Avaliação da resolução espacial de sensores ópticos orbitais

• Ano de defesa: 2014
• Autor(a) principal: Giovanni de Araujo Boggione
• Orientador(a): Leila Maria Garcia Fonseca, Flávio Jorge Ponzoni
• Banca de defesa: Nilson Clementino Ferreira, Salvador Bosch Puig
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Sensoriamento Remoto
• País: BR
• Resumo em Inglês: One way to characterize the quality of electro-optical imaging systems on board remote sensing satellites is through the Point Spread Function (PSF), in the space domain, or through the Modulation Transfer Function (MTF) in the frequency domain. Measurements of the camera MTF or PSF are made on the ground prior to launch as well as while the satellite is in orbit in order to evaluate and monitor the complete system performance. The MTF or PSF can be used to calculate the effective spatial resolution (EIFOV - Effective Instantaneous Field of View), which takes into account the sensor distortions that produces a blurring effect in the image. The effective spatial resolution is usually worse than the nominal resolution specified in the sensor project. Therefore, this thesis presents an innovative methodology to estimate the MTF of sensors on board satellites based on Zernike polynomials, which are used to evaluate the optical systems deformation. To validate the MTF estimation method several experiments were conducted with data acquired from TM of Landsat-5, and CCD and HRC from CBERS-2B (China Brazil Earth Resources Satellite). The results showed that the EIFOV values obtained for TM-Landsat-5 were close to the expected values with variations of 7.1\% and 6.3\%, in the \emph{Along-track and Across-track} directions, respectively. In the case of CCD-CBERS-2B and HRC-CBERS-2B, the EIFOV values were worse than those specified in the system project with variations of 19.3\% and 103\% in the \emph{Along-track and Across-track} directions, respectively. MTF and EIFOV values for the OLI (Operational Land Imager) on board Landsat-8 were also estimated, which are in conformity with the system project. This work also presents a new image simulation method for sensors on board satellite. To evaluate the proposed image simulation method, TM-5 and CCD-CBERS-2B images were simulated from images acquired from higher spatial resolution systems and then compared to real images. Finally, a case study is presented to show how the image simulation can be used in remote sensing applications. A MUX image from CBERS-4 was simulated using the parameters specified in the system project and then classified into four land cover classes: woody vegetation, deforestation, fire, and water bodies. The results suggest that classification obtained from simulated MUX images was better than the one from TM-5 images in terms of discrimination among the classes.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2014/03.14.13.05

Uma forma de avaliar a qualidade espacial de sensores eletro-ópticos a bordo de satélites é por meio da Função de Espalhamento Pontual (\emph{PSF-Point Spread Function}), no domínio do espaço, ou Função de Transferência de Modulação (\emph{MTF-Modulation Transfer Function}) no domínio da frequência. Medidas da MTF ou PSF do sistema são realizadas antes do lançamento, em laboratório, e também durante a vida útil do satélite para avaliar e monitorar o desempenho do sistema em órbita. Estas funções caracterizam a resposta espacial do sensor e por meio delas pode-se calcular a resolução espacial efetiva, conhecida por EIFOV (\emph{Effective Instantaneous Field of View}), que leva em conta as distorções inseridas pelo sensor. Geralmente, a resolução efetiva do sensor é pior do que a resolução nominal especificada no projeto do sistema. Dentro deste contexto, esta tese apresenta um novo método de estimação da MTF de sensores eletro-ópticos orbitais. Este método é baseado nos Polinômios de Zernike usados para avaliar a deformação de sistemas ópticos e que podem assumir, praticamente, qualquer forma. Para validar o método de estimação da MTF, vários experimentos foram realizados com dados dos sensores TM do Landsat-5 (TM-5), e CCD e HRC do CBERS-2B (Satélite Sino-Brasileiro de Recursos Terrestres). Os resultados mostraram que os valores de EIFOV para o TM-5 ficaram próximos aos valores especificados no projeto, com variação aproximada de 7,1\% e 6,3\% nas direções \emph{Along-track e Across-track}, respectivamente. No caso das câmeras CCD e HRC, os valores de EIFOV foram piores do que os especificados no projeto, com variação aproximada de 19,3\% e 103\% nas direções \emph{Along-track} e \emph{Across-track}, respectivamente. Valores de MTF e EIFOV para o sensor \emph{Operational Land Imager} (OLI) do Landsat-8 também foram avaliados e os resultados mostraram que o desempenho do sistema está conforme o especificado. Neste trabalho, um novo método para simulação de imagens de sensores ópticos também é proposto. Para avaliar o método de simulação proposto, imagens TM-5 e CCD foram simuladas a partir de imagens de melhor resolução espacial e comparadas às imagens reais, cujos resultados mostraram a eficácia da metodologia. Finalmente, um estudo de caso é apresentado para mostrar como o método de simulação pode ser usado em aplicações de sensoriamento remoto. Uma imagem da câmera \emph{MUX} do CBERS-4 foi simulada, usando os parâmetros especificados no projeto e classificada em quatro classes de cobertura do solo: vegetação arbórea, desmatamento, queimadas e corpos d${'}$água. Os resultados sugerem que a câmera MUX apresentará melhor capacidade de discriminação entre as classes, para a aplicação analisada, quando comparada ao sensor TM-5.