Gepubliceerd op 8 december 2022
Wanneer de zon de beelden verblindt
Algoritmen voor het schatten van de concentraties van algen en andere deeltjes in aquatische milieus op basis van lucht- of satellietgegevens zijn relatief goed ontwikkeld. Zij vertonen echter soms zeer aanzienlijke fouten doordat de beelden vanuit verschillende posities ten opzichte van de zon worden genomen. Wanneer twee optische sensoren de opwaartse lichtstraal van eenzelfde doelwit meten, zullen zij immers verschillende stralingswaarden meten, afhankelijk van hun positie rond het doelwit. Dit komt doordat zonlicht gericht is en bij interactie met materie niet homogeen in alle richtingen wordt verstrooid. Zo kunnen satellietradiometers die gericht zijn op water, naast het licht dat afkomstig is van het water en het licht dat door de atmosfeer wordt verstrooid, ook het licht waarnemen dat afkomstig is van de directe weerkaatsing van de zonnestraal op het wateroppervlak, wat sunglint wordt genoemd.
Twee stereo Pleiaden (RGB) beelden, één gecontamineerd met glint (links) en één zonder glint (rechts). De beelden werden opgenomen boven de haven van Zeebrugge op 5 april 2020.
Om metingen uit verschillende richtingen te kunnen vergelijken is het dus van belang de lichtverdeling te kennen voor verschillende azimutale en zenithale posities ten opzichte van de zon. De functie die deze tweehoekige verdeling beschrijft, wordt BRDF genoemd – voor Bidirectionele Reflectantie Distributie Functie. BRDF hangt af van de interactie van deeltjes en moleculen met licht en is daarom in elk medium anders.
Het AQUALOOKS-projectteam, geleid door de cel REMSEM (Remote Sensing and Ecosystem Modelling) van het Koninklijk Instituut voor Natuurwetenschappen, gebruikte lichtmetingen uit verschillende richtingen om de tweehoekige lichtverdeling te verkrijgen. De metingen werden uitgevoerd in het water, aan het wateroppervlak en azan de bovenkant van de atmosfeer dankzij satellieten die multi-view acquisities toelaten (CHRIS-PROBA en Pléiades).
In water, aan het oppervlak
Voor multi-look-metingen in het water is een drijvende structuur ontworpen die radiometrische metingen in meerdere hoeken mogelijk maakt. Samen met radiometrische metingen werden ook inherente optische eigenschappen (IOP's) geregistreerd die de verstrooiings- en absorptie-eigenschappen van het water verder karakteriseren. Door datasets van zowel radiometrie als IOP's te koppelen, kunnen bestaande en toekomstige algoritmen voor oceaankleuren worden ontwikkeld en getest.
PANTHYR-installatie voert metingen uit op het RT1-platform nabij de haven van Oostende
Multi-looks boven water werden uitgevoerd met het PANTHYR-2 systeem, een autonoom systeem voor metingen van hyperspectrale reflectie boven water. Het is uitgerust met twee radiometers om downwelling en upwelling radiantie van het water en downwelling van de lucht te meten. Terwijl de stralingsmetingen directioneel zijn, integreert de downwelling radiantie alle straling van een halve bol. Het PANTHYR-systeem was oorspronkelijk ontworpen voor de validatie van satellietgegevens. De nieuwe versie van de PANTHYR (PANTHYR-2) heeft echter het voordeel dat hij richtbaar is in azimut en zenit. Deze richtbaarheid maakt aanvullende experimenten mogelijk. PANTHYR-2 is bijvoorbeeld gebruikt om de tweehoekige (azimut en zenit) verdeling van licht op het grensvlak tussen water en atmosfeer te analyseren. PANTHYR-2 was operationeel op het RT1 platform 500m van de haven van Oostende van december 2019 tot augustus 2020 en van september 2021 tot nu.
Voorbeeld van de resultaten van het sunglint-correctiealgoritme op de Zeebrugse havenbeelden. Links: oppervlakte reflectie in de rode spectrale band van het sunglint-beeld na atmosferische correctie. Midden: schatting van de waterreflectiecoëfficiënt in de rode spectrale band na toepassing van het atmosferische correctiealgoritme. Rechts: waterreflectiecoëfficiënt in de rode spectrale band verkregen na atmosferische correctie van het beeld zonder sunglint.
...en een flink eind boven water
Van dual-look stereo Pléiades satellietbeelden werd de directe zonnereflectie (sunglintreflectie) berekend en een nieuwe methode ontwikkeld om sunglint te corrigeren. Deze methode is, in tegenstelling tot bestaande algoritmen voor de correctie van zonnevlekken, geschikt voor troebele gebieden en voor sensoren zonder SWIR-band (spectrale band tussen 1000 en 2500 nm).
Sunglint-gecorrigeerde Pléiadesbeelden met sunglint werden vergeleken met gecolokaliseerde beelden die op hetzelfde moment met een andere kijkgeometrie werden genomen. De resultaten zijn bemoedigend, aangezien de sunglint kon worden verwijderd en de gemiddelde overschatting in de zichtbare banden tot minder dan 30% kon worden teruggebracht. Bovendien werden de belangrijkste waterreflectiepatronen gevonden. Dit algoritme kan worden aangepast aan andere sensoren met hoge resolutie, zoals Sentinel-2, die vaak last hebben van sunglint.