Quality assessment for hyperspectral airborne systems

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Konzept entwickelt und umgesetzt, welches eine umfassende Bewertung von Daten flugzeuggetragener hyperspektraler Systeme ermöglicht. Es baut auf mehreren aktuellen Initiativen zur Erfassung der Datenqualität flugzeuggetragener Sensoren auf: Der ''European Facility for Airborne Reseach'', der ''Quality Assessment for Earth Observation Workgroup'' und dem ''Joint Committee for Guides in Metrology''. Bei der Befliegung eines Gebietes mit hyperspektralen Sensorsystemen werden mehrere, teilweise sich überlappende, Flugstreifen aufgenommen. Es wird vorgeschlagen, die Bildinformationen dieser Überlappungsbereiche als redundant anzusehen und so die innere Variabilität der Daten zu erfassen. Die jeweils zwischen zwei Flugstreifen auftretende Variabilität kann (aufgrund unterschiedlicher Blickrichtungen) als ungünstigster anzunehmender Fall (''worst-case'') betrachtet werden und ergänzt daher existierende Ansätze, die sich auf die Auswertung homogener Flächen konzentrieren. Das entwickelte Konzept ist auf unterschiedliche Sensorsysteme anwendbar, somit generisch und kann problemlos in die aktuelle Datenprozessierungskette des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. integriert werden. Im ersten Abschnitt der Arbeit wird dargelegt, wie korrespondierende Pixelpaare, die in den jeweiligen Streifen an gleicher Geolokation liegen, ermittelt werden können. Darauf aufbauend erfolgt eine Plausibilitätsüberprüfung der erfaßten Pixelpaare unter Verwendung von Zuverlässigkeitsmetriken, die auf Basis höherwertigerer Datenprodukte berechnet werden. In einem weiteren Schritt werden die Ergebnisse genutzt, um die notwendigen Parameter für eine optimierte Bildauswertung - hier im Sinne der Zuverlässigkeit - abzuleiten. Abschließend werden die Pixelpaare benutzt, um die globale Variabilität der Reflektanzwerte abzuschätzen. Insgesamt werden durch diese Arbeit die existierenden Methoden zur Qualitätskontrolle optischer Bilddaten umfassend ergänzt.

This work proposes a methodology for performing a quality assessment on the complete airborne hyperspectral system, thus ranging from data acquisition up to land-product generation. It is compliant with other quality assessment initiatives, such as the European Facility for Airborne Research (EUFAR), the Quality Assessment for Earth observation work-group (QA4EO) and the Joint Committee for Guides in Metrology (JCGM). These are extended into a generic framework allowing for a flexible but reliable quality assessment strategy. Since airborne hyperspectral imagery is usually acquired in several partially overlapping flight-lines, it is proposed to use this information redundancy to retrieve the imagery''s internal variability. The underlying method is generic and can be easily introduced in the German Aerospace Center DLR''s hyperspectral processing chain. The comparison of two overlapping flight-lines is not straightforward, should it only be because the presence of geo-location errors present in the data. A first step consists in retrieving the relative variability of the pixel''s geo-locations, hence providing pairs of pixels imaging the same areas. Subsequently, these pairs of pixels are used to obtain quality indicators accounting for the reproducibility of mapping-products, thus extending the EUFAR''s quality layers up to land-products. The third stage of the analysis consists of using these reliability results to improve the mapping-products: it is proposed to maximise the reliability over the mapping-methods'' parameters. Finally, the repeatability assessment is back propagated to the hyperspectral data itself. As a result, an estimator of the reflectance variability (including model-, and scene-induced uncertainties) is proposed by means of a blind-deconvolution approach. Altogether, this complements and extends the EUFAR quality layers with estimates of the data and products repeatability while providing confidence intervals as recommended by JCGM and QA4EO.