Ocorrência e remoção dos efeitos de sunglint em imagens hiperespectrais de alta resolução espacial do sensor SpecTIR

• Main Author: Annia Susin Streher
• Other Authors: Cláudio Clemente de Faria Barbosa
• Language: Portuguese
• Published: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) 2013
• Online Access: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2013/04.01.23.08

O \textit{sunglint}, também conhecido como reflexão especular da água, é um componente da radiação que atinge o sensor sem interagir com a coluna d´água. O objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos de \textit{sunglint} em imagens hiperespectrais do sensor aerotransportado SpecTIR, obtidas em diferentes horários e com direções de imageamento distintas, sobre o Reservatório de Ibitinga (SP) (águas do caso 2). O reservatório de Ibitinga, localizado no estado de São Paulo, foi selecionado como área de estudo, devido ao seu formato sinuoso, exigindo constantes mudanças na geometria de aquisição das imagens. Nos dias 23 e 24 de outubro de 2011 foram amostradas 14 estações de coleta de água, concomitantemente a aquisição das imagens SpecTIR em 357 bandas (398 - 2500 nm) e com 3 m de resolução espacial. Amostras de água foram analisadas em laboratório para quantificação dos constituintes opticamente ativos da água (COAs). Os efeitos de \textit{sunglint} nas imagens foram corrigidos por meio do algoritmo proposto por Goodman textit{et al.} (2008). A eficácia deste método foi testada através da comparação com o algoritmo proposto por Kutser et al. (2009) e com o método de Kutser modificado. Foram gerados os coeficientes de correlações entre os dados analíticos das variáveis de qualidade da água coletadas em campo e os valores de reflectância das imagens, em regiões do espectro eletromagnético sensíveis a essas substâncias. Os resultados obtidos mostraram que o \textit{sunglint} afetou não só os aspectos visuais das imagens, mas também a sua qualidade radiométrica, elevando os valores de reflectância em até três vezes mais do que o esperado para alvos aquáticos. O algoritmo de remoção de \textit{sunglint} proposto por Goodman \textit{et al.} (2008) produziu bons resultados, reduzindo as diferenças espectrais entre massas homogêneas de águas afetadas e não-afetadas por \textit{sunglint}, permitindo uma melhor interpretação visual das cenas e melhorando a qualidade da informação espectral. O método de Kutser et al. (2009) não foi capaz de remover o \textit{sunglint} nas áreas mais contaminadas da imagem, enquanto o método de Kutser modificado mostrou-se sensível ao processo de correção atmosférica e a relação sinal/ruído do sensor. O ângulo zenital solar foi o fator mais importante na ocorrência de \textit{sunglint} nas imagens. Imagens adquiridas com ângulos zenitais maiores (próximos a 40$°$) foram menos suscetíveis a ocorrência de \textit{sunglint}, enquanto as cenas com ângulos zenitais entre 30$°$ e 40$°$ apresentaram-se mais contaminadas, principalmente nas bordas. Apesar das imagens com ângulos zenitais maiores terem sido menos afetadas pelo \textit{sunglint}, a radiação incidente não foi suficiente para caracterizar os COAs da água por meio de relações empíricas entre as suas concentrações e os dados espectrais. Os resultados mostraram claramente a divisão dos dados em dois conjuntos distintos, formados por ângulos zenitais maiores e menores de 40$°$. A correção dos dados para os efeitos do \textit{sunglint} tende a agrupar todos os dados em um único conjunto, permitindo assim uma melhora nas relações observadas entre COAs e reflectância. A escolha do melhor ângulo zenital solar para a aquisição de imagens de ambientes aquáticos representa um \textit{trade-off} entre sensibilidade a ocorrência do \textit{sunglint} e a maximização do sinal referente a presença dos COAs. === \textit{Sunglint}, also known as the specular reflection of light from water surfaces, is a component of sensor-received radiance that represents a confounding factor on the characterization of water bodies by remote sensing. The present study assessed the \textit{sunglint} effects in airborne hyperspectral images acquired by the SpecTIR sensor at different time and flight directions over the Ibitinga reservoir (Case 2 waters). The Ibitinga reservoir, located in southeastern Brazil (state of São Paulo), was selected as the study area because of its meandering shape. As a result, there is demanding constant changes in data acquisition geometry to achieve complete coverage. Field data collection was carried out on October 23$_{rd}$ and 24$_{th}$, 2011. During these two days, 14 water stations along the reservoir were sampled, concurrently with the SpecTIR image acquisition in 357 bands (398-2455 nm) and at 3 m spatial resolution. The optically active substances (OAS) were determined in laboratory. The effects of \textit{sunglint} in the images were corrected using the Goodman et al. (2008) algorithm. The effectiveness of this method was tested through comparison of results with those from the algorithm proposed by Kutser et al. (2009) and from the Kutser modified method. Correlation coefficients were generated between the analytical water quality variables data and the reflectance values of the images. Results showed that the \textit{sunglint} affected not only the visual aspects of images but also their radiometric quality, increasing the reflectance values up to three times more than the expected for water targets. The Goodman et al. (2008) algorithm produced good results, reducing spectral differences between homogeneous masses of waters affected and non-affected by \textit{sunglint}, enabling better visual interpretation of the scenes and improving the quality of the spectral information. The Kutser et al. (2009) method was not able to remove the \textit{sunglint} from the most contaminated areas, while the Kutser modified method was too sensitive to the atmospheric correction procedure and to signal/noise ratio. The solar zenith angle was found to be the most important factor in the occurrence of \textit{sunglint} in the images. Images acquired with larger zenith angles (approximately 40$°$) are less predisposed to the occurrence of these features, while the scenes with zenith angles between 30$°$ and 40$°$ were more contaminated with \textit{sunglint}, especially on the images edges. Although the images with larger zenith angles have been less affected by \textit{sunglint}, the incident radiation was not sufficient to characterize the water OAS through empirical relationships between their concentrations and spectral data. The results clearly showed a data division into two distinct sets, formed by zenith angles above and below 40$°$. The correction of the \textit{sunglint} effects tends to cluster all data in one assembly, allowing an improvement in the relations between the OAS and the reflectance. The choice of the best solar zenith angle for the acquisition of images over aquatic environments represents a trade-off between sensitivity to the \textit{sunglint} occurrence and the signal maximization regarding the OAS presence.