Die DPP-Methode: ein einfacher empirischer Ansatz zur Korrektur atmosphärischer Effekte in HRSC-AX Scannerdaten

Abstract

Die HRSC-AX (High Resolution Stereo Camera - Airborne eXtended) ist ein multispektraler Mehrzeilen Stereo-Scanner, der am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Berlin entwickelt wurde und im Rahmen der Erdfernerkundung betrieben wird. Die HRSC-AX ist eine Weiterentwicklung der HRSC, welche im Rahmen der MARS EXPRESS Mission der ESA den Mars aufnimmt. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit atmosphärischer Streuprozesse sind die Bilddaten kurzwelliger Kanäle von diesen am stärksten betroffen, aufgrund ihrer Richtungsabhängigkeit ist ihr Einfluss innerhalb eines Bildstreifens nicht konstant. Das Aufnahmeprinzip des Pushbroom-Scanners erlaubt die vereinfachte Annahme, dass alle Pixel einer Bildspalte unter annährend derselben Beleuchtungs- und Beobachtungsgeometrie aufgenommen wurden und denselben Atmosphäreneinfluss aufweisen. Dies wird im Rahmen der DPP-Methode ("Dark-Pixel-Profile" bzw. "Dunkel-Pixel-Profil") - basierend auf der Dark-Pixel-Methode (z.B. Chavez, 1988) - genutzt, indem für jeden Flugstreifen jedes Kanals blickwinkelabhängige Statistiken und Histogramme berechnet werden. Lokale Variationen der Atmosphäreneffekte (z.B. durch Topographie, Nachbarschaftseffekte) können nicht erfasst werden. Der statistische Ansatz beruht auf der Annahme, dass aufgrund langer Bildstreifen, hoher geometrischer Auflösung (reine Schattenpixel) und weiter Verbreitung eines homogenen Objekts mit niedrigem Reflektionsgrad in jeder Bildspalte Pixel mit sehr geringem Bodensignal vorhanden sind. Dies ist ein in den Kanälen blau, grün und rot bei schattiger Vegetation (Wald) meist gegeben. Durch eine Minimums-Operation wird aus spaltenweisen Histogrammen ein Profil der dunkelsten Pixel erzeugt (DPP) und geglättet. Dieses Profil, dessen Form charakteristisch ist für die jeweiligen Beobachtungs- und Atmosphärenbedingungen, wird als Offset zur Korrektur verwendet. Die DPP-Methode wurde in der Prozessierung großer Datensätze in Mitteleuropa angewandt. Im Vergleich zur Prozessierung unkorrigierter Datensätze weisen sie eine visuell gleichwertige oder bessere Qualität (Homogenität, Kontrast) auf. Die Vorteile der DPP-Methode im Vergleich zu anderen Atmosphärenkorrekturmethoden sind ihre Einfachheit und Robustheit, die Anwendbarkeit auf radiometrisch nicht absolut kalibrierte Daten und auf geometrisch unkorrigierte Daten (keine Co-Registrierung nötig), sowie die Schnelligkeit in der Prozessierung sehr großer Datenmengen.