Le immagini satellitari, elaborazione e...

Le immagini satellitari, elaborazione e validazione

Ilaria Cazzaniga, Mariano Bresciani, Erica Matta, Claudia Giardino

Conferenza Finale BLASCO - 15 giugno 2017, Pallanza

Passivi (riflessa)

Passivi (emessa)

Attivi

Tipi di sensori

Il telerilevamento, in inglese remote sensing, è l’insieme delle tecniche che permette di ricavare informazioni, qualitative e/o quantitative, riguardanti superfici/oggetto a distanza tramite un sensore misurando la radiazione elettromagnetica (emessa, riflessa o trasmessa) dalla superficie di interesse.

Il telerilevamento

Il telerilevamento ottico sfrutta la radiazione elettromagnetica che, emessa dal sole viene riflessa dalle superfici attraverso sensori a bordo di navi, piattaforme, aviotrasportati o a bordo di satelliti.


La luce


L’energia riflessa da una superficie contiene informazioni: • il colore

• lo spettro elettromagnetico e la firma spettrale

Il telerilevamento (2)

Suolo

Vegetazione

Acque limpide

Acque con fitoplancton

Rocce alterate in zona estrattiva


I colori dell’acqua Il colore (e quindi la firma) è

condizionato da: Sostanze

sospese o disciolte

Caratteristiche del fondale

Condizioni di illuminazione

Condizioni ambientali

Stato della superficie

Penetrazione della luce Geometria di

osservazione


I colori dell’acqua dallo spazio

Landsat-8 Sentinel-2

Sentinel-2

Sentinel-3

Sentinel-3

Landsat-5

Meris


I sensori


Immagine Digitale

Risoluzione Spettrale

Dl

n. canali o bande

Risoluzione radiometrica

n. bit/pixell

livelli di grigio

Risoluzione Temporale

ripetitività (ore, …, giorni)

Risoluzione Spaziale

pixel (m, …, km)

N. pixel (Mbytes)

Le 4 tipologie di Risoluzione determinano il tipo di

FENOMENO OSSERVABILE

Risoluzione

spaziale

Risoluzione

radiometrica

Risoluzione

spettrale

Risoluzione

temporale

Intervalli e livelli minimi di radianza misurabili

dal sensore (bit dell’immagine, S/R)

Numero di bande

e loro larghezza

(multispettrale,

iperspettrale)

Dimensione del

pixel al suolo e

abbracciamento

Tempo di rivisitazione del sensore

sulla stessa area di studio

I sensori: caratteristiche


I sensori: caratteristiche

Risoluzione spaziale

Variazione temporale

Variazioni spaziali

Features


Una lunga serie di dati

Envisat Sensore ottico a bordo MERIS (multispettrale)

Canali 15 (412-900 nm)

Risoluzione a terra 300 metri

Risoluzione temporale 1-2 giorni

Periodo di attività 1 marzo 2002 – 9 maggio 2012

©ESA


2005 2006 2008 20092007 20102004

25 km

CHL [mg/m3] CHL [mg/m3] CHL [mg/m3] CHL [mg/m3] CHL [mg/m3] CHL [mg/m3] CHL [mg/m3]

25 km25 km 25 km 25 km 25 km 25 km

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

0

10

25 km 25 km25 km 25 km 25 km 25 km 25 km

-15

0

-15

0

-15

0

-15

0

-15

0

-15

0

-15

0

z90 [m-1] z90 [m-1] z90 [m-1] z90 [m-1] z90 [m-1] z90 [m-1] z90 [m-1]

Una lunga serie di dati


Sentinel-2 Sensore ottico a bordo MSI (multispettrale)

Canali 13 (443-2190 nm)

Risoluzione a terra Fino a 10 metri (20, 60)

Risoluzione temporale 10 giorni (5 con S2B)

Periodo di attività 23 giugno 2015 - …


I satelliti di nuova generazione


Landsat-8

Sensore ottico a bordo OLI (multispettrale)

Canali 9 (443-1380 nm)


Risoluzione temporale 16 giorni

Periodo di attività 11 febbraio 2013 - …


Sentinel-3

Sensore ottico a bordo OLCI (multispettrale)

Canali 21 (443-1020 nm)


Risoluzione temporale 1-2 giorni

Periodo di attività 16 Febbraio 2016 - …



Monitoraggio dell’acqua!

10 m Sentinel-2

30 m Landsat-8

Risoluzione spaziale


300 m Sentinel-3


I satelliti di nuova generazione: risoluzione spettrale

In situ, Pusiano 11-11-2015

Sensori iperspettrali

Pancromatico

Multispettrali

(Sentinel, Landsat)

Iperspettrale


0.5 mm 2.5 mm

8 bit (28=256 levels)

3 bit (23=8 levels)

2 bit (22=4 levels)

1 bit (2 levels)

Remote sensing data – radiometric resolution


Risoluzione radiometrica

Livello di quantizzazione

Larghezza bande e rumore

Sentinel e Landsat sono quantizzati a 12 bit 212= 4096 livelli!!

I metodi: dall’immagine satellitare alla mappa

Chl-a

0.01

7 0.01

3 TSM

WFD


I metodi: dall’immagine satellitare alla mappa (2)

Irradianza solare diretta

SENSORE Energia diffusa

dal cielo

Energia retro-riflessa dal cielo

Assorbimento e riflessione dell’atmosfera

Rifrazione

Energia riflessa dalla superficie dell’acqua

Fondale

Superficie dell’acqua


Scaricamento delle immagini


I metodi: dall’immagine satellitare alla mappa (3) La catena di processamento delle immagini


Radianza al sensore Digital Numbers

Calibrazione radiometrica

I metodi: calibrazione radiometrica

DN Radianza

0

10

20

30

40

50

60

70

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

400 900 1400 1900 2400

Rad

ian

za [

W m

^-2

sr^

-1 µ

m^

-1]

DN

[-]

Lunghezza d'onda (nm)

DN

Radianza

Landsat-8 Pusiano 9-8-2016


Coefficienti di moltiplicazione e addizione (gain e offset) specifici

per ogni sensore

Ulteriori calibrazioni specifici per alcune superfici



Radianza al sensore Digital Numbers

% di energia riflessa dalla superficie target

Gas ed aerosol sono i responsabili della interazione elettromagnetica che si

verifica quando la radiazione solare attraversa l’atmosfera.

I due processi principali sono:

• Assorbimento (a) • Diffusione (Scattering b)

Le interazioni della luce con l’atmosfera terrestre

È grazie a questo fenomeno che i cielo è blu, altrimenti lo vedremmo nero!

Le interazioni cambiano in funzione della composizione atmosferica e della lunghezza d’onda della radiazione.


Gas ed aerosol sono i responsabili della interazione elettromagnetica che si

verifica quando la radiazione solare attraversa l’atmosfera.

I due processi principali sono:

• Assorbimento (a) • Diffusione (Scattering b)

Le interazioni della luce con l’atmosfera terrestre


0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

400 500 600 700 800 900

RR

S (s

r-1)

Rif

lett

anza

[-]

Lunghezza d’onda (nm)

S2, Pusiano 29-10-2016

Rw RTOA RRS

Ld

Ls

E0

Ed

TARGET

SENSOR

SUN

EARTH SURFACE

TOP OF

ATMOSPHERE

ATMOSPHERE

z

z

v

v

L0

Le procedure per la correzione

atmosferica si basano sull’equazione di

trasferimento radiativo. Esistono però

diversi metodi a seconda del livello di

semlificazione: dai modelli image-based

(e.g. Dark-Object Subtraction) alle

inversion dell’equazione (e.g. 6S).

I metodi: la correzione atmosferica

Esempi di algoritmi e metodi da essi utilizzati

-0.002

0.002

0.006

0.010

0.014

0.018

400 500 600 700 800

Rrs

(Sr

-1)

Lunghezza d'onda (nm)

Landsat-8 Maggiore 22/7/2015

ACOLITE-SWIR

ACOLITE-SWIR2

ACOLITE-NIR

6SV

ATCOR


I metodi: la correzione atmosferica (2) Parametri atmosferici

• Proprietà ottiche degli aerosol • Spessore dell’aerosol in atmosfera

(AOT) • Concentrazione di ozono e vapore

acqueo

https://aeronet.gsfc.nasa.gov

©Giorgiogp2, ‘Modis aerosol optical depth’

AOT stimato da altri sensori


I metodi: la correzione atmosferica (3)

Dati AERONET

𝑤 l =

𝐿𝑡𝑜𝑎 l 𝑥𝑎 l − 𝑥𝑏 l

1 + 𝑥𝑐 l (𝐿𝑡𝑜𝑎 l 𝑥𝑎 l − 𝑥𝑏 l )

Rrs l = 𝑤 l −

𝑤

𝐸𝑑𝑖𝑓𝑓 l

𝐸𝑡𝑜𝑡 l

𝜋

Coefficienti stimati da 6S

Radianza misurata al sensore

Riflettanza dell’acqua

Centro di banda

Rimozione riflessione speculare:

Remote sensing reflectance

Irradianza diffusa e totale stimate da 6S


Altri disturbi: adiacenza


env tar

atm

TOA Refl

R 0%

10%

20%

30%

40%

50%

400 500 600 700 800 900

Refl. env

Refl. target

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

41

3

44

3

49

0

51

0

56

0

62

0

66

5

68

1

70

8

75

3

76

2

77

8

86

5

88

5

90

0

atm env tar

Not-homogeneous R=2 km V=5 km

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

41

3

44

3

49

0

51

0

56

0

62

0

66

5

68

1

70

8

75

3

76

2

77

8

86

5

88

5

90

0

atm env tar

Not-homogeneous R=2 km V=50 km

Contributo del

target, e

dell'atmosfera al

segnale di

riflettanza TOA

De-glintedDe-glintedSun-glintSun-glint

De-glintedDe-glintedSun-glintSun-glint

Altri disturbi: effetto «glint»


- angoli azimutali ~ 300°

- angoli zenitali < 30°

- velocità vento > 3 ms-1

Nuvole e copertura nuvolosa


Validazione

Radianza al sensore


Digital Numbers

Ld

Ed

Lu

• Radianza e riflettanza sono i prodotti intermedi della catena di

processamente utilizzate poi per la stima dei parametri di qualità.

• Le stesse quantità possono essere ricavate dale misure di radianza ed

irradianza a terra (da barche, piattaforme, navi, UAV, automatici e

manuali), dove il segnale non risente della presenza dell’atmosfera.

Validazione: misure radiometriche in situ

WISP-3

Irradianza totale Ed Radianza del cielo

a 40° Ld

Radianza dell’acqua a 40° Lu

𝑅𝑟𝑠 l =𝐿𝑢 l − 𝑠𝑘𝑦𝐿𝑑 l 𝐶𝑎

𝐸𝑑 l + 𝐶𝑏


Ed (0+)

Lu (0+)

40°

Lsky 40°

LW 40°

40°

Ed (0-)

Eu (0-)

Ed (0+)

Lu (0+)

40°

Lsky 40°

LW 40°

40°

Ed (0-)

Eu (0-)

Validazione: misure radiometriche in situ

• Radianza e riflettanza sono i prodotti intermedi della catena di

processamente utilizzate poi per la stima dei parametric di qualità.

• Le stesse quantità possono essere ricavate dale misure di radianza ed

irradianza a terra (da barche, piattaforme, navi, UAV, automatici e

manuali), dove il segnale non risente della presenza dell’atmosfera.

Protocollo SeaWiFS con strumenti Spectral Evolution e ASD FieldSpec

𝑅𝑟𝑠 l =𝐿𝑢 l − 𝑠𝑘𝑦𝐿𝑑 l 𝐶𝑎

𝐸𝑑 l + 𝐶𝑏


Confronto i dati di campo con i valori dell’immagine, ricampionando la firma in situ (con risoluzione spettrale maggiore) alle bande del sensore.

I valori da confrontare vengono estratti da finestre di 3x3 pixel, mediati tra loro, per rendere più robusto il confronto

Validazione correzione atmosferica


Centro di banda

Erro

re (

sr-1

)

Confronto algoritmi e consistenza Analisi statistiche: risultati 6SV

Chiusura ottica

Proprietà ottiche dell’acqua COSTITUENTI DELLA COLONNA D’ACQUA

•Acqua pura

•CDOM: Colored Dissolved Organic Matter (sostanze umiche)

•SPM: Suspended Particulate Matter (solidi sospesi)

•PHYTO: Phytoplankton (Chl-a e altri pigmenti)

•Le interazioni di questi

parametri con la luce del sole

danno origine alla riflettanza

dell’acqua

•L’interazione viene descritta

attraverso i fenomeni di

assorbimento e back-scattering.


Riflettanza

dell’acqua

Assorbimento e

scattering Sostanze

disciolte e

sospese

Fondale

I metodi: dall’immagine satellitare alla mappa (4)

Firme spettrali diverse per condizioni diverse

Modelli bio-ottici di inversione

o algoritmi empirici.

Chl-a

Solidi sospesi

Materiale organico disciolto

Trasparenza

Presenza di alghe tossiche


b

b

ba

bu

HuDDHuDD

dp

BB

w

CC

w eAeARR

10101

cos

1

1

1cos

1

0100

uuggRgdp

2

100

CDOMSPMCHLw aaaaa

bSPMbCHLbwb bbbb

440,,, CDOMCDOMNAPw aaSPMachlaaaa llll

SPMbchlabbb bNAPbbwb ,, llll

con

01

0

RQ

RIRrs

Sopra la superficie dell’acqua

Sotto la superficie dell’acqua

I metodi: modelli bio-ottici

Invertendo il modello ottengo le concentrazioni!

0RRiflettanza sotto il pelo dell’acqua


I metodi: algoritmi empirici


Sono algoritmi che non sono fisicamente basati, ma che sfruttano i rapporti di banda per stimare i parametri di qualità delle acque,

utilizzando dei coefficienti che possono essere calibrati specificamente per ogni tipo di corpo idrico e per ogni sensore.

Senza scum

Scum

Lunghezza d’onda (nm)

RR

S (s

r-1)

Validazione: misure limnologiche in situ

HydroScat-6 per il

back-scattering

AC-S per i

coefficienti di

assorbimento e

attenuazione

Fluorimetro per per

pigmenti algali (chl-a,

ficocianine,

ficoeritrine) e CDOM

Analisi di

laboratorio dei

campioni d’acqua.

Ogni campione è

filtrate e la

concentrazione di

chl-a estratta con

acetone è

determinate

attraverso uno

spettrofotometro.

Secchi disk per la

penetrazione della

luce (trasparenza) Conferenza Finale BLASCO - 15 giugno 2017, Pallanza

Mo

dello

sem

i-emp

irici

Validazione parametri di qualità delle acque


0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

BO

MB

ER c

hl-

a (m

g/m

3)

in situ chl-a (mg/m3)

Maggiore

Iseo

Garda

RMSE = 0.409 mg/m3

Mo

del

lo b

io-o

ttic

o

•Visione sinottica dall’alto del territorio

• Osservazione, analisi e monitoraggio

multitemporale

• Visione multispettrale della superficie

indagata

Perché usare il tererilevamento? Vantaggi….


…e svantaggi


•Il telerilevamento passivo è dipendente dalla luce solare (in

caso di nuvole non c’è il dato)

•Le acquisizioni satellitari avvengono sempre nello stesso

intervallo della giornata

58%

42%

Clouds Clear

Confronto (640 immagini

MODIS 2008-2009) tra

date con e prive di

copertura nuvolosa nella

zona del lago Chaohu

(China)


Grazie per l’attenzione!!

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