Buch, Deutsch, 132 Seiten, KART, Format (B × H): 176 mm x 250 mm, Gewicht: 270 g
Buch, Deutsch, 132 Seiten, KART, Format (B × H): 176 mm x 250 mm, Gewicht: 270 g
ISBN: 978-3-941216-08-2
Verlag: Rhombos-Verlag
Vergleichende Untersuchungen der Atmosphärenkorrekturprogramme
ATCOR und FLAASH auf der Datengrundlage des Satellitensystems IKONOS
Band 5 der Reihe „Fernerkundung und angewandte Geoinformatik“. Herausgegeben von Univ. Prof. Dr. habil. Elmar Csaplovics, Lehrstuhl Remote Sensing, FR Geowissenschaften, TU Dresden.
132 Seiten. Format B5. Broschur. Zahlreiche Abbildungen, 21 davon farbig. Preis: 42,90 Euro. ISBN 978-3-941216-08-2. Rhombos-Verlag, Berlin 2009
Der atmosphärischen Korrektur von Fernerkundungsdaten wird heute eine große Bedeutung beigemessen. In den vergangenen Jahren fand auf diesem Gebiet der Datenvorverarbeitung eine intensive Weiterentwicklung statt und es entstand eine Vielzahl von Softwarewerkzeugen. Die vorliegende Arbeit beinhaltet die Ergebnisse eines programminternen, programmübergreifenden sowie anwenderorientierten Vergleichs der Programme ATCOR und FLAASH. Dabei spielen insbesondere bei den ersten beiden Vergleichen die verschiedenen Aerosolmodelle, Atmosphärenmodelle sowie der Parameter der Sichtweite eine zentrale Rolle.
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis iii
Tabellenverzeichnis v
Abkürzungsverzeichnis vii
1Einleitung 1
2 Grundlagen der elektromagnetischen Strahlung und Radiometrie 3
2.1 Die elektromagnetische Welle 3
2.2 Der Welle-Teilchen Dualismus 6
2.3 Einheiten der Radiometrie 6
2.3.1 Der Raumwinkel 6
2.3.2 Die physikalischen Einheiten der Radiometrie 7
2.4 Der schwarze Körper und die Strahlungsgesetze 8
3 Wechselwirkung von Strahlung und Materie 13
3.1 Absorption und Emission 13
3.1.1 Rotationsenergie 14
3.1.2 Vibrationsenergie 15
3.1.3 Elektronenenergieniveau 16
3.1.4 Linienverbreiterung 17
3.1.5 Kontinuierliche Absorption durch Photoionisation und Photodissoziation 19
3.1.6 Kontinuierliche Absorption durch Wasserdampf 19
3.1.7 Horizontale Sichtweite und Extinktionskoef?zient 19
3.2 Streuung 22
3.2.1 GeometrischeOptik 24
3.2.2 Mie-Streuung 24
3.2.3 Rayleigh-Streuung 25
3.3 Die Sonne als Strahlungsquelle 29
3.4 Die Erdatmosphäre 30
3.5 Die Re?exion an Objekten der Erdober?äche 34
4 Datengrundlagen 37
4.1 Das IKONOS-Satellitensystem 37
4.2 Die IKONOS-Daten 39
4.3 Kalibrierung 40
5 Atmosphärenkorrektur 43
5.1 Relative Korrekturmethoden 44
5.2 Absolute Korrekturmethoden 45
5.3 Die Software FLAASH 46
5.3.1 Der FLAASH-Algorithmus 46
5.3.2 Beschaffung des Wasserdampfgehaltes 46
5.3.3 Generierung der Wolkenmaske 47
5.3.4 Korrektur von Nachbarschaftseffekten 47
5.3.5 Beschaffung des Aerosolgehaltes 47
5.3.6 Berechnung der Re?ektanz pro Pixel 48
5.3.7 Aufbau und Bedienober?äche 49
5.3.8 Spezi?kation der Eingangsdaten 50
5.4 Die ATCOR-Software 53
5.4.1 Funktionsweise von ATCOR 53
5.4.2 Die Bedienober?äche 55
5.4.3 Spezi?kation der Eingangsdaten 58
6 Vergleichende Untersuchung 61
6.1 Die Satellitenszene 61
6.2 Die Digital-Number-Daten 61
6.3 Die Top-of-Atmosphere-Daten 64
6.4 ATCOR-Ergebnisse 68
6.4.1 Vergleich der Aerosolmodelle 68
6.4.2 Vergleich der Atmosphärenmodelle 72
6.4.3 Vergleich des Parameters Sichtweite 75
6.5 FLAASH-Ergebnisse 78
6.5.1 FLAASH-Aerosolmodelle 78
6.5.2 FLAASH-Atmosphärenmodelle 81
6.5.3 FLAASH-Variation der Sichtweite 84
6.6 Die Bestimmung und Rolle der Steuerparameter 87
6.7 Differenzen zwischen ATCOR und FLAASH 89
6.8 Anwenderorientierter Vergleich 96
6.8.1 Vergleich der Korrekturergebnisse 96
6.8.2 Anwenderorientierte Softwareanalyse 98
6.8.3 Beurteilung der anwenderorientierten Qualität 99
6.9 Weitere Korrektursoftware 99
6.10 Diskussion der Ergebnisse 100
7 Ergebniszusammenfassung und Ausblick 103
Literaturverzeichnis 105
Anhang 109
A Bandmath für dieTOA-Berechnungen 109
B Metadaten der IKONOS-Szene 111
C Reportdatei von ATCOR 115
D Template Datei von FLAASH 117
Einleitung
Elektromagnetische Strahlung stellt in der Satellitenfernerkundung den Träger der Information dar. Häu?g geschieht dies durch die Verwendung passiver Systeme, bei denen solare Strahlung die Atmosphäre auf ihrem Weg zum Sensor zweimal durchläuft. Dabei zeigt sich, dass verschiedene Absorptions- und Streuprozesse das ungestörte Sonnenspektrum nach dem Eintritt in die Erdatmosphäre modi?zieren. Über die breitbandige Abschwächung hinaus, welche in erster Linie durch Aerosole und Moleküle erfolgt, stellen vor allem Bestandteile wie Wasserdampf, Ozon, Kohlendioxid und Methan wichtige Absorptionsbanden dar.
Daraus folgt, dass die Satellitenfernerkundung ihre Aufgabe als Datenlieferant für Geoinformationssysteme nur dann wahrnehmen kann, wenn dieser Ein?uss minimiert oder beseitigt wird. Anbieter fernerkundlicher Software haben diesen Bedarf erkannt und in den vergangenen Jahren ihre Produkte mit entsprechenden Tools ausgestattet, die die oberhalb der Atmosphäregemessenen Daten (TOA, engl. top of atmosphere) in Re?ektanzen am Boden überführt. Die Re?ektanz ist dabei eine physikalische, stoffkennzeichnende Größe, welche abhängig von der betrachteten Wellenlänge und dem Material ist. Gerade mit Blick auf die räumliche und zeitliche Vergleichbarkeit zeigt die Größe der Re?ektanz ihre Vorteile. Unabhängig vom Aufnahmeort und der Aufnahmezeit lassen sich auch sensorübergreifend Daten zuverlässig miteinander vergleichen. Die Atmosphärenkorrektur stellt somit einen wichtigen Schritt der Vorprozessierung fernerkundlich gewonnener Daten dar und ermöglicht es, dass der Vielzahl verschiedener Verfahren der Informationsgewinnung solide Basisdaten zur Verfügung gestellt werden können.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden mit ATCOR und FLAASH zwei Produkte vergleichend untersucht. Das ursprünglich von Dr. Rudolf Richter am DLR entwickelte ATCOR stand dafür als Implementierung von ERDAS IMAGINE 9.1 zur Verfügung. Das von Spectral Sciences, Inc. gemeinschaftlich mit dem U.S. Air Force Research Laboratory (AFRL) und Spectral Information Technology Application Center (SITAC) entwickelte FLAASH, wurde innerhalb der Softwareumgebung von ENVI 8.3 genutzt (ITT VISUAL INFORMATION SOLUTION, 2006).
Nach einführenden Kapiteln, die dem Leser einen kompakten Einblick in die der Atmosphärenkorrektur zugrunde liegenden physikalischen Aspekte elektromagnetischer Strahlung geben sollen und nach einer Darstellung der Funktionsweise der verwendeten Software wurden drei Schwerpunkte des Vergleichs gewählt:
Programminterner Vergleich: Beide verwendeten Programme geben dem Nutzer die Möglichkeit, eine Reihe von Einstellungen zu tätigen. Hierzu gehören unter anderem die Wahl des Atmosphärenmodells, des Aerosolmodells sowie des Parameters der Sichtweite. Es wird gezeigt, wie groß der Ein?uss dieser auf das Resultat einer Atmosphärenkorrektur ist.
Programmübergreifender Vergleich: Ohne Referenzmessungen besteht keine Möglichkeit, die absolute Genauigkeit der Korrekturverfahren zu bestimmen. Dennoch kann der Vergleich zwischen zwei Softwarelösungen, die mit gleichen Parametereinstellungen arbeiten, ein Indiz für die zu erwartenden Genauigkeit sein.
Anwenderorientierter Vergleich: Anwender jenseits des wissenschaftlichen Bereiches, beispielsweise in Ingenieurbüros oder auch Datenlieferanten, interessiert vorwiegend das Korrekturergebnis. Darüber hinausspielen aber auch andere Faktoren eine Rolle, die in diesem Abschnitt näher betrachtet werden sollen.
Angewandt wurden die genannten Programme auf eine IKONOS-Satellitenbildszene vom 1. August 2000, die einen Teil der Vorderen Sächsischen Schweiz abbildet und in deren südlichem Teil Dunst und Wolkenformationen vorhanden sind, welche unterschiedliche Grade der Transparenzaufweisen.