Armonización de datos de satélite mediante zonas homogéneas

Resumen

La sociedad actual, demanda de forma progresiva productos y servicios basados en datos de teledetección. En los últimos años el lanzamiento de nuevos satélites ópticos ha crecido de forma exponencial, aumentando la disponibilidad y acceso de datos de observación de la Tierra. Debido a las diferentes características entre sensores, los distintos tipos de productos y la diversidad de fuentes de los que provienen dichos datos, es necesario la armonización de los mismos para facilitar su uso eficiente e interoperabilidad. La calibración radiométrica de los sensores es un factor clave en la interoperabilidad de los datos, permitiendo asegurar su calidad científica y la comparación de los mismos entre sensores. La calibración radiométrica absoluta de un sensor es inicialmente realizada en laboratorio antes del lanzamiento del satélite (Pre-Lanzamiento). Esto permite determinar los parámetros de calibración inicial para un óptimo funcionamiento del mismo. Las tensiones durante la fase de lanzamiento del satélite, junto con las condiciones de trabajo en el espacio, pueden provocar una degradación de la respuesta del sensor y por tanto una modificación de los valores de referencia inicial. La calibración radiométrica absoluta (llevada a cabo durante la fase de Post-Lanzamiento) permite ajustar y compensar la respuesta del sensor, permitiendo asegurar la correcta calidad de las medidas físicas obtenidas por el mismo. Esta calibración se realiza sobre diferentes fuentes de referencia. Pueden realizarse mediciones a bordo del satélite (on board) mediante dispositivos localizados en el mismo, como un panel de difusor solar o un cuerpo negro. También es posible realizarlas In-situ sobre localizaciones de la superficie de la Tierra para una posterior comparación. Otra posibilidad, puede ser las medidas obtenidas por un sensor de referencia calibrado que adquiera datos de una zona de calibración de forma constante, para posteriormente “cruzarlos” (cross-calibration) con el sensor sin calibrar. Estos sensores de referencia son los denominados “Gold Standard”. Actualmente, la gran mayoría de satélites no poseen la instrumentación necesaria para realizar calibración on board por su elevado coste económico y por la simplicidad en el diseño del satélite lo que se une a la problemática de realizar medidas In-Situ en determinadas localizaciones de la Tierra. Por ello, la utilización de técnicas de calibración de manera indirecta tomando como referencia otros sensores permite una calibración radiométrica absoluta, de forma rápida, precisa y con un coste económico bajo. En esta tesis doctoral, se presenta una metodología de armonización de datos de satélite a partir de zonas homogéneas, aplicable a las dos metodologías fundamentales para la calibración radiométrica de manera indirecta, como son Simultaneous Nadir Overpass (SNOs) y Pseudo-Invariant Calibration Sites (PICS). Para la armonización de datos mediante la cross-calibration basada en las SNOs, se ha realizado una ampliación de la metodología original desarrollada por National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA/NESDIS). Se identificaron y seleccionaron múltiples SNOs sin necesidad de propagadores orbitales para los sensores ópticos L8-OLI, S2A-MSI y S2B-MSI. A continuación, mediante la localización de zonas espacialmente homogéneas, fue posible evaluar la relación entre las bandas L8 y las correspondientes de S2A y S2B para una amplia gama de valores de reflectancia Top-of-Atmosphere (TOA). Los resultados muestran altos coeficientes de determinación (R2) para S2 A/B con respecto a L8, con valores superiores a 0.980 para S2A y 0.984 para S2B. Debido a la menor correlación de las bandas NIR con diferente Relative Spectral Response (RSRs), se realizó una adaptación de la metologia de SNOs para el estudio de las bandas NIR 8-8A de S2 A/B. Al realizarse las adquisiciones de ambas bandas NIR de cada satélite S2 en un intervalo de tiempo nulo, las incertidumbres asociadas a efectos atmosféricos, de BRDF y de iluminación de la escena quedan eliminados, permitiendo observar únicamente los efectos debidos a las diferencias en las RSRs entre bandas y a las superfices espectrales utilizadas. Los resultados obtenidos muestran una gran correlación entre los pares de bandas NIR 8-8A a estudio de S2 A/B. A pesar de la diversidad de superficies utilizadas y las diferencias en su RSRs de ambas bandas NIR, el R2 muestra valores cercanos a 1, con un valor de 0.998 tanto para S2A como para S2B. Finalmente, para la metodología basada en PICS, con la aplicación del Coeficiente de Variación (CV) junto con el uso de un algoritmo de optimización de quasi-Newton combinado con la técnica de optimización global Basin-Hopping, se ha identificado una zona de interés mejorada (AOI) dentro de Libya-4. Este nuevo AOI posee unas características más homogéneas y estables, tanto temporal como espacialmente, con respecto a la zona propuesta por The Committee on Earth Observation Satellites (CEOS). Las diferencias entre el CV de ambas zonas son del orden del 1% en las bandas visibles e infrarrojo cercano (VNIR) de Landsat 8- OLI (L8-OLI) y Sentinel 2-MSI (S2-MSI). Los resultados obtenidos en esta tesis doctoral permiten mejorar los procesos de armonización de datos de sensores de alta resolución con una nueva metodología de SNOs, ágil y global. Además, se propone un nuevo AOI localizado dentro de Libya-4 con características más homogéneas y estables. Por ello, se puede concluir que esta tesis doctoral progresa en el perfeccionamiento de las metodologías de Calibración y Validación (Cal/Val) de sensores de satélite. Especialmente importante, es el posible impacto de la misma, en la mejora de la armonización e interoperabilidad de los datos de observación de la tierra utilizados por la comunidad científica. Palabras Clave: Teledetección; Armonización; Interoperabilidad; Calibración Radiométrica; Cross-Calibration; Zonas Homogéneas; Pseudo-Invariant Calibration Sites (PICS); Simultaneous Nadir Overpass (SNOs); Coeficiente de Variación (CV); Relative Spectral Response (RSRs).