphärischen Parameter und die Oberflächentemperatur einer Referenzfläche bekannt sind. (S15′, S16′).

Für zwei kinetische Bodentemperaturen T₁ und T₂ werden die entsprechenden Schwarzkörper-Temperaturen T_BB1 und T_BB2 am Ort des Sensors bestimmt, indem ein für den thermalen Spektralbereich typischer Emissionsgrad ε der Erdoberfläche gewählt wird, so beispielsweise ε=0,98 im Spektrum von 10 bis 13 µm. Die Oberflächen-Temperatur jedes Bildpunktes des Satellitenbildes mit der Schwarzkörper-Temperatur T_BB wird durch eine lineare Interpolation in den durch die Atmosphärenkompensation vorgegebenen Bereichen (T₁, T₂) und (T_BB1, T_BB2) ermittelt.

Der Fehler aufgrund der linearen Interpolation kann durch die Wahl des Temperaturbereichs (T₁, T₂) sehr klein gehal­ ten werden. Für den Sensor Landsat TM, der im Spektralkanal von 10,4 bis 12,5 µm arbeitet, liegt der Fehler aufgrund der linearen Interpolation bei einer typischen Sommeratmosphäre und dem Temperaturbereich (T₁=10°C; T₂=30°C) bei weniger als 0,2°C und somit unterhalb der Rauschgrenze des Sensors.

Die thermale Kompensationsfunktion f_T, welche der rechten Seite der Gl. (14) entspricht, ist somit definiert durch:

• 1. zwei vorgegebene Bodentemperaturen T₁, T₂ und den zugehörigen Emissionsgrad;
• 2. zwei zugehörige Schwarzkörper-Temperaturen T_BB1 und T_BB2, die von der Bodentemperatur T₁ bzw. T₂ abhängen, dem Emissionsgrad ε, den atmosphärischen Parametern ATM und der normierten spektralen Empfindlichkeit Φ(λ) des Sensors in dem betrachteten Spektralbereich, wobei mit λ die entsprechende Wellenlänge bezeichnet ist: T_BBi = f_T (ATM, T_i, ε, Φ)  (i = 1, 2) (15)

Hierbei ist mit ATM die Abhängigkeit von atmosphärischen Parametern bezeichnet. Die Funktion f_T kann aus den jeweiligen Modellen, beispielsweise LOWTRAN (Low Resolution Transmission) und SENSAT (Sensor-Atmosphäre-Target) abgeleitet wer­ den.

Der Überstrahlungseffekt kann im thermalen Spektralbereich vernachlässigt werden, da der Dynamikbereich aufgrund von Temperatur- und Emissionsgrad-Schwankungen in einer Szene gering ist und der Einfluß der Aerosolstreuung deutlich geringer als im sichtbaren und nah-infraroten Spektralbereich ist.

Der Katalog der atmosphärischen Kompensationsfunktionen basiert auf der Annahme eines bestimmten Emissionsgrades der betrachteten Szene wobei beispielsweise der Emissionsgrad ε =0,98 im Spektralbereich von 8 bis 14 µm sein kann. Natürliche Erdoberflächen im Spektralbereich von 8 bis 14 µm liegen meist im Emissionsgradbereich von 0,97 bis 0,99. Für diese Oberflächen wird mit einem angenommenen Emissionsgrad von 0,98 die kinetische Bodentemperatur mit einer maximalen Abweichung von 0,5°C erhalten. (Diese Genauigkeit liegt im thermalen Spektralkanal wiederum in der Größe des Rauschens des Satellitensensors Landsat TM und ist somit akzeptabel).

Für Erdoberflächen mit einem Emissionsgrad ε, welcher außerhalb des Bereichs von ε±0,01 liegt, werden etwas größere Abweichungen zur kinetischen Oberflächentemperatur erhalten, die üblicherweise im Bereich von 1 bis 2°C liegen. Die entsprechenden Temperaturen werden dann als Strahlungstemperaturen bezeichnet, da sie aus einer Strahlungsmessung ermittelt werden und nicht der kinetischen Temperatur entsprechen. Trotzdem ist dies eine wesentlich genauere Bestimmung der Oberflächentemperatur, denn ohne eine atmosphärische Kompensation, d. h. bei Benutzung der Temperatur T_BB am Ort des Satelliten, können die Unterschiede mehr als 10°C betra­ gen.

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich soll nunmehr anhand des Sensors Landsat TM für eine typische Atmosphäre mit einem städtischen Aerosol eine Fehlerabschätzung bezüglich der beiden Näherungsannahmen durchgeführt werden. Der Standard-Katalog der Kompensationsfunktionen wird mit einer Bodenalbedo von 30% erstellt, um den Fehler des Reflexionsgrades im Bereich von 10 bis 40% klein zu halten. Die Globalstrahlung E_g am Erdboden wird ebenfalls für eine Albedo von 30% ermittelt, wobei wiederum die Variation der Globalstrahlung mit der Albedo vernachlässigt wird. (Der Katalog könnte genauso gut auch erweitert werden, indem die Globalstrahlung am Erdboden für eine andere Albedo als 30% berechnet wird; dadurch würde dann der Fehler des Reflexionsgrades in einem entsprechend anderen Bereich klein gehal­ ten.) Zweckmäßig ist natürlich, daß die in den Kompensationsfunktionen verwendete Albedo an den Bereich der vorliegenden Aufnahme, d. h. der vorliegenden Szene, angepaßt wird.

In der nachstehenden Tabelle 1 ist der Absolutfehler im Reflexionsgrad für die Spektralkanäle des Sensors Landsat TM aufgrund der beiden oben angeführten Näherungsannahmen wiedergegeben. Wenn nunmehr jeweils für die einzelnen Kanäle 1 bis 4 die Spalte mit dem Winkel für 0° (Nadir) verglichen wird, so kann der Fehler aufgrund der Vernachlässigung des Einflusses der Bodenalbedo auf die Globalstrahlung festgestellt werden. Wenn dagegen in einem Kanal die beiden Winkel von 0° bis 7° bei demselben Reflexionsgrad vergleichen werden, so ergibt sich daraus der Einfluß aufgrund der Vernachlässigung der Azimutwinkel-Abhängigkeit.

Tabelle 1

In der vorstehenden Tabelle ist der maximale, absolute Fehler im Reflexionsgrad für den Sensor Landsat TM wiedergegeben. Die einzelnen Parameter waren: Winkel 0°: Nadir; Winkel 7°: seitliche Verschiebung; Atmosphärische Parameter: Sommer in mittleren geographischen Breiten (aus dem LOWTRAN-Modell), ein städtisches Aerosol, Bereich der Normsichtweite: 5-40 km; Bereich des Zenitwinkels der Sonne: 30° bis 60°; Bodenhöhen: 0 bis 1 km über dem Meeresspiegel.

Für die nicht dargestellten TM-Kanäle 5 bis 7 sind die Fehler im Reflexionsgrad für den Kanal 5 kleiner als 0,7% und für den Kanal 7 kleiner als 0,5%.

Um den Einfluß des Überstrahlungseffektes zu ermitteln, wurde eine Teilszene von München ausgewertet, welche mehrere kleinere Seen enthielt, die von einem durch Vegetation bedeckten Land umgeben sind. Hierbei beträgt im Spektralbereich von 760 bsi 900 nm, was dem Spektralkanal 4 des Sensors Landsat TM entspricht, der Reflexionsgrad von Wasserflächen üblicherweise 1 bis 2%, derjenige von Vegetation liegt gewöhnlich im Bereich von 40 bis 60%. Ohne eine Kompensation des Überstrahlungseffektes (Siehe Schritt S11 in Fig. 1) wurde ein Reflexionsgrad von 6% für diese Wasserflächen erhalten, während der Reflexionsgrad bei einer Kompensation nur noch 1% betrug, d. h. um einen Faktor 6 besser war.

Die Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren bzw. thermalen Spektralbereich sind in erster Linie für satellitengetragene Sensoren mit einem kleinen Scanwinkel- Bereich anwendbar und einsetzbar, welcher kleiner als 10° außerhalb des Nadirs ist, da hier die Abhängigkeit vom Scanwinkel in sehr guter Annäherung vernachlässigt werden kann. Der Fehler in der ermittelten Bodentemperatur aufgrund der Vernachlässigung des Scanwinkels ist beispielsweise für den thermalen Spektralbereich des Sensors Landsat TM üblicherweise kleiner als 0,1°C.

Die Kompensationsverfahren sowohl im solaren als auch thermalen Spektralbereich können bei einer Vernachlässigung der Scanwinkel-Abhängigkeit auch für einen größeren Scanwinkelbereich als ±10° außerhalb des Nadirs angewendet werden, wobei der Fehler mit dem Winkel steigt. In diesem Fall ist es zu empfehlen, die Kompensationsfunktionen (siehe Gl. (5), (6), (11), (14) und (15)) winkelabhängig zu erweitern, indem sie mit einem Winkelabstand von 5° bis 10° ermittelt werden und dann zwischen den Winkelstützstellen linear interpoliert werden. Die erfindungsgemäßen Verfahren sind dann auch für flugzeuggetragene Sensoren anwendbar, die normalerweise einen großen Scanwinkelbereich von ±45° bis ±60° außerhalb der Nadirrichtung aufweisen.

Die nachstehende Tabelle 2 zeigt beispielsweise für den Sensor Landsat TM Bereiche von Oberflächentemperaturen für verschiedene, atmosphärische Bedingungen, d. h. für eine Vielzahl von Satellitenbildern, die bei unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen aufgenommen wurden; hierbei ist der Fehler aufgrund der verwendeten, linearen Interpolation kleiner als 0,2°C.

Tabelle 2
Atmosphäre
Bereich der Oberflächentemperaturen (°C)
US Standard 1976|(0, +30)
Sommer in mittl. Breiten	(+5, +35)
Tropisch (feucht)	(+10, +40)
arides Klima	(+10, +40)
Winter in mittl. Breiten	(-15, +15)
subarktischer Winter	(-30, 0)

Claims (3)

1. Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich bei von der Erdoberfläche mittels opto-elektronischer Satelliten-Sensoren aufgenommenen Bildern dadurch gekennzeichnet, daß
Kompensationsfunktionen (a₀, a₁ und q), welche von atmosphärischen Parametern, wie dem Höhenprofil des Drucks, der Temperatur, der Luftfeuchte und der Ozonkonzentration, von einer durch die Normsichtweite definierten Aerosolkonzentration, von einem Aerosoltyp, von Absorptions- und Streuprozessen, vom Sonnenstand und von Sensorparametern abhängen und in welchen die wellenlängenabhängige, spektrale Empfindlichkeitsfunktion (Φ (λ)) des Sensors sowie Kalibrierfunktionen (c₀(i), c₁(i)) berücksichtigt werden, für einen weiten Bereich der atmosphärischen Parameter ermittelt (S2) und in einem Katalog speicherplatzsparend festgehalten werden (S3, S4);
für jedes Bildelement (Pixel) eines aufgenommenen Bildes der Erdoberfläche mit Hilfe ganz bestimmter, die Fakten während der Bildaufnahme berücksichtigender Kompensationsfunktionen aus der Vielzahl der ermittelten und in dem Katalog festgehaltenen Kompensationsfunktionen (a₀, a₁ und q) dessen Reflexionsgrad (ρ⁽¹⁾) bestimmt wird (S8),
ein gemittelter Reflexionsgrad (⁽¹⁾) in einer Umgebung von (N×N)-Bildelementen (Pixels) mittels einer (N×N)- Pixel-Tiefpaßfilterung (S9) ermittelt wird (S10), und zur Kompensation des Überstrahlungseffektes (S11) und damit zur generellen Verbesserung des Reflexionsgrades (ρ⁽²⁾) die Differenz des Reflexionsgrades (ρ⁽¹⁾) des jeweiligen Bildelements zum ermittelten gemittelten Reflexionsgrad (⁽¹⁾) mit der Kompensationsfunktion (q) gewichtet wird (S12).

2. Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich bei von der Erdoberfläche mittels opto-elektronischer Satelliten-Sensoren aufgenommenen Bildern, dadurch gekennzeichnet, daß
Kompensationsfunktionen (T_BBi; Gl. (15)), welche von atmosphärischen Parametern wie dem Höhenprofil des Drucks, der Temperatur, der Luftfeuchte von einer durch die Normsichtweite definierten Aerosolkonzentration und von Sensorparametern abhängen, und in welchen die wellenlängenabhängige Spektralempfindlichkeit (Φ(λ)) des Sensors sowie Kalibrierwerte (c₀, c₁) berücksichtigt werden, für einen weiten Bereich der atmosphärischen Parameter ermittelt (S2′) und in einem Katalog speicherplatzsparend festgehalten werden (S3′, S4′);
der Grauwert (DN) eines aufgenommenen Originalbildes (S6) unter Berücksichtigung von sensor-spezifischen Kalibrierwerten (c₀, c₁) in eine Strahldichte (L) umgewandelt wird, welche wiederum in eine äquivalente Schwarzkörper-Temperatur (T_BB) am verwendeten Sensor umgewandelt wird (Schritt S13′);
die Schwarzkörper-Temperatur (T_BB) bei einem typischen Emissionsgrad (ε) einer Szene in die zugehörige Strahlungstemperatur der Erdoberfläche umgewandelt wird (S13′), und
eine lineare Interpolation in zwei Temperaturbereichen (T₁, T₂ am Erdboden; T_BB1, T_BB2 am Sensor) durchgeführt wird, wo­ bei die Wahl der beiden Temperaturen am Erdboden (T₁, T₂) an den maximalen und minimalen Temperaturbereich angepaßt ist (S13′).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalog von Kompensationsfunktionen in einem Rechnerspeicher in Form eines Magnetbandes, einer Magnetplatte, eines Halbleiterspeichers, einer optischen Platte u. ä. abgelegt wird.