Remote sensing imagery

367 Pages·2014·9.156 MB·English

by  Inglada, Jordi, Nicolas, Jean Marie, Tupin, Florence (eds)

RemoteSensing Imagery

Remote Sensing
Imagery
Edited by
Florence Tupin
Jordi Inglada
Jean-Marie Nicolas
Firstpublished2014inGreatBritainandtheUnitedStatesbyISTELtdandJohnWiley&Sons,Inc.
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TherightsofFlorenceTupin,JordiIngladaandJean-MarieNicolastobeidentifiedastheauthorsofthis
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LibraryofCongressControlNumber:2013955375
BritishLibraryCataloguing-in-PublicationData
ACIPrecordforthisbookisavailablefromtheBritishLibrary
ISBN978-1-84821-508-5
PrintedandboundinGreatBritainbyCPIGroup(UK)Ltd.,Croydon,SurreyCR04YY
Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
FlorenceTUPIN,Jean-MarieNICOLASandJordiINGLADA
PART1.SYSTEMS,SENSORSANDACQUISITIONS . . . . . . . . . . . . . . 1
Chapter1.SystemsandConstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Jean-MarieNICOLAS
1.1.Satellitesystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2.Kepler’sandNewton’slaws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3.Thequasi-circularorbitsofremotesensingsatellites . . . . . . . . . . . 6
1.3.1.Theorbitintheterrestrialreferential: therecurrencecycle . . . . 8
1.3.2.TheeffectsoftheEarth’sflattening: theprecessionoftheorbits . 12
1.3.3.Heliosynchronousorbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.4.Trackingtheorbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.5.Usualorbitsforremotesensingsatellite . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.Imageacquisitionandsensors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.4.1.Perspectiverayinopticalimageryforaverticalviewing. . . . . . 18
1.4.2.Perspectiverayinradarimaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.3.Resolutionandfootprint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4.4.Theswathinsatelliteimagery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.5.Imagesandmotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.Spectralresolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.5.2.Technologicalconstraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.3.Calibrationandcorrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.4.Imagetransmission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
vi RemoteSensingImagery
Chapter2.ImageGeometryandRegistration . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Jean-MarieNICOLASandJordiINGLADA
2.1.Thedigitalimageanditssampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1.Swathsampling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2.Thepixelsinopticalimageryandinradarimagery . . . . . . . . . 36
2.2.Sensoragilityandincidenceangle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.1.Agilityofopticalsensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.2.Agilityofradarsensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2.3.Theeffectsoftheincidencevariationonthegroundcellsize . . . 38
2.2.4.Theconsequencesofagility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.Georeferencingofremotesensingimages . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.1.Fromanimagetoanorthoimage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.3.2.ThemetaparametersofVHRopticalimages . . . . . . . . . . . . 43
2.3.3.Thelevelsoftheimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3.4.SARimagespecificities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.Imageregistration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.1.Theneedforimageregistration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.4.2.Modelingtheproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Chapter3.ThePhysicsofOpticalRemoteSensing . . . . . . . . . . . . . . 53
OlivierHAGOLLE
3.1.Radiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.1. Radiant energy, spectral energy, spectral sensitivity and
equivalentenergy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.1.2.Theflux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.3.Theirradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.4.Theradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.1.5.Temperatureandemissivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.6.Reflectanceandalbedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.7.Exampleoftheuseofphotometricquantities . . . . . . . . . . . . 61
3.2.Geometricetendue,sensitivityofaninstrument. . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.1.Axissensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.2.2.Scanners. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.2.3.Pushbrooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.3.Atmosphericeffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.1.Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3.2.Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.3.3.Radiativetransferintheatmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
3.3.4.Magnitudeordersoftheatmosphericeffects . . . . . . . . . . . . 71
3.4.Spectralpropertiesofthesurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.5.Directionalpropertiesofthesurfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
TableofContents vii
3.6. Practical aspects: products, atmospheric corrections, directional
corrections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.1.Absorptioncorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.6.2.Scatteringcorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.6.3.Examplesofatmosphericcorrectionresults . . . . . . . . . . . . . 81
Chapter4.ThePhysicsofRadarMeasurement . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Jean-ClaudeSOUYRIS
4.1.Propagationandpolarizationofelectromagneticwaves . . . . . . . . . 83
4.1.1.Propagationofelectromagneticwaves . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1.2.Polarizationoftheelectromagneticwaves . . . . . . . . . . . . . . 85
4.1.3.Partiallypolarizedwaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.1.4.ThegroupofPaulimatricesandtheStokesparameters . . . . . . 94
4.2.Radarsignatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.1.RCSofapointtarget. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.2.2.Radarsignatureforextendedtargets–thebackscattercoefficientσo 100
4.3.Thebasicsofradar measurementphysics: interactionbetweenwaves
andnaturalsurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.2.Baresoilscattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.3.3.Seasurfacescattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.4.Volumescattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.3.5.Thepenetrationpropertiesofelectromagneticwaves. . . . . . . . 115
4.3.6.Theeffectsofslopeonradiometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.Calibrationofradarimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.5.Radarpolarimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.5.2.Operatingprinciplesofthepolarimetricradar. . . . . . . . . . . . 120
PART2.PHYSICSANDDATAPROCESSING . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Chapter5.ImageProcessingTechniquesforRemoteSensing . . . . . . . . 125
FlorenceTUPIN,JordiINGLADAandGrégoireMERCIER
5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.Imagestatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.1.Statisticsofopticalimages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.2.Radardatastatistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.Preprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.1.Samplinganddeconvolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.2.Denoising . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.4.Imagesegmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.1.Panoramaofsegmentationmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.2.MDLmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
viii RemoteSensingImagery
5.4.3.Watershed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.4.4.Mean-shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4.5.Edgedetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.Informationextraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.1.Pointtargetdetectioninradarimagery . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.2. Interestpointdetectionanddescriptors . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.5.3.Networkdetection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
5.5.4.Detectionandrecognitionofextendedobjects . . . . . . . . . . . 139
5.5.5.Spatialreasoning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.6.Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.6.1.Bayesianapproachesandoptimization. . . . . . . . . . . . . . . . 142
5.6.2.SupportVectorMachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.6.3.Neuralnetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.7.Dimensionalityreduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.7.1.Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.7.2.Principalcomponentanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.7.3.Otherlinearmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.7.4.Nonlinearmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.7.5.Componentselection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.8.Informationfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.8.1.Probabilisticfusion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.8.2.Fuzzyfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.8.3.Evidencetheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.8.4.Possibilisticfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.9.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Chapter6.PassiveOpticalDataProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
DevisTUIA
6.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.Pansharpening . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.2.1.Spectralmethods: projection-substitution . . . . . . . . . . . . . . 157
6.2.2.Space-scalemethods: multiresolutionpansharpening . . . . . . . 158
6.3.Spectralindicesandspatialindices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.1.Vegetationindices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
6.3.2.Water-relatedindices. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.3.3.Indicesrelativetocloudproperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.3.4.Surfacetexture: occurrenceandco-occurrence . . . . . . . . . . . 164
6.3.5.Geometricalindicesofsurfaces: morphologicalindicesinurban
areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.4.Productsissuedfrompassiveopticalimages. . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.4.1.Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.4.2.Subpixelmixtureanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.5.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179