177 - comparative assessment of atmospheric correction

Avaliação comparativa de correção atmosférica de imagens Landsat utilizando
MODTRAN e Dark Object Subtraction
Daniel Gomes 1
Luiz Eduardo Vicente 1
Stella Carvalho 2
Daniel Victoria 1
Ricardo Guimarães Andrade 1
Maurício Lopes Agnese 3
Ramon Felipe Bicudo da Silva 3
1
Embrapa Monitoramento por Satélite
Av. Soldado Passarinho, 303 13070-115 Campinas, Brasil
{danielgomes, vicente, daniel, ricardo}@cnpm.embrapa.br
2
Pontífica Universidade Católica de Campinas
Rodovia Dom Pedro I, km 136 13086-900 Campinas, Brasil
[email protected]
3
Universidade Estadual de Campinas
Cidade Universitária Zeferino Vaz 13083-970 Campinas, Brasil
{mauricio, ramon}@cnpm.embrapa.br
Abstract. Remote sensing by spectral imaging of the Earth's surface can be widely used, but only when the
atmospheric influence is nullified and the data are reduced to surface reflectance units. The atmospheric
correction referred to here is an atmospheric "compensation" or "characterization" in which algorithms are used
in remote sensing applications for hyper and multispectral images to correct atmospheric propagation effects in
measurements taken by airborne and orbital systems. The remission of atmospheric effects guarantees the
identification of biophysical properties of the targets and their isonomic relationship with spectroradiometric
databases, thus enabling the application of sophisticated classification methods such as linear Spectral Mixture
Analysis models (SMA) and Spectral Indexes. Based on this premise, the objective of this article is to compare
the atmospheric correction used in the MODTRAN model with that used in the Dark Object Subtraction (DOS1)
and Improved Dark Object Subtraction (DOS2) models in order to verify which approach shows better
correspondence with reference spectral libraries. We used spectral data on tropical crops obtained using the
spectroradiometer. Due to the difficulty in obtaining data on atmospheric conditions, especially for tropical
regions, and the difficulty in accessing the most reliable correction procedures, corrections are sometimes
disregarded or even based on extremely simple methods which may produce radiance and reflectance estimation
errors even greater than those of the original images. MODTRAN presented the most consistent results,
especially with regard to season variation and the presence of haze (low contrast) in some images due to the high
aerosol concentration. Methods DOS1 and DOS2, in spite of their good performance in band 5 (1.55 – 1.75 m),
have not been effective in the suppression of effects related to atmospheric absorption.
Palavras-chave: Atmospheric correction, MODTRAN, Dark Object Subtraction (DOS1), Improved Dark
Object Subtraction (DOS2), Correção atmosférica, MODTRAN, Subtração de Objeto Escuro (DOS1), Subtração
de Objeto Escuro Melhorada (DOS2).
1. Introdução
Os principais efeitos observados nas imagens de satélite, devido à presença da atmosfera
entre o sensor e a superfície terrestre, são a diminuição da faixa de valores digitais possíveis
registrados pelo sensor, diminuição do contraste entre superfícies adjacentes e alteração do
brilho de cada ponto da imagem. Os gases, principalmente vapor d’água, oxigênio, ozônio e
dióxido de carbono e, os aerossóis (pequenas partículas em suspensão) refletem , refratam,
absorvem e espalham a radiação desde quando ela atinge a atmosfera até quando a deixa,
depois de refletida pelo solo (Zullo Jr., 1994).
A supressão dos efeitos da atmosfera garante a identificação de propriedades biofísicas
dos alvos e sua relação isonômica entre bases de dados espectrorradiométricos, possibilitando
a aplicação de métodos de classificação sofisticados como Modelos Lineares de Mistura
Espectral (MLME) e índices espectrais (Vicente, 2007). Existem diversos métodos para
correção do espalhamento atmosférico na literatura os quais podem ser aplicados tanto para
imagens de satélite multiespectrais quanto hiperespectrais, sendo possível dividi-los em
métodos alternativos e métodos físicos. Os métodos alternativos não dependem de parâmetros
atmosféricos ou de dados da superfície, e sim das informações da própria imagem, utilizando
números digitais (DN’s – do inglês digital numbers) que são características inerentes dos
pixels e representam feições específicas para determinar a contribuição da atmosfera em cada
banda espectral (Lu, et al., 2002). Porém, uma de suas limitações consiste na exigência de
alvos específicos nas imagens analisadas, tais como, corpos d’água que absorvem a maior
parte da radiação incidente no mesmo (Chavez Junior, 1988).
Nos métodos físicos, é crucial o conhecimento das propriedades óticas da atmosfera bem
como do processo de interação da radiação com a atmosfera e com a superfície. Dentre os
códigos de transferência radiativa atmosférica os mais difundidos são: 5S (Simulation of the
Satellite Signal in the Solar Spectrum), 6S (Second Simulation of the Satellite Signal in the
Solar Spectrum), LOWTRAN e MODTRAN (Moderate Resolution Atmospheric Radiance
and Transmittance) (Latorre et al., 2002).
Para garantir a eficiência de uma correção atmosférica por métodos físicos, como o
MODTRAN, são necessários parâmetros que forneçam dados reais das condições
atmosféricas do dia em que a imagem de satélite foi capturada. Esses parâmetros
correspondem aos dados de coordenadas geográficas, altitude, coluna de vapor d’água,
profundidade óptica das nuvens, aerossol, quantidade de CO2 na atmosfera, data da passagem
do satélite e horário de voo.
A dificuldade de obtenção dos dados de condição atmosférica, principalmente para
regiões tropicais, e a dificuldade em acessar os procedimentos mais confiáveis de correção faz
com que ela seja muitas vezes desconsiderada, ou se baseie em métodos muito simplificados
que podem produzir erros de estimativa da radiância e da reflectância até superiores ao das
imagens originais.
A despeito de relevantes trabalhos comparativos sobre as virtudes e limitações dos
métodos de correção atmosférica de imagens de satélite (Sanches et al., 2011; Couto Junior et
al., 2011; Souza et al., 2011), a escassez de medidas espectrorradiométricas de campo tem
limitado análises quantitativas mais efetivas em condições tropicais. Assim, o presente
trabalho visa avaliar a eficiência dos métodos de correção atmosférica DOS em relação ao
modelo MODTRAN quanto à aplicação no mapeamento de alvos agrícolas, utilizando dados
espectrorradiométricos de referência, comparativamente com dados espectrais Landsat TM 5.
2. Materiais e Métodos
3.1 Bases de dados
Para o desenvolvimento do trabalho comparativo foi utilizada uma imagem do satélite
Landsat 5 sensor TM com resolução espacial de 30 metros, de órbita e ponto 225-74. As
coordenadas centrais são 19° 38’ 13” S e 55° 23’ 51” W e a imagem foi obtida pelo sensor na
data de 25/01/2011. Foi utilizada uma conformação de 6 bandas, cobrindo as regiões
espectrais do visível ao infravermelho de ondas curtas (0,45 a 2,35 µm) a qual foi
georreferenciada na projeção UTM, Zona 21 Sul e datum WGS-84.
A área de estudo corresponde à Fazenda Granja Minuano, localizada a cerca de 27 km da
capital Campo Grande, no município de Jaraguari, Mato Grosso do Sul (Fig. 1). De acordo
com o Censo Agropecuário, Jaraguari apresenta 3.408 hectares de lavouras temporárias, 1.654
hectares de lavouras permanentes, 1.168 hectares de forrageiras para corte e 173.763 hectares
de pastagens (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, 2012). O clima da região é o
Tropical Brasil Central Subquente Úmido, caracterizado por média de temperatura entre 15° e
18°C em pelo menos um mês, com ocorrência de uma estação seca, que dura de um a dois
meses (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, 2002).
Em 21/01/2012 foram colhidas amostras de folhas de soja no interior e nos arredores da
fazenda. A reflectância destas folhas foi medida com um espectrorradiômetro de campo, que
cobre a região espectral entre 0,35 e 2,5 µm, com uma medição a cada 0,05 µm do espectro
eletromagnético. Para cada ponto amostrado foram medidas entre cinco e dez amostras, a
partir das quais foram calculados espectros médios que compuseram as bibliotecas espectrais
de referência. A diferença entre as datas de medição dos dados de campo e de aquisição da
imagem orbital se deve ao desativamento do satélite Landsat 5 em novembro de 2011 e à
presença de nuvens em imagens semelhantes às deste satélite no mês de janeiro de 2012. De
toda forma, a imagem foi obtida pelo sensor num período do ciclo do cultivo da soja
semelhante ao das medições de campo. As condições atmosféricas nas duas datas também
foram bastante semelhantes nas duas datas, como pode ser comprovado pelos dados
estimados por meio do sensor MODIS a bordo do satélite Terra.
2.2 Comparação entre métodos de correção atmosférica
Três métodos de correção atmosférica foram avaliados: (i) Dark Object Subtraction –
DOS1 e sua atualização (ii) Improved Dark Object Subtraction – IDOS ou DOS2 (Chavez
Junior, 1988; 1996); e (iii) Moderate Resolution Atmospheric Radiance and Transmittance –
MODTRAN (Berk et al., 1998). A sequência de processamento foi realizada de acordo com o
fluxograma proposto na Figura 2.
2.2.1
DOS1 e DOS2
O método DOS1 foi aplicado no módulo Model Builder do software ERDAS Imagine, a
partir da planilha eletrônica de Gurtler et al. (2005). Para executar a correção atmosférica,
foram utilizados os seguintes parâmetros: (i) valores de números digitais e frequência da
banda de referência escolhida (banda 1, nos comprimentos de onda 0,45 a 0,52 µm), (ii) nome
do sensor, (iii) data da imagem e (iv) ângulo de elevação solar. Para o cálculo do
espalhamento atmosférico, foram adotados os valores de irradiância (I0) e de radiâncias
mínima e máxima do sensor (Lmin e Lmax) estipulados por Chander et al. (2009). A correção
atmosférica do método DOS1 é realizada de acordo com a Equação 1 (Gurtler et al., 2005;
Chavez Junior, 1988):
(1)
Em que é uma medida estimada a partir da distância terra-sol, do ângulo de elevação
solar e do cosseno do ângulo zenital solar, ND são os números digitais da imagem a ser
corrigida e
é o espalhamento atmosférico calculado para o sensor. Para o método
DOS2, j também inclui a transmitância da atmosfera (τλ), que é estimada a partir do cosseno
do ângulo zenital solar (Chavez Junior, 1996).
Figura 1. Localização da área de estudo, com imagem do satélite Landsat 5 sensor TM,
órbita-ponto 225-74, de 25/01/2011. Composição colorida RGB nas bandas 3 (vermelho), 2
(verde) e 1 (azul).
Figura 2. Etapas metodológicas adotadas para comparar a correção atmosférica dos métodos
DOS1, DOS2 e MODTRAN em imagens TM.
2.2.2
MODTRAN
O modelo MODTRAN foi implementado no aplicativo Fast Line-of-sight Atmospheric
Analysis of Spectral Hypercubes (FLAASH) do programa Envi. Neste modelo, a correção dos
efeitos atmosféricos é realizada de acordo com a Equação 2:
(2)
Onde é a radiância no sensor, é a reflectância de superfície do pixel, é a média da
reflectância de superfície do pixel e da região vizinha, é o albedo esférico da atmosfera,
é a radiância retroespalhada na atmosfera e
e
são parâmetros que dependem das
condições da atmosfera e da geometria de iluminação (Cooley et al., 2002; Adler-Golden et
al., 1999; Anderson et al., 1999). O MODTRAN é capaz de estimar os valores de , , e
para uma dada condição atmosférica e assim determinar a radiância da superfície e em
seguida, a reflectância. As estimativas do modelo são baseadas em informações atmosféricas
observadas no momento de aquisição da imagem. Neste trabalho, foram utilizados dados
gerados a partir do sensor Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), a
bordo do satélite Terra, que possui horário de passagem próximo ao do Landsat, além de
constituir em fonte isonômica de dados análogos ao TM5, visto que também opera em
plataforma orbital. A condição atmosférica é estimada a partir dos dados do expoente de
Ångström (α), profundidade ótica do aerossol (τ) e coluna total de água, obtidos
especificamente para cada imagem corrigida, de acordo com o local, data e horário de
passagem, através do portal Giovanni pelo site da NASA.
Para garantir a eficiência do resultado, foram inseridas informações sobre a quantidade de
CO2 na atmosfera. Esta informação foi obtida pelo sensor Atmospheric Infrared Sounder
(AIRS), a bordo do satélite Aqua e disponiblizada pelo portal GSFC no site da NASA.
3.3. Comparação com biblioteca espectral de referência
Após a aplicação dos dois métodos de correção atmosférica, a reflectância das bibliotecas
espectrais de referência foi reamostrada para a resolução espectral das imagens do sensor TM
do Landsat 5. Em seguida, as reflectâncias da imagem nos pontos de coleta de amostra foram
comparadas à reflectância da biblioteca espectral, por meio do coeficiente de determinação
(R²), que aferiu banda por banda quais métodos de correção atmosférica estimaram melhor os
valores de reflectância.
3. Resultados
As Figuras 3 a 6 mostram que a correção atmosférica efetuada pelo MODTRAN
apresentou os melhores valores de R² para as bandas da faixa espectral visível e do
infravermelho próximo (Bandas 1 a 4; 0,45 – 0,90 µm). Este resultado pode ser explicado
pelo fato de que o método MODTRAN corrige melhor os efeitos atmosféricos de absorção,
que são mais fortes nos comprimentos de onda curtos. Já nas bandas do infravermelho de
ondas curtas (Fig. 7 e 8), os valores de R² dos métodos DOS1 e DOS2 apresentaram valores
mais altos na banda 5 (1,55 – 1,75 µm) e resultados idênticos aos do MODTRAN na banda 7
(2,08 – 2,35 µm). Cabe ressaltar que para todas as bandas, os valores de R² dos métodos
DOS1 e DOS2 foram exatamente os mesmos.
Os baixos valores de R² podem ser atribuídos à diferença de datas entre a imagem
corrigida e os dados de campo. Apesar da semelhança das condições atmosféricas entre as
datas de aquisição da imagem pelo sensor e de coleta de dados em campo, a coleta de dados
de referência em um ano agrícola posterior ao da imagem utilizada atrapalhou a análise. Isto
porque, mesmo que a imagem tenha sido obtida aproximadamente no mesmo período do ciclo
de cultivo da soja, qualquer diferença na maturação das plantas geram dados de reflectância
diferentes para as datas estudadas.
Figura 3. Comparação entre os valores de reflectância da banda 1 (0,45 – 0,52 µm) medida
em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos métodos: a) MODTRAN, b)
DOS1 e c) DOS2.
Figura 4. Comparação entre os valores de reflectância da banda 2 (0,52 – 0,60 µm) medida
em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos métodos: a) MODTRAN, b)
DOS1 e c) DOS2.
Figura 5. Comparação entre os valores de reflectância da banda 3 (0,63 – 0,69 µm) medida
em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos métodos: a) MODTRAN, b)
DOS1 e c) DOS2.
Figura 6. Comparação entre os valores de reflectância da banda 4 (0,76 – 0,90 µm) medida
em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos métodos: a) MODTRAN, b)
DOS1 e c) DOS2.
Figura 7. Comparação entre os valores de reflectância da banda 5 (1,55 – 1,75 µm) medida
em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos métodos: a) MODTRAN, b)
DOS1 e c) DOS2.
Figura 8. Comparação entre os valores de reflectância da banda 7 (2,08 – 2,35 µm) medida
em campo e estimada pela imagem TM Landsat 5 corrigida pelos métodos: a) MODTRAN, b)
DOS1 e c) DOS2.
4. Conclusões




Para as bandas do visível e infravermelho próximo, o MODTRAN apresentou
melhores valores de R² quando comparados aos dados da biblioteca espectral de
referência;
Para as bandas do infravermelho de ondas curtas, o DOS1 e o DOS2 apresentou
melhores resultados na banda 5 e resultados iguais aos do MODTRAN na banda 7;
A análise foi influenciada pela diferença entre a data de aquisição da imagem pelo
sensor e a data de aquisição de dados em campo;
Apesar da diferença entre as datas da aquisição da imagem e da coleta do campo, os
resultados do MODTRAN apresentaram valores de reflectância com correção
atmosférica mais apurada, por corrigir melhor os efeitos de absorção atmosférica.
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