DE4102579A1 - Compensating atmospheric effects in solar and thermal spectral range - filtering image and compensation functions recalled from memory for images obtained by opto-electronic satellite sensors - Google Patents

Abstract

A compensation process is used to allow for the effects of atmospheric variations of images obtained using opto-electronic satellite sensors. The reflection efficiency obtained can vary by a factor of between 3 and 6 due to such factors as aerosol concentrations, altitude and sun. The compensation functions are established and a catalogue of values stored in memory. The original image is called from memory and the compensating values used. The image is filtered with an NxN matrix low pass arrangement and the resultant value is stored together with the reflection efficiency value. A final stage involves correction of the overexposure effect. ADVANTAGE - Fine resolution.

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.The invention relates to a method for compensation of atmospheric Influences in the solar or thermal spectral range at from the earth's surface by means of opto-electronic Satellite sensors captured images, with the solar Spectral range from 0.4 to 3 μm and the thermal spectral range from 3 to 14 μm is sufficient.

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.So far, a compensation of atmospheric influences in usually without consideration of the overshoot effect carried out. For spatially high-resolution satellite sensors, with which, for example, picture elements (pixels) with Dimensions of less than 100 m can be obtained in In many cases, a compensation of the Überstrahlungseffektes required, as it causes smearing of images leads; d. H. This reduces the spatial resolution and at the same time the spectral signature, d. H. the determined Ground reflectance falsified. In extreme cases, d. H. with large differences in the reflectance of adjacent surfaces, The reflectance can be increased by a factor of 3 to 6 be falsified; this in turn leads to misinterpretations the corresponding areas in satellite images.

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.The aforementioned overshoot effect is at best monochromatic, d. H. for the wavelength in the center of the spectral channel, compensated. Thus, the wavelength dependency becomes from atmospheric parameters, from solar irradiation as well as neglected for example by sensor parameters, why the compensation of the Überstrahlungseffektes  is correspondingly inaccurate and faulty.

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.The object of the invention is therefore, a fast to be performed Method for compensation of atmospheric influences in the solar or thermal spectral range of Earth's surface by means of opto-electronic satellite Sensors of recorded images to create, with which an almost arbitrarily fine resolution the wavelength Dependence on atmospheric parameters, the solar Irradiation and sensor sensitivity during compensation the overshoot effect to improve the reflectance is taken into account. According to the invention this task in a method according to the preamble of Claim 1 or 2 by the features in the characterizing Part of the respective claim solved. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

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.For example, with the aid of the method according to the invention for compensating atmospheric influences in the solar spectral range, an image consisting of (512 × 512) points can be determined in a time of one minute for two steps for determining reflectivities ρ ⁽¹⁾ and ρ ⁽²⁾ on a personal computer be compensated accordingly with a 386 processor for compensation of the blooming effect. For this purpose, for example, the atmospheric model LOWTRAN (LOW resolution TRANSmission) can be used in the method according to the invention.

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.)In the inventive method for compensation of atmospheric Influences in the thermal spectral range is in the Difference to the prior art, in which at atmospheric Compensation in the thermal spectral range two or more spectral channels are needed, only one at a time single spectral channel of a satellite-borne sensor used in the thermal infrared range of 3 to 14 microns to the Determine the temperature of the earth's surface. In the spectral range from 3 to 5 μm, the method of compensation at  mospherical influences in the thermal spectral range due the sun's disturbing influence only for night shots be applied, however, in the spectral range of 8 to 14 microns during day and night shots, since in this spectral range the influence of the sun is negligible. (The spectral range from 5 to 8 microns, however, is due to strong atmospheric Absorption for determining the temperature of the earth's surface not suitable.)

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention will be described below with reference to preferred embodiments with reference to the accompanying drawings explained in detail. It shows

Fig. 1 in Form eines Flußdiagramms die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im solaren Spektralbereich, und Fig. 1 in the form of a flow chart, the essential steps of the inventive method for the compensation of atmospheric influences in the solar spectral range, and

Fig. 2 in Form eines weiteren Flußdiagramms die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich. Fig. 2 in the form of another flow chart, the main steps of the inventive method to compensate for atmospheric influences in the thermal spectral region.

Kompensationsverfahren für den solaren SpektralbereichCompensation method for the solar spectral range

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.In the method according to the invention for compensating atmospheric influences in the solar spectral range, a number of required atmospheric parameters are determined and then a number of compensation functions a₀, a₁ and q determined and recorded in which they are stored in a memory, wherein a magnetic tape, a Magnetic disk, a semiconductor memory, an optical disk and the like. Ä. Can be used. By storing the calculated compensation functions, a catalog of such compensation functions is then created. This is in the flowchart of Fig. 1 with the steps S 1 to S 4 designated 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.For carrying out the method according to the invention was a  such a catalog of compensation functions, for example already for the sensors Landsat TM (Thematic Mapper) and SPOT HRV (System Pour l'Observation de la Terre - High Resolution Visible) and recorded in storage media. With the help of this created and thus available For example, a catalog of compensation functions for a wide range of atmospheric parameters and solar states in the solar spectral range an operational Determination and determination of soil reflectance performed in cloud-free satellite images who the.

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.)In the inventive method for compensation of atmospheric Influences in the solar spectral range becomes first the so-called global radiation, d. H. the direct and diffuse solar irradiance on the ground for a solid soil albedo, d. H. it becomes the reflectance a solid, not self-luminous, diffusely reflecting Floor area determined. (Here, the low Dependence of global radiation on the respective one Bodenalbedo neglected, although with increasing effort also this dependence could be considered.) It Then, for the nadir angle (α = 0 °), the scattered radiation evaluated and based on a range of α <10 °. That in turn means dependence on the relative Azimuth angle, d. H. the angle between the line of sight of the sensor and the direction of the sun, projected on the Level of the soil, is neglected. (Alternatively, but also the scattered radiation for an angle α ≠ 0 ° (α <10 °) are evaluated, in which case for this angle also to consider the dependence on the relative azimuth angle is.)

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.In the method according to the invention, as stated above a large number of identified and detained Compensation functions, d. H. a catalog of such compensation functions, used. It can be a simple analytical  Relationship between a registered signal, d. H. the Gray value in each spectral range as well as a ground reflectance depending on atmospheric parameters, the respective position of the sun and the parameters of the used Sensor type are manufactured, as described below individual is still running.

Die wählbaren Parameter zur Erstellung eines Katalogs von Kompensationsfunktionen sind beispielsweise die folgenden typischen atmosphärischen Bedingungen und Schwankungsbreiten:The selectable parameters for creating a catalog of Compensation functions are, for example, the following typical ones atmospheric conditions and fluctuation ranges:

• 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;a) Various standard atmospheres, such as Summer and winter in middle, geographical latitudes from Europe, or a US standard atmosphere with climatological Averages of the height profile for pressure, Temperature, humidity and ozone content;
• b) Aerosoltypen über ländlichem, städtischem oder maritimem Gebiet;b) aerosol types over rural, urban or maritime area;
• c) Aerosolkonzentration bei einer Normsichtweite zwischen 5 bis 40 km als Parameter;c) Aerosol concentration at a standard distance between 5 to 40 km as a 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);d) the ground level with respect to normal zero (NN), as a result the rayleigh optical thickness is affected. (This will be a ground level 0 (sea level - NN), 0.5 km or 1 km above sea level);
• e) der Sonnenstand in einem Zenitwinkel-Bereich zwischen 20 bis 70° sowiee) the position of the sun in a zenith angle range between 20 to 70 ° as well
• f) das Höhenprofil von aktuellen, atmosphärischen Meßda­ ten.f) the height profile of current, atmospheric Meßda th.

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.With available sensors, such as the initially mentioned sensors Landsat TM and SPOT HRV created such a catalog of functions with which  then ground reflectance values for a wide range of atmospheric Parameters can be determined.

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);In Fig. 1, in a step S 7, the measured and the planetary albedo (earth / atmosphere) derived from the atmospheric model (eg, LOWTRAN) are compared with each other to calculate the reflectance of the ground surface therefrom. The planetary albedo ρ _p measured in step S 6 is linked to the signal, ie the gray value (DN = digital number) in the respective spectral channel i via the following relationship: (step S 7 );

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.)where L (λ _i ) is the spectral radiance, E _s (λ _i ) the extraterrestrial solar irradiance and c₀ (i) and c₁ (i) the offset and the slope of the calibration function of the sensor in the corresponding channel i. Furthermore, λ _i denotes the wavelength in the center, R _s the solar zenith angle and d the distance sun-earth in astronomical units. (For aircraft-borne sensors the size of e _{s s} COSR by the ruling in flying height directed to the earth, solar irradiance has to be replaced.)

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):In method step S 7 , the ground is assumed to be a homogeneous Lambert reflector with a reflectance ρ (λ). The reflected and scattered radiance at the location of the sensor is determined by the following Eq. (2) is determined (step S 7 ):

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:where L₀ is the scattered radiation for a completely absorbing soil (ρ = 0), E _{g is} the global irradiation size at the bottom, and τ _dir and τ _{dif are} the direct and diffuse transmissivity of the atmosphere (soil - sensor). Here are in a known manner in the above in Eq. (2) Quantities used include dependencies on the atmospheric parameters listed below, namely the altitude profile of pressure, temperature, humidity and ozone, the type of aerosol and the aerosol concentration or the standard visibility. For the above-mentioned model LOWTRAN, the scattered radiation L _p then arises as a function of the wavelength 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.The value L₀ (λ) is therefore obtained, for example, with the LOWTRAN model for a ground reflectance of ρ = 0. The term τ _dif , which is required in step S 11 , can then be obtained from the above Eq. (3).

Die aus dem jeweiligen Modell, beispielsweise LOWTRAN, abgeleitete, planetare Albedo wird dann durch Integration über den Spektralbereich erhalten:Those derived from the respective model, for example LOWTRAN, planetary albedo is then through integration over get the spectral range:

ρ_p(Modell) = a₀(Atm, R_ν, R_s, ϕ) + a₁(Atm, R_ν, R_s) × ρ (4)ρ _p (model) = 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.Here, ρ is the mean reflectance (ρ≈∫ρ (λ) Φ (λ) dλ), where Atm is the dependence on atmospheric parameters, while R _{ν is} the viewing angle of the sensor, φ is the relative azimuth angle (between the sun's direction and the line of vision of the sensor) and Φ are the normalized spectral sensitivity of the sensor in the respective spectral channel i.

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:Then, when the measured planetary albedo (according to Eq. (1)) agrees with the planetary albedo (Eqs. (4) to (6)) derived from the model used (Step S 7 ), according to the invention, for the Soil reflectance ρ ⁽¹⁾ obtained:

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:In the next step (S 9 ), the averaged reflectance is then determined in an (N × N) pixel (pixel) environment in the middle of which the pixel (pixel) under consideration and to be compensated lies:

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.where N is the size of a window to be considered is designated; a reasonable size of a window N depends on the picture element (pixel) size, of the  atmospheric parameters, the spectral range and the Space frequencies in the considered overall picture itself. The Window size itself is in a range of 200 to 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:The reflectance determined by means of the model at step S 8 ρ ⁽¹⁾ from Eq. (7) is based on the assumption that the earth is to be regarded as a homogeneous Lambert reflector (see equation (2)), whereas the actual measurement (see equation (1)) is based on the directly reflected radiation from the considered pixel with the ground reflectance ρ and from a diffuse reflected radiation from the environment of the pixel with the reflectance ⁽¹⁾ composed:

Aus einem Vergleich der Gl. (2) und (9) ergibt sich dann:From a comparison of Eq. (2) and (9) then results:

ρ⁽¹⁾ (τ_dir + τ_dif) = ρ τ_dir + ⁽¹⁾ τ_dif.ρ ⁽¹⁾ (τ _dir + τ _dif ) = ρ τ _dir + ⁽¹⁾ τ _dif .

Daraus ergibt sich dann für den interessierenden, endgültigen Bodenreflexionsgrad ρ=ρ⁽²⁾:This then gives the interesting, final ground reflectance ρ = ρ ⁽²⁾ :

ρ⁽²⁾ = ρ⁽¹⁾ + q(ρ⁽¹⁾ - ⁽¹⁾) (10)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.The compensation functions a₀, a₁ and q according to Eq. (5)  (6) and (11), for example, with the module SENSAT (SENSor Atmosphere Target, ie a model for description the entire complex of sensor, atmosphere and DUT, d. H. Ground).

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.)According to a preferred embodiment of the method according to the invention, the global radiation E _{g is determined} on the earth's surface for a given albedo, ie for a specific reflectivity of the diffusely reflecting earth surface, for example 30%, the dependence of the global radiation is neglected in albedo changes. Furthermore, the scattered radiation L₀ is evaluated for the nadir angle. (The dependence on the relative azimuth angle φ between sensor viewing direction and solar direction is neglected.)

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.However, both approximations are within the scope of the scan angle α <10 ° on the one hand a small influence on the Accuracy, on the other hand is thereby very much the numerical effort in the calculation of the reflectance as well as the scope of the catalog of compensation functions reduced.

Kompensationsverfahren im thermalen SpektralbereichCompensation method in the thermal spectral range

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.In the method according to the invention for compensating atmospheric influences in the thermal spectral range, similarly to the method for compensating atmospheric influences in the solar spectral range, a large amount of determined compensation functions recorded in a memory, ie also a catalog of such compensation functions, is also used. The inventive method for compensating atmospheric influences in the thermal spectral range, a simple analytical relationship between the registered signal, ie the gray value in a thermal spectral channel and the kinetic temperature or radiation temperature of the earth's surface prepared, as explained below with reference to FIG. 2 in detail becomes.

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.In the method for compensating atmospheric influences in the thermal spectral range, the selectable parameters for the catalog of compensation functions include the typical atmospheric conditions and fluctuation ranges (S 1 ', S 2 ') mentioned above under a), c) and f). The ground level in relation to normal zero (NN) is also taken into account as a parameter because of the strong dependence of the water vapor content on the height. The dependence of different aerosol types on rural, urban or marine areas in the spectral range can be neglected.

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.For the above-mentioned sensor Landsat TM, which a Spectral channel in the thermal spectral range from 10.4 to 12.5 microns, is such a catalog of functions created; then with this catalog can the temperatures the recorded earth surface for a wide range of atmospheric parameters, d. H. a variety of satellite imagery, in different atmospheric conditions recorded. This can be a Selection and verification of open parameters, such as aerosol concentration or the moisture content (water vapor) of the Atmosphere be made when the temperature of a reference surface in the satellite image is known. After this interactive Step can turn the entire scene into a temperature image being transformed.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation atmosphärischer Einflüsse im thermalen Spektralbereich wird die Temperatur der Oberfläche in weiteren Schritten (S5′, S6′, S13′, S14′) ermittelt:In the method according to the invention for compensating atmospheric influences in the thermal spectral range, the temperature of the surface is determined in further steps (S 5 ', S 6 ', S 13 ', S 14 '):

Der Grauwert DN (Digital Number) wird mit Hilfe der nachstehenden Gl. (12) in die zugehörige Strahldichte L umgewandelt:The gray value DN (Digital Number) is determined by the following Eq. (12) converted into the corresponding radiance L:

L = c₀ + c₁ DN (12)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:where c₀ and c₁ considered the calibration values of the sensor, are thermal spectral channel, which from corresponding Measurements for the satellite sensor are available. The radiance L is then calculated using Eq. (13) in convert an equivalent blackbody temperature to the sensor converts:

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′).wherein coefficients K₁ and K₂ from measurements for the satellite in question or can be determined from the image data themselves, if the atmospheric parameters and the surface temperature of a reference surface are known. (S 15 ', S 16 ').

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.For two kinetic bottom temperatures T₁ and T₂, the corresponding black body temperatures T _BB1 and T _BB2 at the location of the sensor are determined by selecting a typical emissivity ε of the earth's surface for the thermal spectral range, for example ε = 0.98 in the spectrum from 10 to 13 μm. The surface temperature of each pixel of the satellite image with the blackbody temperature T _BB is determined by a linear interpolation in the predetermined by the atmospheric compensation areas (T₁, T₂) and (T _BB1 , T _BB2 ).

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.The error due to linear interpolation may be due to the choice of the temperature range (T₁, T₂) very small  be. For the sensor Landsat TM, in the spectral channel 10.4 to 12.5 μm, the error is due to the linear interpolation in a typical summer atmosphere and the temperature range (T₁ = 10 ° C; T₂ = 30 ° C) at less than 0.2 ° C and thus below the noise limit of the sensor.

Die thermale Kompensationsfunktion f_T, welche der rechten Seite der Gl. (14) entspricht, ist somit definiert durch:The thermal compensation function f _T , which is the right side of Eq. (14) is thus defined by:

• 1. zwei vorgegebene Bodentemperaturen T₁, T₂ und den zugehörigen Emissionsgrad;1. two predetermined soil temperatures T₁, T₂ and the associated Emissivity;
• 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)2. two associated black body temperatures T _BB1 and T _BB2 , which depend on the ground temperature T₁ and T₂, the emissivity ε, the atmospheric parameters ATM and the normalized spectral sensitivity Φ (λ) of the sensor in the spectral range under consideration, where with λ the corresponding wavelength is designated: 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.In this case, the dependence on atmospheric parameters is designated by ATM. The function f _T can be derived from the respective models, for example LOWTRAN (Low Resolution Transmission) and SENSAT (Sensor Atmosphere Target) who the.

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.The overshoot effect can be in the thermal spectral range neglected because of the dynamic range due to Temperature and emissivity fluctuations in a scene is low and the influence of aerosol scattering significantly lower as in the visible and near-infrared spectral range is.

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).The catalog of atmospheric compensation functions is based on the assumption of a certain emissivity of the considered scene where, for example, the emissivity ε  = 0.98 in the spectral range of 8 to 14 microns. natural Earth surfaces in the spectral range of 8 to 14 microns are mostly in the emissivity range from 0.97 to 0.99. For these surfaces will come with an assumed emissivity 0.98 the kinetic soil temperature with a maximum Deviation of 0.5 ° C obtained. (This accuracy is in thermal spectral channel, in turn, in the size of the noise of the satellite sensor Landsat TM and is therefore acceptable).

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.For earth surfaces with an emissivity ε, which is outside the range of ε ± 0.01, slightly larger deviations are obtained to the kinetic surface temperature, which are usually in the range of 1 to 2 ° C. The corresponding temperatures are then referred to as radiation temperatures, since they are determined from a radiation measurement and do not correspond to the kinetic temperature. Nevertheless, this is a much more accurate determination of the surface temperature, because without an atmospheric compensation, ie when using the temperature T _BB at the satellite's location, the differences may be more than 10 ° C.

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.The application of the method according to the invention for the compensation of atmospheric influences in the solar spectral range should now be carried out on the basis of the sensor Landsat TM for a typical atmosphere with an urban aerosol an error estimate with respect to the two approximate assumptions. The standard catalog of compensation functions is created with a floor albedo of 30% to keep the error of the reflectance in the range of 10 to 40% small. The global radiation E _g at the ground is also determined for an albedo of 30%, again neglecting the variation of the global radiation with the albedo. (The catalog could just as well be extended by calculating the global radiation on the ground for an albedo other than 30%, which would then minimize the error of reflectivity in a correspondingly different range.) It is, of course, useful that the Albedo used to the range of the present recording, ie the present scene, is adjusted.

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.Table 1 below shows the absolute reflectance error for the spectral channels of the Landsat TM sensor due to the two approximations given above. If now for each channel 1 to 4, the column is compared with the angle for 0 ° (Nadir), so the error can be determined due to the neglect of the influence of Bodenalbedo on the global radiation. If, on the other hand, the two angles from 0 ° to 7 ° are compared at the same reflectance in a channel, this results in the influence due to the neglect of the azimuth angle dependence.

Tabelle 1 Table 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.In the table above, the maximum, absolute error reflected in the reflectance for the Landsat TM sensor. The individual parameters were: angle 0 °: nadir; corner 7 °: lateral displacement; Atmospheric parameters: summer in middle latitudes (from the LOWTRAN model), an urban aerosol, range of standard visibility: 5-40 km; Range of the zenith angle of the sun: 30 ° to 60 °; Floor heights: 0 to 1 km above sea level.

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%.For the TM channels 5 to 7 , not shown, the errors in the reflectance for the channel 5 are less than 0.7% and for the channel 7 less than 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.In order to determine the influence of the overshoot effect, a partial scene of Munich was evaluated, which contained several smaller lakes, which are surrounded by a vegetation-covered land. Here, in the spectral region of 760 bsi, 900 nm, which corresponds to the spectral channel 4 of the Landsat ™ sensor, the reflectance of water surfaces is usually 1 to 2%, that of vegetation is usually in the range of 40 to 60%. Without compensation of the overshoot effect (see step S 11 in FIG. 1), a reflectance of 6% was obtained for these water surfaces, while the reflectance with compensation was only 1%, ie better by a factor of 6.

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.The methods for the compensation of atmospheric influences in the solar or thermal spectral range are in the first place for satellite-borne sensors with a small scanning angle Area applicable and usable, which is smaller than 10 ° outside the nadir is, since here the dependence of Scan angles are neglected in very good approximation can. The error in the determined soil temperature due the neglect of the scan angle is for example the thermal spectral range of the Landsat TM sensor is commonly used less than 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.The compensation method in both solar and thermal Spectral range can be neglected at the Scan angle dependence also for a larger scan angle range be applied as ± 10 ° outside the nadir, where the error increases with the angle. In this case is to recommend it, the compensation functions (see Eq. (5), (6), (11), (14) and (15)) depending on the angle, by measuring at an angle of 5 ° to 10 ° and then interpolated linearly between the angular support points become. The inventive methods are then  also applicable to airborne sensors, which are normally a wide scan angle range of ± 45 ° to ± 60 ° outside the nadir direction.

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.Table 2 below shows, for example, the sensor Landsat TM ranges of surface temperatures for various atmospheric conditions, d. H. for a variety of satellite imagery at different atmospheric Conditions have been included; here is the Error due to the used, linear interpolation less than 0.2 ° C.

Tabelle 2Table 2 Atmosphärethe atmosphere Bereich der Oberflächentemperaturen (°C)Range of surface temperatures (° C) US Standard 1976|(0, +30)US Standard 1976 | (0, +30) Sommer in mittl. BreitenSummer in middle of spread (+5, +35)(+5, +35) Tropisch (feucht)Tropical (wet) (+10, +40)(+10, +40) arides Klimaarid climate (+10, +40)(+10, +40) Winter in mittl. BreitenWinter in middle of spread (-15, +15)(-15, +15) subarktischer Wintersubarctic winter (-30, 0)(-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).1. A method for the compensation of atmospheric influences in the solar spectral range recorded from the earth's surface by means of opto-electronic satellite sensors images, characterized in that
Compensation functions (a₀, a₁ and q), which of atmospheric parameters, such as the height profile of pressure, temperature, humidity and ozone concentration, defined by the standard visibility aerosol concentration of an aerosol type, absorption and scattering processes, the sun and depend on sensor parameters and in which the wavelength-dependent spectral sensitivity function (Φ (λ)) of the sensor and calibration functions (c₀ (i), c₁ (i)) are taken into account for a wide range of atmospheric parameters (S 2 ) and in one Catalog can be stored saving space (S 3 , S 4 );
for each picture element (pixel) of a recorded image of the earth's surface with the help of very specific compensation functions taking into account the facts during the image acquisition from the plurality of determined and held in the catalog compensation functions (a₀, a₁ and q) whose reflectance (ρ ⁽¹⁾ ) becomes (S 8 ),
an averaged reflectance ( ⁽¹⁾ ) in an environment of (NxN) pixels is detected by means of (NxN) pixel low pass filtering (S 9 ) (S 10 ), and to compensate for the blooming effect (FIG. S 11 ) and thus for the general improvement of the reflectance (ρ ⁽²⁾ ) the difference of the reflectance (ρ ⁽¹⁾ ) of the respective picture element to the determined averaged reflectance ( ⁽¹⁾ ) is weighted with the compensation function (q) (S 12 ) , 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′).2. A method for the compensation of atmospheric influences in the thermal spectral range recorded from the earth's surface by means of opto-electronic satellite sensors images, characterized in that
Compensation functions (T _BBi ; equation (15)), which depend on atmospheric parameters such as the height profile of the pressure, the temperature, the humidity of an aerosol concentration defined by the standard visibility and sensor parameters, and in which the wavelength-dependent spectral response (Φ (λ) ) of the sensor and calibration values (c₀, c₁) are taken into account, determined for a wide range of the atmospheric parameters (S 2 ') and stored in a memory-saving memory (S 3 ', S 4 ');
the gray value (DN) of a recorded original image (S 6 ) is converted taking into account sensor-specific calibration values (c₀, c₁) into a radiance (L), which in turn is converted into an equivalent blackbody temperature (T _BB ) on the sensor used (Step S 13 ');
the black body temperature (T _BB ) is converted at a typical emissivity (ε) of a scene into the associated radiation temperature of the earth's surface (S 13 '), and
a linear interpolation in two temperature ranges (T₁, T₂ on the ground, T _BB1 , T _BB2 on the sensor) is performed, where in the choice of the two temperatures on the ground (T₁, T₂) is adapted to the maximum and minimum temperature range (S 13 ' ). 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.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized characterized in that the catalog of compensation functions in a computer memory in the form of a magnetic tape, a magnetic disk, a semiconductor memory, a optical disk u. Ä. Is filed.