CALIBRACIÓN​ ​ DE​ ​ SENSORES​ ​ MULTIESPECTRALES​ ​ Y ​ ​ SU APLICACIÓN​ ​ EN​ ​ UAVs

CASO​ ​ DE​ ​ ESTUDIO:​ ​

ANÁLISIS​ ​ DE​ ​ LA​ ​ CÁMARA​ ​ SEQUOIA

Autor:

Joan Cano Aladid

Directora/es:

Dra. Raquel Montorio Llovería
Dra. Paula Uribe Agudo
Dr. Jorge Angás Pajas

ÍNDICE

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizados
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro Ocean optics
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

INTRODUCCIÓN

  • La tecnología dron como herramienta
  • Adquisición de datos con cámaras multiespectrales
    • Gran interés
    • ¿Compatibilidad?, ¿uso?
  • Comportamiento radiométrico de la cámara
  • Estudios precisos
  • Estimar variables biofísicas
  • La calibración radiométrica de la cámara Sequoia
  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

OBJETIVOS

Realizar una calibración radiométrica de la cámara​ ​ Sequoia​ utilizando la reflectividad

  • obtenida con​​ el​​ espectrómetro​ STS-VIS.
  • procesada​ y​ proporcionada​​ por​​ Pix4D.
  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

ESTRUCTURA DEL TRABAJO

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

INSTRUMENTOS Y SOFTWARE UTILIZADOS

CÁMARA MS SEQUOIA

  • Específico para la agricultura
  • 4 sensores monocromos de 1,2 Mpx
  • Sensor RGB de 16 Mpx
  • Imágenes en TIFF (RAW)
  • Panel de calibración rápida 

Valores​ ​ de​ ​ albedo​ ​ del​ ​ panel​ ​ de​ ​calibración

Sensores​ ​ de​ ​ la​ ​ cámara​ ​ Sequoia​ ​ y ​ ​ región​ ​ del​ ​ espectro​ ​ que​ ​ ocupan

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

ESPECTRÓMETRO​ ​ STS

  • Necesarios para la calibración de sensores
  • Capaces de realizar mediciones de radiancia y reflectividad
  • Mediciones​
    • ​Aire > Mediciones radiancia reflejada
    • Tierra > Mediciones radiancia incidente

Características​ ​ del​ ​ espectrómetro​ ​ STS

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

Pix4D

Extracción puntos clave

Puntos clave que coinciden

Optimización modelo de la cámara

Geolocalización iḿagenes

Densifica la nube de puntos

Malla con textura 3D

MDS

Ortomosaico

Mapa de reflectividad

Índices

Procesamiento inicial

Nube de puntos y malla

DSM, Ortomosaicos e índices

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

R

  • Paquete de programación estadística avanzada
    • estadísticas
    • gráficos
  • Software libre (licencia GPL3)
  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

METODOLOGÍA:

CALIBRACIÓN RADIOMÉTRICA

Existen varios métodos..

Sensores en la misión

Dónde​ ​se​ realice

  • Absolutos 
  • Relativos
  • Laboratorio
  • En vuelo
  • Mediciones ​ in situ

CALIBRACIÓN VICARIA

MÉTODO​ ​ DE​ ​ LÍNEA​ ​ EMPÍRICA

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

METODOLOGÍA:

MÉTODO DE LÍNEA EMPÍRICA

¿Qué es?

Técnica de calibración radiométrica

Basada en

imágenes comunes

A partir de

medidas/targets de referencia (reflectividad)

Se pretende

comprobar que en cada banda espectral
existe una relación entre

ND ~ Reflectividad

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

METODOLOGÍA:

MÉTODO DE LÍNEA EMPÍRICA

Basada en

imágenes comunes

A partir de

medidas /targets de referencia (reflectividad)

Fijos​ ​y​ ​ pseudo-invariantes

suelo desnudos

goma​ ​ eva

Móviles

Green

Red

R. Edge

nIr

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

METODOLOGÍA:

MÉTODO DE LÍNEA EMPÍRICA

Se pretende

comprobar la relación entre

ND ~ Reflectividad

REGRESIÓN​ ​ LINEAL

Relaciona

  • variable dependiente (Y) ~ reflectividad
  • variable independiente (X) ~ ND
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  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

METODOLOGÍA: VUELO Y​ TOMA​ DE​ DATOS

Zona de estudio

campo de vuelo de Tecnitop S.A.

Planificación del vuelo

​eMotion (v.3.3.1.)

Altura de vuelo​

70​ ​ m

8’1​ ​ cm

GSD

Puntos de control

6 GCP

Solape entre imágenes

80%

Horario

14:00 pm

Total mediciones

14

Promedio por medición

15

Tiempo por medición

> 2min

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  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

CALIBRACIÓN CON EL​​ ESPECTRÓMETRO​ STS

TRATAMIENTO​ ​ DE​ ​ LOS​ ​ DATOS

  • Reducción de 400nm hasta 824nm
  • Reducción del ruido aleatorio
    • Promediado de las firmas
    • Aplicación a los datos de reflectividad el filtro ​ Savitzky-Golay
  • Promediado de las regiones del espectro correspondientes​ a las​ bandas​ de​ la​​ Sequoia
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  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

CALIBRACIÓN CON EL​​ ESPECTRÓMETRO​ STS

RESULTADOS

Correlación​ ​ STS​ ​ ~ ​ ​ ND

Regresión lineal​ ​ STS​ ​ ~ ​ ​ ND

  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

CALIBRACIÓN  A PARTIR DEL PANEL DE CALIBRACIÓN Y PIX4D

Sensor de

luminosidad

Tratamiento a la imágenes

Corrección radiométrica

  • Valores de reflectividad obtenidos a partir del procesado de las imágenes (en Pix4D)

 

  • ¿ Qué procesamiento realiza Pix4D a las imágenes para obtener la reflectividad ?
    • Documentación insuficiente
    • ¿ Qué está relacionado con la obtención del parámetro ?
  • Introducción
  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

CALIBRACIÓN  A PARTIR DEL PANEL DE CALIBRACIÓN Y PIX4D

SENSOR DE LUMINOSIDAD (Sunshine)

Proporciona información de luminosidad a los 5 sensores

Datos en matriz codificados en base64

8 sensores de luminosidad: fotodiodos CH0 / CH1

Colocado en la parte superior del UAV

Datos del sensor ​Sunshine: etiqueta IrradianceList

TRATAMIENTO DE LAS IMÁGENES

las imágenes no dejan de estar exentas a una serie de errores..

CALIBRACIÓN  A PARTIR DEL PANEL DE CALIBRACIÓN Y PIX4D

Errores​ ​ de​ ​ fondo

Corriente oscura: está en la metadatos. No se utiliza

Viñeteado

Oscurecimiento radial de los ND desde el punto central de la imagen

Distorsión​ ​ geométrica

Pix4D solo corrige la distorsión radial

Registro​ ​de​ ​las​ imágenes

  • Distancia entre los centros ópticos de los sensores: puede causar paralaje
  • Se toma un maestro como referencia: Verde
Black Current: 71.000000
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  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

CORRECCIÓN RADIOMÉTRICA

Transformación a valores de ND a radiancia en un proceso controlado por unos coeficientes de calibración

CALIBRACIÓN  A PARTIR DEL PANEL DE CALIBRACIÓN Y PIX4D

Parámetros

  • ε es​ el​ tiempo​​ de​​ exposición​ ​en​​ segundos:​​ 1/x  
  • γ​ es​ el​​ ISO
  • p es​​ el​​ valor​​ de​​ píxel  
  • f ​la​ distancia​​ focal
  • I la​​ irradiación​,​ medida​​ en​​ unidades​ arbitrarias (homogéneas​ ​ W ⋅ m-² ⋅ sr-¹ )
  • A, B y C son los coeficientes de calibración
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  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

TRATAMIENTO DE LOS DATOS

Transformación de radiancia a reflectividad

  • Multiplicando las imágenes con un coeficiente de calibración ​        K

CALIBRACIÓN  A PARTIR DEL PANEL DE CALIBRACIÓN Y PIX4D

K = Pi/avg(Li)
R = I * K
  • Pi:​ reflectividad​ ​conocida​ ​del​​ Panel​​ de​​ calibración
  • Avg(Li): media de los píxeles que caen dentro del panel de calibración
  • R​ es​​ la​​ reflectividad
  • I ​son​​ las imágenes transformadas​​ a radiancia
  • K​ es​ ​el​​ coeficiente​​ de​ calibración​ por​ banda​ para cada​​ imagen

Reflectividad​ ​ extraída​ ​ de los ortomosaicos

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  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

RESULTADOS

CALIBRACIÓN  A PARTIR DEL PANEL DE CALIBRACIÓN Y PIX4D

Correlación​ ​ SEQUOIA​ ​ ~ ​ ​ ND

Regresión​ ​ lineal​ ​ SEQUOIA​ ​ ~ ​ ​ ND

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  • Objetivos
  • Estructura del trabajo
  • Instrumentos y software utilizado
  • Metodología: calibración radiométrica
  • Calibración con el espectrómetro STS
  • Calibración a partir de su panel de calibración y Pix4D
  • Conclusión

CONCLUSIÓN

Relación entre los ND de las imágenes y los valores de reflectividad         tendencia​ ​ lineal​

Corrección radiométrica utiliza el panel de calibración. El​ sensor​ Sunshine​ no​ se​​ utiliza​​ en​​ el​ ​ proceso

Se aporta el proceso de corrección y tratamiento que realiza Pix4D

Leve​ ​infraestimación​ en el​​ canal​ del​​ verde

La cámara es apta para estimar variables biofísicas

Resultados muy similares en ambas calibraciones, por lo que los resultados​ ​se​​ pueden​ ​dar​ como​ ​válidos

C. Radiométrica        STS R² <  Panel y Pix4D

CALIBRACIÓN​ ​ DE​ ​ SENSORES​ ​ MULTIESPECTRALES​ ​ Y ​ ​ SU APLICACIÓN​ ​ EN​ ​ UAVs

CASO​ ​ DE​ ​ ESTUDIO:​ ​

ANÁLISIS​ ​ DE​ ​ LA​ ​ CÁMARA​ ​ SEQUOIA

GRACIAS

SEQUOIA - TFM

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