Retrieval of Surface Reflectance from Hyperspectral Data Using a Look-up Table Approach

Abstract

RÉSUMÉUne procédure basée sur une table de recherche à cinq dimensions (LUT) a été élaborée pour l'extraction de la réflectance de surface à partir de données hyperspectrales aéroportées et satellitaires. Cette procédure est applicable dans la région du visible et du moyen infrarouge jusqu'à 2700 nm. Les dimensions de la table de recherche sont: la longueur d'onde; la position du pixel; le contenu en vapeur d'eau de l'atmosphère; l'épaisseur optique des aérosols; et l'altitude du terrain. Les tables de recherche sont composées de données simulées de radiance au capteur générées par les codes de transfert radiatif (RT) M5S (5S modifié), LOWTRAN7, MODTRAN2 ou MODTRAN3. Les réflectances de surface sont compilées par: convolution des données LUT avec la dimension de la longueur d'onde définie par les profils de réponse spectrale des bandes du capteur; interpolation si nécessaire dans les quatre autres dimensions; ajustement des données à une équation paramétrique. Des caractéristiques additionnelles de la procédure comprennent la prise en compte des couches d'aérosols et de gaz atmosphériques en fonction de l'altitude, l'estimation du contenu en vapeur d'eau de l'atmosphère basée sur les scènes, l'élimination au premier ordre des effets d'environnement du pixel et le choix de différentes fonctions d'irradiance solaire exo-atmosphérique. La procédure LUT peut être appliquée à des cubes-images ou des spectres individuels en mode simulation (radiance au capteur) ou correction (réflectance de surface). Elle s'opère dans le système ISDAS (Imaging Spectrometer Data Analysis System) qui permet de l'exécuter avec d'autres outils applicables à l'extraction de la réflectance de surface, tels que le pré-traitement des données, le post-traitement et la visualisation. Des tests de performance montrent une bonne correspondance entre la procédure LUT et celle utilisant les codes RT réels. Des erreurs relatives totales d'au plus ±1.3% ont été atteintes dans le cas de MODTRAN2. Ces erreurs sont d'un facteur environ 0.4 fois plus faible que dans le cas de M5S. Des comparaisons entre les réflectances extraites des mesures au sol et celles de la procédure LUT indiquent en général une correspondance relative meilleure que 6% pour les cas présentés dans l'article. Ce résultat a été atteint en utilisant MODTRAN3. Quoique le temps de calcul requis pour traiter un cube-image peut être assez long, la procédure LUT est nettement plus rapide que le passage machine d'un code RT sur une base pixel par pixel. Par exemple, cela prend 15 heures environ pour traiter un cube entier d'image AVIRIS (Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer) de 614 pixels par 512 lignes par 224 bandes sur une station ULTRASPARC 1 en utilisant les procédures LUT générées à partir de 150 passages machine de MODTRAN3. Ceci est à peu près 3100 fois plus rapide que le passage machine de ce code sur la base du pixel individuel. Le temps de traitement pour le même cube peut être réduit à approximativement 4 heures (130 fois plus rapidement qu 'avec les passages machine de codes RT individuellement) si l'on utilise M5S au lieu de MODTRAN3. Dans ce cas, la précision est réduite, spécialement dans les bandes d'absorption atmosphérique.SUMMARYA five-dimensional look-up table (LUT) procedure has been implemented for the retrieval of surface reflectance from airborne and spaceborne hyperspectral data. This procedure can be applied in the visible and short-wave infrared up to 2700 nm. The dimensions of the LUT are: wavelength; pixel position; atmospheric water vapour content; aerosol optical depth; and terrain elevation. The LUTs are composed of simulated at-sensor radiance data generated by either the M5S (modified 5S), LOWTRAN7, or MODTRAN2 or MODTRAN3 radiative transfer (RT) codes. Surface reflectances are computed by: convolving the LUTs data along the wavelength dimension with the spectral response profiles of the sensor bands; interpolating as necessary in the other four dimensions; fitting the data to a parametric equation. Additional features of the procedure include altitude-dependent layering of atmospheric aerosols and gases, scene-based estimation of atmospheric water vapour content, first order removal of adjacency effects, and choice of different exo-atmospheric solar irradiance functions. The LUT procedure can be applied to image cubes or individual spectra in forward (at-sensor radiance) and backward (surface reflectance) mode. It is implemented in the Imaging Spectrometer Data Analysis System (ISDAS) which allows it to run with other tools that are relevant to surface reflectance retrieval, such as data pre-processing, post-processing, and visualization. Performance tests show good agreement between the LUT procedure and true RT code runs. Total relative errors of up to ±1.3 % were achieved in case of MODTRAN2. These errors are a factor of about 0.4 lower than for M5S. Comparisons between reflectances retrieved from ground-based measurements and the LUT procedure indicate on average a relative agreement of better than 6% for the cases presented in this paper. This result was achieved using MODTRAN3. Although the computation time required to process an image cube can be quite long, the LUT procedure is substantially faster than running an RT code on a pixel-by-pixel basis. For instance, it takes about 15 hours on an ULTRASPARC 1 to process a full Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) cube of 614 pixels by 512 lines by 224 bands, using LUTs generated from 150 MODTRAN3 runs. This is about 3100 times faster than running this code on an individual pixel basis. The processing time for the same cube can be reduced to about 4 hours (130 times faster than individual RT code runs) if M5S is used instead of MODTRAN3. In this case, the accuracy is reduced, especially in the atmospheric absorption bands. Additional informationNotes on contributorsK. Staenz• K. Staenz is with the Canada Centre for Remote Sensing, 588 Booth Street, Ottawa, Ontario, Canada K1A 0Y7, Phone: [phone], Fax: [phone], E-mail: [e-mail].J. Williams• D. J. Williams is with MacDonald Dettwiler and Associates Ltd., 13800 Commerce Parkway, Richmond, British Columbia V6V 2J3