Сверхбыстрая атмосферная коррекция изображений Sentinel-2

Высокоточная и быстрая атмосферная коррекция спутниковых изображений продолжает оставаться актуальной проблемой предварительной обработки данных, поскольку от ее результата зависит качество получаемых количественных характеристик состояния объектов земной поверхности.
В основе предлагаемой методики атмосферной коррекции изображений Sentinel-2 лежит подход, разработанный для гиперспектральных изображений [1], а также предложенная ранее методика атмосферной коррекции мультиспектральных спутниковых изображений с небольшим числом каналов (4-5) [2]. Указанный подход усовершенствован и доработан применительно к изображениям сенсора MSI спутника Sentinel-2 для 10 каналов (B1, B2, B3, B4, B5, B6, B7, B8, B8A, B9) видимого и ближнего ИК диапазона 400-950 нм. Методика основана на модели атмосферы и аналитических выражениях для спектра уходящего излучения на верхней границе атмосферы [1, 2]. Атмосферная модель содержит 10 неизвестных параметров и не использует априорные значения параметров, вся информация извлекается из корректируемого изображения. Ввиду различного пространственного разрешения (10, 20, 60 м) указанных каналов Sentinel-2 исходное изображение уровня обработки L1C предварительно ресемплируется к одному разрешению 20 м.
Базовая точка (пиксель) на изображении, по которой определяются неизвестные параметры атмосферы может выбираться двумя способами. В первом способе используется темная водная поверхность (при наличии на снимке), на которой выбирается некоторая область интереса и рассчитывается ее средний спектр СПЭЯ, используемый для определения параметров атмосферы. Во втором методе проводится поиск по исходному изображению пикселя, СПЭЯ которого с наибольшей точностью аппроксимируется линейной функцией по длине волны λ. Первым шагом алгоритма является определение содержания водяного пара в столбе атмосферы, которое определяется по соотношению сигналов MSI в каналах B8A, B9 (вне и в полосе поглощения H2O, соответственно) над базовым пикселем. Далее решается система десяти уравнений (для измеренных спутником значений СПЭЯ базового пикселя) для нахождения параметров атмосферы, которая считается однородной по всему изображению. Последним этапом алгоритма является решение квадратного уравнения для нахождения альбедо в каждом канале для каждого пикселя изображения (в предположении ламбертовского отражения поверхности) по его СПЭЯ при известных параметрах атмосферы.
Поскольку методика основывается на аналитических формулах, вычисления осуществляются с высокой скоростью (примерно 1 минута по сравнению с 18 минутами у Sen2Cor на офисном ПК для одного снимка) При этом в нашем методе нет заранее насчитанных таблиц поиска, look-up-table.
Точность получаемых результатов атмосферной коррекции сравнивалась с результатами атмосферной коррекции поставщика данных (уровня обработки L2A) методом Sen2Cor на основе различных статистических метрик. В частности, коэффициент детерминации по каналам, как правило, превышает значение 0,97. В отдельных случаях наблюдаются несколько большие отклонения в двух каналах: B1 (443 нм) и В9 (945 нм), что объясняется недостаточным для неоднородных подстилающих поверхностей пространственным разрешением (60 м) в этих каналах и сложностью корректного учета поглощения водяного пара в канале В9.