IV - VAN DATA TOT INFORMATIE
1- EEN BEELD VOORBEREIDEN VOOR ANALYSE (PrE-PROCESSING)
1.1- Radiometrische en atmosferische correctie en kalibratie
Een ideaal aardobservatiesysteem zou uitgerust moeten zijn met een perfecte spectroradiometer, die precies en uniform de hoeveelheid teruggekaatste energie van het aardoppervlak meet. Het zonlicht wordt jammer genoeg verstoord in de atmosfeer en verlicht niet alle voorwerpen onder een zelfde hoek. Bovendien ontstaan er ook verstoringen door de elektronische verwerking van de straling die door de sensoren opgevangen wordt. Als gevolg hiervan komen de radiometrische waarden van aardobservatiesatellieten niet overeen met waarden die in het veld zouden worden gemeten.
Radiometrische kalibratie maakt het mogelijk om de geregistreerde sensorvoltages of digital numbers (DN) om te zetten naar fysische grootheden (straling of reflectantie) in een absolute schaal. Dat is nodig om interpreteerbare, nauwkeurige en consistente waarnemingen van het leefmilieu en het klimaat te bekomen. Een eerste kalibratie gebeurt vóór de lancering, in stabiele en gecontroleerde labo-omstandigheden bij de fabrikant. Omdat sensoren aan boord van satellieten constant blootgesteld worden aan een harde omgeving in de ruimte degraderen ze echter met de tijd. Daarom hebben de meeste satellieten tegenwoordig toestellen aan boord die de calibratie kalibratie routinematig uitvoeren.
USGS-catalogus van kalibratie-/validatiesites voor post-launch kalibratie en karakterisering van optische beeldsensoren in de ruimte
Het is daarnaast ook mogelijk om gebruik te maken van zogenaamde “pseudo-invariante” sites om de performantie van de sensor op langere termijn te monitoren. Dit zijn referentieplaatsen op het aardoppervlak met een bekend radiometrisch profiel, die ruimtelijk uniform zijn en weinig veranderen doorheen de tijd, zoals open wateroppervlakken, ijkappen of uitgestrekte zandvlakten (bvb. sommige delen van de Sahara of Bolivië).
Na de radiometrische kalibratie kunnen de pixelwaarden met eenvoudige transformatieformules omgezet worden naar spectrale straling zoals ze waargenomen wordt aan de top van de atmosfeer. Deze spectrale straling wordt uitgedrukt in Watt per vierkante meter per sterradiaal per micrometer golflengte ( W/m²srμm). Die waarde kunnen we dan gebruiken om de spectrale reflectantie aan de top van de atmosfeer te berekenen. Dit geeft de verhouding weer van de hoeveelheid straling die binnen een bepaalde golflengte gereflecteerd werd door een bepaald oppervlak t.o.v. de straling van de zon die theoretisch op dat oppervlak terechtkwam tijdens de opname.
Zelfs nadat er een radiometrische correctie heeft plaatsgevonden zullen de stralingswaarden afkomstig van satellietsensoren niet overeenkomen met waarden die we op het terrein zelf zouden meten. Dat komt omdat het licht gereflecteerd door de objecten op het aardoppervlak ook nog de atmosfeer moet passeren vooraleer de sensor van de satelliet het registreert.
Hoewel de golflengten die worden gebruikt bij optische teledetectie zich in zogenaamde “atmosferische vensters” bevinden (zie deel 1), verstoort de interactie met de atmosfeer toch het signaal. Deze verstoringen zijn te wijten aan de aanwezigheid van gassen en stofaërosolen, die bepaalde golflengten kunnen absorberen en/of afbuigen (verstrooiing genoemd) waardoor de spectrale eigenschappen van de straling worden gewijzigd.
Daarnaast is er ook de problematiek van wolken, die het aardoppervlak nagenoeg volledig voor de optische sensor kunnen verstoppen. Om de wolken en hun schaduwen op de beeldproducten automatisch te kunnen maskeren of aanduiden, worden verschillende detectiealgoritmen gebruikt. De kans dat de pixels van beeldproducten met een grove ruimtelijke resolutie zoals MODIS ergens wolken bevatten is relatief groot. Daarom worden er temporele composieten gemaakt door dagelijkse waarnemingen te combineren tot wekelijkse of maandelijkse. Ook voor beelden met een hogere ruimtelijke resolutie zijn er verschillende algoritmen ontwikkeld om met wolken om te gaan.
Om atmosferische verstoring te corrigeren zijn er grosso modo twee benaderingen. Een eerste techniek vereist dat de samenstelling van de atmosferische kolom gekend is (bvb. de totale hoeveelheid waterdamp, aërosolen). Die gegevens kunnen afkomstig zijn van andere sensoren of bronnen, of ze kunnen bepaald worden aan de hand van atmosferische modellen (bvb. MODTRAN).
STEREO-onderzoekers hebben een reconstructietool ontwikkeld om hiaten op te vullen die het gevolg zijn van bijvoorbeeld wolken, in geofysische tijdreeksen zoals de temperatuur van de oceaan (zie EOF-based Time Series Reconstructor à la page STEREO Toolbox). Het instrument is toegepast op de temperatuur van het zeeoppervlak in het infrarood boven de westelijke Middellandse Zee: links, het originele beeld, rechts, het bewerkte beeld.
Een tweede benadering gaat enkel uit van het beeld zelf. Hierbij worden algoritmen toegepast die gebruik maken van automatisch geselecteerde referentiepunten in het beeld of door berekeningen uit te voeren die gebaseerd zijn op de waargenomen straling in speciaal daarvoor voorziene spectrale kanalen. Een voorbeeld van dergelijke werkwijze is het sen2cor algoritme dat gebruikt wordt voor de atmosferische correctie van Sentinel-2 beelden. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van o.a. band 1 (443 nm – voor aerosolen), band 9 (945 nm – voor waterdamp) en band 10 (1375 nm – voor detectie van cirruswolken).