Maa Kaukokartoituksen yleiskurssi

Esitys aiheesta: "Maa Kaukokartoituksen yleiskurssi"— Esityksen transkriptio:

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 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 Ortokuva eli kuvan maastovirhe (korkeusvaihtelusta johtuva sijaintivirhe) poistettu maastomallin avulla

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

15 Geometrinen korjaus Korjataan Tunnettuja virheitä geometriassa:
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 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 kanavalle tyypillinen 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

51 Ilmakehäkorjaus Yksinkertainen 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

52 Ilmakehäkorjaus DARK-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.

53 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

54 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

55 VTT ilmakehäkorjaus Korjaamaton Landsat ETM-mosaiikki Itä-Suomi
AOD voidaan estimoida kuvasta mikäli käytössä on sopivat kanavat

56 VTT ilmakehäkorjaus Korjattu Landsat ETM-mosaiikki Itä-Suomi

57 VTT ilmakehäkorjaus Pohjois-Suomen Landsat ETM-mosaiikki
koostuu 9 ETM-kuvasta

58 USVAISUUDEN POISTO Perustuu Tasselled Cap-muunnokseen
Landsat-5 TM-kuva: TC4 = *TM *TM *TM *TM *TM *TM 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

59 USVAISUUDEN POISTO Alkuperäinen ja korjattu TM1

60 USVAISUUDEN POISTO Alkuperäinen ja korjattu TM2

61 USVAISUUDEN POISTO Alkuperäinen ja korjattu TM3

62 USVAISUUDEN POISTO Alkuperäinen ja korjattu TM4

63 USVAISUUDEN POISTO Alkuperäinen ja korjattu TM5

64 USVAISUUDEN POISTO Alkuperäinen ja korjattu TM7

65 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

66 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

67 Topografiakorjaus Kuvapikseleille tehdään korjaus maaston muotojen mukaan, kohteen muita ominaisuuksia ei huomioida Määritetään pinnan normaalin ja tulevan säteilyn välinen kulma  ”valaisukuva”

68 Topografiakorjaus Landsat ETM (RGB: 743) ja maastomalli

69 Topografiakorjaus Landsat ETM (RGB: 743) ja valaisukuva

70 Topografiakorjaus Kaavojen 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

71 Topografiakorjaus Lambertin kosinikorjaus: oletetaan että maasto heijastaa säteilyä kuten lambertin pinta, eli yhtä paljon joka suuntaan LC = LO COS(sz) / COS(i)

72 Topografiakorjaus Minnaertin korjaus: mukana vakio k jonka avulla mallinnetaan erilaisia materiaaleja LC = LO [ COS(sz) / COS(i) ]k

73 Topografiakorjaus Ekstrandin korjaus: Minnaertin vakio k vaihtelee kohteen valaistuksen mukaan LC = LO [ COS(sz) / COS(i) ]k COS(i)

74 Topografiakorjaus Tilastollis-Empiirinen korjaus: korjausmenetelmä kääntää valaistuksen ja kuvan pikselien välisen regressiosuoran vaakasuoraksi LC = LO – m cos(i)

75 Topografiakorjaus C-korjaus: tekijän C pitäisi mallintaa hajavaloa
LC = LO [ ( cos(sz) + C ) / ( cos(i) + C ) ]

76 Kuvan virheitä Virheelliset pikselirivit johtuvat häiriöistä instrumentissa tai datan siirrossa Voidaan korjata ottamalla viereisen rivin arvo (ei suositeltavaa)

77 Kuvan virheitä Landsat TM 189/18,

78 Raidotus Instrumentissa on useita ilmaisimia, jotka eivät ole keskenään hyvin kalibroituja

79 Raidotus IRS WiFS 36/22, , kanava 1 (punainen)

80 Jun

81 KUVAN ENTISTÄMINEN Kuvan interaktiivinen entistäminen Fourier-muunnoksen avulla