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Monitoring the spectral performance of the APEX imaging spectrometer for inter-calibration of satellite missions


D'Odorico, Petra. Monitoring the spectral performance of the APEX imaging spectrometer for inter-calibration of satellite missions. 2012, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Die Fernerkundung ist heutzutage wahrscheinlich die wertvollste Methode um Parameter, die Prozesse unserer Umwelt definieren, quantitativ und global zu messen. Für eine korrekte Interpretation dieser Messungen ist das Verständnis aller Faktoren die den Messprozess beeinflussen entscheidend. Im Idealfall beinhaltet die Messung des reflektierten Sonnenlichts ausschließlich Informationen über das reflektierende Objekt oder Phänomen. Dies ist jedoch selten der Fall, da Interaktionen mit der Atmosphäre, eine Kontaminierung durch den Hintergrund und die Instrumenteigenschaften die Zusammensetzung und Ausbreitung der Sonnenstrahlung verändern.
Für spektroskopiedaten-basierte Anwendungen sind die spektralen Eigenschaften des Instruments normalerweise die wichtigsten Parameter um eine korrekte Interpretation der Messung zu gewährleisten. Das spektrale Ansprechverhalten einzelner Detektorpixel wird über deren Zentrumswellenlänge sowie der Halbwertsbreite beschrieben und definiert damit die spektralen Eigenschaften des Instruments. Um die spektralen Eigenschaften des Instruments zu bestimmen, werden entsprechend Charakterisierung Messungen im Labor durchgeführt. Das Instrument ist jedoch an Bord einer luft- oder weltraumgestützten Plattform variierenden umweltbedingten Stressfaktoren ausgesetzt (z. B. Vibrationen, Temperatur und Druckkraft Schwankungen). Diese führen, zusammen mit dem natürlichen Alterungsprozess, zur Veränderung der spektralen Eigenschaften und Performance des Instruments. Werden solche Veränderungen nicht berücksichtigt, sondern weiterhin die im Labor charakterisierten spektralen Parameter zur Verarbeitung der Daten verwendet, kann das zu signifikanten Fehlern im Datensatz und der daraus abgeleiteten Produkte führen.
Diese Dissertation untersucht die Eigenschaften und Ursachen für Änderungen der Charakteristik eines Spektrometers unter realen Bedingungen im Flugzeug. Dazu wurden neue Ansätze zum Monitoring der spektralen Eigenschaften eines flugzeuggestützten Sensors entwickelt und validiert. Die durch die Messungen beobachteten Abweichungen im Vergleich zu den Labormessungen werden genutzt um die Rohdaten vor einer Produktgenerierung entsprechend zu korrigieren. Das abbildende Spektrometer APEX (Airborne Prism EXperiment) steht im Fokus dieser Recherche. APEX ist ein dispersives, abbildendes pushbroom Spektrometer, das den Wellenlängenbereich zwischen 380 und 2500 nm abdeckt. APEX wurde entwickelt um gegenwärtige sowie zukünftige weltraumgestützte Missionen bei der Simulation, Kalibration und Validation zu unterstützen. Die Möglichkeit der in-flight Charakterisierung mittels eines auf APEX integrierten Charakterisierungs Equipments, bekannt als In-Flight Characterization (IFC) facility, ermöglicht die Messung der spektralen Eigenschaften des Sensors ausserhalb von Laborbedingungen. Gezielte Erfassung von IFC Messungen und Prozessierung mit Hilfe von ad-hoc entwickelten Algorithmen ermöglichte die Schätzung repräsentativer spektraler Parameter für ein luftgestütztes Instrument zu jedem Zeitpunkt. Ausserdem werden atmosphärische Absorptionsbanden aus Luftbilddaten verwendet, um die Schätzung der spektralen Parameter zusätzlich zu ergänzen und zu validieren. Dadurch konnte die Korrektur der Wellenlängenpositionen plausibel auf die APEX Datensätze angewendet werden. Die so kalibrierten APEX Daten werden erfolgreich für eine Simulation und Kalibration ausgewählter weltraumgestützter Missionen verwendet. In der Diskussion der Forschungsergebnisse werden die Vor- und Nachteile der entwickelten Ansätze besprochen und es wird auf mögliche Verbesserungen hingewiesen. Abschliessend wird ein Ausblick für weiterführende Arbeiten gegeben.

Abstract

Die Fernerkundung ist heutzutage wahrscheinlich die wertvollste Methode um Parameter, die Prozesse unserer Umwelt definieren, quantitativ und global zu messen. Für eine korrekte Interpretation dieser Messungen ist das Verständnis aller Faktoren die den Messprozess beeinflussen entscheidend. Im Idealfall beinhaltet die Messung des reflektierten Sonnenlichts ausschließlich Informationen über das reflektierende Objekt oder Phänomen. Dies ist jedoch selten der Fall, da Interaktionen mit der Atmosphäre, eine Kontaminierung durch den Hintergrund und die Instrumenteigenschaften die Zusammensetzung und Ausbreitung der Sonnenstrahlung verändern.
Für spektroskopiedaten-basierte Anwendungen sind die spektralen Eigenschaften des Instruments normalerweise die wichtigsten Parameter um eine korrekte Interpretation der Messung zu gewährleisten. Das spektrale Ansprechverhalten einzelner Detektorpixel wird über deren Zentrumswellenlänge sowie der Halbwertsbreite beschrieben und definiert damit die spektralen Eigenschaften des Instruments. Um die spektralen Eigenschaften des Instruments zu bestimmen, werden entsprechend Charakterisierung Messungen im Labor durchgeführt. Das Instrument ist jedoch an Bord einer luft- oder weltraumgestützten Plattform variierenden umweltbedingten Stressfaktoren ausgesetzt (z. B. Vibrationen, Temperatur und Druckkraft Schwankungen). Diese führen, zusammen mit dem natürlichen Alterungsprozess, zur Veränderung der spektralen Eigenschaften und Performance des Instruments. Werden solche Veränderungen nicht berücksichtigt, sondern weiterhin die im Labor charakterisierten spektralen Parameter zur Verarbeitung der Daten verwendet, kann das zu signifikanten Fehlern im Datensatz und der daraus abgeleiteten Produkte führen.
Diese Dissertation untersucht die Eigenschaften und Ursachen für Änderungen der Charakteristik eines Spektrometers unter realen Bedingungen im Flugzeug. Dazu wurden neue Ansätze zum Monitoring der spektralen Eigenschaften eines flugzeuggestützten Sensors entwickelt und validiert. Die durch die Messungen beobachteten Abweichungen im Vergleich zu den Labormessungen werden genutzt um die Rohdaten vor einer Produktgenerierung entsprechend zu korrigieren. Das abbildende Spektrometer APEX (Airborne Prism EXperiment) steht im Fokus dieser Recherche. APEX ist ein dispersives, abbildendes pushbroom Spektrometer, das den Wellenlängenbereich zwischen 380 und 2500 nm abdeckt. APEX wurde entwickelt um gegenwärtige sowie zukünftige weltraumgestützte Missionen bei der Simulation, Kalibration und Validation zu unterstützen. Die Möglichkeit der in-flight Charakterisierung mittels eines auf APEX integrierten Charakterisierungs Equipments, bekannt als In-Flight Characterization (IFC) facility, ermöglicht die Messung der spektralen Eigenschaften des Sensors ausserhalb von Laborbedingungen. Gezielte Erfassung von IFC Messungen und Prozessierung mit Hilfe von ad-hoc entwickelten Algorithmen ermöglichte die Schätzung repräsentativer spektraler Parameter für ein luftgestütztes Instrument zu jedem Zeitpunkt. Ausserdem werden atmosphärische Absorptionsbanden aus Luftbilddaten verwendet, um die Schätzung der spektralen Parameter zusätzlich zu ergänzen und zu validieren. Dadurch konnte die Korrektur der Wellenlängenpositionen plausibel auf die APEX Datensätze angewendet werden. Die so kalibrierten APEX Daten werden erfolgreich für eine Simulation und Kalibration ausgewählter weltraumgestützter Missionen verwendet. In der Diskussion der Forschungsergebnisse werden die Vor- und Nachteile der entwickelten Ansätze besprochen und es wird auf mögliche Verbesserungen hingewiesen. Abschliessend wird ein Ausblick für weiterführende Arbeiten gegeben.

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Item Type:Dissertation
Referees:Schaepman Michael E, Kneubühler Mathias, Jehle Michael, Fox Nigel
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Language:English
Date:2012
Deposited On:24 Jan 2013 07:39
Last Modified:08 Dec 2017 17:46
Number of Pages:83
ISBN:978-3-03703-029-5
Additional Information:Erschienen als Nr. 63 in den Remote Sensing Series, Remote Sensing Laboratories, Department of Geography, University of Zurich, 2012
Free access at:Official URL. An embargo period may apply.
Official URL:http://opac.nebis.ch/ediss/20121482.pdf

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