Maa-57.351 Kaukokartoituksen yleiskurssi

1. Maa-57.351 Kaukokartoituksen yleiskurssi Luento 4: kuvakorjaukset Kuvan virhelähteet Erilaisia kuvatuotteita Geometrian korjaus Radiometrian korjaus

2. DIGITAALINEN KUVANKÄSITTELY • Manipuloidaan kuvaa tietokoneen avulla • Kuva  matemaattinen operaatio  uusi kuva • Sovellusalueita: • Kuvan entistäminen • Kuvan ehostaminen

3. ENTISTÄMINEN • Poistetaan kuvauksessa syntyneet virheet • Geometriset virheet • Radiometriset virheet • Eli muodostetaan "virheetön" kuva kohteesta

4. EHOSTAMINEN • Parannetaan kuvaa tulkintaa varten • Eri kohteet erottuvat paremmin  kontrastin ja värien parantaminen • Eri piirteet (esim. viivamaiset kohteet) erottuvat paremmin  erilaiset suodatukset • Monikanavakuvat (värit, suhdekuvat, muunnokset) • Korostetaan tarpeellista informaatiota, poistetaan tarpeeton

5. KUVAN VIRHELÄHTEET Kuvausalustan liike • Korkeus- ja nopeusvaihtelut • Kallistukset ja kierrot Kuvan toimittajan pitäisi korjata Instrumentti • Kuvaus- tai mittaustapa • Ilmaisimen toimintahäiriöt • Instrumentin valmistusmenetelmä tai tarkkuus Kalibroidaan ilmaisin

6. KUVAN VIRHELÄHTEET Väliaine • Säteilyn vaimeneminen ja kontrastin heikkeneminen • Kuvan terävyyden heikkeneminen Hankala korjata Kohde • Maanpinnan kaarevuus • Maan pyöriminen • Topografia Aika hyvin hallinnassa

7. Kuvatuotteet: LANDSAT 7 Level 0R • Raakadata jolle täytyy tehdä radiometrinen ja geometrinen korjaus • Kuvadata: 9 kanavaa (lämpökanava 6 kaksilla asetuksilla) • Internal calibrator data (kalibrointilamppujen mittaukset), Mirror Scan Correction Data (kuinka tasaisesti keilaimen peili pyörii), Payload Correction Data (satelliitin ratatiedot, asento ja huojunta), Scan line offsets (keilaislinjojen aloitus- ja lopetuspaikat) • Lisäksi metadatatiedostoja kuvista (päiväys, pilvisyys), geolocation index (nurkkapisteiden koordinaatit), kalibrointiparametreja

8. Kuvatuotteet: LANDSAT 7 Level 1R • Radiometrinen korjaus • Kuvavirheet kuten raidoitus ja keilausjärjestelmästä aiheutuva pikselin siirtymä poistetaan ennen varsinaista radiometrista korjausta • Kuvapikselien arvot muutetaan instrumentin mittaamiksi absoluuttisiksi radiansseiksi käyttäen kalibrointitietoja ja talletetaan 32-bit reaaliluvuiksi • Reaaliluvut kerrotaan 100:lla ja talletetaan 16-bit kokonaisluvuiksi • 16-bit kokonaisluvut skaalataan 8-bit kokonaisluvuiksi ja skaalauksen kertoimet talletetaan jotta skaalatuista luvuista päästään takaisin radiansseihin

9. Kuvatuotteet: LANDSAT 7 Level 1G • Radiometrinen ja geometrinen korjaus • Geometria: poistetaan instrumentin (keilaustapa, katselukulma), satelliitin (asennon ja korkeuden vaihtelut) ja kohteen (maan kaarevuus ja pyöriminen) aiheuttamia geometrisia vääristymiä • Karttaprojektiot: Universal Transverse Mercator, Lambert Conformal Conic, Transverse Mercator, Polyconic, Oblique Mercator, Polar Stereographic, Space Oblique Mercator • Paikannus perustuu rataparametrien käyttöön

10. Kuvatuotteet: LANDSAT 7 • Level 0R ja 1G

11. Kuvatuotteet: SPOT SPOT Scene 1A • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu SPOT Scene 1B • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu • Systemaattisten geometristen vääristymien poisto panoraaman vaikutus, maanpinnan kaarevuus ja pyöriminen

12. Kuvatuotteet: SPOT SPOT Scene 2A • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu • Kuvan geometria karttaprojektioon rataparametrien avulla yleensä UTM WGS84 oikaisuun ei käytetä maastopisteitä joten geometrinen tarkkuus voi olla huono

13. Kuvatuotteet: SPOT SPOTView 2B • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu • Kuvan geometria karttaprojektioon maastopisteiden (mitattu GPS:llä tai kartoista) ja kuva-alueen keskimääräisen korkeuden avulla SPOTView 3 • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu • Ortokuva eli kuvan maastovirhe (korkeusvaihtelusta johtuva sijaintivirhe) poistettu maastomallin avulla

14. Kuvatuotteet: IRS Radiometrisesti korjattu • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu Systeemikorjattu • Instrumentin ilmaisimien välisen radiometriset erot poistettu • Systemaattisten geometristen vääristymien korjaus maapallon pyöriminen, kuvan eri kanavat kohdalleen, lentokorkeuden ja asennon vaihtelut

15. Geometrinen korjaus • Korjataan • instrumentin, • kuvausalustan liikkeen ja • kohteen virheitä • Tunnettuja virheitä geometriassa: • maan kaarevuus ja pyöriminen • maaston topografia (maastomalli) • kuvausgeometria • Oikaisu karttaprojektioon • 1. geometrinen muunnos • 2. harmaasävyjen interpolointi

16. OIKAISU • Satelliitin havaitsema kuva muunnetaan karttaprojektioon • Joskus instrumentin datan mukana saadaan rataparametrit, jotka on havaittu satelliitin ylilennon aikana • Vaihtoehtoja: • Rataparametrit • Tukipisteet • Orto-oikaisu • Tarkin lopputulos yhdistämällä nämä kaikki

17. Raakakuva vs oikaistu • Satelliitin raakakuvalta on usein vaikea tunnistaa maastokohteita, koska ne eivät ole samanmuotoisia ja näköisiä kuin luonnossa. • Oikaisu karttaprojektioon auttaa kohteiden tunnistamisessa

18. OIKAISU: Rataparametri Tarvitaan tiedot • satelliitin paikasta (x,y,z-koordinaatit), • asennosta (kierrot eri koordinaattiakselien suhteen), • instrumentin keilaustavasta, • kohteen liikkeestä ja • kohteen muodosta (maastomalli)

19. OIKAISU: Rataparametri • Saavutettava paikannustarkkuus riippuu em. tietojen laadusta • NOAA AVHRR: 5 km - 1.5 km • Spot 1-4: 350 m • Spot 5: 50 m • Tukipisteillä oikaisutarkkuus parempi kuin 1 pikseli • Orto-oikaisu tukipistein kaikkein tarkin

20. Oikaisu karttaprojektioon • Manuaalinen oikaisu: käytetään tukipisteitä, jotka osoitetaan kuvalta piste kerrallaan

21. Oikaisu karttaprojektioon • Tukipisteinä käytetään tunnettuja ja selkeästi erottuvia maastokohteita • rantaviiva, risteykset, pienet lammet, rakennukset • Tukipisteitä näytetään riittävä määrä, jotta geometrinen muunnos onnistuu • Polynomioikaisu: 1. aste: vähintään 3 pistettä 2. aste: vähintään 6 pistettä

22. Oikaisu • Monissa kuvankäsittelyohjelmissa on omat oikaisupalikat, jotka poikkeavat tekniikaltaan hieman toisistaan • Usein kuitenkin tarvitaan referenssikuva, joka on halutussa koordinaatistossa, esim ykj:ssä • Tukipisteet (Ground Control Point (GCP)) näytetään molemmilta kuvilta ja lasketaan geometrinen muunnos

23. Oikaisu • Muunnetaan kuvakoordinaatit karttakoordinaateiksi käyttämällä • lineaarista 1.asteen polynomimuunnosta • epälineaarista 2. tai korkeamman asteen polynomimuunnosta • Mikäli muunnoksen virhe on riittävän pieni, oikaisu voidaan hyväksyä • Yleensä noin 1/2 pikselin tarkkuus on hyvä

24. Root Mean Square Error (RMS): • Virhetermi, jolla kuvataan oikaisutuloksen (koordinaattimuunnoksen) tarkkuutta • Lasketaan: • Neliöity erotus kuvalta mitatun tukipisteen ja maastohavainnon välille kaikille oikaisupisteille • Keskiarvo josta otetaan neliöjuuri

25. Esimerkki • Erdas Imagine • Oikaistaan vanha Landsat TM-kuva uuteen Landsat ETM-kuvaan

26. Esimerkki • 2. asteen polynomi • 15 tukipistettä

27. Automaattinen oikaisu • Käyttäjä ei itse näytä tukipisteitä piste kerrallaan, vaan ohjelma etsii samankaltaisia kohteita sekä oikaistavalta kuvalta että referenssikuvalta, joka on jo halutussa koordinaatistossa • Niiden avulla määritetään kuvien välinen geometrinen muunnos • Samankaltaisten kohteiden etsintä voi perustua esimerkiksi • piirteidenetsintäalgoritmiin • osakuvien väliseen korrelaatioon • Automatiikkaa tarvitaan, jos kuvia on paljon tai oikaisua pitää tehdä esim. päivittäin.

28. ORTO-OIKAISU • Maastovirheen poistamiseen käytetään orto-oikaisua • Kuvan perspektiivi muunnetaan keskusprojektiosta ortogonaaliprojektioon • Tarvitaan tarkka maastomalli Maastovirhe: Perspektiivisen kuvautumisen ominaisuus jossa maaston korkeuseroista johtuen kohteet näyttävät kuvautuvan väärään paikkaan

29. ORTO-OIKAISU • Keskus-projektio vs. ortogonaali-projektio

30. 2. harmaasävyjen interpolointi • Uuden, oikaistun kuvan pikseleiden harmaasävyt on interpoloitava oikaisemattomasta kuvasta • Harvoin käy niin, että alkuperäisen kuvan pikseli osuisi keskelle uudessa koordinaatistossa olevaa pikseliä • Uusi harmaasävyarvo pikselille määritetään alkuperäisen kuvan pikseleiden arvojen mukaan, • Menetelmiä: • lähimmän naapurin interpolointi • bilineaarinen interpolointi • kuutiokonvoluutio

31. Lähimmän naapurin interpolointi (NN) • Otetaan lähimmän pikselin arvo • Laskenta on helppo, eivätkä kuvan harmaasävyarvot muutu • Tulos on epätarkka korjattu kuva alkuperäinen kuva

32. Lähimmän naapurin interpolointi • Osa pikseiden harmaasävyistä saadaan kahteen kertaan, osa harmaasävyistä katoaa • Paloittainen kuva • Lineaariset kohteet saattavat hävitä korjattu kuva alkuperäinen kuva

33. Bilineaarinen interpolointi • Otetaan neljän lähimmän pikselin keskiarvo • Painotettuna etäisyydellä • Harmaasävyarvot muuttuvat korjattu kuva alkuperäinen kuva

34. Bilineaarinen interpolointi • Koska muuttaa sävyarvoja, vaikuttaa myös myöhempien työvaiheiden tuloksiin • Kuvan arvot pehmenee, ts. vastaa keskiarvosuodatusta korjattu kuva alkuperäinen kuva

35. Kuutiokonvoluutio • Harmaasävyarvo määritetään 4x4 naapurustosta • Pienempi virhe kuin edellä mainituilla menetelmillä korjattu kuva alkuperäinen kuva

36. Alkuperäinen kuva lähin naapuri bilineaarinen kuutio

37. KUVANMUODOSTUS • Otettu kuva g(x) • Kuvauksessa kohteen f(x) näkyvyyttä heikentää ilmakehä ja instrumentti • Toimivat eräänlaisina suodattimina

38. KUVANMUODOSTUS • Tapahtumaa voidaan mallintaa: f(x) * h(x) + n(x) = g(x) g(x): otettu kuva h(x): ilmakehän ja instrumentin suodattava vaikutus n(x): instrumentissa ja siirrossa syntyneet satunnaiset häiriöt f(x): kohde

39. KÄÄNTEISSUODATUS • Kohteen virheetön kuva f(x) saadaan periaatteessa suorittamalla käänteinen prosessi • Huononnusmalli taajuustasossa: G(u)=F(u)H(u)+N(u) • Ideaalinen käänteissuodatus Fe(u) = G(u)/H(u) - N(u)/H(u) • Käytännössä vaikea ratkaista, yleensä radiometrian korjaus suoritetaan tekijöittäin

40. Raakadata • Instrumentin havaitsema signaali muunnettuna digitaaliseksi numeroarvoksi (DN) • Signaali kalibroidaan/korjataan instrumentin kalibrointikertoimilla

41. Radiometrinen korjaus • Tehdään, jotta eri aikojen havainnot olisivat keskenään vertailukelpoisia radiansseja tai reflektansseja • Korjataan instrumentin sensorin tunnettuja virheitä

42. Radianssi • Fysikaalinen termi, joka kuvaa säteilyn voimakkuutta • Yksikköalueelta tiettyyn suuntaan säteilevän sähkömagneettisen energian kokonaismäärä • Yksikkö: wattia per neliömetri per avaruuskulma (W/m2/sr) • Kun havainto on muutettu fysikaalisiksi radiansseiksi se on (periaatteessa) vertailukelpoinen • muiden instrumenttien havaintojen kanssa • eri aikoina tehtyjen havaintojen kanssa • Vielä parempi on käyttää reflektanssia koska silloin kohteen valaistuserojen ja muutosten vaikutus minimoituu

43. Instrumentin kalibrointi • Instrumentit kalibroidaan ennen satelliitin laukaisua, usein myös kalibrointia päivitetään ajan mittaan • Määritetään kullekin kanavalle kalibrointikertoimet: • vaste (gain) • offset

44. Instrumentin vaste ja offset • Vaste on kunkin instrumentin kanavalletyypillinen kerroin • Suurimman (Lmax) ja pienimmän (Lmin) havainnon välinen ero • Instrumentin havaitsemaa digitaalista lukua kerrotaan vasteella • Offset on instrumentin havaitsema ”taustakohina” • Eli havainto silloin, kun itse kohteesta ei tule mitään havaintoa (Lmin)

45. Radiometrinen korjaus Yhtälö: R = (Lmax-Lmin)/255*DN + Lmin tai R=Gain*DN + offset

46. Kalibrointi • Instrumentin vaste laskee usein ajan mittaan • Sama kohde näkyy myöhemmin harmaasävyarvoltaan tummempana samoissa olosuhteissa • -> ennen laukaisua määritetyt korjauskertoimet eivät (välttämättä) päde myöhemmin havaitulle datalle.

47. Muita korjauksia: • Auringon korkeuskulman korjaus DN’=DN / SIN(sunq) • Poistetaan eri vuodenaikoina vaihtelevan auringon korkeuskulman aiheuttamat erot

48. Muita korjauksia: • Auringon ja maan välinen etäisyys • Poistetaan maan ja auringon välisen etäisyyden muutoksista johtuvat radianssin muutokset • Kun auringon korkeuskulman vaikutus otetaan mukaan, maanpinnalle saapuva irradianssi:

49. Ilmakehän vaikutusten korjausta • Absorptio ja sironta • Hajavalon poisto • hajavaloa aiheutuu ilmakehän sironnasta • suurinta sinisen valon aallonpituuksilla • pienentää kuvan kontrastia

50. Ilmakehäkorjaus: yleinen malli • REF: pikselin reflektanssi • Lsat: satelliitin mittaama radianssi • Lhaze: ilmakehän sirottaman säteilyn radianssi (hajavalo) • TAUv: ilmakehän läpäisy maanpinnalta instrumenttiin • E0: auringon spektrinen irradianssi ilmakehän ulkopuolella, sisältäen maan ja auringon välisen etäisyyden vaikutuksen, : E0 = E / d2, jossa E on auringon spektrinen irradianssi ilmakehän ulkopuolella ja d on maan ja auringon välinen etäisyys astronomisina yksikköinä • sz: auringon zeniittikulma • TAUz: ilmakehän läpäisy auringosta maanpinnalle • Edown: maanpinnalle tullut ilmakehän sironnan vaikutus