Illumination Compensation for Aerial Video Images to Increase Land Cover Classification Accuracy in Mountains

RÉSUMÉ

Les effets de la topographie sur les caractéristiques radiométriques des images vidéo aériennes sont examinés dans le contexte de la classification de la couverture du sol dans les contreforts des Alpes allemandes. La région d'étude est une zone forestière, avec une topographie en pente modérée, à Hirschberg, près de Garmisch-Partenkirchen, à une altitude de 650–1000 mètres. Les types d'utilisation qui prédominent aux altitudes élevées sont la pessière en monoculture et la hêtraiesapinière indigène, alors que dans les zones plus basses on s'adonne à la production laitière et aux cultures fourragères.

Comme le site d'étude est situé dans la marge septentrionale des Alpes, les pentes sont généralement exposées au nord-ouest. Au moment de l'acquisition des images vidéo, le soleil était au sud-est, causant ainsi des différences d'éclairement entre les points présentant des différences d'exposition. Les différences de réflectance causées par les variations d'éclairement sont bien en évidence dans les données vidéo.

Afin de compenser pour l'impact de ces différences d'éclairement sur la radiométrie de l'image, des modèles de rayonnement solaire ont été construits pour le terrain incliné tel qu'observé et pour une surface horizontale basés sur l'utilisation d'un modèle numérique de terrain (MNT) et les techniques du modèle Standard Clear Sky Atmosphere (modèle standard d'atmosphère de ciel clair). Toutefois, il est devenu évident que l'application de ce dernier modèle résulte en une surcorrection, surtout pour les pentes peu illuminées du nord-ouest, en raison de l'importance de l'éclairement du ciel et de la luminance de parcours. La surcorrection altère la qualité des données et des tentatives ont été réalisées pour corriger ce problème en prenant en considération les conditions atmosphériques observées et par postcorrection empirique.

Pour tester l'utilité et l'effet de la correction pour l'éclairement, on a réalisé la classification de la couverture du sol séparément pour les données non corrigées et les données corrigées, utilisant les mêmes zones d'entraînement et un classificateur de maximum de vraisemblance similaire. Le taux de précision de la classification obtenu a été de 74,0% avec les données non corrigées, de 59,5% après correction avec le modèle Standard Clear Sky (modèle standard de ciel clair), de 66,1% en tenant compte des conditions atmosphériques observées et de 91,3% après postcorrection empirique.

La nécessité de correction pour l'éclairement en télédétection dans le cas de relief accidenté s'est avérée essentielle et le potentiel de la méthode dans ce domaine est démontré. Des corrections doivent être faites pour tenir compte de la pente et de l'orientation afin de permettre l'utilisation des données de vidéo aérienne numérique dans le contexte de l'analyse quantitative ou de la classification de la couverture du sol.

SUMMARY

The effects of topography on the radiometric characteristics of aerial video images are examined in a context of land cover classification in the foothills of the German Alps. The area concerned is forested, moderately sloping terrain at Hirschberg near Garmisch-Partenkirchen, at an altitude of 650–1000 metres. The predominant land use types at the higher elevations are monoculture spruce forest and indigenous beech-fir forest, while dairy farming and grassland cultivation is practised in the lower areas.

Since the test site is located on the northern margin of the Alps, the slopes are in general exposed to the north-west. At the time of the video monitoring flight the sun was in the south-east, causing illumination differences between points of differing exposure. The differences in reflectance caused by illumination variations are well in evidence in the video data.

In order to compensate for the impact of these illumination differences on the image radiometry, solar radiation models were constructed for the actual inclined terrain and for a horizontal surface using the digital terrain model (DTM) and Standard Clear Sky Atmosphere model techniques. However, it became evident, that the latter results in overcorrection, especially on the faintly illuminated north-west slopes, because of the strength of the sky illumination and path radiance. This overcorrection detracts from data quality, and attempts were made to overcome it by taking account of the actual atmospheric conditions and by empirical post-correction.

To test the usefulness and impact of illumination compensation, the land cover classification was performed separately for uncorrected and corrected data using the same training areas and a similar maximum likelihood classifier. The classification accuracy achieved was 74.0% with uncorrected data, 59.5% after correction with the Standard Clear Sky model, 66.1% after taking account of the actual atmospheric conditions and 91.3% after empirical post-correction.

The need for illumination compensation in the remote sensing of rough terrains is demonstrated and the capabilities of the method in this respect are proved. In order to use digital video data for quantitative analysis or landcover classification, corrections must be made to allow for the effects of slope and aspect.