Vergleichende Untersuchungen der Atmosphärenkorrekturprogramme ATCOR und FLAASH auf der Datengrundlage des Satellitensystems IKONOS

Band 5 der Reihe Fernerkundung und angewandte Geoinformatik

Andreas Schmidt, Pierre Karrasch, Marco Neubert

Kurzübersicht

Band 5 der Reihe Fernerkundung und angewandte Geoinformatik

ISBN: 978-3-941216-08-2
Veröffentlicht: November 2009, 1. Auflage, Einband: Broschur, Seiten 132, Format DIN B5, Gewicht 0.27 kg
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Vergleichende Untersuchungen der Atmosphärenkorrekturprogramme  ATCOR und FLAASH auf der Datengrundlage des Satellitensystems IKONOS

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Details

Andreas Schmidt, Pierre Karrasch, Marco Neubert

Vergleichende Untersuchungen der Atmosphärenkorrekturprogramme ATCOR und FLAASH auf der Datengrundlage des Satellitensystems IKONOS

Band 5 der Reihe Fernerkundung und angewandte Geoinformatik. 132 Seiten, Format DIN B5, Broschur, Zahlreiche, auch farbige Abbildungen. Preis: 42,90 Euro. ISBN: 978-3-941216-08-2. rhombos-Verlag, Berlin 2009

Die Autoren:

Andreas Schmidt, geboren 1980, studierte von 2001 bis 2008 an der Technischen Universität Dresden Geodäsie. Seine Diplomarbeit, mit der er das Studium an der TU Dresden als Diplom Ingenieur abschloss, bildete die Grundlage für die vorliegende Veröffentlichung. Seit 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Anhalt.
Pierre Karrasch, geboren 1978, studierte von 1998 bis 2005 an der Technischen Universität Dresden Geodäsie. Seit 2006 ist er Stipendiat des Freistaates Sachsen und arbeitet am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Dresden.
Marco Neubert, geboren 1974, studierte von 1994 bis 2000 an der Technischen Universität Dresden Geographie. Seit 2000 ist er Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e. V. Dresden im Themenfeld angewandte Geoinformatik. Er promovierte 2005 an der TU Dresden.

 

Der Herausgeber:
Prof. Dr. techn. habil. Elmar Csaplovics leitet den Lehrstuhl Geofernerkundung am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der Technischen Universitaet Dresden


Kontakt:
TU Dresden, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, Helmholtzstraße 10, 01062 Dresden
http://www.tu-dresden.de/ipf/

Prof. Dr. Elmar Csaplovics: "In loser Folge sollen in dieser Schriftenreihe wissenschaftliche Arbeiten, die am Lehrstuhl für Fernerkundung bearbeitet und betreut werden, in ansprechender Form veröffentlicht werden. Wir glauben, dass dadurch das Spektrum von Literatur zum Themenkreis projektorientierter angewandter fernerkundlicher Forschung nachhaltig bereichert werden kann und wünschen uns demgemäß eine kritikfreudige Schar von Leserinnen und Lesern." >Professur Geofernerkundung

 

Editorial

Mit der nun vorliegenden Publikation halten sie inzwischen den 5. Band  der Schriftenreihe "Fern erkundung und angewandte Geoinformatik" in Ihren Händen. Nach drei Dissertationen von Marco Neubert, M. Mahmudur Rahman und Manal Awad Khiry sowie einer Ausgabe mit den wichtigsten Ergebnissen des EU-INTERREG-III-B Projekts SISTEMaPARC sollen an dieser Stelle auch die Ergebnisse einer herausragenden Diplomarbeit der Fachwelt präsentiert werden. Dipl.-Ing. Andreas Schmidt hat mit seiner Arbeit "Vergleichende Untersuchungen der Atmosphärenkorrekturprogramme ATCOR und FLAASH auf der Datengrundlage des Satellitensystems IKONOS" einen wichtigen Beitrag zur Handhabung atmosphärisch-radiometrischer Ein?üsse in Fernerkundungsdaten geleistet. Sein "Anwenderorientierter Vergleich von Atmosphärenkorrekturprogrammen am Beispiel von IKONOS-Satellitendaten", der einen Ausschnitt dieser Arbeit darstellte, fand bereits auf der AGIT 2008 großen Widerhall und wurde im Tagungsband veröffentlicht.
Die atmosphärisch-radiometrische Korrektur der elektromagnetischen Strahlung als der Träger der Information im Bereich der Fernerkundung stellt im Rahmen der Datenvorverarbeitung einen der wichtigsten Arbeitsschritte dar. Die vergangenen Jahre haben gezeigt, dass die Entwicklung von Methoden und dazugehörigen Tools große Fortschritte machte. Ausgehend von relativen Korrekturalgorithmen wie Dark Object Subtraction (DOS) oder Verfahren, die invariante Objekte in den Bilddaten nutzten, vollzog sich vor allem auch im Bereich der absoluten Verfahren eine Weiterentwicklung. Diese ermöglichte, dass die in den Daten enthaltenen Messwerte einen Bezug zu physikalischen Größen wie der Re?ektanz erhielten. Die dazu benötigten Strahlungstransfermodelle wie beispielsweise MODTRAN bilden dabei den Kern von Korrekturprogrammen wie beispielsweise ATCOR oder FLAASH. Dennoch bleibt unbekannt, mit welcher Genauigkeit die Tools Re?ektanzen bestimmen können, solange keine radiometrisch hochgenauen Referenzen vorliegen. Ebenfalls unbekannt ist, wie sich die Ergebnisse verschiedener Softwarelösungen unterscheiden. Der vorliegende Band 5 der Schriftenreihe versucht diese Fragestellung zu beantworten, indem vergleichende Untersuchungen der Atmosphärenkorrekturprogramme ATCOR und FLAASH auf der Datengrundlage des Satellitensystems IKONOS durchgeführt wurden. Die Ergebnisse der Diplomarbeit wurden für die Publikation überarbeitet und teilweise erweitert. Die Ausführungen enthalten dabei auch einen umfangreichen Teil zu den in der Fernerkundung verwendeten physikalischen Grundlagen und ermöglichen es der Leserin und dem Leser somit, ein grundlegendes Verständnis betreffend der Notwendigkeit der atmosphärischradiometrischen Korrektur von Fernerkundungsdaten zu entwickeln. Der eigentliche Vergleich erfolgt auf drei verschiedenen Ebenen. Zum einen werden programmintern unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Parametereinstellungen des Atmosphärenmodells, des Aerosolmodells sowie der Sichtweite Vergleiche realisiert, welche die Dimensionen der zu erwartenden Variabilität in den korrigierten Daten aufzeigen. Mittels eines programmübergreifenden Vergleichs wird versucht, ein Indiz für die zu erwartende Genauigkeit zu geben. Abschließend wird durch Aufstellen eines Bewertungskataloges ein anwenderorientierter Vergleich durchgeführt, der vor allem für Nutzergruppen außerhalb des wissenschaftlichen Umfeldes interessant ist.
Die dieser Publikation zu Grunde liegende Diplomarbeit wurde gemeinschaftlich betreut durch die Professur für Geofernerkundung an der TU Dresden (Dipl.-Ing. Pierre Karrasch) sowie durch Dr. Marco Neubert vom Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung Dresden e.V.

Dresden, 4. August 2009 Prof. Dr. habil. Elmar Csaplovics

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.

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

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