Ανάκτηση παραμέτρων νεφοκάλυψης από πολυφασματικές δορυφορικές εικόνες

Από RemoteSensing Wiki

Εικόνα 1. Η επιλογή των συστάδων στο δισδιάστατο ιστόγραμμα του ορατού φάσματος και των 11μm.

Εικόνα 2. Οι πιθανές τιμές των δ και Tc σε σχέση με μία δεδομένη θερμοκρασία φωτεινότητας στο κανάλι των 11μm και για δύο δεδομένες τιμές ανακλαστικότητας στο κανάλι του ορατού φάσματος.

Εικόνα 3. Διορθωμένη δορυφορική εικόνα από το κανάλι του ορατού φάσματος από τον THIROS-N AVHRR

Εισαγωγή

Περιγράφεται μία τεχνική για την εξαγωγή παραμέτρων νεφοκάλυψης μέσω της ραδιομετρικής ανάλυσης πολυφασματικών δορυφορικών εικόνων. Χρησιμοποιώντας τρία κανάλια (ορατό, 3.7 μm και 11 μm) από το AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) των δορυφόρων πολικής τροχιάς του NOAA.

Από την πρώτη μετάδοση δορυφορικής εικόνας έχει αναπτυχθεί ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για αξιοποίηση των διαστημικών πλατφόρμων ώστε να συλλεχθούν δεδομένα νεφοκάλυψης και να αναπτυχθούν βάσεις δεδομένων κλιματολογίας νεφών. Η πρώτη επιτυχημένη προσπάθεια εξαγωγής «ποσότητας νέφους» από δορυφορικές εικόνες έγινε από τον Arking (1965). Οι τεχνικές ανάκτησης παραμέτρων νεφοκάλυψης μπορούν να χωριστούν σε δύο γενικές κατηγορίες: 1) αυτές που μέσω μίας οριακής τιμής ακτινοβολίας εντοπίζουν τα pixel στα οποία υπάρχει νέφος και 2) αυτές που στηρίζονται στην αναγνώριση συστάδων νεφών στον πολυφασματικό χώρο που δημιουργείται από ένα ή περισσότερα κανάλια.

Η πρώτη τεχνική αντιμετωπίζει κάθε pixel ανεξάρτητα και θεωρεί ότι ένα pixel είτε είναι απόλυτα νεφελώδες είτε καθαρό από νέφος. Η συγκεκριμένη τεχνική επειδή αντιμετωπίζει το κάθε pixel ανεξάρτητα συνοδεύεται και από απλούστερη επεξεργασία δεδομένων. Επίσης, επιτρέπει την αυστηρή εφαρμογή των συναρτήσεων ραδιομετρικής ανάλυσης, οι οποίες συνδέουν άμεσα τις ραδιομετρικές ιδιότητες του νέφους με με τα ποσοστά ακτινοβολίας που μετρούνται σε κάθε κανάλι. Τα μειονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου εντοπίζονται στο γεγονός ότι για κάθε pixel θεωρείται ότι το ποσοστό νεφοκάλυψης (f) είναι είτε 0 είτε 1, με το σημαντικότερο πρόβλημα να να είναι η εξάρτηση των αποτελεσμάτων από την ανάλυση της δορυφορικής εικόνας. Όσο μεγαλύτερη επιφάνεια της πραγματικότητας καλύπτει ένα pixel τόσο πιο πιθανό είναι το ποσοστό νεφοκάλυψής του να μην είναι στην πραγματικότητα ούτε 0 ούτε 1.

Η δεύτερη τεχνική στοχεύει στην ανάλυση των νεφών που καλύπτουν μόνο ένα μέρος του οπτικού πεδίου. Εάν οι μάζες νεφών είναι γενικά μεγαλύτερες από τα pixel και οι ακτινοβολίες των νεφών και της επιφάνειας της γης είναι σχετικά ομοιόμορφες, τότε εκείνα τα pixel για τα οποία f = 0 ή 1 θα τείνουν να σχηματίζουν ένα σύμπλεγμα στο πολυδιάστατο διάγραμμα διασποράς, ενώ τα pixel με 0 < f < 1 θα διασπείρονται. Μόλις εντοπιστούν οι συστάδες νεφών ο καθορισμός του f και άλλων παραμέτρων ακτινοβολίας εξαρτόνται από τα διαθέσιμα κανάλια και τις τεχνικές που θα χρησιμοποιηθούν.

Στην παρούσα μελέτη συνδυάζονται τα βέλτιστα χαρακτηριστικά των δύο παραπάνω τεχνικών αξιοποιόντας τις εξισώσεις μετάδοσης της ακτινοβολίας, όπως παρουσιάζονται στην πρώτη μέθοδο και την αναγνώριση των συστάδων μέσω του δισδιάστατου ιστογράμματος διασποράς στο ορατό και στο κανάλι 11μm.

Θεωρία

Με τη θεώρηση ότι μέσα στο οπτικό πεδίο υπάρχει μόνο ένας τύπος νέφους, έχοντας οριζόντια και κάθετα ομοιόμορφη θερμοκρασία και οπτικές ιδιότητες καθώς και ομοιόμορφα επιφανειακά χαρακτηριστικά (επιφανειακή θερμοκρασία και ανακλαστικότητα) και με την απλοποίηση ότι η ανακλαστικότητα των νεφών εξαρτάται από τις τέσσερις παρακάτω παραμέτρους:

f ποσοστό νεφοκάλυψης

δ οπτικό πάχος του νέφους στο εκάστοτε μήκος κύματος

Tc θερμοκρασία νέφους

M μικροφυσικό μοντέλο των σωματιδίων του νέφους

Καταλήγουμε σε εξισώσεις περιγραφής του νέφους.

Αλγόριθμος

Αρχικά επιλέγονται pixel στα οποία δεν εμφανίζεται τμήμα νέφους, ορίζεται το μικροφυσικό μοντέλο των σωματιδίων του νέφους, επιλέγονται οι συστάδες νεφών από το δισδιάστατο ιστόγραμμα διασποράς και τέλος εφαρμόζεται η τεχνική της «μέγιστης ομαδοποίησης» για να καθοριστούν οι τιμές των τεσσάρων προαναφερθέντων παραμέτρων.

Σύνοψη

Τρία κανάλια χρησιμοποιούνται για την εξαγωγή των τεσσάρων χαρακτηριστικών/ παραμέτρων του νέφους (ορατό, 11μm και 3,7μm). Η φυσική ομαδοποίηση των pixel σε ένα διάγραμμα διασποράς της ανακλαστικότητας στο ορατό και στο κανάλι των 11μm χρησιμοποιείται για τον καθορισμό των τεσσάρων χαρακτηριστικών ενός νέφους (Εικόνα 1). Το κανάλι των 3,7μm χρησιμοποιείται ανεξάρτητα από την παραπάνω διαδικασία για να καθοριστεί το μικροφυσικό μοντέλο των σωματιδίων του νέφους.

Πηγή: Retrieval of Cloud Cover Parameters from Multispectral Satellite Images Albert Arking and Jeffrey D. Childs, 1985