MÉTODOS DE CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA EN IMÁGENES

MÉTODOS DE CORRECCIÓN ATMOSFÉRICA EN IMÁGENES

Método para la corrección atmosférica de imágenes Landsat
V. Sendra, F. Camacho, J. Sánchez, J.C. Jiménez-Muñoz, F. J. García-Haro
EOLAB, ParcCientíficUniversitat de València. Catedràtic José Beltrán, 2. 46980 Paterna (València). Spain. Tel:
963543841
Resumen: Este trabajo describe un método para la corrección atmosférica de imágenes Landsat en el rango visible, NIR
(Near Infra-Red) y SWIR (Short Wave Infra-Red). El método generavalores de reflectividad en superficie y está basado
en el modelo de transferencia radiativa de MODTRAN. Este modelo se caracteriza a partir de un perfil atmosférico y un
valor de espesor óptico de aerosoles. El método se ha validado con imágenes corregidas por NASA con el algoritmo
L8SR (Landsat 8 Surface Reflectance) y con imágenes corregidas con el método de Chávez de sustracción de puntos
oscuros. Los resultados son muy consistentes en comparación con el método de la NASA, con valores de RMSE
inferiores a 0.01 para todas las bandas y correlaciones mayores de 0.99. Asimismo los perfiles espectrales que
proporcionan ambos métodos son muy similares.
Palabras clave:Reflectividad, Aerosoles, Atmósfera, TOC, TOA
Abstract: This work describes a method for atmospheric correction of Landsat images in the visible, NIR (Near InfraRed) and SWIR (Short Wave Infra-Red) ranges to obtain surface reflectance values, based on the MODTRAN radiative
transfer model. This model is characterized with an atmospheric profile and with a value of aerosol optical depth. The
method has been validated with Landsat images corrected by NASA with the L8SR (Landsat 8 Surface reflectance)
algorithm and with images corrected with the Chávez method of dark object substraction (Chávez, 1988). The results
are very consistent compared with the NASA method,withRMSE values lower than 0.01 and correlations higher than 0.99
for all bands, obtaining also very similar spectral profiles.
Keywords: Reflectivity, Aerosols, Atmosphere, TOC, TOA
1.
INTRODUCCIÓN
La eliminación de la perturbación atmosférica
introducida en la señal captada por los sensores es uno
de los factores más influyentes a la hora de estimar con
precisión productos biofísicos de la superficie. El
proceso de conversión de la señal TOA, captada por el
sensor, a señal TOC se conoce como corrección
atmosférica. La relación entre la señal en la parte
superior de la atmósfera TOA (Top of Atmosphere), y la
señal correspondiente a lasuperficie terrestre TOC (Top
of Canopy) se puede obtener mediante modelos de
transferencia radiativa, como por ejemplo, el
MODTRAN o el 6S. En los rangos de frecuencia de este
trabajo: visible, NIR y SWIR, se debe de tener en cuenta
tanto la absorción como la dispersión de la señal a
través de la atmósfera para realizar la corrección
(Jiménez-Muñoz J.C. et al 2010).
El modelo de transferencia radiativa utilizado en este
estudio es el de MODTRAN4 (Berk et al., 1999). Este
modelo es uno de los más ampliamente usados y simula
con precisión la atmósfera, reproduciendo radiancias al
nivel del sensor con una resolución espectral de hasta 1
cm-1. Una simulación rigurosa de los efectos de
absorción y dispersión que sufre la señal en atravesar la
atmósfera, permite potencialmente calcular la
reflectividad en superficie de forma precisa, incluso en
condiciones de fuerte absorción atmosférica (Guanter et
al., 2009).
La corrección atmosférica requiere parámetros de
entrada que describan las variables atmosféricas que
afectan la señal: absorción por ozono, absorción por
vapor de agua, dispersión por aerosoles, temperatura y
presión atmosférica para diferentes capas verticales.
Para las regiones espectrales usadas en este trabajo, el
efecto de los aerosoles es el más influyente. El valor del
espesor óptico de aerosoles es altamente variable
espacial y temporalmente y consecuentemente este
parámetro de entrada es muchas veces difícil de obtener
(Tanré et al., 1992).
A partir de estos parámetros se crea el modelo de
transferencia radiativa específico para estos parámetros,
que servirá para transformar los valores de reflectividad
TOA en reflectividad TOC, que es el objetivo de este
trabajo.
2.
METODOLOGIA
El MODTRAN está controlado por un fichero de
entrada que parametriza la atmósfera. Este fichero
modela la atmósferaestratificadamentemediante un
perfil vertical (horizontalmente homogénea para cada
capa vertical). En cada una de estas capas se define un
valor de temperatura y de presión atmosférica, mientras
que la cantidad total de ozono, de vapor de agua y el
espesor óptico de aerosoles es representada por un
único valor que es una estimación de la cantidad total en
toda la columna vertical (desde la superficie terrestre
hasta el satélite en cuestión). Concretamente, el valor
del espesor óptico de aerosoles utilizado por el
MODTRAN es el valor a la longitud de onda de 550
nm.
Los datos necesarios para obtener este perfil
atmosférico se obtienen a través del producto MODIS
(Moderate-resolutionImagingSpectroradiometer)
MOD07. Este producto tiene una resolución de 5x5 km
y proporciona los siguientes parámetros atmosféricos:
cantidadtotal de ozono, cantidad total de vapor de agua
y perfiles de temperatura y humedad.
(http://modis.gsfc.nasa.gov/data/dataprod/pdf/MOD_07.
pdf)
La obtención del espesor óptico de aerosoles resulta
crítica para realizar la corrección, especialmente en los
espectros visibles, NIR y SWIR y presenta una gran
variabilidad espacial y temporal. Para este trabajo, el
valor de la profundidad óptica de los aerosolesse ha
obtenido a través de la red AERONET
(http://aeronet.gsfc.nasa.gov/), ya que las estaciones de
esta red proporcionan datos cada 15 minutos
aproximadamente y de esta manera, se pueden obtener
los datos más cercanos temporalmente a la hora en la
que se tomó la imagen Landsat-8. Concretamente se han
usado los datos de la estación situada en Burjassot,
aunos 30 km de la zona de estudio. Una vez
caracterizadoel perfil atmosférico, se define un valor de
reflectividad TOA, que el MODTRAN convierte en un
valor de reflectividad en superficie TOC a través del
modelo de transferencia radiativaespecífico creado con
todos los datos de entrada introducidos.
La siguiente figura muestra un ejemplo de la curva de
transmisividad utilizado por MODTRAN para una
atmósfera estándar de verano.
realmente se quiere calcular es la reflectividad TOC, a
partir de 2 series de valores se realiza un ajuste
polinómico
ρ_TOC=f(ρ_TOA) para obtener unos
coeficientes, que aplicados a los valores de reflectividad
TOA en cada banda, transforman estos valores en
reflectividad TOC.
La imagen utilizada en este trabajo es una imagen
Landsat-8 obtenida sobre la zona de la Albufera de
Valencia el 22 de Julio de 2014. Las bandas sobre las
que se ha realizado la corrección son las bandas 2 (Blue
450-510 nm), 3 (Green 530-590 nm), 4 (Red 640-670
nm), 5 (NIR 850-880 nm), 6 (SWIR-1 1570-1650 nm) y
7 (SWIR-2 2110-2290 nm)del sensor OLI
(OperationalLandImager), uno de los dos sensores con
los que va equipado el satélite Landsat-8.
2.1 Validación
Para realizar la validación del método se ha comparado
la imagen TOC obtenida a partir de MODTRAN
(imagen MODTRAN)con otras 2 imágenes ya corregidas
atmosféricamente con dos métodos diferentes: el
método de Chávez de sustracción de píxeles oscuros
(Chávez et al., 1988), también llamado método DOS, de
sus siglas en inglés DarkObjectSubstraction, yotra
imagen dereflectividad en superficieproporcionada por
NASA, que estácorregida atmosféricamente mediante el
algoritmo L8SR (LandSat 8 Surface Reflectance).
2.1.1 Método de sustracción de píxeles oscuros
El método de sustracción de píxeles oscuros o método
de Chávez, es un método simple de corrección
atmosférica ya que no necesita ninguna información
sobre las condiciones atmosféricas. Se asume que hay
píxeles donde la reflectividad es muy baja o nula y por
tanto, cualquier valor de reflectividad obtenido en estos
píxeles se considera que es debido a la dispersión
atmosférica. Restando este valor a cada píxel se obtiene
una corrección atmosférica sencilla ya que se está
eliminado el efecto de la dispersión.
2.1.2 Imágenes
superficie
Figura 1.Ejemplo de curva de transmisividad utilizado
por MODTRAN para una atmósfera estándar de
verano en latitudes medias.
Así pues, introduciendo una serie de valores de
reflectividad en superficie TOC se obtienen sus
respectivos valores de reflectividad TOA. Como lo que
Landsat-8 de reflectividad en
Las imágenes Landsat-8 de reflectividad en superficie
son generadas mediante el algoritmo LS8R (Landsat 8
Surface Reflectance), disponibles bajo petición en la
web del USGS (UnitedStates Geological Survey).
Este algoritmo es sensiblemente diferente del algoritmo
usado anteriormente para convertir los datos Landsat 45 y 7 a datos de reflectividad en superficie, conocido
como
LEDAPS
(EcosystemDisturbanceAdaptiveProcessingSystem,
Schmidt
et
al.,
2013)..(http://landsat.usgs.gov/documents/provisional_l
8sr_product_guide.pdf)
El algoritmo L8SR es aun provisional y los resultados
proporcionados pueden sufrir modificaciones en un
futuro.
2.2. Comparación de resultados
Para evaluar los resultados obtenidos se han comparado
los espectros obtenidos con cada método en puntos de
arroz, agua y suelo para un análisis multiespectral.
Para analizar los resultados en cada banda, se han
calculado mapas de diferencias entre las imágenes para
cada banda y se han realizado scatterplotsen una zona
de 3x3 km2de cultivo de arroz, obteniendo el error
cuadrático medio (RMSE) y la diferencia media (Bias)
entre 2 imágenes.
3.
El cuadrado rojo marca aproximadamente la zona de
estudio de 3x3 km2 de cultivo de arroz.
3.2. Comparación de espectros
La figura 2 representa 3 perfiles espectrales que se han
extraído para cada imagen para tres puntos diferentes:
uno de cultivo de arroz, otro de agua en el lago de la
albufera y otro de suelo desnudo.
RESULTADOS
3.1 Comparación entre la imagen TOC y TOA
La figura 2 muestra la imagen TOA y la imagen TOC
corregida mediante el método propuesto con una
composición a color real. Se puede apreciar una mayor
nitidez en la imagen corregida atmosféricamente.
Figura 2.Imagen TOA (arriba) e imagen TOC (abajo).
Ambas imágenes están compuestas por la combinación
RGB 4,3,2 de las bandas LandSat 8 (color real) y
linealmente escaladas de ρ=0 a ρ=0.2
Figura 2.Comparación de 3 perfiles espectrales
diferentes: arroz, suelo desnudo y el lago de la
albufera. TOC L8SR: imagen corregida mediante el
método L8SR. TOC MODTRAN: imagen corregida
mediante el método propuesto. TOC DOS: imagen
corregida mediante el método de sustracción de píxeles
oscuros.
Los espectros obtenidos mediante el método propuesto
son muy similares a los obtenidos mediante el algoritmo
L8SR. El método de Chávez proporciona valores de
reflectividad sustancialmente más bajos en las zonas de
estudio. En el perfil del agua, donde los valores son
bajos, se observa una mayor variabilidad entre los tres
métodos.
Tomando como referencia el espectro de la imagen
corregida mediante el algoritmo LS8R, se puede
concluir que el método propuesto proporciona perfiles
muy similares en superficies de arroz y suelo desnudo.
Dichos resultados mejoran sustancialmente el método
de sustracción de pixeles oscuros. En el perfil del agua
se observa una mayor variabilidad relativa de los
valores de reflectividad, especialmente en la región del
visible.
(generalmentemenores de 0.01), con la excepción de la
banda 5, donde las diferencias son mayores en las zonas
de cultivo. Esto se explica porque en la banda 5 (NIR)
las reflectividades sonaltas en la vegetación, y por tanto
los errores absolutos pueden ser mayores.
3.4. Scatterplots
Se hanrepresentado diferentesscatterplotpara cada
banda en una zona de 3x3 km centrada en el área de
cultivo de arroz, comparando de nuevo la imagen LS8R
con la imagen obtenida mediante el MODTRAN (ver
figura 4).
3.3. Mapas diferencias
En la figura 3 se representan los mapas de diferencias
entre la imagen L8SR y la imagen MODTRAN para las
bandas 5y 6.
Figura 3.Mapas diferencias entre la imagen L8SR y la
imagen MODTRAN para las bandas 5 (arriba) y
6(abajo).
En la zona de cultivos de arroz, se puede observar que
las
diferencias
son
muy
pequeñas
Figura 4.Scatter plots entre las imágenes LS8R y la
imagen MODTRAN para las bandas 4(arriba), 5
(medio), 6(abajo)
Se observan muy buenos resultados para las bandas 5 y
6, con un RMSE de 7.3% y 6.4% respectivamente y un
ligero Bias (los valores de la imagen MODTRAN son
más bajos que los de la imagen L8SR). Los resultados
en la banda 4, donde los valores de reflectividad son
muy bajos en vegetación, no son tan buenos (RMSE=
30.1%, Bias =28.6%).
4.
CONCLUSIONES
Se ha realizado la validación de un método de
corrección atmosférica basado en el modelo de
transferencia radiativa de MODTRAN para imágenes
Landsat-8.
Tomando como referencia la imagen corregida mediante
el algoritmo L8SR de la NASA,los resultados obtenidos
son muy buenos, especialmente en las zonas de
vegetación y suelo desnudo, donde se obtienen perfiles
muy parecidos entre las imágenes obtenidas por ambos
métodos. Los perfiles espectrales que se extraen del
método propuesto son bastante realistas, y oscilan entre
los obtenidos mediante el método L8SR y el método
DOS.
Cuando los valores de reflectividad son bajos (< 0.01),
se aprecian errores relativos más grandes respecto a la
imagen L8SR, ya que la dispersión atmosférica
contribuye de una manera mucho más significativa en la
radiancia total captada por el sensor que la propia
radiancia reflejada por la superficie observada. Esto
ocurre principalmente en las zonas de agua y en la
banda del azul, donde los valores de reflectividad son
muy bajos, siendo uno de los principales problemas a la
hora de realizar correcciones atmosféricas. Estos valores
bajos de reflectividad son corregidos en exceso muchas
veces, originando valores negativos, y por tanto, deben
ser enmascarados ya que esto es físicamente imposible.
A pesar de esto,
el método propuesto presenta
resultados muy parecidos al método L8SR de la NASA,
especialmente en la zona de cultivo. Por lo tanto, es un
método de gran utilidad para la corrección atmosférica,
necesaria para la obtención de parámetros biofísicos.
5.
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