Spectrale banden

Het Elektromagnetisch Spectrum

Het aardoppervlak weerkaatst zonlicht. De hoeveelheid weerkaatst licht hangt af van de specifieke eigenschappen van het aardobject.Zo reflecteert water bijvoorbeeld slechts tot ongeveer 0.72 µm, terwijl het licht met langere golflengtes vrijwel volledig absorbeert. Elk object of landschapselement heeft dus een unieke spectrale signatuur, waarbij de reflectie varieert met de golflengte.

Spectrale signatuur van water, vegetatie en bodem.

Oefening: het elektromagnetisch spectrum

Vraag 1 - Welke golflengtes zijn niet geschikt voor het onderscheiden van bodem met groene vegetatie?
Vraag 2 - In welke golflengtes lijkt water zwart op de afbeelding?

Het menselijke oog is in staat om alleen golflengten waar te nemen in het bereik van 0.4 µm tot 0.7 µm, wat overeenkomt met het zichtbare licht. Multispectrale satellieten zoals Sentinel-2 daarentegen kunnen gereflecteerd zonlicht detecteren over een breder spectrum, inclusief het infrarode, ver-infrarode en thermische deel van het elektromagnetische spectrum.

De specifieke delen van het spectrum die een sensor kan detecteren, zijn afhankelijk van de sensor zelf. Elke satelliet heeft namelijk een bepaalde spectrale gevoeligheid, aangeduid als de spectrale resolutie. Hoe gevoeliger een sensor is voor kleine spectrale verschillen (kleine golflengte-intervallen), des te hoger is de spectrale resolutie.

Bandverdeling Sentinel-2

Laten we bekijken welke delen van het elektromagnetisch spectrum Sentinel-2 vastlegt.Een Sentinel-2-beeld bevat 13 spectrale banden met ruimtelijke resoluties van 10 m, 20 m of 60 m:

Bandverdeling van Sentinel-2, met centrale golflengte en ruimtelijke resolutie per band.

Vergelijking van de bandverdeling tussen Sentinel-2, Landsat 8 en Landsat 7 ten opzichte van golflengtes.

Bandvisualisatie in Google Earth Engine

De volgende codefragmenten hebben tot doel om banvisualisatie mogelijk te maken binnen Google Earth Engine. Tijdens dit practicum ligt de nadruk vooral op het begrijpen van de visualisatie en spectrale eigenschappen.
In de volgende practica gaan we dieper in op de verwerking en analyse van aardobservatiegegevens.

Inladen van een Sentinel-2 beeld in Earth Engine

We gaan werken met een beeld boven Belém (Brazilië), opgenomen op 11 september 2024.
Dit beeld is in Earth Engine beschikbaar als een ee.Image-object. Maak een nieuw scriptje aan, en voeg onderstaande code toe aan je project;

// Sentinel-2-beeld van Belém (11 september 2024)
var S2_Belem = ee.Image('COPERNICUS/S2_SR_HARMONIZED/20240911T133831_20240911T133831_T22MGD');
print(S2_Belem);

// Kaart centreren op het beeld
Map.centerObject(S2_Belem, 9);

Hiermee werd slechts een variabele aangemaakt die het beeld omvat, maar er werd nog niks gevisualiseerd. Bekijk eerst de beschikbare banden van het beeld met de functie .bandNames(). Naast de multispectrale banden, bevat het beeld ook metadatabanden, met informatie over de wolkbedekking, atmosferische conditie, ... per pixel.

//Print de beschikbare bandnamen
print('Banden Sentinel-2' , S2_Belem.bandNames())

Vervolgens selecteren we de NIR-band. Voor Sentinel-2 is de NIR-band 'B8'. Om een beeld te visualiseren (toevoegen aan het mapvenster) wordt gebruik gemaakt van de functie Map.addLayer():

// Selecteer de NIR-band afzonderlijk = band 8 (zie bandenlijst):
var nir = S2_Belem.select('B8')

// Visualiseer de band:
Map.addLayer(nir)

De kaart toont nu een zwart vlak. Dat komt doordat er geen visualisatieparameters zijn ingesteld: Earth Engine gebruikt standaard het volledige bereik van pixelwaarden. Om meer contrast te krijgen, gebruiken we image stretching en bekijken we eerst het histogram.

Histogram

Een histogram is een grafische weergave van de verdeling van pixelwaarden in een afbeelding.
De horizontale as toont de intensiteitswaarden, de verticale as het aantal pixels per interval.

Gebruik volgende code om het histogram van een band te genereren in Earth Engine:

//Initialiseren van een historgram via de ui.Chart functie
var nirHist = ui.Chart.image.histogram({
  image: nir,    //band waarvan we het histogram wensen te plotten
  scale: 10,        // pixelresolutie waarbij we werken (= 10m voor de NIR band)
  maxBuckets: 50,   // Aantal "bars"
  maxPixels: 1e12   // Verhogen van de rekencapaciteit Earth Engine
});

//Stijlopties
nirHist = nirHist.setOptions({
  title: 'Histogram van de nir-band'
});

//Histogram schrijven naar de console
print(nirHist)

Interpreatie van het histogram

Vraag ** - Wat zijn de minimum- en maximum pixelwaarden van de huidige visualisatie?
Vraag 4** - In welk bereik van pixelwaarden bevinden de meeste pixels zich?

Image Stretching (contrastverhoging)

Image stretching verhoogt het contrast tussen pixels door ze uit te rekken over een nieuw intensiteitsbereik.
De keuze van dit bereik bepaalt welke objecten beter zichtbaar worden.

De nir-band dat we initieel hebben gevisualiseerd lijkt heel donker, omdat de meeste pixelwaarden zich aan de linkerkant van het histogram bevinden (links = zwart, rechts = wit, tussenwaarden zijn grijswaarden).

Om een stretch binnen de visualisatie handmatig aan uit te voeren passen, voer je volgende stappen uit:
1. Open in de Map view het tabblad 'Layers'.
2. Klik op het tandwieltje naast je laag ("Layer 1").
3. Kies een stretch-methode naast Range. (bijv 98%).
4. Klik op Apply om de te krijgen.

Na het stretchen wordt het contrast duidelijk verbeterd.

Image stretching in Earth Engine

De stretch wordt berekend op basis van het huidige kaartvenster (map extent).
Zoom je bijvoorbeeld in op een homogeen stuk bosgebied, dan wordt de stretch daarop gebaseerd.

Instellen van visualisatieparameters via 'Layers' in de Map view.

Je kunt ook handmatig waarden invoeren, gebaseerd op het histogram.

Gebruik ook de Inspector-tab om individuele pixelwaarden te bekijken.
Je zult merken dat deze nog relatief hoog zijn en niet binnen een 0–1 schaal vallen.

Herschalen van Sentinel-2 data & isualisatieparameters

De Sentinel-2 Surface Reflectance-collectie in Earth Engine is al atmosferisch gecorrigeerd, maar nog niet herschaald naar een 0–1 bereik. Dit is bewust gedaan om de efficiëntie van data-opslag te optimaliseren. De reflectiewaarden moeten daarom worden vermenigvuldigd met een schaalfactor van 0.0001, zoals vermeld in de Data Catalog.

// Herschaal de NIR-band;
var nir = nir.multiply(0.0001)

// Of herschaal onmiddellijk alle banden;
var S2_Belem= S2_Belem.multiply(0.0001)

// Visualisatie herschaalde S2-beelden visualiseer binnen de 0 - 1 range
// (Verdere uitleg van onderstaande parameters volgt!)
Map.addLayer(nir, {min:0, max:1}, 'NIR-band')

Oefening - Spectrale banden Sentinel-2

Analyse – Spectrale banden Sentinel-2

Hieronder vind je een overzicht van de belangrijkste Sentinel-2-banden.
Visualiseer enkele banden afzonderlijk en probeer verschillende landschapselementen te herkennen.
Vergeet niet om de herschaalde banden te gebruiken!

Band 2 - Blauw - Resolutie 10 m
Band 2 is geschikt voor het onderscheiden van bodem en vegetatie, het in kaart brengen van bossoorten en het identificeren van door de mens gemaakte objecten. Het wordt verstrooid door de atmosfeer, verlicht materialen in schaduwen beter dan langere golflengtes en dringt helder water beter binnen dan andere kleuren. Het wordt geabsorbeerd door chlorofyl, wat resulteert in donkerdere planten.
Band 3 - Groen - Resolutie 10 m Deze band biedt uitstekend contrast tussen helder en troebel water en dringt goed door in helder water. Het helpt bij het markeren van olie op wateroppervlakken en vegetatie. Groen licht wordt sterker gereflecteerd dan enige andere zichtbare kleur. Door de mens gemaakte objecten zijn nog steeds zichtbaar.
Band 5/6/7 - Red-edge - Resolutie 20 m Voor de classificatie van vegetatie. Gevoelig voor de 'red-edge zone, wat de zone is waar de reflectie van vegetatie zeer snel stijgt binnen het elektomagnetisch spectrum.
Band 8 - NIR - Resolutie 10 m De nabij-infrarode band is geschikt voor het in kaart brengen van kustlijnen en de inhoud van biomassa, evenals het detecteren en analyseren van vegetatie.
Band 8 - narrow NIR - Resolutie 20 m De smalle nabij-infrarode band is een kleiner deel van het NIR-bereik en komt nauw overeen met het NIR-bereik van Landsat-8.
Band 9 - Water Vapour- Resolutie 60 m Deze band is geschikt voor het detecteren van waterdamp.
Band 10 - SWIR Cirrus - Resolutie 60 m Voor de detectie van cirruswolken.
Band 11 - SWIR 1 - Resolutie 20 m Deze band is handig voor het meten van vochtgehalte in de grond en vegetatie, en biedt een goed contrast tussen verschillende soorten vegetatie. Het helpt bij het onderscheiden van sneeuw en wolken, maar heeft beperkte doordringbaarheid voor wolken.
Band 12 - SWIR 2 - Resolutie 20 m Deze band is handig voor het meten van vochtgehalte in de grond en vegetatie, en biedt een goed contrast tussen verschillende soorten vegetatie. Het helpt bij het onderscheiden van sneeuw en wolken, maar heeft beperkte doordringbaarheid voor wolken.

Oefening - Bandverdeling Landsat 8

Onderstaande oefening is een interpretatie oefening met Landsat-8 banden.

Oefening - Landsat 8 bandverdeling

Koppel onderstaande Landsat-8-banden (in grijswaarden) aan de overeenkomstige delen van het elektromagnetisch spectrum. Gebruik de tabel met bandverdeling als en het elktromagnetisch spectrum als referentie.

Het studiegebied is de Greater Dublin Area (rond Dublin, Ierland).

Spectrale signatuur van water, vegetatie en bodem.