Radiometric calibration, validation and correction of multispectral photogrammetric imagery

Abstract

Vast amounts of remote sensing data are acquire daily all over the globe from satellites, from manned or unmanned airborne platforms, and from the ground. Airborne photogrammetry provides a flexible method for acquiring high-resolution imagery in a timely manner over large areas. Aerial images are increasingly being used in a more automatic and quantitative way for applications such as land cover classification and environmental monitoring. Apart from the high geometric quality of photogrammetric sensors, also their radiometric properties are important. Different objects reflect solar irradiance according to their individual spectral and directional properties, and radiometric analysis can be used to identify such objects and changes in them. The perquisite for quantitative radiometry is the absolute radiometric calibration of the sensor, which links the recorded digital numbers to physical units. The major benefit of a radiometrically calibrated sensor is the possibility to radiometrically correct images form atmospheric effects to surface reflectance. Radiometric correction becomes a necessity, when imagery from different dates and sensors are used for quantitative image analysis. The objectives of this study were, first, to develop a vicarious method for the radiometric calibration and validation (Cal/Val) of a photogrammetric sensor in a test field. Second, three radiometric correction methods suitable for reflectance image product generation from photogrammetric images were evaluated. Finally, the influence of the solar elevation angle in the radiometric performance of multispectral photogrammetry was evaluated. The Cal/Val method developed in this study utilizes field measured nadir reflectance factors of the reference targets to match the reflectance factors measured at a laboratory in an exact imaging geometry to the current weather conditions. When evaluating the radiometric correction methods, a reflectance accuracy level of 5 % was achievable with all of the evaluated methods when using well-defined isotropic reference targets. For other targets, reflectance accuracies of between 5 and 20 % were possible. The results showed that a low solar elevation of 25° did not cause the general performance of the photogrammetric processes and 3D point cloud generation to deteriorate. The radiometric Cal/Val method presented in this study presents a step towards developing traceable processes for photogrammetric sensors. The results also confirmed the high radiometric quality of photogrammetric sensors and proved the suitability of the photogrammetric imagery for radiometric correction. This makes possible the rigorous radiometric processing of photogrammetric images and improves the quality and accuracy of automatic image interpretation and classification tasks.

Kaukokartoitusdataa kerätään päivittäin suuria määriä ympäri maailmaa satelliiteista, miehitetyistä ja miehittämättömistä lentokoneista sekä maasta käsin. Fotogrammetrinen ilmakuvaus on erinomainen tapa kerätä tarkkoja kuvia haluttuna ajankohtana suuriltakin alueilta. Ilmakuvia käytetään yhä enemmän automaattisissa ja kvantitatiivisissa sovelluksissa kuten maan pinnan luokittelussa ja ympäristön seurannassa. Laadukkaiden geometristen ominaisuuksien lisäksi olennaista fotogrammetrisissa sensoreissa on niiden radiometriset ominaisuudet. Koska kohteet heijastavat auringon säteilyä yksilöllisesti aallonpituudesta ja havaintogeometriasta riippuen, voidaan radiometrisiä ominaisuuksia hyödyntää kohteiden tunnistamisessa ja muutosten seurannassa. Kvantitatiivisen radiometrian perusvaatimus on radiometrialtaan absoluuttisesti kalibroitu sensori. Radiometrisen kalibroinnin avulla sensorin tallentamat sävyarvot voidaan muuntaa fysikaalisiksi suureiksi. Kalibroidun sensorin kuvilla näkyvät ilmakehän aiheuttamat häiriöt voidaan korjata ja kuvat muuntaa vastaamaan maanpinnan heijastusta radiometrisillä korjausmenetelmillä. Radiometrinen korjaus on välttämätöntä, kun halutaan käyttää eri ajankohtina ja eri sensoreilla kerättyjä kuva-aineistoja kvantitatiivisessa analyysissä. Tämän työn tarkoituksena oli ensinnäkin kehittää menetelmä fotogrammetristen sensorien epäsuoraan radiometriseen kalibrointiin ja arviointiin (Cal/Val) testikentällä. Toiseksi tutkittiin kolmen eri radiometrisen korjausmenetelmän soveltuvuutta fotogrammetrisille ilmakuville. Kolmanneksi tutkittiin auringon korkeuskulman vaikutusta ilmakuvien radiometriaan ja siten fotogrammetristen prosessien suorituskykyyn. Kehitetty radiometrinen Cal/Val menetelmä hyödyntää laboratoriossa tarkassa havaintogeometriassa tehtyjä heijastusmittauksia, jotka muunnetaan vastaamaan kuvausaikaisia sääolosuhteita maastossa tehtyjen referenssikohteiden nadiiriheijastusmittauksilla. Työssä tutkituilla radiometrisen korjauksen menetelmillä pystyttiin saavuttamaan 5 % heijastustarkkuus, kun käytettiin tarkkoja referenssikohteita. Muita kohteita käyttäen oli mahdollista saavuttaa 5-20 % heijastustarkkuus. Tulokset osoittivat myös, että 25° auringonkulma ei vaikuttanut fotogrammetristen prosessien suorituskykyyn eikä kolmiulotteisten pistepilvien luomiseen. Tässä työssä esitetty radiometrinen Cal/Val menetelmä on askel kohti fotogrammetrisen sensorien jäljitettävää kuvienkäsittelyketjua. Tulokset vahvistivat sensorien hyvät radiometriset ominaisuudet sekä todistivat niiden kuvien soveltuvan radiometriseen korjaukseen. Tämä mahdollistaa ilmakuvien radiometrian kvantitatiivisen käsittelyn sekä lisää automaattisten kuvantulkintamenetelmien tarkkuutta.