Maa-57.351 Kaukokartoituksen yleiskurssi

Maa-57.351 Kaukokartoituksen yleiskurssi

Luento 4: kuvakorjaukset

• Kuvan virhelähteet

• Erilaisia kuvatuotteita

• Geometrian korjaus

• Radiometrian korjaus

DIGITAALINEN KUVANKÄSITTELY

• Manipuloidaan kuvaa tietokoneen avulla

• Kuva matemaattinen operaatio uusi kuva

• Sovellusalueita:

Kuvan entistäminen

Kuvan ehostaminen

ENTISTÄMINEN

• Poistetaan kuvauksessa syntyneet virheet

• Geometriset virheet

• Radiometriset virheet

• Eli muodostetaan "virheetön" kuva kohteesta

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

KUVAN VIRHELÄHTEETKuvausalustan liike• Korkeus- ja nopeusvaihtelut • Kallistukset ja kierrot

Kuvan toimittajan pitäisi korjata

Instrumentti• Kuvaus- tai mittaustapa • Ilmaisimen toimintahäiriöt • Instrumentin valmistusmenetelmä tai tarkkuus

Kalibroidaan ilmaisin

KUVAN VIRHELÄHTEETVäliaine• Säteilyn vaimeneminen ja kontrastin heikkeneminen • Kuvan terävyyden heikkeneminen

Hankala korjata

Kohde• Maanpinnan kaarevuus • Maan pyöriminen • Topografia

Aika hyvin hallinnassa

Kuvatuotteet: LANDSAT 7Level 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

Kuvatuotteet: LANDSAT 7Level 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

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

Kuvatuotteet: LANDSAT 7• Level 0R ja 1G

Kuvatuotteet: SPOTSPOT 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

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

Kuvatuotteet: SPOTSPOTView 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

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

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

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

Raakakuva

• Satelliitin raakakuvalta on usein vaikea tunnistaa maastokohteita, koska ne eivät ole samanmuotoisia ja näköisiä kuin luonnossa.

• Oikaisu karttaprojektioon auttaa kohteiden tunnistamisessa

raakakuva vs. oikaistu kuva

OIKAISU: Rataparametri

Tarvitaan tiedot

• satelliitin paikasta (x,y,z-koordinaatit),

• asennosta (kierrot eri koordinaattiakselien suhteen),

• instrumentin keilaustavasta,

• kohteen liikkeestä ja

• kohteen muodosta (maastomalli)

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

Oikaisu karttaprojektioon

• manuaalinen oikaisu: käytetään tukipisteitä, jotka osoitetaan kuvalta piste kerrallaan

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

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

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

Root Mean Square Error (RMS):

• Virhetermi, jolla kuvataan oikaisutuloksen (koordinaattimuunnoksen) tarkkuutta

• Erotus halutun lopputuloksen ja varsinaisen tukipisteen koordinaattien välillä.

Esimerkki• Erdas Imagine• Oikaistaan vanha Landsat TM-kuva uuteen

Landsat ETM-kuvaan

Esimerkki

• 2. asteen polynomi

• 15 tukipistettä

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.

Automaattinen oikaisu

• Samankaltaisten kohteiden etsintä voi perustua esimerkiksi – piirteidenetsintäalgoritmiin– osakuvien väliseen korrelaatioon

• Automatiikkaa tarvitaan, jos kuvia on paljon tai oikaisua pitää tehdä esim. päivittäin.

Maastovirhe• Perspektiivisen

kuvautumisen ominaisuus jossa maaston korkeuseroista johtuen kohteet näyttävät kuvautuvan väärään paikkaan

ORTO-OIKAISU

• Maastovirheen poistamiseen käytetään orto-oikaisua

• Kuvan perspektiivi muunnetaan keskusprojektiosta ortogonaaliprojektioon

• Tarvitaan tarkka maastomalli

ORTO-OIKAISU

• Keskus-projektio vs. ortogonaali-projektio

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

harmaasävyjen interpolointi

• Uusi harmaasävyarvo pikselille määritetään alkuperäisen kuvan pikseleiden arvojen mukaan,

• Menetelmiä:– lähimmän naapurin interpolointi– bilineaarinen interpolointi– kuutiokonvoluutio

Lähimmän naapurin interpolointi (NN)

• Otetaan lähimmän pikselin arvo

• Laskenta on helppo, eivätkä kuvan harmaasävyarvot muutu

• Tulos on epätarkka

korjattu kuva

alkuperäinen kuva

Lähimmän naapurin interpolointi

• Osa pikseiden harmaasävyistä saadaan kahteen kertaan, osa harmaasävyistä katoaa

• Paloittainen kuva• Lineaariset kohteet

saattavat hävitä

korjattu kuva

alkuperäinen kuva

Bilineaarinen interpolointi

• Otetaan neljän lähimmän pikselin keskiarvo

• Painotettuna etäisyydellä

• Harmaasävyarvot muuttuvat

korjattu kuva

alkuperäinen kuva

Bilineaarinen interpolointi

• Koska muuttaa sävyarvoja, vaikuttaa myös myöhempien työvaiheiden tuloksiin

• Kuvan arvot pehmenee, ts. vastaa keskiarvosuodatusta

korjattu kuva

alkuperäinen kuva

Kuutiokonvoluutio

• Harmaasävyarvo määritetään 4x4 naapurustosta

• Pienempi virhe kuin edellä mainituilla menetelmillä

korjattu kuva

alkuperäinen kuva

Alkuperäinenkuva

bilineaarinen kuutiolähin naapuri

KUVANMUODOSTUS• Otettu kuva g(x)• Kuvauksessa

kohteen f(x) näkyvyyttä heikentää ilmakehä ja instrumentti

• Toimivat eräänlaisina suodattimina

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

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

Raakadata

• Instrumentin havaitsema signaali muunnettuna digitaaliseksi numeroarvoksi (DN)

• Signaali kalibroidaan/korjataan instrumentin kalibrointikertoimilla

Radiometrinen korjaus

• Tehdään, jotta eri aikojen havainnot olisivat keskenään vertailukelpoisia radiansseja tai reflektansseja

• Korjataan instrumentin sensorin tunnettuja virheitä

Radianssi

• Fysikaalinen termi, joka kuvaa säteilyn voimakkuutta

• Yksikköalueelta tiettyyn suuntaan säteilevän sähkömagneettisen energian kokonaismäärä

• Yksikkö: wattia per neliömetri per avaruuskulma (W/m2/sr).

Radianssiksi koska

• Kun havainto on muutettu fysikaalisiksi radiansseiksi se on (periaatteessa) vertailukelpoinen – muiden instrumenttien havaintojen kanssa – eri aikoina tehtyjen havaintojen kanssa

Instrumentin kalibrointi

• Instrumentit kalibroidaan ennen satelliitin laukaisua, usein myös kalibrointia päivitetään ajan mittaan

• Määritetään kullekin kanavalle kalibrointikertoimet:– vaste (gain)– offset

Instrumentin vaste ja offset

• Vaste on kunkin instrumentin kanavalle tyypillinen kerroin

• Suurimman (Lmax) ja pienimmän (Lmin) havainnon välinen ero

• Instrumentin havaitsemaa digitaalista lukua kerrotaan vasteella

• Instrumentin havaitsema ”taustakohina”

• Eli havainto silloin, kun itse kohteesta ei tule mitään havaintoa (Lmin)

Radiometrinen korjaus

Yhtälö:

• R = (Lmax-Lmin)/255*DN + Lmin

tai

• R=Gain*DN + offset

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.

Muita korjauksia:

• Auringon korkeuskulman korjaus

DN’=DN / SIN(sun)

• Poistetaan eri vuodenaikoina vaihtelevan auringon korkeuskulman aiheuttamat erot

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:

Ilmakehän vaikutusten korjausta

• Absorptio ja sironta

• Hajavalon poisto– hajavaloa aiheutuu ilmakehän sironnasta– suurinta sinisen valon aallonpituuksilla– pienentää kuvan kontrastia

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

R E FL L

T A U E C O S sz T A U ESA T H A Z E

V Z D O W N

( )

( )0

IlmakehäkorjausYksinkertainen heijastusmalli• Poistaa kuvauspäivästä johtuvan auringon irradianssin

ja auringon zeniittikulman muutoksen vaikutuksen• Ei poista ilmakehän aiheuttaman absorption ja sironnan

vaikutusta• Yleistä korjausmallia muutetaan seuraavin parametrein:

TAUz: 1.0, TAUv: 1.0, Edown: 0.0, Lhaze: 0.0

R E FL

E C O S szSA T

( )

( )0

IlmakehäkorjausDARK-OBJECT-SUBTRACTION• Oletus: kuvalta löytyy alueita jotka ovat varjossa joten

niiltä alueilta instrumentin mittaama radianssi johtuu ilmakehän sironnasta eli hajavalosta

• Yleistä korjausmallia muutetaan seuraavin parametrein:

TAUz: 1.0, TAUv: 1.0, Edown: 0.0

Lhaze: saadaan etsimällä kohde josta ei heijastu auringon lähettämä säteily, esim. pilven varjo.

R E FL L

E C O S szSA T H A Z E

( )

( )0

Ilmakehäkorjaus

• Teoreettisemmat menetelmät perustuvat säteilyn kulkuun ilmakehässä

• Pyritään mallintamaan – ilmakehän läpäisyä ja – heijastusta, joka aiheutuu vain ilmakehästä eikä

itse kohteesta

• Vaikeaa ja vaatii tarkkoja tietoja ilmakehän tilasta havaintohetkellä

• Tai sitten tehdään kovasti oletuksia

VTT ilmakehäkorjaus• Mallinnusmenetelmänä SMAC: Simplified Method of

Atmospheric Correction

• Poistaa Rayleigh sirontaa, ilmakehän kaasujen aiheuttaman absorption, auringon ja instrumentin kulmien sekä auringon etäisyyden vaikutuksen

• Harmaasävy reflektanssi

• Tarvitaan:

instrumentin kalibrointitiedot

auringon zeniitti- ja atsimuuttikulmat

vesihöyry

otsoni

näkösyvyys: aerosol optical depth

VTT ilmakehäkorjaus• Korjaamaton

Landsat ETM-mosaiikki

• Itä-Suomi

• AOD voidaan estimoida kuvasta mikäli käytössä on sopivat kanavat

VTT ilmakehäkorjaus• Korjattu

Landsat ETM-mosaiikki

• Itä-Suomi

VTT ilmakehäkorjaus

Pohjois-Suomen Landsat ETM-mosaiikki

koostuu 9 ETM-kuvasta

Kanavasuhde

• Oletetaan, että jollakin kanavalla itse kohteen heijastus on hyvin pieni, voidaan kyseisen kanavan arvo vähentää muiden kanavien arvosta– -> muilta kanavilta poistuu ilmakehän vaikutus

USVAISUUDEN POISTO• Perustuu Tasselled Cap-muunnokseen• Landsat-5 TM-kuva:

TC4 = 0.8461*TM1 - 0.7031*TM2 - 0.4640*TM3 - 0.0032*TM4 - 0.0492*TM5 - 0.0119*TM7 + 0.7879

• Kuva korjataan kaavalla

TMcx = TMx - (TC4 - TC40)*Ax

TMcx: Kanavan x korjattu harmaasävy

TMx: Kanavan x harmaasävy

TC40: Usvattoman pikselin arvo

Ax: Kuvalta määritetty korjauskerroin

USVAISUUDEN POISTO

• Alkuperäinen ja korjattu TM1

USVAISUUDEN POISTO• Alkuperäinen ja korjattu TM2





Pilvet ja niiden varjot• Pilviä ei pystytä täysin poistamaan optisella ja

lähi-infra-alueella ilmakehäkorjauksen keinoin• Täytyy poistaa maskaamalla• Tulkitaan pilvet merkitään niiden alue nollaksi• Ongelmana varjot, sekoittuvat vesiin• Varjojen poiston automatisointi vaikeaa• Suhteellisen yksinkertainen tapa:

Tulkitaan pilvet kynnystämällä tai ryhmittelyanalyysillä

Tehdään pilvimaski (pilvi = 1, kuva = 2)

Turvotetaan pilvimaski

Siirretään pilvimaskia siten että se peittää myös varjot

Topografiakorjaus• Instrumentin kuvausgeometria vaihtelee paikallisesti• Esim. instrumenttiin nähden aurinkoisella rinteellä

oleva lehtimetsä näyttää huomattavasti kirkkaammalta kuin auringosta poispäin oleva metsä

• Heijastus suurinta kun rinne on kohtisuorassa tulevaan säteilyyn nähden

Topografiakorjaus• Kuvapikseleille tehdään

korjaus maaston muotojen mukaan, kohteen muita ominaisuuksia ei huomioida

• Määritetään pinnan normaalin ja tulevan säteilyn välinen kulma ”valaisukuva”

Topografiakorjaus• Landsat ETM (RGB: 743) ja maastomalli

Topografiakorjaus• Landsat ETM (RGB: 743) ja valaisukuva

TopografiakorjausKaavojen merkintöjä:

• LO: korjaamaton reflektanssi

• LC: korjattu reflektanssi

• sz: auringon zeniittikulma

• i: auringon ja kallistuneen pinnan normaalin välinen kulma

• k: Minnaertin vakio, määritetään kuvasta

• m: valaistuksen ja kuvan pikselien välisen regressiosuoran kulmakerroin, määritetään kuvasta

• b: valaistuksen ja kuvan pikselien välisen regressiosuoran vakio, määritetään kuvasta

• C: C-korjauksen korjaustekijä, C = b/m

Topografiakorjaus• Lambertin kosinikorjaus: oletetaan että maasto heijastaa

säteilyä kuten lambertin pinta, eli yhtä paljon joka suuntaan

LC = LO COS(sz) / COS(i)

Topografiakorjaus• Minnaertin korjaus: mukana vakio k jonka avulla mallinnetaan

erilaisia materiaaleja

LC = LO [ COS(sz) / COS(i) ]k

Topografiakorjaus• Ekstrandin korjaus: Minnaertin vakio k vaihtelee kohteen

valaistuksen mukaan

LC = LO [ COS(sz) / COS(i) ]k COS(i)

Topografiakorjaus• Tilastollis-Empiirinen korjaus: korjausmenetelmä kääntää

valaistuksen ja kuvan pikselien välisen regressiosuoran vaakasuoraksi

LC = LO – m cos(i)

Topografiakorjaus• C-korjaus: tekijän C pitäisi mallintaa hajavaloa

LC = LO [ ( cos(sz) + C ) / ( cos(i) + C ) ]

Kuvan virheitä

• Virheelliset pikselirivit johtuvat häiriöistä instrumentissa tai datan siirrossa

• Voidaan korjata ottamalla viereisen rivin arvo (ei suositeltavaa)

Kuvan virheitä• Landsat TM 189/18, 27.7.1989

Raidotus

• Instrumentissa on useita ilmaisimia, jotka eivät ole keskenään hyvin kalibroituja

Raidotus

• IRS WiFS 36/22, 13.6.1999, kanava 1 (punainen)

• Jun 29 1999

KUVAN ENTISTÄMINEN• Kuvan interaktiivinen entistäminen Fourier-

muunnoksen avulla

Maa-57.351 Kaukokartoituksen yleiskurssi

Documents