Studi Scientifici a Supporto della Missione PRISMA

RIUNIONE TECNICAcon il team industriale

20 marzo 2012Agenzia Spaziale Italiana

ROMA

- Scambio di informazioni per facilitare lo sviluppo dei simulatori (per lo strumento e per i dati).

- Caratteristiche tecniche del payload ottico di PRISMA e della piattaforma:

- Telescopio e camere pancromatica ed iperspettrale VNIR e SWIR

- Elettronica- Calibrazioni- Piattaforma

- Contributi alla definizione dei prodotti L1

- Technical Note di Selex Galileo del 8/2/2012

OBIETTIVI DELLA RIUNIONE

TECHNICAL NOTE

Selex Galileo

ALLINEAMENTO SPETTRALE

CAMERA IPERSPETTRALEDefinire due lunghezze d’onda, una tra 0,40 µm e 1,010 µm ed una tra 0,90 µm e 2,50 µm, di particolare interesse.

COMMENTOLa larghezza di banda di 10 nm dei singoli canali non rende molto critica questa scelta: basterà che uno o più canali siano centrati su righe di assorbimento di gas presenti in atmosfera.

ALLINEAMENTO SPETTRALECOMMENTOCalibrazione strumentale di uno spettroradiometro di campo: confronto della misura di radianza riflessa da una superficie di riferimento e la simulazione di uno spettro di irradianza con MODTRAN (Busetto et al., 2011) Lo shift, mediamente pari 4 nm, è evidente nella banda di assorbimento dell’O2 atmosferico a 761 nm. In base a questa analisi è stato poi possibile ridefinire il posizionamento dei centri di banda dello spettroradiometro.

Confronto tra valori errati misurati (in blu) e riposizionati (in rosso) in base alle simulazioni MODTRAN.

ISMAR

ALLINEAMENTO SPETTRALE

AZIONEEsaminare gli spettri ad alta risoluzione (∆λ>1nm) di radianza al sensore attesi al variare delle condizioni di acquisizione.

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5

Radi

ance

(W sr

-1m

-2µm

-1)

wavelength (µm)

Continental aerosol

At-Sensor radiance 6SV1.1

At-Sensor Radiance Modtran 5 step 1nm

6SV1.1 Path Radiance

At sensor radiance Modtran 5 step 2.5nm

INGV: ALLINEAMENTO SPETTRALE

Definizione di due lunghezze d’onda, una tra 0,40 µm e 1,010 µm ed una tra 0,90 µm e 2,50 µm, di particolare interesse.• VNIR: Si potrebbe indicare la banda di assorbimento dell’ossigeno a 760 nm.

• SWIR:Si potrebbe scegliere una delle lunghezze dove la CO2 presenta un assorbimento non influenzato da altri assorbitori, come (in µm):1.998, 1.999, 2.0, 2.001, 2.004, 2.008, 2.009, 2.010, 2.011, 2.012 e 2.013.In questo intervallo spetrale è, fra l’altro, previsto un elevato SNR (vedi nota tecnica Pippi, Tab.4).

• Accuratezza centri banda: migliore o uguale a quella con la quale vengono misurate le SRF.

SAP4PRISMA: ALLINEAMENTO SPETTRALE

• VNIR: In riferimento al VNIR la banda dell’ossigeno a 760nm potrebbe essere utilizzata a questo scopo. Assorbimento dell’O2 assicurerebbe un buona precisione nella localizzazione anche delle bande del K (766,5 e 769,9nm) che sono state utilizzate per la detection di active fires. .

• SWIR:Nel range dello SWIR la banda di 10nm non assicura la identificazione di molti minerali che hanno features normalmente più strette nello SWIR, comunque si potrebbero utilizzare gli assorbimenti a: 2324nm calcite (travertino), 2308nm dolomite, 2200 caolinite, 2325 serpentino.Cmq la definizione della CW per il VNIR e lo SWIR richiede la conoscenza esatta delle caratteristiche di dispersione utilizzato per PRISMA (SSI/).

SPECTRAL RESPONSE FUNCTION

CAMERA IPERSPETTRALEVerranno forniti i punti misurati per tutte le bande ma non per tutti i pixel.

COMMENTOSarebbe utile disporre di misure per il maggior numero possibile di punti distribuiti su tutta la fenditura.Risulta accettabile la risoluzione spettrale di misura di almeno 1 nm.

AZIONEFornire le misure.

SAP4PRISMA: SPECTRAL RESPONSE FUNCTION

CAMERA IPERSPETTRALEVerranno forniti i punti misurati per tutte le bande ma non per tutti i pixel.

COMMENTOse si prevede che la SRF vari in modo significativo sulla matrice di rivelatori è importante caratterizzare tale variazione. Poiché non pare possibile misurare la SRF di ogni rivelatore della matrice, potrebbe essere utile misurare quella relativa a pixel opportunamente distribuiti sulla matrice di acquisizione in modo da poter risalire alla SRF approssimata di ogni rivelatore mediante interpolazione. Per quanto riguarda il passo di indagine, ovvero il passo di campionamento con cui verrà misurata la SRF, si ritiene che 1nm sia sufficiente per caratterizzare una SRF che nominalmente ha una fwhm=10nm.Infine, per quanto riguarda la normalizzazione della SRF, la convenzione è quella di avere SRF normalizzata all'area. Tuttavia, si ritiene che questo punto non sia molto critico in quanto data la curva normalizzata in ampiezza è facile ricavare quella normalizzata all'area e viceversa

CALIBRAZIONE RADIOMETRICA

CAMERA IPERSPETTRALEDefinire la metodologia con sorgente di radianza calibrata oppure con rivelatore calibrato per misurare la radianza utilizzata come stimolo.

COMMENTOAnche se la prima soluzione sembra la migliore, bisognerebbe conoscere la configurazione di misura.

AZIONEApprofondire la scelta dell’utilizzo della sorgente calibrata.

INGV: CALIBRAZIONE DELLO STRUMENTO

Definizione delle SRF (Spectral Response Function)

• Definita per ogni banda degli spettrometri VNIR, SWIR e per il PAN

• Passo di campionamento: costante e non superiore a 1 nm• Modalità di campionamento: visto che la campionatura in tutti i pixel e’ difficoltosa, si suggerisce di prendere la riga centrale e due righe una sopra e una sotto vicino ai bordi matrice.

• Reperibilità della SRF: si suggerisce di incapsulare le SRF all’interno degli HDF per ogni immagine

• SRF di ogni canale prima del ricampionamento del dato all’uscita della separazione del prisma

INGV:CALIBRAZIONE DELLO STRUMENTO

Tipo di calibrazione: sorgente interna o rilevatore interno

• Si preferisce la configurazione con sorgente calibrata interna

• Di essa dovrebbero essere note caratteristiche come stabilità e coefficienti di calibrazione

the radiance detected by the sensor in one band would be an average, weighted by the fractional area, of the two radiances related to the different temperatures.

Rtot = fr (Rh) + (1 - fr) Rc

If two distinct temperatures, Th and Tc, characterized by strongly different values, represent a radiant pixel,

Pixelsize

Tc

Th

INGV: SATURAZIONE DELLO STRUMENTO

• Evitare la saturazione del sensore nelle bande SWIR è determinante per l’osservazione di superfici ad alta temperatura come: incendi, eruzioni vulcaniche, incidenti industriali

• Studio di colate recenti o in corso:• temperature della parte fusa tra i 900 e 1100 °C, e

temperature della crosta tra 300 e 400 °C • lunghezza d’onda: 2.2 µm tipicamente usata per il calcolo

delle temperature delle lave attive• Tenuto conto di una frazione di pixel occupata dalla lava

fusa di 0.0005 (si giunge anche a 0.05) si ottiene una temperatura integrata del pixel di 546 ° C

il sensore dovrebbe avere una soglia di saturazione superiore ai 600 C

Utilizzando Th=1000, Tc=400 e fh=0.005 otteniamo la seguente radianza integrata (curva in rosso):

L‘intervallo spettrale considerato è 500-3000 nm e e la radianza e’ espressa in W/m2/sr/nm. Le curva superiore e inferiore rappresentano rispettivamente le radianze spettrali corrispondenti alle due temperature Th e Tc

Theorical integrated radiance 2Theorical integrated radiance 1

SAP4PRISMA: CALIBRAZIONE DELLO STRUMENTO

Tipo di calibrazione: sorgente interna o rilevatore interno

• Potrebbe essere utile conoscere la strategia e la sinergia di utilizzo dei tre sistemi [1) lampade, 2) sole, 3) luna] prima di esprimere un giudizio.

• L’utilizzo di lampade è sicuramente corretto, ma sarebbe utile conoscere od almeno avere una valutazione sulla variazione di queste sorgenti nel tempo e la loro potenza (vedi anche nota INGV su saturazione).

• Sarebbe utile inserire anche qualche elemento (lampade o pannelli) per la verifica della calibrazione spettrale in volo.

N.B. In riferimento al punto proposto da INGV sulla saturazione, si fa presente che oltre alla saturazione è importante ottenere una caratterizzazione del sensore per bassi segnali in quanto ciò determina il successo o meno delle applicazioni sulle acque marine ed interne

VALIDAZIONE DATI

CAMERA IPERSPETTRALEDefinire le attività di validazione dati.

COMMENTOSarebbe necessario definire il quadro completo delle attività di calibrazione e validazione sia pre-lancio che post-lancio.

AZIONEApprofondire la tematica.

- MISURE VICARIE

ATTIVITÀ DI VALIDAZIONE

TIPOLOGIA Parametri misurati

Misure in campo e a mare

Parametri atmosferici

-Temperatura- Pressione- Umidità-Trasparenza atmosferica- Irradianza solare integrata- Irradianza spettrale solare al suolo-Aerosol

Parametri del suolo

-Riflettanza spettrale di suoli e manufatti- TBD

Misure in laboratorio - Riflettanza spettrale su campioni di suoli e manufatti

- TBD

VALIDAZIONE DATI

ES. APPLICAZIONI IN ACQUE COSTIERE E INTERNE

campagne ad hoc in sincronia alle osservazioni satellitari su diversi ambienti acquatici con proprietà ottiche differenti.

- misure in acqua di riflettanza, di IOP e di conc. di chl-a, TSM e CDOM (dati utili per valutare le metodologie di elaborazione dati di Level 2b e Level 3 e Level 2c).

strumentazione di siti per la raccolta automatica e/o periodica di dati in situ

- Piattaforma Acqua Alta in alto Adriatico- Stazione Sperimentale Eugenio Zilioli di Sirmione sul

lago di Garda

ISMAR

INGV: VALIDAZIONE DELLO STRUMENTO

• Validazioni vicarie dei dati iperspettrali• effettuate mediante campagne di misura periodiche su aree

di riferimento durante le quali verranno acquisite misure: • atmosferiche, irradianza solare, riflettanze spettrali dei

materiali superficiali, temperatura delle superfici. • Si propone l’istituzione di un sito vicario permanente:

• ampia zona desertica situata nel deserto Algerino • il sito sarà caratterizzato dal punto di vista litologico,

spettroscopico e climatologico • Il sito sarà alla fine del progetto di renderlo disponibile

durante la fase attiva del sensore PRISMA

SAP4PRISMA: VALIDAZIONE DELLO STRUMENTO

• Il progetto non utilizza siti di calibrazione per verificare le performance radiometriche del sensore; al momento sono previsti siti di validazione per le applicazioni (es. Maccarese).

• Si ritiene opportuno trovare una sinergia europea per l’identificazione dei siti di calibrazione

SOGLIE DI GENERIC COVER MASK

CAMERA IPERSPETTRALEPresentazione di Selex Galileo.

COMMENTOAndrebbe definito lo scopo.

AZIONEFornire suggerimenti.

DESTRIPING

CAMERA IPERSPETTRALEUtilizzo sia delle tecniche di destriping per la correzione a posteriori che matrici di offset e guadagni.COMMENTOPer quanto riguarda il destriping si suggerisce l’utilizzo di tecniche consolidate (riportate in letteratura quali: A.Barducci, I.Pippi "Analysis and Rejection of Systematic Disturbances in Hyperspectral Remotely Sensed Images of the Earth“ Applied Optics - LP, 20 March 2001, vol.40, n.9, pp.1464-1477.).AZIONEFornire suggerimenti e definire meglio l’utilizzo delle matrici di offset e guadagni.

INGV: SNR DELLO STRUMENTO

• Si ritiene importante avere informazioni sul Signal to Noise Ratio (SNR) sia per le bande VNIR sia per le bande SWIR

• E’ inoltre importante avere anche la valutazione dei corrispondenti Noise Equivalent Delta Radiance (NER)

• Le valutazioni di SNR e NER dovrebbero essere incapsulate anche nei file HDF delle immagini

• Si ribadisce la necessità di SRF di ogni canale prima del ricampionamento del dato all’uscita del separazione del prisma

SAP4PRISMA: DESTRIPING

E’ auspicabile che tale relazione venga caratterizzata anche nelle zone di non linearità. Tuttavia, tale misura avverrebbe in laboratorio e non terrebbe conto degli eventuali cambiamenti della caratteristica DN/L nelle condizioni operative. SELEX dovrebbe chiarire il tipo di variabilità che è prevista per le caratteristiche DN/L. A titolo d'esempio, si considerino i seguenti tre casi

1) le caratteristiche DN/L del sensore in orbita non cambiano sensibilmente e sono quelle misurate in laboratorio (ipotetico). In questo caso evidentemente la caratterizzazione a terra delle curve DN/L evita lo striping.

2) le caratteristiche DN/L cambiano ma tale cambiamento è dello stesso tipo per tutti i rivelatori. Per maggior chiarezza si pensi al caso in cui le curve DN/L rimangono le stesse a meno di un offset che dipende da rivelatore a rivelatore. In questo caso, una sola sorgente di calibrazione permetterebbe, in teoria, di compensare di nuovo le variazioni ed eliminare lo striping.

3) le caratteristiche DN/L cambiano forma da rivelatore a rivelatore. In questo caso un residuo di striping continuerebbe a comparire e andrebbe compensato con tecniche di post-processing supervisionate ([1]) o non supervisionate ([2], [3]).

• [1] G. Corsini, M. Diani, T. Walzel, Striping removal in MOS-B data, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 38, N. 3, May 2000, pp. 1439-1445.

• [2] N. Acito, M. Diani, G. Corsini, Subspace based striping noise reduction in hyperspectral images, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Vol. 49, No. 4, February 2011, pages 1325-1342.

• [3] N.Acito, M. Diani, G. Corsini, Residual striping reduction in hyperspectral images, 17th International Conference on Digital Signal Processing, 2011, doi: 10.1109/ICDSP.2011.6005002, pp.1-7

RICHIESTE A SELEX GALILEO

CORREZIONE ED INTEGRAZIONE DELLA NOTA TECNICA

In particolare fornire:- Dimensioni della pupilla d’ingresso- Trasmittanza spettrale totale delle ottiche- Sensibilità e risposta spettrale dei rivelatori

- Stato di avanzamento dei prodotti L0 e L1 e loro suddivisione

- Struttura dei file HDF-5- Dimensioni e ridondanza della memoria dati per

decimazione canali spettrali.