1.3 Het Elektromagnetisch Spectrum

Het aardoppervlak weerkaatst zonlicht. Hoeveel zonlicht wordt weerkaatst, hangt af van de specifieke eigenschappen van het betreffende aardobject. Water weerkaatst bijvoorbeeld zonlicht in het spectrum tot ongeveer 0.72 µm, maar absorbeert licht met grotere golflengtes vrijwel volledig. Elk object of landschapselement heeft een unieke 'spectrale signatuur', waarbij het gereflecteerde zonlicht in verband staat met de golflengte. De onderstaande figuur toont klassieke spectrale signaturen voor water, bodem en (groene) vegetatie.

Spectrale signatuur van water, vegetatie en bodem.

Oefening: het elektromagnetisch spectrum

Vraag 2.1 - Welke golflengtes zijn niet geschikt voor het onderscheiden van bodem met groene vegetatie?
Vraag 2.2 - 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. Optische satellieten 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, ook wel 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 eens kijken naar enkele spectrale banden die verschillende delen van het elektromagnetisch spectrum representeren in Sentinel-2-beelden. Een Sentinel-2-beeld bevat in totaal 13 spectrale banden met ruimtelijke resoluties van 10, 20 of 60 meter:

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

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

Rastervisualisatie in QGIS

We hebben al een Sentinel-2-beeld gedownload. Nu kunnen we de verschillende banden van dit beeld gaan visualiseren met behulp van QGIS. QGIS is een open-source geografisch informatiesysteem, wat betekent dat het gratis gedownload en gebruikt kan worden. In deze cursusgebruiken we het voornamelijk voor de visualisatie van spectrale banden in Practicum 1, maar voor het vak Geografische Informatiesystemen (tweede semester) zal de software verder worden verkend.

Oefening: het openen van Sentinel-2 rasterbanden in QGIS

Pak het gedownloade Sentinel-2-beeld uit naar een map naar keuze.
Open in QGIS het 'Data Source Manager'-venster om data toe te voegen:
Kies voor Raster:
Navigeer naar het uitgepakte .SAFE-bestand van Sentinel-2.
Zoek naar Sentinel-2 Band 2 met een ruimtelijke resolutie van 10 meter (> GRANULE > L2A_... > IMG_DATA > .._B02_10m.jpg) en voeg deze band toe aan je project.

Identifier

Als je klikt op het 'Identify'-symbooltje , kun je individuele pixelinformatie bekijken door te klikken op je afbeelding.

Oefening: het elektromagnetisch spectrum

Vraag 2.4 - Vergelijk de pixelwaarde binnen band 2 van een wolkpixel en een waterpixel. Wat betekent dit?

Histogram

Een histogram is een grafische weergave van statistieken met betrekking tot de helderheid van een afbeelding. Het toont de verdeling van grijswaarden binnen een afbeelding. Op de verticale as wordt de frequentie van specifieke grijswaarden binnen de afbeelding weergegeven.

Om het histogram van een band in QGIS te laden: 1. Klik met de rechtermuisknop op de afbeelding in het 'Layers'-paneel. 2. Kies Properties om een nieuw venster te openen. 3. Ga naar het tabblad 'Histogram'. 4. Klik op Compute Histogram om het histogram te genereren.

Histogram

Vraag 2.3 - Wat zijn de minimum- en maximumwaarden van de huidige visualisatie?
Vraag 2.4 - In welk bereik van pixelwaarden bevinden de meeste pixels in de afbeelding zich?

Image Stretching (contrastverhoging)

Beeldstretching is een techniek die tot doel heeft het contrast tussen de pixels in een afbeelding te verbeteren door ze uit te rekken naar een nieuwe reeks intensiteitswaarden. De keuze van deze reeks is afhankelijk van de objecten op de grond die meer detail nodig hebben of waar de focus op ligt.

Het beeld dat we momenteel hebben gevisualiseerd lijkt vrij donker, waarbij alleen de witte wolken duidelijk zichtbaar zijn. Dit komt doordat de reflectiewaarden van wolken veel hoger liggen dan die van andere landbedekkingsklassen (zoals te zien is in de identifier en het histogram).

Huidige Sentinel-satellieten, met hun belangrijkste doel. (Bron: ESA)

Er zijn twee methoden om beeldstretching uit te voeren in QGIS:

Optie 1: via het histogram Door de min-/max-grenzen van de visualisatie aan te passen in het histogramvenster, kun je beeldstretching uitvoeren. Dit kan visueel worden gedaan door het bereik te selecteren waarin de meeste pixels vallen.
Optie 2: via de rasterwerkbalk Een handige tool is de Rasterwerkbalk, waarmee je stretching kunt uitvoeren op basis van je huidige vensterview. Deze werkbalk is standaard niet zichtbaar, maar kan worden toegevoegd via View > Toolbars > Rasterwerkbalk. Beweeg met je muis over de verschillende knoppen om te zien wat ze doen en probeer ze uit.

Spectrale banden Sentinel-2

Analyse: Spectrale banden Sentinel-2

Hieronder vind je een beschrijving van de eigenschappen en het gebruik van elke spectrale band van Sentinel-2. Visualiseer alle banden en probeer verschillende landschapselementen te identificeren in elk van de banden.

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

Oefening - Landsat 8 bandverdeling

Link de verschillende Landsat-8 banden (in grijswaarden) met de overeenstemmende banden (zonder panchromatische band). Bekijk hiervoor de tabel met de Landsat-8 bandverdelingen het elektromagnetisch spectrum hierboven.

Het gebied is de 'Greater Dublin Area', wat aldus de grotere zone ron Dublin omhelst.