Fizyczne Podstawy Teledetekcji Wykład 7 Krzysztof Markowicz Instytut Geofizyki Uniwersytet Warszawski kmark@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.

Definicja BRDF-u na górnej granicy atmosfery (,)  o o(,) Definicja BRDF-u na górnej granicy atmosfery Definicja BRDF-u powierzchni ziemi 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. 3

W drugim przypadku radiancja promieniowania odbitego jest izotropowa. 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. 4

Odbicie promieniowania 5

6

Zmienność spektralna współczynnika odbicia powierzchni ziemi

Typy podłoża i ilość dostępnych ich radzajów 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

Zmiany współczynnika odbicia w bliskiej podczerwieni (NIR) opisywane są przez indeks NDVI (znormalizowany, różnicowy indeks wegetacyjny) 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).

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

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) (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 podłoża http://www-surf. larc. nasa Typy powierzchni 1. Evergreen Needleleaf Forest 2. Evergreen Broadleaf Forest 3. Deciduous Needleleaf Forest 4. Deciduous Broadleaf Forest 5. Mixed Deciduous Forest 6. Closed Shrubland 7. Open Shrubland 8. Woody Savanna 9. Savanna 10. Grassland 11. Permenant Wetland 12. Cropland 13. Urban 14. Crop/Natural Veg. Mosaic 15. Permanent Snow/Ice 16. Barren/Desert 17. Water Bodies 18. Tundra 19. Fresh Snow 20. 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.

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. gdzie  jest kątem rozpraszania, zaś o opisuje szerokość kątową hot spot. Zakłada się, że wynosi ona 1.5 stopnia.

kąt rozpraszania:

Uwaga do geometrii… SAT v SUN s 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: v SUN s 180-s Gdy satelita i Słońce znajdują po przeciwnych stronach (tak jak na rysunku) to wszystkich wzorach zamiast s powinno być 180-s , zaś =0. Gdy satelita i Słońce znajdują się po tej samej stronie to wówczas zamiast s powinno być -s , zaś =180. W przypadku innego ustawienia kąt  przybiera wartości z przedziału 0-180.

Kształt funkcji F1 i F2 Maksima na wykresie F2 opisują efekt hot spot

Bacour et al., 2005

Rozkłady prawdopodobieństwa dla parametrów k

Model Rahmana

W dalszej części będziemy posługiwać się tylko pierwszym modelem W dalszej części będziemy posługiwać się tylko pierwszym modelem. Definiujemy współczynniki: 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.

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.

Wyznaczanie BRDFu W klasycznym przybliżeniu zakłada się, że współ. odbicia nie zmienia się w czasie. minimalizacja: Nowe przybliżenie zaproponowane przez Vermote et al., 2009 uwzględnia powolną zmianę współ. odbicia w czasie. minimalizacja:

Minimalizacja sprowadza się do rozwiązania problemu liniowego w postaci: gdzie:

Dane nieskorygowane

Skorygowany współczynnik odbicia (sawanna tropikalna) przy użyciu klasycznej metody.

Skorygowane dane przy użyciu nowej metody

Parametry V i R jako funkcję indeksu NDVI STATE WHY THIS IS NEEDED Red: band 2 Blue: band 1

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

Szum NDVI bez korekcji 0.0 0.04 Noise on the NDVI computed using the directional reflectance from MODIS band 1 and 2.

Szum NDVI po wykonaniu korekcji 0.0 0.04 Noise on the NDVI computed using the reflectance corrected for BRDF effect from MODIS band 1 and 2

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 Ahaggar Mtns Tibesti Mtns Air Mountains Współczynnik odbicia (RGB)

Szorstkość (Roughness) w okolicach Sahary

Parametr R jest związany z szorstkością podłoża (Marticonera et al Parametr R jest związany z szorstkością podłoża (Marticonera et al. POLDER data) Zo jest wysokością szorstkości podłoża w metrach

Europe (Roughness) R parameter % Tree cover Hansen et al. (2002) -0.05 0.25 R parameter % Tree cover Hansen et al. (2002) 0 80%

Szorstkość związana z dużymi miastami London/Justice Paris/Vermote -0.05 0.25 R parameter