André Rothkirch, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2001
Schlagwörter: Reflexionsfunktion (BRDF), EGO Goniometer, Polarisation, städtische Oberflächen, Reflektanz (-fehler), Zeilenscanner DAEDALUS AADS 1268, Spektroradiometer IRIS
PACS: 38.03
Die Reflexion von elektromagnetischer Strahlung an einer Oberfläche ist im Allgemeinen richtungsabhängig und kann im Bereich des sichtbaren Lichts und der Infrarotstrahlung durch die Bidirectional Reflectance Distribution Function BRDF beschrieben werden. In dieser Arbeit wurde das Reflexionsverhalten von Oberflächen untersucht,welche für die Fernerkundung städtischer Gebiete wichtig sind. Es wurden Labormessungen der Proben 'Spectralon', 'Rote Dachziegel' und 'Bestreute Dachpappe' an der European Goniometric Facility (EGO) des Joint Research Center in Ispra, Italien, durchgeführt. Unter Verwendung eines linear polarisierten Lasers wurden Messungen bei horizontaler(s) und vertikaler (p) Polarisation der einfallenden Strahlung durchgeführt. Das gestreute Licht wurde sowohl parallel (like-Polarisation) als auch senkrecht (cross-Polarisation)zur Orientierung der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung gemessen. Grundlegende Merkmale in der Reflexion sind eine Zunahme der Streuung in Vorwärtsstreurichtung bei like-Polarisation sowie ein unterschiedlich ausgeprägtes Reflexionsverhalten in Abhängigkeit von der Polarisationsorientierung. Die rauheste Probe zeigt zudem ein Anstiegder BRDF in Rückstreurichtung. Bei cross-Polarisation verhalten sich zwei der Proben lambertsch. Die Beschreibung der Messungen erfolgt anhand des BRDF-Modells von Torrance & Sparrow, welches die charakteristischen Merkmale in der Reflexion wiedergibt. Die beste Modellbeschreibung resultiert bei Verwendung eines komplexen Brechungsindex als Modellparameter. Die Proben 'Spectralon' und 'Rote Dachziegel' zeigen eine von der Polarisationder einfallenden Strahlung unabhängige Gesamtalbedo. Desweiteren wurde in dieser Arbeit die spektrale Genauigkeit von Reflektanzbildern städtischer Gebiete bei Verwendung des Multispektral-Sensors DAEDALUSAADS,1268 bestimmt. Es erfolgte ein Vergleich von mit einem Atmosphärenmodell bestimmten Reflektanzen mit parallel zur Befliegung durchgeführten Bodenmessungen. Es zeigten sich signifikante Abweichungen zwischen den Reflektanzwerten. Nach einer Transformationder aus dem Modell bestimmten Reflektanzwerte auf die Bodenmessungen resultierten Genauigkeiten in der absoluten Reflektanz r zwischen ±7% · r und ±20% · r, abhängig von Bildinhalt und Spektralkanal. Anhand der Bilddaten des DAEDALUS-Sensorswurde gezeigt, daß BRDF-Effekte einen Einfluß auf die Klassifikation von Reflektanzbildern haben. Insbesondere Kies-, Asphalt- und Metalldächern zeigen Auffälligkeiten, welche bei der Auswertung von mittlerweile verfügbaren hochauflösenden Stereo-Satellitenbildern genutzt werden könnten.Im Rahmen dieser Untersuchung wurde zudem ein Schattenfilter entwickelt,welcher die Reflektanzinformationen in den Spektralkanälendes IKONOS-Satelliten nutzt. Dieser erreicht mit den vorgegebenen Schwellwerten eine akzeptable, bei städtischen Flächen auch eine gute Erkennung von Schattenflächen im Sinne des k-Wertes. Der Filter kann auch für Bilder anderer Sensoren verwendet werden,wenn diese ähnliche Spektralkanäle aufweisen, wie z.B. die Sensoren DAEDALUS oder LANDSAT. Anhängig vom Bildinhalt und der Pixelauflösung bedarf es ggf. der Anpassung der Schwellwerte.
Surface reflection of electromagnetic radiation usually depends on illumination and viewing geometry and can be described by the Bidirectional Reflectance Distribution Function BRDF.This study focuses on the BRDF of urban surface materials. Multiangular laboratory measurements of 'Spectralon', 'Red roof tile' and 'Sanded roof paper'were made at the European Goniometric Facility (EGO) at the Joint Research Center in Ispra, Italy. We used a linearly polarized HeNe-laser as illumination source and a spectroradiometer with a mounted polarizer as detector. Measurements were done at horizontal (s) andvertical (p) polarisation states relative to the principal plane, resulting in measurements at four different combinations of source and detector orientation (ss, sp, ps and pp). At like-polarization the basic reflection characteristics of our surface materials are an increasing BRDF in forward scatteringdirection with increasing illumination and viewing angle. The increaseat ss-polarization is stronger than at pp-polarization. The very rough surface also showed an increasing BRDF in backward scatteringdirection. At cross-polarization two samples can be assumed to be lambertian. The measurements were described by the BRDF model for specular reflectionof rough surfaces by Torrance & Sparrow, which gives the characteristicreflection features. Best modelling results were obtained by usinga complex index of refraction within the model. The total albedos at s- and p-polarized incident lightare the same for the 'Spectralon' sample as well as for the sample 'Red roof tile'. This study also determined the spectral accuracy of reflectance images of urban areas derived from image data of the multispectral line scanner DAEDALUSAADS,1268. A comparison was done between reflectance values obtained from atmospheric modeling and ground based reflectancemeasurements. Significant differences were found and a transformation of the aerial data to the ground measurements was applied. The resulting accuracy of the aerial image reflectance r varied between ±7% · r and ± 20% · r, depending on scene content and wavelength. It was shown that classification of DAEDLAUS reflectance data is affected by BRDF effects. Significant variations in reflectance with varying viewing angle were found at roof coverings made from gravel, asphalt or metal. This result is of benefit for analysis of highresolution satellite data, i.e. classification using stereo imagepairs. In addition a shadow filter was developed, which uses reflectance data corresponding to the spectral bands of the IKONOS satellite. The given thresholds allow good to acceptable detection results (k-value) in urban areas. The filter can be applied to other sensors with similar spectral bands like i.e. DAEDALUS or LANDSAT. Depending onpixel resolution and image content, thresholds adjustment is needed forbest results.