Μια πολυ-χρονική μέθοδος για εντοπισμό νεφών, εφαρμοσμένη σε εικόνες FORMOSAT-2, VENμS, Landsat and Sentinel-2

Από RemoteSensing Wiki

Αναθεώρηση της 06:21, 12 Δεκεμβρίου 2010

Μια πολυ-χρονική μέθοδος για εντοπισμό νεφών, εφαρμοσμένη σε εικόνες FORMOSAT-2, VENμS, Landsat and Sentinel-2
Πρωτότυπος τίτλος : A multi-temporal method for cloud detection, applied to FORMOSAT-2, VENμS, Landsat and Sentinel-2 images
Πηγή : Hagolle O., Huc M., Pascual D., Dedieu G., Remote Sensing of Environment 114 (2010) 1747-1755[1]


Στόχος εφαρμογής - αντικείμενο μελέτης

Ο εντοπισμός σύννεφων είναι από τις πρώτες δυσκολίες που παρουσιάζονται στη προσπάθεια αυτόματης επεξεργασίας οπτικών τηλεπισκοπικών δεδομένων. Τηλεπισκοπικές επεξεργασίες και μέθοδοι όπως η ατμοσφαιρική διόρθωση, ταξινομήσεις κάλυψης γης, ανίχνευση βιοφυσικών μεταβλητών και πολλές άλλες, προαπαιτούν για να πραγματοποιηθούν, την ανίχνευση σύννεφων. Επί του παρόντος οι περισσότερες μέθοδοι για τον εντοπισμό σύννεφων έχουν αναπτυχθεί για μεσαίας ανάλυσης αισθητήρες και οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούν εξαρτώνται από τις διαθέσιμες φασματικές ζώνες του κάθε δορυφόρου. Στόχος της εφαρμογής είναι η ανάπτυξη μιας πολυ-καιρικής μεθόδου για τον εντοπισμό σύννεφων που ονομάζεται MTCD (Multi-temporal cloud detection) και πρόκειται να συμπεριληφθεί στο λογισμικό επεξεργασίας εικόνων του δορυφόρου VENμS και πολύ πιθανόν και στο λογισμικό του δορυφόρου Sentinel-2.

Δορυφόροι VENμS, SENTINEL-2, FORMOSAT-2

Πίνακας 1:,Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των δορυφόρων, VENμS,SENTINEL-2,FORMOSAT-2,καθώς και των δορυφόρων LANDSAT 5 και LANDSAT 7

Ο VENμS (Dedieu et al. , 2006) είναι ένας επιστημονικός μικρο-δορυφόρος, αποτέλεσμα της συνεργασίας μεταξύ του Ισραηλινού Οργανισμού Διαστήματος (ISA) και του γαλλικού Εθνικού Κέντρου Διαστημικών Ερευνών (CNES. Ο VENμS υπολογίζεται να εκτοξευτεί σε τροχιά γύρω από τη γη στα τέλη του 2012. Ο κύριος στόχος του δορυφόρου είναι να αποδείξει την χρησιμότητα των επαναλαμβανόμενων αποκτήσεων εικόνων υψηλής ανάλυσης για την παρακολούθηση της δυναμικής των επιφανειών της γης, και κυρίως της βλάστησης. Τουλάχιστον 50 τοποθεσίες σε όλο τον κόσμο θα απεικονίζονται από το δορυφόρο VENμS, κάθε δεύτερη μέρα, κατά τη διάρκεια 2 ετών. Η χωρική διακριτική ικανότητα του είναι της τάξεως των 10 μέτρων με οπτικό πεδίο 27 χλμ. Χάρη στην επαναληπτική κυκλική τροχιά του των 2 ημερών,κάθε συγκεκριμένη τοποθεσία θα παρατηρείται με σταθερή προβολική γωνία. Ο δορυφόρος θα παραδίδει δορυφορικές απεικονίσεις μέσω 12 φασματικών καναλιών που κυμαίνονται απο 415 nm εώς 910 nm.
Οι 2 δορυφόροι της αποστολής SENTINEL-2(Martimor et al. 2007) θα γενικεύσουν τις μετρήσεις του VENμS για το σύνολο των επιφανειών του εδάφους. Πρόκειται για μια λειτουργική αποστολή από τον Ευρωπαϊκό Οργανισμό Διαστήματος (ESA) η οποία αποτελείται από 2 δορυφόρους που προγραμματίζεται να εκτοξευτούν σε τροχιά γύρω από τη γη, το 2013 και το 2014 αντίστοιχα. Οι SENTINEL-2 δορυφόροι θα αποκτούν εικόνες υψηλής ανάλυσης (με χωρική διακριτική ικανότητα που θα κυμαίνεται από 10 m εώς 60m , ανάλογα με το φασματικό κανάλι που θα χρησιμοποιείται, με οπτικό πεδίο 300 km. Η επαναληπτική κυκλική τροχιά θα είναι 10 ημερών και οι 2 δορυφόροι θα τεθούν σε αυτήν την τροχιά με 180 μοίρες γωνιακή απόσταση μεταξύ τους. Το αποτέλεσμα θα είναι κάθε συγκεκριμένη τοποθεσία που θα παρατηρείται από τους SENTINEL-2 δορυφόρους, να απεικονίζονται δορυφορικά κάθε πέμπτη μέρα, με σταθερή γωνία θέασης. Οι SENTINEL-2 δορυφόροι θα παραδίδουν δορυφορικές απεικονίσεις μέσω 13 πολυφασμάτικων δεκτών που θα κυμαίνονται από το ορατό εώς το εγγύς υπέρυθρο.
Ο FORMOSAT-2 είναι ένας ταϊβανέζικος δορυφόρος παρατήρησης της γης που παρέχει δορυφορικά δεδομένα παρόμοια με αυτά του VENμS. Πρόκειται για μια λειτουργική αποστολή από τον Εθνικό Οργανισμό Διαστήματος (NSPO) της Λαϊκής Δημοκρατίας της Κίνας(Ταϊβάν), που εκτοξεύτηκε σε τροχιά γύρω από τη γη το 2004. Η χωρική διακριτική ικανότητά του είναι της τάξεως των 8 μέτρων με οπτικό πεδίο 24 km. Η επαναληπτική κυκλική τροχιά του είναι μιας μέρας με αποτέλεσμα κάιε συγκεκριμένη τοποθεσία που παρατηρείται από το FORMOSAT-2, να απεικονίζεται δορυφορικά κάθε μέρα, με συνεχείς γωνίες θέασης. Ο FORMOSAT-2 παραδίδει δορυφορικές απεικονίσεις μέσω 4 πολυφασματικών δεκτών που κυμαίνονται απο 490 nm εώς 820 nm. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά των δορυφόρων, VENμS,SENTINEL-2,FORMOSAT-2,καθώς και των δορυφόρων LANDSAT 5 και LANDSAT 7, παρουσιάζονται αναλυτικά στον πίνακα 1(table 1).

Δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη

Για τη δημιουργία και την ανάπτυξη της MTCD μεθόδου αποκτήθηκαν δορυφορικές απεικονίσεις με συγκεκριμένη χρονική σειρά από τους δορυφόρους FORMOSAT-2 και LANDSAT,με σκοπό την εξομοίωση των δεδομένων του δορυφόρου VENμS και SENTINEL-2 αντίστοιχα. Αυτό γιατί ο FORMOSAT-2 παρέχει δορυφορικά δεδομένα παρόμοια με του VENμS, ενώ η έλλειψη του σε SWIR δέκτες, κάνει το LANDSAT πιο ικανό να «εξομοιώσει» τα δεδομένα του SENTINEL-2. Χρησιμοποιήθηκαν 2 χρονολογικές σειρές δορυφορικών απεικονίσεων του FORMOSAT-2, μια για την περιοχή Μuret που βρίσκεται στη νοτιοδυτική Γαλλία, και μια για την περιοχή Tensift του Μαρόκο. Αποκτήθηκαν 30 με 50 FORMOSAT-2 απεικονίσεις για κάθε περιοχή μελέτης, με 5 μέρες χρονική διαφορά η μια από την άλλη, ενώ η διάρκεια των παρατηρήσεων κράτησε από 2 μήνες εώς 4 χρόνια. Οι εν λόγω χρονολογικές σειρές δορυφορικών απεικονίσεων αντιστοιχούν σε πολύ διαφορετικές τοποθεσίες, όπως αγροτικές ημίξηρες τοποθεσίες, κωνοφόρα δάση, βουνά με χιόνι κτλ., συνθήκες που ικανοποιούσαν οι περιοχές Muret και Τensift. Ορισμένες απεικονίσεις περιείχαν σύννεφα ενώ άλλες όχι. Οι FORMOSAT-2 διορθώθηκαν γεωμετρικά λόγω αναγλύφου (απεικονίσεις orthorectified) απεικονίσεις χρησιμοποιώντας τους αλγόριθμους Baillarin et al 2008. H απόλυτη βαθμονόμηση (καλιμπράρισμα) του δέκτη επιτεύχθηκε με τη χρησιμοποίηση της μεθόδου desert site ( Cabot et al,1998).
Για την εξομοίωση των δεδομένων του SENTINEL-2, αποκτήθηκαν 3 χρονολογικές σειρές δορυφορικών απεικονίσεων από τους δορυφόρους Landsat 5 Thematic Mapper και Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper, οι οποίες ελήφθησαν κατά την διάρκεια του έτους 2002, από τρεις περιοχές των Η.Π.Α και συγκεκριμένα των περιοχής Fresno, Boulder και Columbia. Οι δορυφορικές απεικονίσεις διορθώθηκαν λόγω αναγλύφου (orthorectification) and καλιμπραρίστηκαν, με τη χρήση του λογισμικού LIT. Κατά μέσο όρο, κάθε χρονολογική σειρά δορυφορικών απεικονίσεων αποτελείται από περίπου 35 μη εντελώς «συννεφιασμένες» εικόνες.

Μεθοδολογία MTCD αλγορίθμου

Σε σύγκριση με τους δορυφόρους Modis και Landsat, οι δορυφόροι VENμS , FORMOSAT-2 και SENTINEL-2 δεν έχουν θερμικά υπέρυθρα, ούτε εγγύς υπέρυθρα κανάλια. Ως εκ τούτου, το βασικό κριτήριο για τον εντοπισμό συννέφων είναι ένα όριο «κατωφλίου» (threshold) της αύξησης της ανάκλασης στο μπλε φασματικό κανάλι-δέκτη. Για να υπολογιστούν οι διακυμάνσεις και να ανιχνευτούν τα νέφη για μια απεικόνιση της ημέρας διέλευσης του δορυφόρου και λήψης της απεικόνισης (ημέρα D),είναι απαραίτητη μια εικόνα αναφοράς χωρίς σύννεφα -και αν δεν υπάρχει διαθέσιμη, είναι αναγκαίο να δημιουργηθεί από μερικώς «συννεφιασμένες» εικόνες. Για κάθε ημερομηνία D, η εικόνα αναφοράς χωρίς σύννεφα αποτελεί μια σύνθετη εικόνα που περιέχει για κάθε εικονοστοιχείο την πιο πρόσφατη «μη-συννεφασμιένη» ανάκλαση που λαμβανέται από τις χρονολογικές σειρές δορυφορικών απεικονίσεων πριν την ημερομηνία D. Ο αλγόριθμος λειτουργεί κυρίως για λόγους υπολογισμού των επιδόσεων, αλλά και για να αποφεύγονται πιθανά λάθη καταγραφής εικόνας. Ένα εικονοστοιχείο φέρει τη σήμανση συννεφιά ( θεωρείται «συννεφιασμένο») εάν ισχύει το εξής πολυ-καιρικό κριτήριο :

(1)

όπου Pb(D) είναι η ανάκλαση του εικονοστοιχείου στο μπλε δέκτη-κανάλι, διορθωμένο για τη σκέδαση Rayleigh, [2] και [3] κατά την ημερομηνία D, και Dr είναι η ημερομηνία της πιο πρόσφατης εικόνας χωρίς σύννεφα πριν από την ημερομηνία D. Η διαφορά D – Dr εκφράζεται σε ημέρες. Η τιμή του κατωφλίου εξαρτάται από τον αριθμό των ημερών μεταξύ της ημερομηνίας D και Dr. Όταν οι ημερομηνίες είναι κοντινές, το κατώτατο όριο τείνει σε 0.03 αλλά αυτή η τιμή διπλασιάζεται όταν η ημερομηνία Dr και D χωρίζονται για περισσότερες από 30 ημέρες, για να καταστεί δυνατή η αλλαγή των επιφανεικών ανακλάσεων.
Παρά το γεγονός ότι το κριτήριο (1) αποδεικνύεται πολύ αποτελεσματικό για το διαχωρισμό των «συννεφιασμένων» και μη «συννεφιασμένων» εικονοστοιχείων, δεν είναι βέβαια αλάθητο. Πρώτον, δε λειτουργεί καλά πάνω από τις επιφάνειες του νερού, οι οποίες είναι επιρρεπείς σε αιφνίδιες διακυμάνσεις της ανάκλασης, λόγω της ηλιοφάνειας, της θολερότητας και του αφρού. Δεύτερον, μπορεί να υπάρξει σύγχυση μεταξύ λεπτών συννέφων και αερολυμάτων (AOT) μεγάλου οπτικού πάχους. Κάποια σύννεφα μπορεί να είναι πολύ λεπτά για να ανιχνευτούν, ενώ πρέπει να ληφθεί υπόψιν ότι μεγάλη συγκέντρωση αερολυμάτων (αεροζόλ), μπορεί να θεωρηθούν ως σύννεφα. Τρίτον αιφνίδιες διακυμάνσεις της επιφάνειας ανάκλασης μπορεί να προκύψουν, εξαιτίας γεωργικών παρεμβάσεων (καλλιέργεια ή όργωμα) ή εξαιτίας φυσικών διακυμάνσεων όπως πυρκαγιές ή χιόνι.
Για να αντιμετωπιστούν αυτά τα προβλήματα, δυο δοκιμασίες -υποκριτήρια, προστέθηκαν, με σκοπό να ελέγξουν αν μια αιφνίδια αύξηση της ανάκλασης, οφείλεται στην πραγματικότητα σε ένα σύννεφο.
Ένα εικονοστοιχείο που επαληθεύει το βασικό κριτήριο (1), δεν επισημαίνεται τελικά ως «συννεφιασμένο», αν οποιαδήποτε από τις 2 ακόλουθες συνθήκες είναι αληθείς:
α) Εάν η διακύμανση της ανάκλασης στο κόκκινο κανάλι είναι πολύ μεγαλύτερη από τη διακύμανση στο μπλε.
β) Εάν η ανάκλαση σε ένα εικονοστοιχείο συσχετίζεται καλά με την ανάκλαση των γειτονικών εικονοστοιχείων ως προς αυτό, σε μια από τις 10 απεικονίσεις που αποκτήθηκαν πριν από την ημερομηνία D.
Αυτά τα υποκριτήρια εκφράστηκαν υπό τη μορφή συνθηκών εξισώσεων και προστέθηκαν στον αλγόριθμο MTCD για το τελικό χαρακτηρισμό ενός εικονόστοιχείου ως «συννεφιασμένο» ή μη. Τέλος, εφόσον οι αισθητήρες των Landsat και Sentinel-2 περιλαμβάνουν τις φασματικές ζώνες των δεκτών του FORMOSAT, ο αλγόριθμος είναι πλήρως εφαρμόσιμος και για αυτούς του δορυφόρους, αν και με κάπως περιορισμένη ακρίβεια λόγω της μειωμένης συχνότητας της επαναληπτικής τροχιάς τους. Επίσης δεν χρησιμοποιήθηκε το θερμικό υπέρυθρο κανάλι TIR του Landsat, επειδή ο αλγόριθμος πρόκειται να εφαρμοστεί στους δορυφόρους VENμS και SENTINEL-2, για τους οποίους τέτοιος δέκτης δεν είναι διαθέσιμος.

Εικόνα 1: Έγχρωμη σύνθετη εικόνα του FORMOSAT 2 που αποκτήθηκε τον Απρίλιο του 2006. Τα σύννεφα που εντοπίστηκαν με τη μέθοδο ΜΤCD είναι κυκλωμένα με άσπρο περίγραμμα και οι σκιές του με μαύρο.

Συμπεράσματα

Μια πολυκαιρική μέθοδος ανίχνευσης συννέφων αναπτύχτηθηκε στο πλαίσιο της δημιουργίας ενός λογισμικού επεξεργασίας ψηφιακών απεικονίσεων για τους δορυφόρους VENμS και SENTINEL-2. Η μέθοδος ΜΤCD κάνει πλήρη χρήση των δυνατοτήτων των δύο δορυφόρων, για την παραγωγή χρονολογικών σειρών απεικονίσεων και υπό συνεχείς γωνίες θέασης. Ο αλγόριθμος βασίζεται σε ένα κατώτατο όριο - κατώφλι της χρονικής διακύμανσης της ανάκλασης στο μπλε κανάλι, αλλά συμπληρώνεται από κάποια κριτήρια, υπό τη μορφή συνθηκών εξισώσεων, ώστε να αποφεύγονται ψευδείς ανιχνεύσεις. Η μέθοδος έχει δοκιμαστεί σε δυο είδη δορυφόρων, στο Landsat και στο Formosat-2, χρησιμοποιώντας το ίδιο σύνολο παραμέτρων. Η επικύρωση των αποτελεσμάτων του αλγορίθμου - μάσκας έγινε με οπτική φωτοερμηνεία και με σύγκριση των χαρακτηρισμών του κάθε εικονοστοιχείου που πραγματοποιήθηκε στους καταλόγους των απεικονίσεων του Formosat-2 και του Landsat. Τα αυτοματοποιημένα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή του αλγόριθμου MTCD στα δεδομένα του δορυφόρου FORMOSAT, συγκρίθηκαν με αυτά που προέκυψαν από την χειροκίνητη οπτική φωτοερμηνεία των χειριστών της NSPO [4]. Στις περισσότερες περιπτώσεις η οπτική φωτοερμηνεία επιβεβαίωσε την ακρίβεια της μεθόδου MTCD. Σε σύγκριση με τη μέθοδο της αυτόματης αξιολόγησης κάλυψης σύννεφων (ACCA)[5] που υπάρχει στον κατάλογο δεδομένων του LANDSAT, η MTCD αποδείχτηκε πιο ακριβής και αποτελεσματική. Αυτό αποτελεί ένα πολύ θετικό συμπέρασμα, αφού η μέθοδος ACCA χρησιμοποιεί το θερμικό υπέρυθρο κανάλι TIR του Landsat ενώ η MTCD όχι, μιας και δεν υφίσταται τέτοιο κανάλι στους VENμS και SENTINEL-2. Ωστόσο η καλή διακριτική ικανότητα του αλγόριθμου MTCD έχει ένα μειονέκτημα: Για κάποια τμήματα του εδάφους, η μέθοδος MTCD απαιτεί την επεξεργασία των δεδομένων κατά απόλυτη χρονολογική σειρά, γεγονόε το οποίο περιορίζει την αυτοματοποιημένη δυνατότητα για παράλληλη επεξεργασία ψηφιακών απεικονίσεων.

Εικόνα 2: Σύγκριση του ποσοστού κάλυψης συννέφων με τη μέθοδο ΜΤCD έναντι της αυτόματης αξιολόγησης κάλυψης συννέφων ACCA που υπάρχει στον κατάλογο του LANDSAT για τις περιοχές Columbia ,Boulder, και Fresno