III - WAT IS EEN DIGITAAL BEELD?
2- KENMERKEN VAN EEN BEELD
2.1- Spectrale resolutie
Afhankelijk van hun technische kenmerken kunnen de sensoren aan boord van satellieten de straling registreren die wordt gereflecteerd of uitgezonden door objecten op de grond in verschillende golflengte-intervallen.
Spectrale resolutie is het vermogen van de sensor om elektromagnetische straling van verschillende frequenties te onderscheiden. Hoe gevoeliger de sensor is voor fijne spectrale verschillen (smalle golflengte-intervallen), hoe hoger de spectrale resolutie van de sensor. De spectrale resolutie is afhankelijk van het optische filterapparaat dat de opgevangen energie afbreekt in een groter of een kleiner aantal spectrale banden die meer of minder breed zijn.
Een hoge spectrale resolutie is bijvoorbeeld nodig als we soorten landbouwculturen willen onderscheiden waarvan de spectrale signatuur vrij dicht bij elkaar ligt.
Spectrale bandbreedten van de SPOT-5, Landsat-8, Sentinel-2, Worldview 3, ASTER en HyMAP sensoren. Atmosferische transmissie is weergegeven op de Y-as. Bron: Potential of ESA's Sentinel-2 for geological applications - Scientific Figure on ResearchGate.
Bij optische teledetectie onderscheiden we over het algemeen drie hoofdtypen van beeldvorming op basis van de spectrale resolutie: panchromatische, multispectrale en hyperspectrale beeldvorming.
Bron: Vegetation Analysis: Using Vegetation Indices in ENVI - ©2023 NV5 Geospatial Solutions, Inc.
Panchromatische beeldvorming
In teledetectie wordt ook gewerkt met zwart-wit opnamen. Dit zijn beelden die zijn verkregen uit de opname in één enkel golflengtegebied in het zichtbare licht, d.w.z. tussen 0,4 en 0,7 µm. Zij geven alleen informatie over de intensiteit van de straling in dit golflengtegebied, zonder onderscheid te maken in de frequenties (en dus de kleuren). Aangezien de gegevens slechts in één kanaal worden verzameld, wordt aan elk pixel slechts één waarde toegewezen. Als het beeld gecodeerd is op 8 bits, zal het te zien zijn in 256 (28) grijsniveaus.
Deze beelden worden panchromatische beelden genoemd (letterlijk: "alle kleuren"). Het voordeel is dat door de bredere spectrale reikwijdte meer energie terechtkomt op de fotocellen, waardoor het zichtsveld (IFOV - zie Résolution spatiale) kleiner gemaakt kan worden en er meer ruimtelijke details ontstaat. Met andere woorden, kleine veranderingen in de helderheid kunnen worden gedetecteerd omdat elke pixel een groot deel van de straling van de zon opvangt.
Panchromatische en multispectrale beelden worden vaak samengevoegd met een techniek die "pansharpening" heet om de ruimtelijke resolutie van multispectrale beelden te verhogen.
Hieronder staat een voorbeeld van dit type beeldfusie.
 |
 |
|
|
 |
 |
Landsat-8-beeld van Brussel genomen op 28 mei 2020. Warekleurenbeeld linksboven en panchromatisch beeld rechtsboven. De drie afbeeldingen onderaan tonen een detail van het Warandepark en het Jubelpark: panchromatisch beeld (links), waar kleurenbeeld (midden) en pan-sharpened beeld (rechts). De multispectrale beeldgegevens die gebruikt worden voor het maken van de ware-kleurencomposiet hebben een ruimtelijke resolutie van 30m per pixel. Het panchromatisch beeld heeft een ruimtelijke resolutie van 10m per pixel en ziet er daarom veel scherper uit op de meer gedetailleerde afbeeldingen onderaan. Dankzij pansharpeningtechnieken kunnen we de spectrale informatie uit de multispectrale opnamen koppelen aan de pixels van het ruimtelijk meer gedetailleerde pan-beeld.
Een ander voorbeeld wordt geïllustreerd door de Pleiades-beeldengalerij hieronder, die het volgende bevat:
- een multispectraal beeld van Brussel met een resolutie van 2 m;
- een extract van dit multispectrale beeld met als middelpunt de Koekelbergbasiliek;
- een extract van een panchromatisch beeld met een resolutie van 50 cm, gecentreerd rond de Basiliek van Koekelberg;;
- een samengevoegd (pansharpened') beeld van de Basiliek van Koekelberg met een resolutie van 50 cm.
De animatie hieronder toont het effect van het verscherpen:
Multispectrale beeldvorming
Multispectrale gegevens worden verkregen door gelijktijdige opnames in een relatief klein aantal spectrale banden (3 tot 15), die meestal discontinu zijn. Elke band omvat intervallen van verschillende golflengten die zich uitstrekken van zichtbaar licht tot infraroodlicht. Opnames in verschillende spectrale banden kunnen worden gecombineerd tot kleurenbeelden.
De gegevens van elke band worden weergegeven als één van de primaire kleuren en afhankelijk van de relatieve helderheid (d.w.z. numerieke waarde) van elke pixel in elke band wordt deze kleur in een specifieke grijswaarde (tint) voorgesteld. Combineert men de pixels van de drie banden in de drie primaire kleuren (rood, groen, blauw) – elk in hun tinten op basis van de numerieke waarde in de betreffende band – dan bekomt men een kleurenbeeld.
Afhankelijk van de gebruikte banden komen de weergegeven kleuren al dan niet overeen met de werkelijke kleuren; zo kunnen ook valse kleurcomposieten (zie hoofdstuk 4 Fausses couleurs) worden aangemaakt.
Zo maakt de OLI-sensor (Operational Land Imager) aan boord van de Landsat 8-satelliet opnames in 8 banden in multispectrale modus, met golflengtes tussen 0,43 en 2,29 µm (4 in het zichtbare spectrum, 1 in het nabij-infrarood, 3 in het midden-infrarood) en 1 band in panchromatische modus. De TIRS-sensor (Thermal InfraRed Sensor) maakt opnames in 2 banden in het thermisch infrarood.
De NAOMI-sensor van de satellieten Spot 6 en 7 genereert vier spectrale banden in multispectrale modus:
- de blauwe band registreert het deel van het spectrum gaande van 0,450 tot 0,52 µm,
- de groene band van 0,53 tot 0,59 µm,
- de rode band van 0,625 tot 0,695 µm
- de nabij-infrarode band (NIR) van 0,76 tot 0,89 µm,
en een enkele band in panchromatische modus (0,45 - 0,745 µm ).
Hyperspectrale beeldvorming
Hyperspectrale beelden worden geproduceerd door sensoren die in staat zijn om informatie vast te leggen in een veelheid aan spectrale banden (vaak meer dan 200) die elk slechts enkele nm breed zijn. Meestal zijn dit aaneengesloten banden in de zichtbare, nabij-infrarode en midden-infrarode delen van het elektromagnetische spectrum.
Hyperspectrale gegevens bieden daarom meer gedetailleerde informatie over de spectrale eigenschappen van een scene. De spectrale signatuur van objecten is preciezer en dus is het mogelijk om objecten nauwkeuriger te onderscheiden en te identificeren (bvb. verschillende gesteenten, types van bodembedekking, waterkwaliteit, ...) dan wat kan met breedbandsensoren.
Elke pixel in een hyperspectrale afbeelding bevat de informatie die is verzameld in een groot aantal golflengte-intervallen verspreid over het gehele zichtbare en infrarode spectrum. De hoeveelheid op te slaan en te verwerken informatie is daarom enorm en vereist een veel grotere rekencapaciteit dan in het geval van multispectrale beelden, Dit kan een beperking vormen voor de gegevensverwerking van grote gebieden.
Bron: Rasti B. et al. (2018). Noise Reduction in Hyperspectral Imagery: Overview and Application. Remote Sensing. 10. 482.
De toepassingen van hyperspectrale beeldvorming zijn meervoudig. Belangrijke toepassingen zijn deze in de geologie (identificatie van mineralen ...), maar men gebruikt ze ook bij precisielandbouw, bosbouw (gezondheidsstatus bosbestanden, identificatie van soorten ...) of het beheer van aquatische omgevingen (waterkwaliteit, fytoplanktonsamenstelling ...)
|
Het Airborne Prism Experiment (APEX) is een beeldvormende spectrometer die ontwikkeld werd voor ESA als instrument voor de kalibratie en validatie van een toekomstige hyperspectrale satellietsensor. APEX heeft een beam splitter die de straling opdeelt in enerzijds het zichtbare en het infrarode licht (VNIR: 0,380 - 0,970 µm) en anderzijds in het korte golf-infrarood (SWIR: 0,940 - 2,5 µm). De sensor beschikt over een instelbaar aantal spectrale banden van maximaal 334 in VNIR (nominaal 114) en 198 in SWIR met een spectrale resolutie van respectievelijk 0,6 - 6,3 nm en 7,0 - 13,5 nm. Bron: eoPortal |
Spectrale resolutie en radarbeelden
Radarbeelden worden vaak als monochroom beschouwd. Dit is niet helemaal juist. Als wede ruimtelijke resolutie willen verhogen in de bewegingsrichting van de sensor, bouwen we stap voor stap een zeer grote lineaire antenne. Voor het verhoge van de resolutie dwars op de bewegingsrichting, gebruiken we een gecodeerd signaal zodat we de reistijd van het signaal met zeer hoge precisie kunnen meten.
Deze codering gebeurt in de frequentie. Daarom is het gebruikte signaal niet 100% monochroom, maar heeft het een relatief smalle bandbreedte rond een draaggolffrequentie.
De nieuwste radars gebruiken een steeds breder spectraalband om de ruimtelijke resolutie in afstand te verhogen.