Radiometric calibration of airborne laser scanner data

Abstract

Airborne Laserscanning ist wegen seiner Fähigkeit die Struktur von Oberflächen genau und dicht abzutasten in den letzten Jahren eine Standard-Technologie für topographische Datengewinnung geworden. Für die Analyse und Klassifizierung der Topographie werden typischerweise geometrische aus der 3D Punktwolke abgeleitete Kriterien verwendet.<br />Darüber hinaus liefern ALS Systeme die physikalischen Beobachtungen Amplitude und (im Falle von Full Waveform ALS Systemen) Echoweite für jedes Echo zusätzlich zu seiner 3D Position. Diese, die zurück gestreute Energie beschreibenden Beobachtungen, beinhalten Informationen über die Rückstreueigenschaften der beleuchteten Oberflächen. Amplitude und Echoweite sind jedoch von vielen verschiedenen Faktoren abhängig, wie zum Beispiel der Distanz zwischen Sensor und Oberfläche, der Orientierung der Oberfläche relativ zum Sensor oder der atmosphärischen Dämpfung. Aufgrund des Mangels an Kalibrierungsstandards und -methoden ist das volle Potential dieser physikalischen Beobachtungen noch nicht ausgeschöpft. Die vorliegende Arbeit versucht daher dieser physikalischen Beobachtungen mittels radiometrischer Kalibrierung in physikalisch interpretierbare Werte umzuwandeln.<br />Basierend auf In-situ Flächen (i.e. Oberflächen im Projektgebiet) als externe Referenzflächen wurde eine absolute radiometrische Kalibrierungsmethode für ALS Daten entwickelt. Der Prototyp eines von der Firma Riegl Research Forschungsgesellschaft mbH zur Verfügung gestellten Reflektometers wurde getestet um Evaluierungssoftware und Regeln für den praktischen Gebrauch zu erstellen. Zusammen mit Spectralon Reflektivitätsstandards wurde das Reflektometer anschließend verwendet um die Rückstreueigenschaften dieser In-situ Flächen unabhängig vom ALS Flug zu bestimmen. Basierend auf diesen In-situ Referenzzielen wird eine Kalibrierungskonstante berechnet, die dann die radiometrische Kalibrierung des gesamten ALS Datensatzes ermöglicht.<br />Kalibrierungsresultate von zwei verschiedenen, das gleiche Testgebiet abdeckenden Datensätzen zeigen, dass die vorgeschlagene Methode nicht nur wiederholbare sondern auch absolute Werte zu produzieren ermöglicht.<br />Die relative Analyse von überlappenden Flugstreifen zeigt weiters, dass die radiometrischen Differenzen reduziert, d.h. vergleichbare Werte unabhängig von der Aufnahmegeometrie erreicht werden können. Die auf Reflektivitätsmessungen von Kontrollflächen basierende absolute Analyse zeigt die Fähigkeit der Methode absolute radiometrische Werte zu erzeugen. Das diffuse Reflektionsmaß einer annähernd homogenen Oberfläche kann mit einem Variationskoeffizienten von ca. 14 % bestimmt werden, d.h. die Standardabweichung ist ca. 14 % des mittleren Reflektivitätswerts.<br />Es wird erwartet, dass die radiometrische Kalibrierung von ALS Daten Klassifizierung und Monitoring von Oberflächen, die in der Wellenlänge des ALS Systems unterscheidbar sind, unterstützt. Wegen des absoluten Charakters der präsentierten Kalibrierungsmethode wird die auf diesen radiometrisch kalibrierten Werten basierende Klassifizierung unabhängig von Sensor- und Flugparametern. Außerdem ermöglicht sie im Fall von kontinuierlich wiederholten ALS Kampagnen eines bestimmten Gebiets den Status verschiedener Oberflächen zu dokumentieren. Folglich ist auch die Detektion von Veränderungen möglich.<br />

In the last years airborne laser scanning (ALS) has become a state-of-the-art technology for topographic data acquisition due to its ability to accurately and densely sample the surface structure. For the analysis and classification of the topography, geometric criteria derived from the acquired 3D point cloud are typically used. Moreover, ALS systems deliver the physical observables amplitude and (in case of full waveform ALS systems) echo width of each echo in addition to its 3D position. These observables describing the return power carry information about the backscatter characteristics of the target. They are, however, influenced by a lot of different factors, such as the range between sensor and target, the orientation of the target surface relative to the sensor or the atmospheric attenuation. Due to the lack of calibration standards and methods, their potential has not yet been fully exploited. Thus, the present thesis deals with the radiometric calibration of these physical observables into physically interpretable values.<br />Within the thesis an absolute radiometric calibration method for ALS data was developed based on in-situ surfaces as external reference targets, i.e. surfaces within the project area. The prototype of a reflectometer, provided by the company Riegl Research Forschungsgesellschaft mbH, was tested to derive evaluation software and rules for the practical usage. The reflectometer was then utilized together with Spectralon reflectance standards in order to determine the backscattering characteristics of these in-situ surfaces independently from the ALS flight. Based on the in-situ reference targets, a calibration constant can be estimated, which, subsequently, allows the radiometric calibration of the whole ALS data set. Calibration results of two different data sets covering the same test site demonstrated that the proposed method enables to produce not only repeatable but also absolute values. The relative analysis of overlapping flight strips showed that radiometric differences can be reduced, i.e. comparable values can be achieved regardless of the measurement geometry. The absolute analysis based on the reflectance measurements of ground control patches showed the ability of the method to create absolute radiometric values. The diffuse reflectance measure of a well homogeneous surface can be determined with a coefficient of variation of about 14 %, i.e. the standard deviation is about 14 % of the mean reflectance value.<br />Radiometric calibration of ALS data is expected to support classification and monitoring of surfaces which are well separable in the wavelength of the ALS system. Due to the absolute character of the presented calibration method, classification based on these radiometrically calibrated values becomes independent of sensor and mission parameters. Moreover, in case of continuously repeated ALS campaigns covering a certain area, it enables to document the status of different surfaces and, thus, also the detection of changes.<br />