P. Castracane

II° workshop
p novembre
2010
Modulo di Calibrazione
Paolo Castracane (ACS)
Sommario
1.
2
2.
3.
4.
5.
6.
Correzioni e pre-elaborazione dei dati
Correzione radiometrica
Calibrazione Aster
Calibrazione Hyperion
Calibrazione Modis
AVHRR serie storica (da Radianza a TB)
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Correzione e pre-elaborazione dei dati
In generale prima di essere utilizzati i dati registrati dai sensori necessitano di
alcune elaborazioni, in cui si cercano di correggere gli errori, il rumore e le
distorsioni introdotte durante l’acquisizione dell’immagine. Le fasi di
acquisizione fino alla trasmissione dei dati alle stazioni a terra possono
riassumersi in:
• A
Acquisizione
i i i
d
deii d
dati,
ti e successiva
i registrazione
i t i
iin di
diversii
canali spettrali, da parte di un sensore;
• eventuale compressione
p
dei dati ;
• trasmissione ad una stazione di terra;
• pre-elaborazione generica (correzioni della sensibilità non
uniforme dei sensori
sensori, eventuale ricampionamento);
• applicazione di correzioni più specifiche (per esempio
georeferenziazione, ortorettifica, ecc.),
g
) che consentono di
ottenere una serie di prodotti caratterizzati da diversi livelli di
precisione;
• formattazione di ogni prodotto in un file con specifico
formato.
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Correzione radiometrica
Nel pre-processamento delle immagini rilevate, le operazioni fondamentali
sono la correzione geometrica, atmosferica e radiometrica. I livelli e le
metodologie adottate per le diverse correzioni dipendono soprattutto
dall’applicazione
dall
applicazione per cui si usano le immagini
Quando la radiazione raggiunge il sensore, il segnale viene immagazzinato
come dato digitale DN
DN-Digital
Digital Number,
Number cioè come un valore numerico
direttamente proporzionale all’intensità del segnale ricevuto. La prima forma di
calibrazione, chiamata calibrazione al sensore, consiste nel tradurre questa
grandezza adimensionale (il DN) in una grandezza fisica.
La grandezza fisica comunemente utilizzata è la Radianza spettrale, che
rappresenta la quantità di energia trasmessa o ricevuta (espressa in Watt)
come funzione della lunghezza d
d’ onda della radiazione stessa (in μm o cm) e
2
della superficie radiante (in m o cm2), per unità di angolo solido
(steradiante).
La calibrazione
L
lib i
all sensore è solo
l il primo
i
passo verso lla reale
l iinterpretazione
t
t i
del segnale che subisce profonde modifiche nel suo percorso dalla sorgente
all’oggetto, e di nuovo dall’ oggetto al sensore.
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Correzione radiometrica
La correzione radiometrica è la procedura di calibrazione e correzione delle
variazioni dei parametri di gain: a1 (ovvero il rapporto tra il valore di una
grandezza sottoposta al processo di amplificazione e il valore iniziale della
grandezza. In un dispositivo elettronico il fattore di amplificazione è il rapporto tra
la tensione di uscita e quella di ingresso) e di offset a0 (Dato un segnale o una
grandezza variabile,, indica la quantità
g
q
costante che viene sommata o sottratta a
tutto il segnale o a tutta la grandezza variabile).
Questi parametri permettono appunto di risalire al valore di radianza che il
sensore ha misurato, prima di essere trasformato in un segnale digitale. Essi
variano sensibilmente lungo la vita del sensore, pertanto per effettuare una
correzione precisa è opportuno conoscere i parametri di calibrazione quasi
simultanei rispetto al tempo di ripresa.
Le immagini da satellite in commercio riportano, all’interno dei file ausiliari,
i dati
d ti per convertire
ti il valore
l
di
digitale
it l del
d l pixel
i l dell’immagine
d ll’i
i in
i valori
l i di
radianza secondo la formula:
Rad = a0 + a1 ⋅ DN
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Modulo di Calibrazione ASI SRV
Dati satellitari di input
• EOS (NASA's Earth Observing System)
¾ ASTER (Advanced Spaceborne Thermal
and
d Reflection
R fl ti
Radiometer)
R di
t )
¾ MODIS (Moderate Resolution Imaging
Spectroradiometer)
p
)
Emission
• EO-1 (NASA)
¾
Hyperion
yp
(Imaging
(
g g Spectrometer)
p
)
Per q
questi dati il processo
p
di calibrazione viene
effettuato automaticamente in fase di Ingestione
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SRV Ingestione e Calibrazione
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SRV Ingestione e Calibrazione
Dati Aster L1B : AST_L1B_xxxx.hdf
_
_
Dati Modis L1B : MOD02.xxxx.hdf
Ingestion
Dati Hyperion : E01H1xxxx.L1R
ASTER_1A_x_startT_endT_creationT_site_source.hdf
MODIS 1A _x_startT_endT_creationT_site_source.hdf
MODIS_1A
x startT endT creationT site source hdf
Re naming
Re-naming
HYPER_1A_x_startT_endT_creationT_site_source.hdf
ASTER_1B_x_startT_endT_creationT_site_source.hdf
MODIS_1B _x_startT_endT_creationT_site_source.hdf
Calibration
HYPER_1B_x_startT_endT_creationT_site_source.hdf
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ASTER L1B
FORMATO
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Aster dataset
Band
Bandwidth (nm)
Pixel Size
(m)
Remarks
VNIR = visible near-infrared
1
520 - 600
15
2
630 - 690
15
3N
760 - 860
15
N = normal
3B
760 - 860
15
B = backward
looking at 26.7°
SWIR = shortwave infrared
4
1600-1700
30
5
2145-2185
30
6
2185-2225
30
7
2235 2285
2235-2285
30
8
2295-2365
30
9
2360-2430
30
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TIR = thermal infrared
10
8125 - 8475
90
11
8475 - 8825
90
12
8925 - 9275
90
13
1025 - 1095
90
14
095 - 1165
65
1095
90
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Calibrazione Aster
z
Il modulo di Calibrazione converte il dato Aster DNs
Digital Number in un valore di Radianza [W/m2/ster/mm]
applicando la formula: Rad = (DN-1) * fact
dove fact è una costante di calibrazione caratteristica
della banda
z
Il valore di fact è registrato negli ancillary data files
z
ENVI (d
(dalla
ll versione
i
4
4.2
2 iin poi)
i) applica
li automaticamente
i
questa conversione durante l’apertura del file
“envi
envi_open_data_file,
open data file filename,
filename /ASTER,
/ASTER r_fid
r fid = fid
fid”
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Aster Q
Quicklook: Etna
ASTER quicklook VNIR (3,2,1) a sinistra e TIR (14,13,11) a destra
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Modis dataset
Primary Use
Band
Bandwidth
Spatial
Resolution
Land/Cloud/AerosolsB
oundaries
1
620-670 nm
250 m
2
841-876 nm
250 m
3
459-479 nm
500 m
4
545-565 nm
500 m
5
1230-1250 nm
500 m
Land/Cloud/Aerosols
Properties
Ocean Color
Phytoplankton
Biogeochemistry
6
1628-1652 nm
500 m
7
2105-2155 nm
500 m
Atmospheric Water Vapor
Surface/Cloud Temperature
Atmospheric Temperature
Cirrus Clouds
Water Vapor
17
890-920 nm
1000 m
18
931-941 nm
1000 m
19
915-965 nm
1000 m
20
3.660-3.840 µm
1000 m
21
3.929-3.989 µm
1000 m
22
3.929-3.989 µm
1000 m
23
4.020-4.080 µm
1000 m
24
4.433-4.498 µm
1000 m
25
4.482-4.549 µm
1000 m
26
1 360-1
1.360
1.390
390 µm
1000 m
27
6.535-6.895 µm
1000 m
28
7.175-7.475 µm
1000 m
8
405-420 nm
1000 m
9
438-448 nm
1000 m
10
483-493 nm
1000 m
Cloud Properties
29
8.400-8.700 µm
1000 m
11
526 536 nm
526-536
1000 m
O
Ozone
30
9 580 9 880 µm
9.580-9.880
1000 m
12
546-556 nm
1000 m
31
10.780-11.280 µm
1000 m
13
662-672 nm
1000 m
32
11.770-12.270 µm
1000 m
14
673-683 nm
1000 m
33
13.185-13.485 µm
1000 m
15
743-753 nm
1000 m
34
13.485-13.785 µm
1000 m
35
13.785-14.085 µm
1000 m
36
14.085-14.385 µm
1000 m
16
862-877 nm
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1000 m
Surface/Cloud Temperature
Cloud Top Attitude
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Calibrazione Modis
z
Il sensore MODIS acquisice
i i il dato
d t in
i 36 b
bande
d spettrali
tt li d
da 0
0.4
4 µm a 14
14.4
4
µm. Due bande hanno risoluzione spaziale nominale di 250m al nadir (1 e
2), cinque bande a 500 m (dall 3 alla 7) e le rimanenti 29 hanno 1 km di
risol ione spa
risoluzione
spaziale.
iale Il dato distrib
distribuito
ito dalla NASA Le
Level
el 1B è
radiometricamente calibrato, non è corretto geometricamente e viene
distribuito in formato HDF
z
Il modulo di calibrazione legge il file HDF ed estrae i dati calibrati utilizzando
I parametri presenti negli ancillary files che consentono la trasformazione da
DN a R
Radianza
di
(W/
(W/m2/sr/mm).
2/ /
)
z
ENVI ((dalla versione 4.2 in p
poi)) applica
pp
automaticamente q
questa
conversione durante l’apertura del file
“envi_open_data_file, filename, /ASTER, r_fid = fid”
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MODIS Quicklook
MODIS quicklook VIS (3,1,5)) (sinistra) TIR (27,29,31) (destra)
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Hyperion
y
dataset
Band #
VNIR Channels
SWIR Channels
Wavelength (nm)
wStatus
1-7
356 - 417nm
not calibrated
8 - 55
426 - 895 nm
calibrated
56 - 57
913 - 926 nm
calibrated (overlaps with SWIR 77-78)
58 - 70
936 - 1058 nm
not calibrated
71 - 76
852 - 902 nm
not calibrated
77 - 78
912 - 923 nm
calibrated (overlaps with VNIR 56-57)
79 - 224
933 - 2396 nm
calibrated
225 - 242
2406 - 2578 nm
not calibrated
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Calibrazione Hyperion
Il sensore iperspettrale Hyperion ha la capacità di esplorare in modo
continuo lo spettro e.m. da 356 a 2577 nm con una risoluzione spaziale di
30 m. Il dato è distribuito da USGS EROS Data Center (EDC) e consiste di
dati corretti radiometricamente (Level 1R) senza correzione geometrica. Il
livello 1R è fornito in formato HDF. Il dato Hyperion è costituito da 242
bande,, di queste
q
44 non sono calibrate ((hanno valore nullo),
), le restanti 198
coprono lo spettro da 426 a 2395 nm. A causa della sovrapposizione tra le
bande 56-57 e 77-78 soltanto 196 canali sono forniti in uscita.
z Il dato di origine
g
è organizzato
g
in formato BIL ((band-interleaved-by-line
y
) ed
il byte order è Network (IEEE) intero. Oltre alle immagini, le “spectral center
wavelengths”, “spectral bandwidths” e i “gain coefficients” sono fornite in
uscita.
z Il modulo di calibrazione rimuove le bande non calibrate, applica i “gain
coefficients” corrispondenti alle 196 bande calibrate
z
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Calibrazione Hyperion
HYPERION VNIR
quicklook
(25,13,4)
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AVHRR serie storica (da Radianza a TB)
Il tool AVHRR converter è stato sviluppato per convertire la serie
storica ((dal 2006 al 31 Agosto
g
2008)) dei dati AVHRR. In
particolare I canali nell’Infrarosso 3b, 4 e 5 sono stati convertiti
da valori espressi in radianza a temperatura di brillanza. Per I
casi notturni, inoltre, I canali nel visibile (banda 1 e 2) sono
omessi nel dataset di uscita
La Temperatura
p
di brillanza viene estratta invertendo la
legge di Planck data la radianza e la lunghezza d’onda del
centro della banda
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