Post on 26-Jan-2016
description
Fizyczne Podstawy TeledetekcjiWykład 7
Krzysztof MarkowiczInstytut Geofizyki
Uniwersytet Warszawskikmark@igf.fuw.edu.pl
Teledetekcja powierzchni Ziemi
• Rozpoznawanie typów podłoża na podstawie współczynników odbicia promieniowania w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni.
• Współczynnik odbicia podłoża zależy nie tylko od rodzaju powierzchni ale również od położenia Słońca oraz detektora satelitarnego lub lotniczego. W ogólnym przypadku są to dwa kąty zenitalne i dwa kąty azymutalne.
• Dlatego wprowadza się pojęcie BRDFu - dwukierunkowego współczynnika odbicia.
3
• Współczynnik 2-kierunkowego odbicia w przeciwieństwie od albeda zdefiniowanego dla strumieni promieniowania nie zależy od własności optycznych atmosfery a jedynie od własności samej powierzchni odbijającej.
d
(,)
oo(,)
oooSAT cosF
)(I),(R
Definicja BRDF-u
powierzchni ziemi 'd'cos)'(I
)(dI),'(R
Definicja BRDF-u na górnej granicy atmosfery
4
• Większość typów powierzchni ziemi wykazuje własności optyczne pomiędzy dwoma skrajnymi typami: idealnie gładka (odbicie zwierciadlane) oraz powierzchnia szorstką (Lambertsowska)
• W pierwszym przypadku współczynnik odbicia jest niezerowy jedynie dla kąta padania równego kątowi odbicia (odbicie Fresnela)
• W drugim przypadku radiancja promieniowania odbitego jest izotropowa.
• Określenie BRDF-u powierzchni ziemi jest kluczowe dla większości metod teledetekcyjnych.
• Czasami funkcję BRDF definiuje się dla całego zakresu falowego promieniowania.
Odbicie promieniowania
5
6
7
Zmienność spektralna współczynnika odbicia powierzchni ziemi
ASTER baza danych współczynników odbicia
podłoża http://speclib.jpl.nasa.gov/
Typy podłoża i ilość dostępnych ich radzajów
Minerals (1748)
Lunar (17)
Vegetation(4)
Rocks(473)
Meteorites (60)
Water/Snow/Ice(9)
Soils (69)Man-Made (84)
Brown loamy fine sand
14
Zmiany współczynnika odbicia w bliskiej podczerwieni (NIR) opisywane są przez indeks NDVI (znormalizowany, różnicowy indeks wegetacyjny)
)VIS(I)NIR(I
)VIS(I)NIR(INDVI
I(NIR) oraz I(VIS) są radiancja promieniowania odbitego w bliskiej podczerwieni i w obszarze widzialnym.
NDVI mówi nam o zawartości składnika wegetacyjnego w danym typie podłoża. Im większy indeks tym zawartość biomasy większa.
Przykład
W przyrządzie AVHRR (Advance Very Heigh Resolution Radiometer) w celu wyznaczenia NDVI wykorzystuje się kanał 1 (0.54-0.68 m) oraz kanał 2 (0.73-1.10 m).
15
Typowe wartości indeksu NDVI
Non-desert vegetation
0.01 - 0.75
Lakes, rivers, and ocean
negative values
Sparse desert vegetation
0-0.01
Clouds 0-0.075
16
Korekcja atmosferyczna
• Wartości I(NIR) oraz I(VIS) są mierzone na górnej granicy atmosfery a więc zawierają również przyczynek od atmosfery
• Imeas=Isurf+I*
• I* poprawka atmosferyczna często ogranicza się tylko do rozpraszania Rayleigha
The enhanced vegetation index (EVI)
L)BLUE(C)RED(C)NIR(
)RED()NIR(GEVI
21
(NIR), (RED), (BLUE) – skorygowane na rozpraszanie Rayleigha i absorpcję przez ozon współczynniki odbicia w kanałach: bliskiej podczerwieni, czerwonym oraz niebieskim.
Współczynniki C1, C2,, L uwzględniają wpływ aerozolu i dla przyrządu MODIS-EVI wynoszą odpowiednio 6.0, 7.5 oraz 1.0. Parametr G nosi nazwę współczynnika wzmocnienia i wynosi 2.5.
Zoptymalizowany indeks EVI został opracowany w celu zwiększenia czułości detekcji powierzchni wegetacyjnych.
Indeks NDVI jest czuły na zawartość chlorofilu w podłożu podczas gdy EVI na różne rodzaje podłoża w tym indeksu LAI. Ponadto EVI minimalizuje wpływ atmosfery w porównaniu do klasycznego indeksu NDVI.
Indeks LAI (Leaf Area Index)
• Jest zdefiniowany jako stosunek górnej powierzchni liści do całkowitej powierzchni. Współczynnik przyjmuje wartości od 0 dla gleby do 6 dla gęstego lasu.
• Parametr te zależy od powierzchni oraz kształtu liści
i jest związany z całkowitą zawartością biomasy.
EVI
CERES/SARB własności podłożahttp://www-surf.larc.nasa.gov/surf/pages/explan.html
Typy powierzchni 1. Evergreen Needleleaf Forest2. Evergreen Broadleaf Forest3. Deciduous Needleleaf Forest4. Deciduous Broadleaf Forest5. Mixed Deciduous Forest6. Closed Shrubland7. Open Shrubland8. Woody Savanna9. Savanna10. Grassland11. Permenant Wetland12. Cropland13. Urban14. Crop/Natural Veg. Mosaic15. Permanent Snow/Ice16. Barren/Desert17. Water Bodies18. Tundra19. Fresh Snow20. Sea Ice
rozdzielczość spektralna bazy danych to 1/6o
(około 20 km)
International Geosphere/Biosphere
Programme (IGBP) scene types
Albedo powierzchni
Zdolność emisyjna
Konieczność walidacji
• Pomiary zdalne obarczone są błędami, które wynikają z wpływu atmosfery. Zmienność atmosfery wpływa na niepewności w wyznaczaniu współczynników odbicia.
• Dlatego pomiary zdalne powierzchni ziemi wymagają walidacji przy użyciu pomiarów in-situ.
• Prowadzi się ją: - przy pomocy urządzeń (spektrometrów) do pomiarów współczynników odbicia tuż nad powierzchnia ziemi. - przez analizę składu wycinka powierzchni ziemi. - innymi metodami.
Korekcja własności podłoża ze względu na geometrię skanowania.
• Pomiary pokazują, że dla danego położenia Słońca współczynniki odbicia mogą zmieniać się o czynnik 2 w obszarze bliskiej podczerwieni i więcej w obszarze widzialnym.
• Zmienności współczynników odbicia powierzchni Ziemi wraz ze zmianą kątów padania promieniowania słonecznego oraz katów określających położenie detektorów satelitarnych jest źródłem problemów w standaryzacji pomiarów np. indeksu NDVI, EVI itd.
• Wynika z tego, że NDVI czy EVI zależą nie tylko od własności podłoża ale również od położenia Słońca i detektora skanującego na orbicie (samolocie).
• Wymaga to więc stosowania korekcji sygnału. 29
BRDF jako funkcja kąta zenitalnego i azymutalnego dla lasu iglastego [Schaaf et al.]
Parametryzacja BRDFu model Ross-Li-Maignan
s – kąt zenitalny Słońca v – kąt zenitalny detektora - względny kąt azymutalny Słońca i detektora, k0 , k1,
k2 współczynniki, F1 określa cześć objętościową funkcji rozpraszania z korekcją na tzw. hot spot, F2 opisuje cześć geometryczną.
31
,,Fk
k,,F
k
k1k
,,Fk,,Fkk,,
vs20
2vs1
0
10
vs22vs110vs
3
111sincos
2coscos
1
3
4,,F
1
ovsvs2
gdzie jest kątem rozpraszania, zaś o opisuje szerokość kątową hot spot. Zakłada się, że wynosi ona 1.5 stopnia.
32
cossinsincoscoscos vsvs
vs
vs1 coscos2
cos1tcostsint
m,,F
kąt rozpraszania:
2vs
2 )sintgtg(m
2tcos
costgtg2tgtg,, vsv2
s2
vs
vs cos
1
cos
1m
Uwaga do geometrii…• Ponieważ kąty w układzie
sferycznymi licznymi są od zenitu ważny jest zwrot wektora opisującego położenie detektora satelitarnego oraz propagacje promieniowania słonecznego.
• W ostatnim przypadku wektor skierowany jest ku ziemi co oznacza, że:
33
SAT
v
s
180-s
SUN
1. Gdy satelita i Słońce znajdują po przeciwnych stronach (tak jak na rysunku) to wszystkich wzorach zamiast s powinno być 180-s , zaś =0.
2. Gdy satelita i Słońce znajdują się po tej samej stronie to wówczas zamiast s powinno być -s , zaś =180.
3. W przypadku innego ustawienia kąt przybiera wartości z przedziału 0-180.
Kształt funkcji F1 i F2
Maksima na wykresie F2 opisują efekt hot spot
34
35
Bacour et al., 2005
Rozkłady prawdopodobieństwa dla parametrów k
36
Model Rahmana
37
)](R1)[(P)cos(cos
coscosk,,
2
22
k1vs
v1k
s1k
0vs
2/3
121
21
))cos(k2k1(
k1P
,,1
k1R
vs
0
• W dalszej części będziemy posługiwać się tylko pierwszym modelem. Definiujemy współczynniki:
38
0
1
k
kV
0
2
k
kR
Wyniki pomiarów pokazują, że kształt BRDF zmienia się znacznie wolniej niż jego amplituda. Pozwala to na oszacowanie parametrów V i R a następnie używanie ich do skalowania zmian BRDFu. Korekcja współczynników odbicia będzie wykonywana dla kąta zenitalnego Słońca 45 stopni oraz skanowania z kierunku nadiru.
,,,,1
0,0,450,0,451,,0,0,45
21
21
vsvsvs
N
FRFV
FRFV
Seria czasowa współ. odbicia (2000 to 2004) wykonanych przy użyciu MODISa w kanałach RED oraz NIR nad Afrykańska sawanną. Szum (noise) odpowiada fluktuacjom związanym z różną geometrią w czasie pomiaru.
2
21
)(
2
12
21
N
ni ydayday
dayday
yyy
yNoiseiii
ii
iii
Wyznaczanie BRDFu
k0 k1 F1i k2 F2
i i i1N
2
s,v, k0 k1 F1 s,v , k2 F2 s,v,
k0 1k1
k0
F1 s,v, k2
k0
F2 s,v ,
W klasycznym przybliżeniu zakłada się, że współ. odbicia nie zmienia się w czasie.
Nowe przybliżenie zaproponowane przez Vermote et al., 2009 uwzględnia powolną zmianę współ. odbicia w czasie.
ti 1V F1
i R F2i
ti1 1V F1
i1 R F2i1
M i1 1VF1
i RF2i i 1VF1
i1 RF2i1 2
day i1 day i 1i1
N 1
,,FR,,FV1)t(kt,,, vs2vs10isv
minimalizacja:
minimalizacja:
Minimalizacja sprowadza się do rozwiązania problemu liniowego w postaci:
iF1 iF1
i1
N 1
iF1 iF2
i1
N 1
iF1 iF2
i1
N 1
iF2 iF2
i1
N 1
V
R
i iF1
i1
N 1
i iF2
i1
N 1
id dayi1 dayi 1
i i1 i / idiF1 i1F1
i iF1i1 / id
iF2 i1F2i iF2
i1 / id
gdzie:
0dR
dM
dV
dM
Dane nieskorygowane
Skorygowany współczynnik odbicia (sawanna tropikalna) przy użyciu klasycznej metody.
,,,,1
0,0,450,0,451,,0,0,45
21
21
vsvsvs
N
FRFV
FRFV
Skorygowane dane przy użyciu nowej metody
Red: band 2Blue: band 1
Parametry V i R jako funkcję indeksu NDVI
Wyniki z nową korekcją przy założeniu, że R i V zależą liniowo od NDVI.
Oryginalne dane NDVI
NDVI na podstawie klasycznej korekcji
NDVI na podstawie nowej korekcji ze stałymi wielkościami V i R.
NDVI wyznaczone na podstawie nowej metody przy założeniu, że V i R zmieniają się liniowo z NDVI)
Wyniki dla różnych typów powierzchni
Savanna Evergreen
forest Deciduous
forest Broadleaf
crops Broadleaf
crops Raw data noise 0.019 (18.8%) 0.006 (33.6%) 0.011 (23.0%) 0.011 (12.6%) 0.016 (16.3%) Channel
1 Cor. Data noise 0.004 ( 3.4%) 0.002 (13.0%) 0.004 (10.0%) 0.005 ( 6.2%) 0.006 ( 7.3%) Raw data noise 0.040 (16.4%) 0.063 (20.6%) 0.043 (19.7%) 0.024 ( 9.4%) 0.043 (16.5%) Channel
2 Cor. Data noise 0.005 ( 2.4%) 0.007 ( 2.5%) 0.010 ( 4.5%) 0.011 ( 4.5%) 0.011 ( 4.6%) Raw data noise 0.019 ( 4.6%) 0.016 ( 1.8%) 0.017 ( 3.0%) 0.027 ( 5.6%) 0.026 ( 5.7%) NDVI Cor. Data noise 0.008 ( 2.3%) 0.012 ( 1.4%) 0.013 ( 2.3%) 0.012 ( 2.8%) 0.023 ( 5.3%)
Szum NDVI bez korekcji
0.0 0.04
Noise on the NDVI computed using the directional reflectance from MODIS band 1 and 2.
0.0 0.04
Noise on the NDVI computed using the reflectance corrected for BRDF effect from MODIS band 1 and 2
Szum NDVI po wykonaniu korekcji
Redukcja szumuNDVI
0.0 50%
NDVI Noise reduction in %.
Rozkład maksymalnej wartości NDVI
0.0 0.9
NDVI at the peak
Rozkład maksymalnego V
0.0 2.5
Rozkład maksymalnego R
-0.05 0.25
Sahara
Współczynnik odbicia (RGB)
Ahaggar Mtns
Tibesti Mtns
Air Mountains
Szorstkość (Roughness) w okolicach Sahary
Parametr R jest związany z szorstkością podłoża (Marticonera et al. POLDER data)
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.0001 0.001 0.01 0.1 1
y = 0.22098 + 0.062443log(Z0) R= 0.80215
R p
ara
met
er
[uni
tless
]
Roughness length Z0 [cm]
Zo jest wysokością szorstkości podłoża w metrach
0Zlog052.0277.0R
Europe (Roughness)
-0.05 0.25
R parameter
0 80%
% Tree coverHansen et al. (2002)
Szorstkość związana z dużymi miastami
R parameter
-0.05 0.25
Paris/Vermote
London/Justice