Evaluation of topographic correction algorithms on satellite images

Abstract

Este trabajo contribuye al previamente limitado conocimiento acerca del rendimiento de los métodos de corrección topográfica proponiendo una nueva metodología de evaluación basada en imágenes sintéticas. Esta nueva metodología ha sido testada en imágenes SPOT 5 en diferentes zonas de estudio, principalmente en regiones montañosas del norte de España, considerando diferentes fechas y horas de adquisición, y por tanto diferentes geometrías solares. Por tanto, el rendimiento de los métodos de corrección topográfica ha sido evaluado en diferentes condiciones. Además, esta nueva metodología ha sido combinada con otros criterios de evaluación para llevar a cabo un análisis multi-criteria de los métodos más populares, centrándonos principalmente en los métodos semi-empíricos debido a su sencillez, facilidad de aplicación, operatividad y buenos resultados. Por último se ha evaluado la calidad de la corrección topográfica en combinación con una estratificación de cubiertas previa. Los resultados obtenidos demuestran el buen rendimiento de los métodos semi-empíricos, principalmente Sun-Canopy-Sensor+C, C-Correction y el método Estadístico Empírico, en la mayoría de situaciones. Sin embargo, ninguno de los métodos testados alcanza a corregir las zonas sombreadas donde el coseno del ángulo de incidencia solar es próximo a cero o negativo, y algunos métodos muestran signos evidentes de sobrecorrección. Este es el caso de los métodos del Coseno, Two Stage Normalization Method o del método de Minnaert, entre otros. A diferencia de otros estudios que demostraron un rendimiento superior de la corrección topográfica estratificada, los resultados obtenidos en nuestra zona de estudio reflejan una mejora insignificante de la calidad fruto de la estratificación. Se espera que este trabajo contribuya al entendimiento de este efecto y a la adecuada implementación de técnicas para su corrección.

Our findings contribute to the previously limited knowledge regarding the quality of topographic correction by proposing a new methodology based on synthetic images. This new methodology has been tested on SPOT 5 scenes in different study sites over mountainous regions of Northern Spain, for different acquisition dates and solar geometries. Therefore, the performance of topographic correction algorithms has been evaluated on different conditions. Moreover, this new methodology has been combined with other evaluation criteria proposed in the literature to perform a multi-criteria analysis of the most popular correction methods. The thesis has focused in the semi-empirical topographic correction methods due to their simplicity, ease of implementation and good performance. Finally, the quality of topographic correction has been assessed in combination with a priori land cover stratification. Our results suggest a good performance of semi-empirical methods, especially Sun-Canopy-Sensor+C, C-Correction, and Statistic-Empirical methods, in most situations. Nevertheless, no method achieved to correct areas where the cosine of solar incidence angle was close to zero or negative (shadows), and some methods showed problems of overcorrections, such as the Cosine method, the Two Stage Normalization method or the Minnaert method. Unlike other studies that tested stratified topographic correction, our findings with this regard suggest only a minor improvement when compared to a non-stratified strategy. This work is expected to be a contribution to the limited knowledge of this effect and to the adequate implementation of these techniques on topographic correction.