• CorRad: Correcció radiomètrica d'imatges de Teledetecció

El programa està directament preparat per a imatges Landsat (MSS, TM, ETM+, OLI,...), SPOT (XS), Sentinel-2 (MSI), etc, i pot ser emprat a pràcticament qualsevol altre sensor espacial o aeroportat a través de fitxers de tipus RAD (vegeu descripció més avall), d'escriptura molt simple. Com a exemple se subministren unes taules amb paràmetres de calibració per a Landsat-7 ETM+.

Pel que fa a les regions espectrals visible i infraroig no tèrmic, el model de correcció radiomètrica implementat en aquest programa està basat en el proposat per Xavier Pons i Lluís Solé-Sugrañes a l'article:

Pons, X., Solé-Sugrañes, L. (1994) A Simple Radiometric Correction Model to Improve Automatic Mapping of Vegetation from Multispectral Satellite Data. Remote Sensing of Environment, 48:191-204.

i que ha estat utilitzats amb èxit en treballs posteriors de diversos autors:

Pons, X., Pesquer, L., Cristóbal, J., González-Guerrero, Ò. (2014) Automatic and improved radiometric correction of Landsat imagery using reference values from MODIS surface reflectance images. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 33:243-254.

Pel que fa a la regió espectral infraroig tèrmic podeu consultar a http://ltpwww.gsfc.nasa.gov/IAS/handbook/handbook_htmls/chapter11/chapter11.html el model de conversions de radiàncies a temperatures.

En la present implementació, tanmateix, s'incorporen diverses millores com ara la consideració de les ombres projectades, la utilització de factors de reescalat diferents en funció de les diferents bandes espectrals, etc.

Aquest text d'ajuda només pretén orientar en la utilització del programa, sense entrar en una discussió en profunditat dels fonaments i justificació de la formulació de l'algorisme. El lector interessat en aquests extrems pot consultar els articles citats més amunt.

Per a regions espectrals visible i infraroig tèrmic, en essència, aquest model de correcció radiomètrica converteix una imatge de valors (DN) proporcionals a la radiància rebuda pel sensor en una imatge en què els valors són reflectàncies. Com és sabut, els valors de reflectància se solen distribuir en l'interval [0,1] (o en [0,100] si són expressats en percentatge). Tanmateix, si es vol evitar la utilització de fitxers de tipus "real" (="float"), quan les dades originals rarament tenen una exactitud superior a 8 bits, el programa també permet escriure els resultats en un fitxer de tipus "byte", permetent escalar els valors dintre el rang [0,254] de la forma que l'usuari estimi més adequada.

El model de correcció radiomètrica té en compte, entre altres factors, el relleu (angles d'incidència i ombres projectades), la posició solar, la distància Terra-Sol en el moment de presa de la imatge, l'esmorteïment atmosfèric en els camins d'anada i de retorn de la radiació i paràmetres estàndard, per cada canal, de densitat òptica atmosfèrica, irradiància exoatmosfèrica solar i calibració del sensor. El programa efectua la correcció per totes les bandes multiespectrals, alhora en una única execució, però si es desitja es pot efectuar sobre a una única banda.

Imatges auxiliars d'il·luminació i ombres
Per a la part de correcció topogràfica del model, el programa necessita usar dues imatges auxiliars derivades del model digital d'elevacions i de la posició solar: la primera contindrà el cosinus de l'angle d'incidència solar per cada píxel; la segona contindrà, per a l'azimut solar amb què es va prendre la imatge, les altures solars que provoquen ombres projectades en cada píxel (vegeu, més avall, les aplicacions relacionades). Aquests imatges auxiliars poden generar-se temporalment o les pot proporcionar la persona usuària. Cal tenir present que el programa pressuposa que la posició solar respecte al centre de l'àmbit és única per a tots els canals, que les diferents bandes poden tenir un costat de píxel (amb els corresponents Model Digital d'Elevacions (MDE) coherents) diferent o fins i tot un àmbit diferent, però no un centre d'escena diferent. Si no es verifica aquesta condició caldrà fer correccions banda a banda.
Aquestes dues imatges auxiliars (que habitualment es generen, s'usen i s'esborren) poden conservar-se si es desitja, indicant-ho explícitament amb el paràmetre /CONSERVAR_MDT o el corresponent botó d'activació a la caixa de diàleg. Si es vol usar unes ja creades, derivades del mateix MDE cal usar les opcions 3 o 4.

Correcció atmosfèrica manual
La correcció atmosfèrica manual es basa, quan se segueix el model de 1994 en la resta dels valors radiomètrics més baixos en cada canal. Aquest valor és anomenat Kl. En la determinació de Kl no és aconsellable efectuar un procediment "a cegues" d'assignació al mínim de l'histograma, sinó que cal mirar visualment si sembla creïble que aquella zona presenti els valors més baixos de l'histograma. Per exemple, si la imatge presenta zones sense dades (valor 0) o amb valors baixos puntuals per causa d'un mal funcionament del sensor, no assignarem aquests valors a Kl. La consulta visual d'aquests valors amb MiraMon (consulta per atributs dels valors més baixos sobre cada canal) sol ser molt útil en la determinació de Kl. Finalment, recordeu que en una imatge sense aigua ni ombres dures (relleu suau en relació a l'altura solar) el valor de Kl a aplicar pot estar fins i tot per sota del DN mínim de la imatge. Els valors Kl per a cada banda s'introdueixen en un fitxer de text que es pot crear fàcilment des del botó "Crea o modifica fitxer RAD".

Correcció atmosfèrica automàtica
La correcció atmosfèrica automàtica es basa, quan se segueix el model de 2014, en l'ajust dels paràmetres tau y La (contribució únicament atmosfèrica de la radiància que rep el sensor) a través de la reflectància coneguda en zones de referència, típicament a zones pseudoinvariants (PIA) per tal que no siguin dependents d'una data concreta, obtinguda d'altres sensors remots o amb radiòmetres de camp. Aquests valors de referència es donen en percentatge en la taula principal del fitxer de polígons i cal proporcionar un camp (identificat amb el sufix de la banda) per a cada banda que es desitja corregir.

Angles
Encara que aquest model de correcció pot treballar sempre que l'angle d'incidència sigui menor que 90 graus, és més realista admetre que amb angles propers a aquest valor, no es pot assumir un model lambertià. Per això és necessari indicar, en graus, l'angle a partir del qual ja no aplicarem el model de correcció (p.ex.: 73, 70, etc).

Els sensors actualment suportats, amb paràmetres de calibració d'acord amb les darreres revisions bibliogràfiques, són els recollits al fitxer m_atmos.rad:

1. Landsat-4 (TM) [Anterior a l'agost de 1983]
2. Landsat-4 (TM) [Entre l'agost de 1983 i el 15 de gener de 1984]
3. Landsat-4 (TM) [Posterior al 15 de gener de 1984]
4. Landsat-5 (TM)
5. SPOT-1 (XS)
6. Landsat-1 (MSS)
7. Landsat-2 (MSS) [Del 22 de juny al 15 de juliol de 1975]
8. Landsat-2 (MSS) [16 de juliol de 1975 o posterior]
9. Landsat-3 (MSS) [Del 5 de març al 31 de maig 1978]
10. Landsat-3 (MSS) [1 de juny de 1978 o posterior]
11. Landsat-4 (MSS) [Anterior al 26 d'agost de 1982]
12. Landsat-4 (MSS) [26 d'agost de 1982 al 31 de març de 1983]
13. Landsat-4 (MSS) [1 d'abril de 1983 o posterior]
14. Landsat-5 (MSS) [Anterior al 6 de abril de 1984]
15. Landsat-5 (MSS) [6 d'abril de 1984 al 8 de novembre de 1984]
16. Landsat-5 (MSS) [8 de novembre de 1984 o posterior]
17. Landsat-7 (ETM+)
18. Landsat-8 (OLI)
19. Sentinel-2 (MSI)

Si es desitja treballar amb un sensor no present en l'anterior llista caldrà introduir els paràmetres necessaris en un fitxer d'usuari, creat al directori del programa, u_atmos.rad, amb la mateixa estructura que m_atmos.rad:

• títol descriptiu del sensor,
• irradiància exoatmosfèrica solar (S0, en W/(m²·strad·µm)),
• densitat òptica atmosfèrica en el camí Sol-Terra (tau0),
• densitat òptica atmosfèrica en el camí Terra-sensor (tau0_retorn)
• constants de calibració específiques pels canals tèrmics

Aquests paràmetres estaran dintre d'una secció de nom [CALIBR], sota claus de noms:

• Títol
• x_S0
• x_tau0
• x_tau0_ret
• x_TempK1 i x_TempK2

on 'x' indica el número de la banda espectral.

En qualsevol cas pot definir-se un d'específic en un fitxer RAD complementari, indicat pel paràmetre /F_CALIB= en la línia de comanda, de forma anàloga, dintre d'una secció de nom [CALIBR], sota la clau x_DN2Rad.

A més d'aquesta secció hi pot haver una secció [SENSOR] amb una clau:

• Titol

• x_lambda_inf
• x_lambda_sup

Aquesta informació també hauria d'estar ben documentada en les metadades de la imatge a corregir i, en aquest cas, és innecessari el fitxer de calibració del sensor.

Exemple de fitxer *.RAD:

  [SENSOR]
  Títol=Sensor CASI. Configuració del vol de 8-11-1994.

  [CONFIG]
  NBand=3
  1_lambda_inf=0.4973
  1_lambda_sup=0.5044
  2_lambda_inf=0.5970
  2_lambda_sup=0.6042
  3_lambda_inf=0.7085
  3_lambda_sup=0.7157

  [CALIBR]
  1_S0=1911.254
  1_tau0=0.449
  1_tau0_ret=0.284
  2_S0=1745.934
  2_tau0=0.279
  2_tau0_ret=0.228
  3_S0=1388.889
  3_tau0=0.234
  3_tau0_ret=0.208

A partir de la versió 5 del programa, aquest format de fitxer *.RAD ha de tenir una secció que identifiqui la seva corresponent versió:

  [VERSIO]
  Vers=5

Exemples de paràmetres de calibració per a Landsat-7:

El resultat de la correcció radiomètrica es dona en reflectàncies a terra (BOA és l'acrònim en anglès) i en tant per cent. La reflectància pot presentar valors entre 0% i 100%, encara que habitualment seran força inferiors al 50%. S'assignen convenientment a un valor sensedades els píxels on el model no pot donar dades correctes: angles d'incidència superiors a 90° o a l'angle límit lambertià indicat per la persona usuària, píxels a l'ombra d'altres píxels o, molt rarament, reflectàncies anòmales (superiors a 1, habitualment degudes a un mal registre entre les imatges i el MDE o a neus/núvols), zones sensedades en la imatge o el MDE original, etc.
Exemples:

318.3 provocarà saturació a partir d'una reflectància de 0.801
510.0 provocarà saturació a partir d'una reflectància de 0.500
637.5 provocarà saturació a partir d'una reflectància de 0.400

En el cas byte, les reflectàncies saturades s'assignen a 254, reservant el valor 255 (sensedades) per a píxels on el model no pot donar dades correctes: angles d'incidència superiors a 90° o a l'angle límit lambertià indicat per la persona usuària, etc, casos prèviament explicats.

En algunes imatges (particularment MSS processades per EURIMAGE) és necessària una transformació lineal de les dades prèvia a la correcció, ja que en origen s'hi aplica un estirament de l'histograma amb finalitats estètiques. Cal modificar els paràmetres de la recta de cal libració en les metadades.

ATENCIÓ: En aquest cas la Kl que doneu se suposa extreta de les imatges originalment "estirades" i, per tant, el programa efectua la resta DN-Kl abans d'aplicar la transformació lineal que demaneu.

NOTES:

• 1/ L'apliació Astres permet saber la l'azimut i altura solars en el centre de qualsevol imatge, si és que no són ja a les metadades.
• 2/ L'apliació Illum permet generar la imatge dels cosinus dels angles d'incidència, si es desitja fer-ho com a procés previ.
• 3/ L'apliació Ombra permet generar la imatge amb les altures límit d'il·luminació per a qualsevol azimut solar, si es desitja fer-ho com a procés previ.
• 4/ L'apliació A_i_B permet obtenir els valors de "pendent" (/GUANY) per a les imatges MSS subministrades per EURIMAGE. Per a aconseguir aquesta aplicació cal sol·licitar-lo, enviant un correu electrònic a contacte@miramon.uab.cat.
• 5/ Si doneu un valor Kl massa petit invertireu l'efecte de la il·luminació i arribareu a veure els vessants originalment menys il·luminats com a més il·luminats.