Arbeitsblätter zur Vorlesung. Fernerkundung 1. WS 2008/09, 5. Vorlesung

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1 Arbeitsblätter zur Vorlesung Fernerkundung 1 WS 2008/09, 5. Vorlesung erstellt Oktober 2008

2 Inhalt der 5. Vorlesung Scan Prinzipien opto mechanischer Scanner Prinzip, Verlauf der Strahlung Dichroitischer Strahlenteiler Zeilen Paß Bedingung geometrisches Auflösungsvermögen Digitalisierung Panoramaverzerrung, Zeilenschiefe opto elektronischer Scanner Begriffe Sensor und Signal Zeilenversatz Aufnahmeprinzip Prinzip der spektralen Zerlegung Zeilen Paß Bedingung Auflösungsvermögen radiometrische Kalibrierung Farben, Filter und Filme 2

3 scannende Sensoren Scanner Abtaster erfaßt Gelände abschnittsweise durch systematisches Abtasten (bei photographischen Aufnahmen: Gelände in einem Zug registriert) nutzt Eigenbewegung (Flugrichtung) des Sensors Strahlung über Optik auf Detektoren geleitet, Detektoren weisen unterschiedliche spektrale Sensibilisierungen auf (=> Pendant zu Filmschichten einer photographischen Aufnahme) Vorteile gegenüber photographischen Systemen: elektromagnetische Strahlung in vielen Spektralbereichen gleichzeitig registriert Daten liegen in digitaler Form vor Nachteile gegenüber photographischen Systemen: kompliziertere Bildgeometrie 3

4 Scan - Prinzipien Scanner mißt - getrennt nach Spektralbereichen ( Bänder ) von Erdoberfläche zum Sensor ausgesandte / reflektierte elektromagnetische Strahlung für ein Flächenelement ( Ground Cell ). Plattformbewegung ermöglicht 2D Erfassung der Erdoberfläche Ikonos 2 Landsat 5 Opto-mechanischer Scanner (Rotationsscanner) Opto-elektronischer Scanner (Pushbroom Scanner) Die Datengewinnung erfolgt durch Abtasten der Erdoberfläche zeilenweise zeilenweise Ground Cell für Ground Cell alle Ground Cells einer Zeile synchron quer zur Flugrichtung des Sensors entlang der Flugrichtung des Sensors 4

5 Scan - Prinzipien Scanner: Sensor und Signal je Ground Cell: Ikonos 2 Quantifizierung der gemessenen Energie als diskreter DN-Value Bandbreite der möglichen Meßwerte (i.e. Maximum bis Minimum) bestimmt dynamic range des Scanners (i.e W) Landsat 5 auftreffende Strahlungsenergie wird über Zeitintervall integriert Bandbreite der absoluten Werte in relative Werte eines bestimmten Formats konvertiert. aus: Kaufmann, DFDZ (i.e. 8-Bit Format erlaubt 28 = 256 DN-Values (für den jeweiligen Meßbereich). Zeilenversatz Während des Scannens einer Szene dreht sich die Erde weiter, dies bewirkt Verschiebung zu einem Parallelogramm. 5

6 opto mechanischer Scanner Datengewinnung durch Scannen der Erdoberfläche zeilenweise senkrecht zur Flugrichtung Landsat 5 zeilenweises Scannen durch ein rotierendes Prisma oder einen Wippspiegel realisiert, deren spiegelnde Fläche um 50 gon gegenüber der Horizontalen geneigt ist. 6

7 opto mechanischer Scanner Verlauf der Strahlung im Scanner Landsat 5 Umlenkung der Strahlung auf Hohlspiegel spektrale Zerlegung im Dichroitischen Strahlenteiler Thermalstrahlung => Detektor muss gekühlt werden Strahlung des sichtbaren Lichtes, des nahen und mittleren Infrarot => Zerlegung in spektrale Anteile => Detektor Verstärkung => Analog/Digital-Wandlung => Speicherung und Übertragung 7

8 opto mechanischer Scanner Prinzip der dichroitischen Strahlenteilung Landsat 5 Spektrale Durchlässigkeit von normalem optischem Glas und Germanium Dichroismus: gr.-nlat., Eigenschaft vieler Kristalle, Licht in verschiedene Richtungen zu brechen und in zwei Farben zerlegen zu können. Es erfolgt eine Abtrennung der thermalen Strahlung von Strahlung anderer Bereiche. (opt. / NIR / SWIR) Dies ist notwendig, da Transmissionsgrad der optischen Bauelemente eines Scanners abhängig ist von deren Material und für die Spektralbereiche verschieden ist. Insbesondere ist optisches Glas für Thermalstrahlung opak für Strahlung im sichtbaren Bereich hingegen sehr transparent. 8

9 opto mechanischer Scanner Zeilen Paß Bedingung Damit die abgetasteten Zeilen in der Streifenmitte lückenlos zusammenpassen, muss folgende Beziehung gelten: α h υ = V Landsat 5 α - Öffnungswinkel des Scanners ν - Scanfrequenz Verhältnis von Plattformgeschwindigkeit und Flughöhe ist durch den Öffnungswinkel und die Abtastfrequenz festgelegt Der Öffnungswinkel ergibt sich aus der Beziehung: dd α = f V = α υ h dd - Durchmesser der Detektorfläche f - Brennweite der Abtastoptik 9

10 opto mechanischer Scanner geometrisches Auflösungsvermögen wird durch die Größe des Bildelementes (Pixel) bestimmt Größe des Bildelementes im Gelände = Projektion der Detektorfläche durch das optische System auf die Erdoberfläche Größe eines Pixel in Streifenmitte: ΔX 0 = ΔY0 = h Δα unter α: Vergrößerung der Bildelemente außerhalb der Streifenmitte h Y 0 Y = = =n y Y 0 cos² cos² h X 0 X= = =n x X 0 cos cos 10

11 opto mechanischer Scanner geometrisches Auflösungsvermögen Breite eines Streifenpaares unterschiedlicher Strahldichte (SchwarzWeiß), damit es vom Sensor gerade noch abgebildet wird Landsat 5 für individuelle Objekte theoretisches Auflösungsvermögen geringfügig kleiner als 1 pixel tatsächliches Auflösungsvermögen abhängig von der Qualität des Detektors und des Objektkontrastes i. a. 0,7 pixel als realistisch zu Grunde gelegt Breite eines noch auflösbaren Streifenpaares: 1,4 pixel linkes Bild: an jeder Position kommt es zu Mischpixeln rechtes Bild: unverfälschte Bildelemente Bedingung dafür: Breite eines Streifenpaares = 2,8 pixel 11

12 opto mechanischer Scanner geometrisches Auflösungsvermögen [lp/mm] Auflösungsvermögen in Linienpaaren pro Millimeter unter Tolerierung von Mischpixeln: ohne Mischpixel: lp cos ²α AV = mm 1.4 α c[ mm] Landsat 5 lp cos ²α AV = mm 2.8 α c[ mm] Auflösungsvermögen Beispiele: α = 2.5mrad Daedalus Scanner: c fiktiv = 123mm in Streifenmitte: lp lp 1 AV = 2.3 = mm mm am Streifenrand: lp lp 0.73² AV = = 1. 2 mm mm Bilder von Flugzeugscannern haben ein um den Faktor 10 bis 100 schlechteres geometrisches Auflösungsvermögen als jenes photographischer Messbilder aus gleicher Flughöhe. 12

13 opto mechanischer Scanner geometrisches Auflösungsvermögen [lp/mm] Beispiele Scannersystem auf Landsat: α = mrad Landsat 5 in Streifenmitte: lp lp 1 AV = = 137 mm mm d.h. Bilder von Satellitenscannern haben ein dem photographischen Messbild vergleichbares geometrisches Auflösungsvermögen (Achtung: Flughöhe vs. Orbithöhe) Hinweis: Das menschliche Auge erreicht in deutlicher Sehweite von ca. 25 cm ein AV von 5 bis 6 lp/mm 13

14 opto mechanischer Scanner geometrische Auflösung - Digitalisierung des Signals Signal, das dem geometrischen Auflösungsvermögen quer zur Flugrichtung (entspricht Y-Richtung), und Digitalisierungsstellen Das Abtasttheorem besagt: Digitalisierungsintervall muss kleiner sein, als die halbe Wellenlänge des zu erfassenden Signals. Breite eines noch auflösbaren Streifenpaares in Y-Richtung: 1,4 Y Digitalisierungsintervall < 0,7 Y 14

15 opto mechanischer Scanner Abtastung in X Richtung gleiche Beziehungen wie für Y-Richtung aber: kein kontinuierliches Signal bereits als diskrete Werte Landsat 5 Signal, das durch eine Digitalisierung in Flugrichtung gerade noch rekonstruiert werden kann. => in Flugrichtung erfolgt Digitalisierung mit Intervall X ΔX 0 = ΔY0 = h Δα X = h α X0 = cos α cos α minimale Breite eines auflösbaren Streifenpaares l X,min > 2 X in Streifenmitte ist das Auflösungsvermögen in X-Richtung um den Faktor 1,4 schlechter als in Y-Richtung X = X 0 cos α = 45 => l X,min 2 X 0 cos l X,min 2 X 0 0.7=1.4 Y 0=l Y, min bei 50 gon: Auflösungsvermögen in X- und Y-Richtung gleich => pixel in X-Richtung um Faktor 1,4 kleiner als in Y-Richtung 15

16 opto mechanischer Scanner Detailerkennbarkeit Landsat 5 Bei Objekten ( Punkte, Linien ) mit hohem Kontrast zur Umgebung kann Erkennbarkeit auch dann gegeben sein, wenn die Bildelemente wesentlich größer als die Objekte sind. Detailerkennbarkeit punkt- und linienförmiger Objekte in monotoner Umgebung 16

17 opto mechanischer Scanner Geometrische Aspekte Panoramaverzerrung Bildelemente vergrößern sich von der Bildmitte zum Bildrand mit Faktor 1 / cos²α bei der Visualisierung erhalten aber alle Bildelemente gleiche Größen; d.h. zunehmende Stauchung von der Bildmitte zum Bildrand 17

18 opto mechanischer Scanner Geometrische Aspekte Korrektur Panoramaverzerrung Annahme gleich großer Bildelemente in y-richtung, Berechnung der zugeordneten y -Richtung y y = c α = c arctan c Grauwerte in y-position aus der berechneten y -Position durch eindimensionale Interpolation berechnet. panoramakorrigierte Rotationsscanner-Daten entsprechen einer exakten Zentralprojektion, wie sie im Falle der Aufnahme mit digitalen Zeilenkameras vorliegt Kamerakonstante der panoramakorrigierte CCD-Aufnahmen c= b 2 tan( A) b Bildbreite des panoramakorrigierten Datensatzes oder der Zeilenkamera-Aufnahme 2A Öffnungswinkel des Scanners, der digitalen Zeilenkamera 18

19 opto mechanischer Scanner Geometrische Aspekte Zeilenschiefe Distorted Image Restored Image systembedingte Verzerrung bei opto-mechanischen Scannern wegen kontinuierlicher Fortbewegung der Plattform verlaufen Scan Zeilen nicht senkrecht zur Flugachse Zeilenschiefe umso größer, je schneller die Plattformbewegung und je geringer die Abtastfrequenz entspricht einer Verkantung des Abtasters 19

20 opto mechanischer Scanner Geometrische Aspekte - Zusammenfassung Verzerrungen als Folge der Wechselbeziehungen Sensor Erdoberfläche E a r t h r o t a t io n P l a t f o r m v e lo c i t y sensororientierungsbedingte Verzerrungen A lt it u d e v a r ia t i o n F o r w a r d / a f t t ilt S id e w a r d s t ilt R o t a t io n Quelle: ITC Lehrmaterialien, entnommen aus Christiansen, Uni Giessen Beispiel für Verzerrungen wegen Sensororientierung Roll-Verzerrung (kurzzeitiger Seiten-Schwenk) bei einer Flugzeugscanneraufnahme 20

21 opto elektronischer Scanner Vergleich mit opto mechanischen Scannern IKONOS 2 1.) Die Rotationsmechanik unterliegt verhältnismäßig rascher Abnutzung => Einsatz zumindest in unbemannten Satelliten problematisch 2.) Signal/Rauschverhältnis ist bei Rotationsscannern relativ schlecht. => Geometrisches Auflösungsvermögen einer Flugzeug Scanneraufnahme ist im Vergleich zur geometrischen Auflösung der Luftbildphotographie wesentlich geringer. => Nachteile können durch eine Zeilenkamera umgangen werden Spektrale Empfindlichkeit liegt momentan zwischen 0,4 und 1,75 µm => damit keine Aufzeichnung von Wärmestrahlung möglich 21

22 opto elektronischer Scanner Prinzip der Zeilenkamera IKONOS 2 Zeile von Detektoren (Siliziumdioden) in Brennebene der Optik angeordnet Elemente einer Zeile synchron erfaßt Detektorzeile nach CCD-Prinzip (charge coupled device) Technik des schubweisen Abtastens als push broom scanning bezeichnet Signale in kurzen Zeitabständen en bloc gespeichert Flugzeug: Speicherung auf Magnetband mit hoher Schreibdichte (HDDT) Satelliten: nachrichtentechnische Übertragung zu einer Bodenstation 22

23 opto elektronischer Scanner Zeilen-Paß-Bedingung IKONOS 2 Um eine lückenlose Aufnahme der Oberfläche zu gewährleisten, muss folgende Bedingung eingehalten werden: x h υ =V f V x υ = h f Geometrisches Auflösungsvermögen z.b Zeilenkamera MOMS: α=0,0675 mrad um Faktor 20 besser als Rotationsabtaster insgesamt sehr gutes Auflösungsvermögen vergleichbar mit photographischen Systemen exakte Zentralprojektion keine Panoramaverzerrung Auflösung richtet sich nach Anzahl der CCD-Elemente, der Brennweite der Optik und der Orbithöhe 23

24 opto elektronischer Scanner Problem der spektralen Zerlegung IKONOS 2 Mehrere Einzelkameras mit vorgeschalteten Filtern sind schwerfällig und erlauben nur die Aufzeichnung von wenigen Spektralbereichen Abhilfe schaffen Beugungsgitter Die unterste Linse bildet das Gelände auf einen Schlitz ab. Zwischenlinse erzeugt parallelen Strahlenverlauf Spektrale Zerlegung wird durch Beugungsgitter realisiert Die oberste Linse sammelt Strahlen in der Bildebene CCD Sensoren empfangen je nach Positionierung eine andere Wellenlänge 24

25 opto elektronischer Scanner Auflösung bei der spektralen Zerlegung IKONOS 2 Anordnung der Detektoren quer zur Flugrichtung bestimmt die geometrische Auflösung (Anzahl Pixel einer Zeile) Anordnung der Detektoren in Flugrichtung bestimmt die spektrale Auflösung Kalibrierung Alle Detektoren müssen spektral gleich empfindlich sein => Kalibrierungsprobleme teilweise erst im Rahmen der Auswertung softwaremäßig zu lösen 25

26 opto elektronischer Scanner radiometrische Kalibrierung smile Effekt Ein Beispiel: MERIS Sensor besteht aus 5 Einzelkameras, je 740 Detektoren / Zeile die Kalibrierung aller Detektoren auf einen einheitlichen Spektralbereich ist nur unvollkommen realisierbar (Abweichung beträgt ca. 1 nm zwischen den Kameras und ca. 0,1 nm innerhalb einer Kamera) Graphik zeigt jeweils die mittlere Wellenlänge für Kanal 1 (blau, ca. 409 nm) und Kanal 11 (rot, ca. 760 nm) für alle 3700 Detektoren. Die 5 Kameras sind deutlich unterscheidbar. 26

27 opto elektronischer Scanner smile Effekt Auswirkungen und Korrektur An den Übergängen zwischen benachbarten Kameras sind Grauwertsprünge zu beobachten, insbesondere bei Differenzbildern benachbarter Kanäle Die Korrektur erfolgt durch Interpolation entlang benachbarter Spektralkanäle. F0,ref ( λ 0 ) F0,ref ( λ 0 ) ( λ ref λ 1 ) L corr ( λ 0 ) = L meas ( λ 2 ) * L meas ( λ 1 ) * * F0,ref ( λ 2 ) F0,ref ( λ 1 ) ( λ 2 λ 1 ) Lmeas... gemessene Strahldichte λ1, λ2... zentrale Wellenlänge der benachbarten Kanäle λ0... zentrale Wellenlänge des zu korrigierenden Kanales F0,ref(λ)... solare Strahldichte für den spektralen Bereich des jeweiligen Kanales 27

28 opto elektronischer Scanner smile Effekt Auswirkungen und Korrektur An den Übergängen zwischen benachbarten Kameras sind Grauwertsprünge zu beobachten, insbesondere bei Differenzbildern benachbarter Kanäle 28

29 Farbe und Farbempfindung physiologischer Aspekt der Farbwahrnehmung menschliche Augen als photographisches System Zapfen für Blau, Grün bzw. Rot sensibilisiert spektrale Empfindlichkeit der Zapfen individuell (Wahrnehmung von Türkis) Farbempfinden psychologischer Prozeß => individuelle Verarbeitung der registrierten Reize abhängig von Umgebung (Beleuchtung...) CIE genormte Empfindlichkeitskurven 29 der Farbrezeptoren

30 Farbe und Farbempfindung physikalischer Aspekt der Farbe Licht: elektromagnetische Wellen monochromatisches Licht: definierte Wellenlänge (als eine Farbe des Regenbogenspektrums wahrgenommen) Spektrum Farbempfinden Einteilung des optischen Spektralbereiches in 3 Wellenlängenbereiche (Mischfarben) blau (λ nm) grün (λ nm) rot (λ nm) 2 Farbsysteme abgeleitet: additives System (Grundfarben: RotGrünBlau) subtraktives System (Grundfarben: YellowMagentaCyan) 30

31 Farben, Filter und Filme zur Erinnerung: Zusammenhang RGB YMC Die Mischung von je 2 additiven Grundfarben ergibt eine subtraktive Grundfarbe. Dies entspricht gleichzeitig einer Subtraktion der verbleibenden, dritten, additiven Grundfarbe von weißem Licht. Farbwürfel RGB Grundfarben bilden kartesisches Koordinatensystem mit schwarz als Ursprung rot + blau = magenta = weiß grün grün + blau = cyan = weiß rot rot + grün = yellow = weiß - blau YMC Grundfarben bilden kartesisches Koordinatensystem mit weiß als Ursprung Zahlen stehen für Farbintensität bei einem Wertebereich von 8bit 31

32 Farben, Filter und Filme Filter Filter in weißem Mischlicht: transmittierter Lichtanteil bezeichnet Filterfarbe; absorbierte Anteile: Komplementärfarbe (ergänzt Filterfarbe zu Weiß) Beispiel: Filter in weißem Mischlicht zeigt die Farbe Grün. => Grünfilter. D.h. grüne Mischfarbe passiert, Blau und Rot werden absorbiert (rote bzw. blaue Objekte erscheinen durch Grünfilter Schwarz.) Komplementärfarbe eines Grünfilters ist also Magenta. Lichtdurchlässigkeit eines Grünfilters : spektraler Transmissionsgrad τ (λ ) in % des einfallenden Lichtes, 32

33 Farben, Filter und Filme Filter praktisch trennen Filter die Farben nicht 100%ig (z.b. Grünfilter hat 80% Durchlässigkeit bei nm und ca. 35% bei >600 nm) Bei Luft- und Satellitenaufnahmen setzt man Filter mit sehr steilen Filterkanten ein. (=> scharfe Trennwirkung) Die Strahlung links von der Filterkante wird gesperrt und die rechts von ihr geht hindurch. Transmissions (bzw. Absorptions-)kurven von Filtern für Messkameras 33

34 Farben, Filter und Filme Zusammenhang Spektral-, Objekt- und Filterfarben blau rot nahes Infrarot (nir) orange gelb grün blau sichtbares Licht violett photographierbares UV Spektralfarben (monochromatisch) 600 grün 700 rot λ [nm] 800 Mischfarben Filterfarben blau grün rot yellow magenta cyan } } additive Grundfarben subtraktive Grundfarben... opak... transparent 34