کالیبراسیون رادیومتری
پایش محیطی اغلب مستلزم مقایسه تصاویر گرفته شده در زمان‌ها یا مکان‌های جغرافیایی مختلف است. برای انجام صحیح این کار، لازم است کالیبراسیون رادیومتری را روی تصاویر اعمال کنید. این به این دلیل است که تابش اندازه گیری شده توسط سنسور از راه دور بر روی یک ویژگی خاص تحت تأثیر تغییرات در روشنایی صحنه، شرایط جوی، هندسه مشاهده، ویژگی‌های پاسخ سنسور و سایر عوامل است. نوع تصحیح رادیومتری در حسگر به سنسور بسیار متفاوت است و بستگی به کاربرد خاص آن دارد. در این بخش ما روی تبدیل DN به تابش، تصحیح ارتفاع خورشید و تبدیل تابش به بازتاب برای تصاویر چند طیفی تمرکز می‌کنیم.
تبدیل DN به درخشندگی
سیستم‌های حسگر معمولا طوری طراحی شده‌اند که پاسخی خطی به درخشندگی طیفی حادثه ایجاد کنند. در نتیجه مقادیر پیکسل یا مقادیر DN در یک تصویر معمولاً تغییر خطی از مقدار فیزیکی تابش طیفی است که توسط سنسور اندازه گیری می‌شود تا در محدوده مثلاً ۸ بیتی (صفر الی ۲۵۵) یا ۱۲ بیتی قرار گیرد. بیت (صفر الی ۰۹۵/۴ ). برای سیستم حسگر چند طیفی، هر باند طیفی عملکرد پاسخ خود را دارد. با اعمال تابع پاسخ، مقادیر DN را می‌توان به مقادیر تابش طیفی تبدیل کرد. به طور کلی تابع پاسخ برای باند λ معین می‌تواند به صورت زیر نوشته شود :
که در آن عدد دیجیتال ثبت شده برای باند λ است، تابش طیفی اندازه‌گیری شده روی باند است، شیب تابع پاسخ است که به آن بهره یا افزایش گفته می‌شود و نقطه قطع تابع پاسخ به نام جبران یا بایاس است.
د اینجا عدد دیجیتالی برای باند λ ثبت شده است، آیا درخشندگی طیفی روی باد اندازه گیری می‌شود، آیا شیب تابع پاسخ به عنوان افزایش نامیده می‌شود و آیا تابع پاسخ نامیده می‌شود که جبران یا بایاس نامیده می‌شود.
بگذارید Lmin تابش طیفی مربوط به حداقل مقدار DN کمی شده و کالیبره شده باشد (معمولاً صفر)، Lmax تابش طیفی در حداکثر مقدار DN کوانتیزه و کالیبره شده و DNmax حداکثر مقدار DN برای باند λ است. محاسبه می‌شود:
و بر حسب واحد وات/(استرادیان × متر مربع × میکرومتر) هستند. DNmax به وضوح رادیومتری طراحی شده برای سنسور بستگی دارد. برای یک سنسور ۸ بیتی مانند Landsat TM یا ETM+، ۲۵۵ است. یک مجموعه برای هر حالت افزایش برای هر باند وجود دارد. لندست ETM+ دارای دو حالت افزایش (سود کم و زیاد) است. حالت افزایش زیاد ، محدوده درخشندگی باریک تری را با افزایش حساسیت در مناطق با بازتاب کم اندازه گیری می‌کند، در حالی که تنظیم سود کم، محدوده تابش وسیع تری را با کاهش حساسیت برای مناطق با بازتاب بالا اندازه گیری می‌کند. هدف در تغییر حالتهای افزایش، حداکثر رساندن وضوح رادیومتری ۸ بیتی سنسور بدون اشباع آشکارسازها است. مقادیر و (یا افزایش و جبران) برای هر باند معمولاً از ابرداده تصویر بازیابی می‌شود یا از ارائه دهنده داده دریافت می‌شود. درخشندگی طیفی محاسبه شده با رابطه ۶-۳ نیز درخشندگی ظاهری در حسگر یا درخشش بالای اتمسفر (TOA) نامیده می‌شود (اندازه گیری شده توسط سنسوری که بالاتر از جو زمین پرواز می‌کند) که شامل سهم اتمسفر است. تبدیل DN به درخشندگی هنگام مقایسه درخشندگی واقعی اندازه گیری شده توسط سنسورهای مختلف، به عنوان مثال لندست TM و ETM+ ، یا ETM+ در مقابل OLI مفید است. همچنین هنگام ایجاد روابط کمی بین داده‌های تصویر و اندازه گیری‌های زمینی مانند کیفیت آب و داده‌های زیست توده گیاهی مفید است.
اصلاح ارتفاع خورشید
تصاویر گرفته شده در زمان‌های مختلف سال یا زمان‌های مختلف روز احتمالاً توسط خورشید در زوایای مختلف روشن می‌شوند. همانطور که در نشان داده شده است شکل ۶-۱۰، زاویه ارتفاع خورشید از تابستان تا زمستان برای سنسور یکسان و مکان مشابه کاهش می‌یابد. برای جبران میزان مختلف نوردهی صحنه‌های گرفته شده در زمان‌های مختلف روز یا در عرض جغرافیایی یا فصول مختلف، می‌توان تصحیح ارتفاع خورشید را اعمال کرد. تصحیح شامل عادی سازی تصاویر بدست آمده در زوایای مختلف ارتفاع خورشیدی تا نقطه اوج با استفاده از معادله زیر است:
که در این فرمول مقدار تابش تصحیح شده است و α زاویه ارتفاع خورشید است. این معادله اثرات توپوگرافی و اتمسفر را نادیده می‌گیرد. مکان، زاویه ارتفاع خورشید از مرکز صحنه و تاریخ و زمان تصویری گرفتن یک صحنه خاص معمولاً در فراداده تصویر ارائه می‌شود.
تبدیل تابش به بازتابندگی
تابش متغیری است که مستقیماً توسط ابزارهای سنجش از دور اندازه گیری می‌شود. بازتاب ویژگی هدف مورد مشاهده است. از آنجا که بازتاب اغلب در استخراج اطلاعات بیوفیزیکی مانند استخراج مقادیر شاخص پوشش گیاهی استفاده می‌شود، تبدیل تابش طیفی اندازه گیری شده توسط حسگر به بازتاب ظاهری یا بازتاب سیاره ای TOA مفید است. بازتاب TOA کل بازتاب طیفی در سنسور از هدف و جو است. به عنوان آلبدو نیز شناخته می‌شود. بازتاب ظاهری برای هر باند جداگانه با استفاده از معادله زیر محاسبه می‌شود :
که در این فرمول انعکاس ظاهری (بدون واحد) برای گروه λ است، در فاصله نسبی زمین -خورشید در واحدهای نجومی برای روز تصویربرداری، Es میانگین تابش‌های خارجی جو و خورشید و θ زاویه اوج خورشید در درجه است. اطلاعات مربوط به d و معمولاً بخشی از داده‌های جانبی است که همراه با تصاویر ارائه شده یا در کتابچه راهنمای کاربران داده شده است. اگر تصویر برای اثرات جوی تصحیح شده باشد، مقدار محاسبه شده توسط رابطه ۶-۵ برآورد بازتاب هدف واقعی است.
معادلات کالیبراسیون رادیومتری ارائه شده در بالا را می‌توان در GIS از طریق جبر نقشه پیاده سازی کرد (بخش ۴-۴ و کادر ۴-۱۱ را ببینید). برخی از بسته‌های GIS دارای عملکردهای تخصصی برای کالیبراسیون رادیومتری هستند. برای مثال تابع بازتاب ظاهری ArcGIS برای کالیبره کردن تصاویر سنجش از دور رادیومتری برای برخی از سنسورهای ماهواره ای، از جمله تمام سیستم‌های حسگر Landsat، IKONOS، Quickbird، GeoEye-1، RapidEye، DMCii، WorldView-1، WorldView-2، SPOT 6 و Pleia طراحی شده است. این عملکرد دو کالیبراسیون را انجام می‌دهد. اولین کالیبراسیون تبدیل مقدار DN به درخشندگی TOA بر اساس خواص سنسور (یعنی تنظیمات افزایش) است. مورد دوم تبدیل درخشندگی TOA به بازتابش TOA بر اساس ارتفاع و تاریخ جذب خورشید است. کادر ۶-۴ نحوه استفاده از این تابع را نشان می‌دهد.
شکل ۶-۱۰ زوایای ارتفاع خورشیدی در فصول مختلف