EeteS - das EnMAP End-to-End Simulationstool

Die Existenz eines End-to-End Simulationstool ist eine notwendige Voraussetzung für die Planung und Durchführung einer jeden neuen Erdbeobachtungsmission. Die Optimierung der Sensoren erfordert die Kenntnis über die Auswirkungen von instrumentellen und Umgebungsparametern auf die resultierenden Bildeigenschaften, die durch die präzise Simulation von Sensorbildern erreicht werden können. Zu diesem Zweck wurde EeteS im Rahmen des Mission Environmental Mapping and Analysis Programs (EnMAP) am Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ entwickelt. Die Software folgt dem Schema einer Vorwärts- und Rückwärtsprozessierung, die ebenso eine Sensorszenen-Simulation, Datenkalibrierung und Datenvorverarbeitung beinhaltet. Die verschiedenen Stufen der EeteS-Verarbeitungskette sind im Flussdiagramm in Abb. 1 dargestellt. Sie bestehen aus dem EnMAP-Szenensimulator und seinem Inversionsprozess, die im Folgenden kurz beschrieben werden.

A. EnMAP Szenensimulator

Der erste Teil des End-to-End-Simulationsprozesses ist die Generierung von DN-Daten durch den EnMAP-Szenensimulator. Als Input dienen Reflexionsdaten und ein digitales Höhenmodell (DEM). Diese Daten besitzen im Vergleich zum EnMAP eine sowohl spektral wie auch räumlich höhere Auflösung. Der EnMAP-Szenensimulator ist modular und flexibel aufgebaut und besteht aus vier Verarbeitungsmodulen:

1) Das atmosphärische Modul konvertiert Oberflächenreflektanzen in Top-of-Atmosphere (TOA) Strahldichtewerte unter Verwendung horizontaler Verteilungen der optischen Dicke von Aerosolen, pixelweiser Variation des Wasserdampfs und der Geländehöhe sowie der Möglichkeit, Wolken und Schatten zu simulieren.

2) Das räumliche Modul simuliert die vom Sensor erzeugte räumliche Aufzeichnung unter Verwendung eines Geometriemodells (Pointing-Charakteristika eines jeden Detektorelements) und eines optischen Sensormodells (Modulationsübertragungsfunktion (MTF) des Sensors). Das Modul ermöglicht die Simulation verschiedener räumlicher Aberrationen, die z.B. durch die Teleskopoptik, den Doppelspalt und die gekrümmten Prismen verursacht werden.

3) Das spektrale Modul führt das spektrale Resampling unter Berücksichtigung der spektralen Response-Funktionen der 242 Bildkanäle durch. Spektrale Fehler, wie z.B. spektraler Smile oder ein spektraler Shift, können ebenso simuliert werden.

4) Das radiometrische Modul transformiert die Strahlung am Sensor in Sensor-DN unter Verwendung verschiedener Parameter wie Integrationszeit, Quanteneffizienz, Rauscharten, Dunkelstrom, IR-Hintergrundsignal, den beiden Verstärkerstufen für den VNIR-Detektor, digitale Offsets und individuelles nichtlineares Verhalten eines jeden Detektorelements.

B. Sensorkalibrierung

Die volle Ausschöpfung des Potenzials zukünftiger EnMAP-Daten erfordert die Aufrechterhaltung einer hohen Datenqualität. Um diese zu gewährleisten, beinhaltet das EnMAP-System eine Reihe von Kalibriereinheiten, die eine verbesserte radiometrische und spektrale Kalibrierung ermöglichen. In der aktuellen Entwicklungsphase von EeteS sind die Focal Plane Assembly (FPA) LEDs, der Shutter und die absolute radiometrische Kalibrierung implementiert, die die Grundlage für die Transformation von DN in Strahldichtewerte mit Hilfe der L1-Prozesskette bilden:

1) Kalibrierung der Nichtlinearität des Detektors mit Hilfe von FPA-LEDs: Abweichungen von der Detektorlinearität in realen Systemen müssen charakterisiert und korrigiert werden, um Fehler in der radiometrischen Genauigkeit zu vermeiden. Die Charakterisierung der Linearität/Nichtlinearität erfolgt regelmäßig on-board von EnMAP unter Verwendung von speziellen FPA-LEDs. Während der Charakterisierung sorgen die LEDs für eine konstante Beleuchtung der Detektorarrays. Durch Variation der Detektorintegrationszeit werden bis zu 40 verschiedene Strahlungsstärken simuliert. Die Analyse der aufgezeichneten Signale erlaubt es, die Linearitätseigenschaften von EnMAP zu bestimmen und die Nichtlinearitätskorrekturtabellen bei Bedarf zu aktualisieren. Der beschriebene EnMAP-Kalibrieransatz wurde in EeteS implementiert.

2) Dunkelstromkalibrierung: Bei EnMAP wird ein Shutter verwendet, um das Dunkelsignal zu messen, indem das gesamte Licht, das in das Gerät eintritt, blockiert wird. Das gleiche Verfahren ist in EeteS implementiert, indem die Aufnahme eines absolut schwarzen Bildes simuliert wird. Das repräsentative Dunkelsignal eines jeden Detektorelements wird durch den statistischen Mittelwert der gemessenen Bildspalten bestimmt.

3) Absolute radiometrische Kalibrierung: EnMAP folgt dem klassischen Ansatz, die Sonne als bekannte Referenzquelle zu verwenden. Die Sonne beleuchtet einen Diffusor, der sich vor der Öffnung des Instruments befindet und das Sichtfeld (FOV) beleuchtet. Die präzise Simulation dieses Prozesses ist eine anspruchsvolle und zeitaufwändige Aufgabe, die viele Annahmen erfordert. Daher ist eine vereinfachte Version des realen Kalibrierungsprozesses in der aktuellen Entwicklungsphase von EeteS implementiert. Es wird davon ausgegangen, dass eine diffuse Reflexion durch den Diffusor erzeugt wird, der das FOV mit gleichmäßig beleuchtet und somit für jedes räumliche Pixel eines jeden Bildkanals vergleichbare Detektorwerte erzeugt. Die Sonnenstrahlung wird durch das neue Kurucz-Solarstrahlungsspektrum modelliert, das auch im atmosphärischen Modul verwendet wird.

C. Bildvorverarbeitung

Mit Hilfe der Kalibrierungsparameter, die von den simulierten Onboard-Kalibriermodulen stammen, werden im nächsten Schritt die vom EnMAP Szenensimulator generierten DN-Rohdaten in TOA-Strahlungsdichtewerte und anschließend in orthorektifizierte Oberflächenreflektanzdaten transformiert. Die Implementierung dieses Prozesses in EeteS besteht aus vier Hauptschritten, die in Abb. 1 dargestellt sind. Sie bestehen aus dem L1-Prozessor und dem L2-Prozessor einschließlich der räumlichen Co-Registrierung der beiden EnMAP-Spektrometer, den Modulen Atmosphärenkorrektur (L2atm) und Orthorektifikation (L2geo):

1) Von DN zu TOA-Strahldichtewerten - der L1-Prozessor: Der L1-Prozessor wandelt die L0-Daten in physikalische Strahldichtewerte am Sensor unter Verwendung der berechneten Kalibrierungsparameter um. Die Verarbeitungssequenz beginnt mit der Nichtlinearitätskorrektur, gefolgt von der Dunkelstromsubtraktion und der Multiplikation der Transformationskoeffizienten.

2) Räumliche Ko-Registrierung: Im Falle des EnMAP-Sensors führen die Projektionen der beiden Schlitze auf den Boden zu zwei getrennten Scanlinien für die Detektoren VNIR und SWIR. Die anschließende Vorverarbeitung (z.B. atmosphärische Korrektur) und Datenanalyse erfordert jedoch spektrale Informationen, die sich durch eine perfekte räumliche Übereinstimmung zwischen den beiden Wellenlängenbereichen auszeichnen. Dadurch werden die SWIR-Kanäle relativ zu den VNIR-Kanälen verschoben.

3) Von TOA-Strahldichtewerten zu Oberflächenreflektanzen - der L2atm-Prozessor: Die Oberflächenreflektanzen werden aus den TOA-Strahldichtewerten abgeleitet, wobei auch der spektrale Smile jedes Detektorelements berücksichtigt wird. Karten für die Wasserdampfverteilung und die Aerosoldichte werden automatisch aus den Daten geschätzt und anschließend in der Inversion des Strahlungstransfers verwendet.

4) Ortho-Rektifizierung - der L2geo-Prozessor: Eine parametrische Standard-Orthorektifizierung wird separat auf beide Detektorbilder angewendet, wobei die Line-of-Sight eines jeden Detektorelements und die Position des Sensors sowie ein DEM verwendet werden. Verschiedene Standard-Resampling-Methoden, wie z.B. Nearest Neighbour, Bilinear oder Cubic Convolution, stehen im L2geo-Modul zur Verfügung.

Im Ergebnis ist EeteS in der Lage, EnMAP-ähnliche Rohbildszenen (L0) und Bildprodukte (L1 und L2) unter Berücksichtigung einer Vielzahl von instrumentellen und Umgebungsbedingungen zu simulieren. Diese synthetischen EnMAP-Daten dienen als Grundlage für die Entwicklung und Validierung von Algorithmen, die für die Analyse zukünftiger EnMAP-Daten optimiert werden.

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Fernerkundung
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