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Correzione atmosferica
Corso di Elaborazione e Trasmissione
delle Immagini
II modulo
Pisa, 11 Dicembre 2006
Regioni spettrali VIS-IR: proprietà
generali
Regione
spettrale
Banda
Sorgente
di
radiazione
Proprietà della
superficie utilizzata
per telerilevamento
Visibile
(VIS)
0.4÷0.7 µm
Solare
Riflettanza
Infrarosso
Vicino (NIR)
0.7÷1.1 µm
Solare
Riflettanza
Short Wave
Infrared
(SWIR)
1.1÷1.35 µm
1.4÷1.8 µm
2÷2.5 µm
Solare
Riflettanza
Mid Wave
Infrared
(MWIR)
3÷4
4.5÷5
µm
µm
Solare,
Target
Riflettanza,
Emissione
Dipende da:
8÷9.5 µm
10÷14 µm
Target
Emissione
T , ε (θ , φ ; λ )
Infrarosso
termico
(TIR)
del target
Bande e risposta spettrale TM / ETM+
Risposta spettrale normalizzata
1
2
3
4
5
7
8
Lunghezza d’onda (nm)
TM / ETM+ : finestre atmosferiche
4
5
7
Informazione contenuta nelle bande
TM/ETM+
Banda 1: Blu visibile
Banda 2: Verde visibile
Banda 3: Rosso visibile
Banda 4: Near IR. Principalmente dovuta a diffusione e
riflessione della luce solare.
Specchi d’acqua: scuri salvo diffusione da sedimenti
Banda 5 and 7: Mid IR. Principalmente dovuta a diffusione e
riflessione della luce solare.
Specchi d’acqua: scuri
Banda 6: Thermal IR. Riconducibile a temperatura ed
emissività dei target a temperatura ambiente. Effetto
solare trascurabile.
Interazione della radiazione con le
superfici
Radiazione
incidente
Radiazione riflessa
R (λ ) + A(λ ) + T (λ ) = 1
Mezzo 1
Radiazione
trasmessa
R (λ ) Riflettanza
T (λ ) Trasmittanza
A(λ ) Assorbanza
Mezzo 2
Absorbed radiation
Materiali opachi:
T (λ ) = 0
Kirkhoff law:
A(λ ) = ε (λ )
R (λ ) + A(λ ) = 1
R (λ ) + ε (λ ) = 1
Firma spettrale
0.9
forest
desert
ocean
0.8
Riflettanza spettrale
0.7
0.6
Applicazione:
0.5
Classificazione,
indici di utilizzo del
territorio
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0
2
4
6
8
10
12
14
Lunghezza d'onda (µm)
Colore marino
Algoritmo bio-ottico:
5ºW
3ºW
1ºW
Applicazione:
⎛ R3 ⎞
Log (C ) = a0 + a1 ⋅ Log ⎜⎜37ºN⎟⎟
⎝ R5 ⎠
Stima di parametri
otticamente attivi
(OAPs)
36ºN
Chlorophyll-a [mg/m3]
October 12th 1998
0.00 0.21
0.42
0.63 0.83 1.04
1.25
Temperatura superficiale
Applicazione:
Mappe di temperatura
(SST,LST)
320
310
300
290
Temperatura di brillanza Tb :
L bb ( λ , T b ) = ε (θ , φ ; λ ) ⋅ L bb ( λ , T )
280
SST: Split window
270
Effetti atmosferici prevalenti (VIS-NIR)
Surface upwelling
component (diffuse)
Surface reflected component
(direct, glint)
Lt (λ ) = T (λ ) ⋅ Lu (λ ) + L p (λ ) + T (λ ) ⋅ Lg (λ )
Total radiance at the sensor
Lu
Lp
Component diffused by the
atmosphere (path radiance)
Lg
Effetti atmosferici prevalenti (banda TIR)
Surface upwelling
component (emitted)
Component emitted by the
atmosphere and reflected by the
surface
Lt (λ ) = T (λ ) ⋅ Lu (λ , Ts ) + Le (λ ) + T (λ ) ⋅ Ld (λ )
Total radiance at the sensor
Lu
Le
Component emitted by
the atmosphere
Ld
Tecniche di correzione atmosferica
Basate sull’immagine: quando le mappe telerilevate
contengono bande spettrali che su determinate porzioni di
territorio hanno proprietà radiometriche notevoli, adatte
a risalire ai parametri ottici atmosferici utili per la
correzione.
Basate su modelli: quando i parametri ottici atmosferici utili per
la correzione vengono determinati sulla base di una
simulazione, al cui ingresso sono fornite le condizioni
atmosferiche ed ottiche note o dedotte al momento del
telerilevamento.
Tecniche di correzione atmosferica
Utilità del modello:
- Verifica e previsione di condizioni ottiche atmosferiche
in funzione di diversi parametri (condizioni meteo,
giorno ed orario del telerilevamento).
- Valutazione di tecniche di correzione basate sulle immagini,
sulla base di simulazioni.
-Generazione di parametri per tecnche di correzione basate
su immagini, tramite algoritmi di regressione
Ambiente marino: contributi alla
radianza totale al sensore
Lp
Lg
Glint
Lwl
Trasmittanza
atmosferica
Lt (λ) = Lp (λ) + Lg (λ) ⋅T(λ) + Lwl(λ) ⋅T(λ)
Path
radiance
Water leaving
radiance
Ambiente marino: modello atmosferico
VIS/NIR
L p (λ ) = Lr (λ ) + Lra (λ ) + La (λ )
Path radiance
Termine misto
Diffusione dovuta a particelle
(a = aerosol)
Diffusione molecolare
(r = Rayleigh)
Trascurando il termine misto la radianza totale al sensore è:
Sun glint
Lt (λ) = Lr (λ) + La (λ) + Lg (λ) ⋅T(λ) + Lwl(λ) ⋅T(λ)
Path radiance
Radianza diffusa water leaving
Definizione della geometria di ripresa
Direzione di volo
Angolo zenitale
θ
θ0
φ0
S
P
Angolo azimutale
N
φ
Angolo zenitale θ
Angolo zenitale solare θ0
Angolo azimutale φ
Angolo azimutale solare φ0
Modello atmosferico VIS/NIR
Esempio di andamento
della path radiance nelle
seguenti condizioni:
- Superficie=corpo
nero a T ambiente
- Angolo zenitale solare
45°
- Vista al Nadir
- Visibilità elevata
- Media latitudine
Alcune definizioni…
Assorbimento
Coefficiente di estinzione:
Diffusione o scattering
Ke = Ka + Ks
SSA (Single Scattering Albedo):
Ks
ω =
Ka + Ks
Funzione di fase: legge di anisotropia della radiazione diffusa
da una particella.
p (θ , ϕ ) =
4 ⋅ π ⋅ I (θ , ϕ )
∫ π I (θ , ϕ )dΩ
4
Alcune definizioni…
Per un generico cammino ottico r privo di sorgenti,
inclinato di un angolo θ, la legge di Lambert-Bouger
descrive l’andamento della radianza spettrale come
segue:
In funzione della
K e (λ , z )
−
⋅dz
cos (θ )
z
L(λ , z ) = L(λ , z0 ) ⋅ e
z
L(λ , z )
=e
T (λ , z ) =
L(λ , z0 )
Trasmittanza
∫
0
τ (λ , z )
−
cos (θ )
coordinata z=r cos(θ)
=e
τ (λ , z )
−
cos (θ )
Spessore ottico
z
τ (λ , z ) = ∫ K e (λ , z ) ⋅ dz
z0
Correzione atmosferica basata sull’immagine
Single scattering albedo
Definiamo:
(ε λ ,λ ) = L ((λ )) ⋅
i
j
a
i
La λ j
Spessore ottico
E0 (λ j )
ωa (λi ) ⋅ τ a ( λi ) ⋅ pa (θ,θ0 , ϕ , ϕ 0 ,λi )
=
'
E0 ( λi ) ωa (λ j )⋅ τ a (λ j )⋅ pa (θ,θ0 ,ϕ , ϕ 0 ,λ j )
Lx (λ ) =
'
Trasmittanza dello
strato di ozono
ω x (λ ) ⋅τ x (λ ) ⋅ E0 (λ ) ⋅ p x (θ ,θ 0 , ϕ , ϕ 0 ,λ )
⋅ Toz (θ , θ 0 , λ ) ; x = a, r
4 ⋅ π ⋅ cos(θ )
Legge di variazione di ε nell’intervallo delle lunghezze d’onda coperte
dal SeaWiFS
ε (λi , λ j ) = e
(
c⋅ λ j −λi
Nel caso del SeaWiFS si utilizzano
le bande 7,8 sui pixel di mare (scuri nel NIR)
)
ln[ε ( λ7 ,λ8 )]
c=
λ8 − λ7
Correzione atmosferica basata sull’immagine
La ( λ8 ) = Lt ( λ8 ) − Lr ( λ8 ) ≅ Lt ( λ8 )
La ( λ7 ) = Lt ( λ7 ) − Lr ( λ7 ) ≅ Lt ( λ7 )
Approssimazione valida
nel NIR
( ) nella banda
Estrapolazione di La λ
i-esima
E0 ( λi )
La ( λi ) = ε ( λi ,λ8 ) ⋅ La ( λ8 ) ⋅ '
E0 ( λ8 )
'