المعايرة الراديومترية والتصحيحات الجوية لصور الأقمار الصناعية

في     هذا الدرس  سأقوم بتقديم  موجز نظري عن عن   التصحيحات الجوية والمعايرة   لصور بعض

الأقمار الصناعية وساقوم    بعمل المعايرة بشكل يدوي باستخدام حاسبة   الصور في أي برنامج ( ENVI,Qgis,arcmap)

لفهم    الطريقة التي   تستخدمها البرمجيات لمعايرة الصور .

ومن ثم حساب المؤشر  NDVI

(Band NIR-  BAND red)/ (Band NIR+  BAND red)

 للبيانات  قبل المعايرة والتصحيحات الجوية  DN

للبيانات   بعد حساب الانعكاس أعلى الغلاف الجوي  TOA

للبيانات   التي تمثل الانعكاس  على سطح الأرض BOA

ومقارنة النتائج مع بعضها   البعض لإظهار دور التصحيحات والمعايرة في  الحصول على نتائج دقيقة

توضيح  بعض المفاهيم

المعايرة الراديومترية    والتصحيحات الجوية : عمليات   تفيد في تحسن جودة البيانات و تحسن امكانية تفسير الصور  من خلال معايرة قيم البيكسل للحصول قيم انعكاس تمثل القيمة الحقيقة  للبيكسل علي سطح الأرض حيث تكون القيمة المسجلة في حساسات القمر الصناعي (DN) والطائرات   مختلفة عن القيمة الحقيقة المنبعثة من سطح الأرض (BOA)

Digital Number -DN

وهي  البيانات الخام  التي تمثل الطاقة التي  يتم ملاحظتها وقياسها على الحساس مباشرة وعلى الرغم  من أن DN ترتبط بقيم الانعكاس السطحي إلا أنها ليست متماثلة ويجب    معايرة هذه البيانات للحصول على قيمradiance (الإشعاعية ) او الانعكاس على قمة الغلاف الجوي   reflectance top of Atmosphere ومن ثم إجراء التصحيحات الجوية للحصول على قيم الانعكاس الحقيقة علي سطح الارض  TOP من البيانات الخام المكتسبة مباشرة من قبل الحساس حيث لا نستطيع استخدامها مباشرة لحساب المؤشرات وإجراء التحليلات والمقارنة حيث سنحصل على قيم  خاطئة وكذلك الصورة بدون معايرة تكون باهتة وصعبة التفسير,وتتم المعايرة للحصول على radiance أوreflectance of top Atmosphere           بتطبيق بعض المعادلات باستخدام البيانات Metadata لبيانات القمر الصناعي الموجودة ضمن الملف MTL file

مثال   عن هذه البيانات   بيانات القمر لاندسات  landsat -level-1 من المرحلة الاولي   

TOA Radiance and TOA reflectance

حيث   يتم التحويل من نمط البيانات الخام  DN إلى الانعكاس اعلا الغلاف الجوي TOA  او الاشعاعية أعلى الغلاف الجوي radiance  حسب ماتقضي الحاجة وسيتم التحويل حسب المعادلات  التي سيتم شرحها أدناه وهي الطريقة التي تتبعها البرامج   في معايرة البيانات

Conversion   from DN to TOA Radiance

حيث  نحصل علي  قيم الإشعاعية أو ( الراديان)  هي كمية الطاقة الضوئية الصادرة في الثانية من 1 سم2 من سطح مصدر التي تنتقل في اتجاه معين ، بشكل عمودي على سطح المصدر في اتجاه الانتقال.

واحدة الإشعاعية في النظام الدولي للوحدات هي واط لكل متر مربع لكل ستراديان (W·sr−1·m−2

الستراديان :هي وحدة  قياس الزاوية المجسمة  في نظام الوحدات الدولي. وتستخدم لوصف زاوية ثنائية البعد تدور في الفضاء الثلاثي الأبعاد (فهي تمثل جزء من سطح كرة )، وهي تعميم للراديان في الفضاء الثلاثي الأبعاد.

  نقوم بتطبيق المعادلة التالية

= MLQcal + AL

Lλ     

    قيم الاشعاعية  radince

 مدخلات   المعالدلة  

AL   

       (RADIANCE_ADD_BAND_x (رقم  الباند )

ML       

  (RADIANCE_MULT_BAND__(رقم  الباند )

Qcal     

  pixel values -DN  البيانات الخام المسجلة على الحساس

القيم السابقة   التي تستخدم لحساب   الإشعاعية أعلى الغلاف الجوي  نحصل عليها من الملف MTL المرفق مع بيانات القمر الصناعي اثناء التحميل

Conversion from DN  to TOA Reflectance

للحصول  على قيمة الانعكاس في  أعلى الغلاف الجوي يجب  تطبيق المعادلة التالية  ولدينا الصيغتين التاليتين حيث  يتم استخدام احيانا زاوية ارتفاع  الشمس  أو الزاوية   المحصورة بين  الشمال و الشعاع الواصل بين الشمس  و الموقع

قيم المعادلة    يتم الحصول عليها  من MTL file المرفق   البيانات اثناء التحميل

= (MLQcal + AL)/ sin (θSE ) or = (MLQcal + AL)/ cos (θSZ )

 مدخلات   المعالدلة  

AL   

 (RADIANCE_ADD_BAND_x (رقم  الباند )

ML       

(RADIANCE_MULT_BAND__(رقم  الباند )

Qcal     

  pixel values (DN)  البيانات الخام المسجلة على الحساس

θSE

زاوية ارتفاع الشمس

θSz

الزاوية    المحصورة بين اتجاه الشمال    و الشعاع الواصل بين الشمس والموقع

قيم المعادلة    يتم الحصول عليها  من MTL file المرفق  مع البيانات اثناء التحميل

surface reflectance BOA

 

 Conversion from TOA Reflectance to surface reflectance

بعد حساب  قيم الانعكاس  اعلا الغلاف الجوي  TOA  تنتهي مرحلة المعايرة ,وتبدأ مرحلة التصحيحات الجوية   للحصول على قيم الانعكاس على سطح الأرض BOA .   وهذا يتطلب معرفة   الظروف الجوية للموقع .  وزمن التقاط الصورة وغيرها   من المعلومات

Atmospheric Correction Models

حيث   يتم استخدام نموذج الغلاف الجوي    لمعرفة اثر الانتثار والتشتت والامتصاص ضمن الغلاف الجوي ويتم  حسابه بمعرفة عدد من المعاملات الجوية مثل محتوى الرطوبة ( بخار الماء ضمن الغلاف الجوي  ) وكذلك نسبة الجزيئات المعلقة في الهواء ويمكن الحصول على هذه القيم من الاعمال الحقلية او من بيانات الاقمار المناخية .

Dark Object Subtraction Method

تستخدم  هذه الطريقة   عندما لاتكون هناك    بيانات متاحة عن الظروف الجوية   للموقع و خصائص الهباب الجوي ( الجزيئات   العالقة في الهواء ) وتعتمد هذه الطريقة علي فرض  ان بعض بيكسلات الصورة تكون سوداء تماما ولكن لها    قيمة علي علي الحساس ( DN ) حيث لا تكون قيمتها صفر  بسبب الانتشار والتشتت في الغلاف الجوي ووصول اشعة من البيكسلات المجاورة لذلك    يتم طرح هذه القيمة بعد حسابها من جميع بيكسلات الصورا . أن دقة هذه الطريقة اقل من دقة الطرق الاخرى  ولكنها مفيدة عندما لا تتوفر قياسات الغلاف الجو

بعض  البرمجيات التي   تساعد في إجراء التصحيحات الجوية للبيانات

برنامج السناب من خلال الإضافة sen2core    يقوم بتصحيح بيانات القمر سينتينيل 2 من المستوى الأول level 1-C وفي الرابط التالي  شرح لطريقة التنصيب وطريقة إجراء التصحيحات الجوية علي بيانات القمر سينتينيل 2  

او من خلال الخوارزمية Quick atmospheric  correction في برنامج الاينفي

من  خلال الإضافة   sime classification   لبرنامج ال Qgis بتطبيق الخوارزميةDOS1

حيث سيتم شرحها في المثال  العملي التالي

 

فكرة   المشروع

سيتم حساب   قيم المؤشر NDVI    على بيانات لم تخضع لعملية المعايرة والتصحيحات    ومن ثم علي بيانات تم معايرتها وتحويلها إلى انعكاس أعلى الغلاف الجوي  TOA ومن ثم حساب قيمة المؤشر بعد معايرة البيانات وتصحيحها BOA
لمعرفة   كيف تؤثر  المعايرة والتصحيحات على  النتائج

 في ال 31من شهر   مايو 2003 تعرض مصحح    خط المسح Scan Line Corrector -SLC

 في  القمر الصناعي  لاندسات 7 للتلف .ومصحح   خط المسح هو جهاز يضمن أن الخطوط المسجلة  على طول خط الطيران تكون متاخمة وموازية  لبعضها البعض. لذلك تحتوي بيانات هذه القمر بعد  التاريخ السابق علي فجوات ولكن البيانات صحيحة من الناحية الهندسة   والاشعاعية .وسنقوم بهذا الدرس بمعالجة بيانات القمر لاندسات سبعة  الملتقطة في عام 2004 لمنطقة بالقرب من مدينة السويداء السورية حيث تحتوي الصورة على فجوات

اولا وسنقوم بمعالجة الصورة بإزالة هذه الفجوات باستخدام     برنامج الأنفي
ثانيا    معايرة هذه البيانات   تحويلها الي إشعاعية radaince  وانعكاس TOA أعلى الغلاف الجوي  بشكل يدوي باستخدام المعادلات المشروحة   سابقا

ثالثا وحساب الانعكاس على سطح الارض BOA   مباشرة من قيم الحساس DN

باستخدام  الخوارزمية DOS1       المستخدمة في برنامج Qgis عن طريق   الايضافة

semi  classification

تحميل البيانات وتصحيح الفجوات

نقوم   بتحميل البيانات   بيانات القمر الصناعي landsat 7

LE07_L1TP_173037_20040914_20170119_01_T

نلاحظ  عند فتح  الصورة تظهر  خطوط قطرية   متقطعة تكون عبارة عن فجوات  يتم تصحيحها عن طريق برنامج الاينفي.


وسيتم    تصحيحها بنسخ  الاضافة landsat gap fill التي قد  لا تكون ضمن صندوق ادوات البرنامج  

لذلك يجب إضافتها   انظر هنا

نحدد   الباند التي يتم تصحيحها     وفي مثالنا سنقوم بتصحيح الباند رقم 4   والباند رقم 3

 ملاحظة :  تستطيع تصحيح   كل الصورة دون الحاجة إلى  تصحيح كل باند علي حدا

بعد   اجراء التصحيح     نلاحظ اختفاء الفجوات


ونعيد       الخطوة   السابقة للحزمة    الثالثة    ايضا

ثم  نقوم بحساب   قيمة المؤشر NDVI   من الحزمتين
ملاحظة باستخدام   البيانات DN ستكون   النتائج غير صحيحة للمؤشرات  


حساب الانعكاس أعلى الغلاف الجوي TOA من نمط بيانات الحساسDN

نقوم   بالتحويل إلى  انعكاس    أعلى الغلاف الجوي   باستخدام برنامج ال Qgis

باستخدام   المعادلة المشروحة سابقا     باستخدام حاسبة الصورة

   بتطبيق المعادلة التالية :

Lλ = (MLQcal + AL)/ sin SE )

نقوم بفتح الملف  MTL    الذي يحتوي علي الميتاداتا

 حيث    نلاحظ ان الملف  يحتوي على زاوية ارتفاع الشمس والمسافة بين الأرض  والشمس وغيرها من المعلومات كما توضح الصور التالية

وكذلك القيم الاخرى التي تعوض في المعادلة السابقة

ونقوم     بتعويض هذه   القيم في  المعادلة السابقة  مع الانتباه الي ان زاوية ارتفاع الشمس تحسب  بالراديان

نعيد الخطوات نفسها للباند الاخرى    

بعد الحصول على  جميع الباندات بصيغة انعكاس أعلى الغلاف الجوي   نقوم بحساب قيمة المؤشرNDVI

ملاحظة

ونستطيع   الحصول على  الانعكاس والاشعاعية  أعلى الغلاف مباشرة دون   الحاجة لتطبيق المعادلات السابقة
 باستخدام بعض البرمجيات كالاينفي

نلاحظ   الفرق بين  قيم NDVI  المحسوب من البيانات  الخام ND وقيمة NDVI     المحسوبة من تحويل البيانات إلى   انعكاس أعلى الغلاف الجوي TOA

نلاحظ   ان الفرق كبير   حيث يصل إلى الضعف  أحيانا كما تظهر الصورة التالية  حيث يظهر المؤشر بدون معايرة البيانات     قيمة منخفضة 0.2 تدل على غطاء نباتي فقير  بينما تعطي قيمة الموشر بعد معايرة البيانات   القيمة 0.41 التي تدل على وجود غطاء نباتي

تصحيح البيانات باستخدام الخوارزمية DOS1 للحصول علي الانعكاس علي سطح الارض BOA

الان سأستعرض طريقة   ضمن الاضافة semi classification   تقوم بتصحيح البيانات مباشرة من DN الحصول  على انعكاس  على سطح الأرض:

حيث   يتم حساب     الانعكاس على سطح الارض   بالمعادلة التالية

ρ=[π∗(Lλ−Lp)∗d2]/(ESUNλ∗cosθs)

حيث   يدخل في هذه المعادلة المسافة  بين الارض والشمس ومسار الاشعة عبر الغلاف الجوي  والقيمة

ESUNλ   التي تعطي بجداول  خاصة وهناك   عدة خوارزميات   من   DOS      والطريقة المتبعة بالبرنامج هية  Dos1   التي    لها شروط بارومترات خاصة نعوضها  بالمعادلة العامة للحصول  في المعادلة أعلاه.

  لمزيد من المعلومات راجع الرابط   التالي

نقوم    بفتح برنامج ال Qgis    ومن الاضافة   semi classification   نقوم    باضافة الحزم  وكذلك اضافة الملف MTL    كما تظهر الصورة  التالية

    ونلاحظ    أيضا بأن القيم السابقة يتم   استيرادها من الملف MTL   وتملأ  الجداول   بشكل اوتماتيكي

كذلك  ان خانة  زاوية ارتفاع الشمس  و المسافة بين الأرض والشمس  قد امتلأت ايضا بشكل اوتوماتيكي .

 بعد   انتهاء التعديل  نلاحظ ان البرنامج    يقوم بتغيير   اسم    البيانات   ساستعرض    مثلا   القناة   السادسة 
حيث  يتم   ايضافة   الاحقة RT_

RT_LE07_L1TP_173037_20040914_20170119_01_T1_B6_VCID_1

   ومن البيانات   المعدلة     ساقوم  بحساب   الموشر    NDVI   من البيانات   التي   تكون  عبارة عن انعكاس  حقيقي   من علي  سطح الارض  

وبحسب الموشر NDVI من البيانات المعدلة

بمقارنة  النتائج نلاحظ  ان قيمة المؤشر   المحسوبة من البيانات الماخوذة من  الحساس    مباشر digital  numbers تعطي نتائج     خاطئة بينما استخدام بيانات الانعكاس أعلى الغلاف الجوي TOA وبيانات   الانعكاس على سطح الأرض BOA تعطي نتائج لحد ما متقاربة .لذلك عند القيام بأي  مشروع استشعار يجب فحص البيانات المستخدمة ومعرفة اي مستوى تكون البيانات المتاحة    وهل تحتاج الى  عملية تعديل ومعياره   وبشكل خاص عند استخدام سلاسل  زمنية من الصور

ملاحظة

تستطيع   تحميل صور القمر  سينتينيل 2 من المستوى الثاني  مباشرة level-2/A ولكن هذه الصور
متوفرة   بداء من 2 أيار 2017 وتكون من النمط BOA

كاتب المقال:Martin Ealya

6 comments

اترك رد

إملأ الحقول أدناه بالمعلومات المناسبة أو إضغط على إحدى الأيقونات لتسجيل الدخول:

شعار وردبرس.كوم

أنت تعلق بإستخدام حساب WordPress.com. تسجيل خروج   /  تغيير )

Google photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Google. تسجيل خروج   /  تغيير )

صورة تويتر

أنت تعلق بإستخدام حساب Twitter. تسجيل خروج   /  تغيير )

Facebook photo

أنت تعلق بإستخدام حساب Facebook. تسجيل خروج   /  تغيير )

Connecting to %s