An Implementation of OTB Extension to Produce TOA and TOC Reflectance of LANDSAT-8 OLI Images and Its Product Verification Using RadCalNet RVUS Data

Analysis Ready Data (ARD) for optical satellite images represents a pre-processed product by applying spectral characteristics and viewing parameters for each sensor. The atmospheric correction is one of the fundamental and complicated topics, which helps to produce Top-of-Atmosphere (TOA) and Top-of-Canopy (TOC) reflectance from multi-spectral image sets. Most remote sensing software provides algorithms or processing schemes dedicated to those corrections of the Landsat-8 OLI sensors. Furthermore, Google Earth Engine (GEE), provides direct access to Landsat reflectance products, USGS-based ARD (USGS-ARD), on the cloud environment. We implemented the Orfeo ToolBox (OTB) atmospheric correction extension, an open-source remote sensing software for manipulating and analyzing high-resolution satellite images. This is the first tool because OTB has not provided calibration modules for any Landsat sensors. Using this extension software, we conducted the absolute atmospheric correction on the Landsat-8 OLI images of Railroad Valley, United States (RVUS) to validate their reflectance products using reflectance data sets of RVUS in the RadCalNet portal. The results showed that the reflectance products using the OTB extension for Landsat revealed a difference by less than 5% compared to RadCalNet RVUS data. In addition, we performed a comparative analysis with reflectance products obtained from other open-source tools such as a QGIS semi-automatic classification plugin and SAGA, besides USGS-ARD products. The reflectance products by the OTB extension showed a high consistency to those of USGS-ARD within the acceptable level in the measurement data range of the RadCalNet RVUS, compared to those of the other two open-source tools. In this study, the verification of the atmospheric calibration processor in OTB extension was carried out, and it proved the application possibility for other satellite sensors in the Compact Advanced Satellite (CAS)-500 or new optical satellites.

Landsat-8 OLI 영상정보의 대기 및 지표반사도 산출을 위한 OTB Extension 구현과 RadCalNet RVUS 자료를 이용한 성과검증

광학 위성정보에 대한 분석대기자료(ARD)는 각 센서 별 분광특성과 촬영각 등을 적용하는 전처리 작업에 의한 성과물이다. 대기보정 처리과정은 통하여 얻을 수 있는 대기반사도와 지표반사도는 기본적이면서 복잡한 알고리즘을 요구한다. 대부분 위성 정보처리 소프트웨어에서는 Landsat 위성 대기보정 처리 알고리즘 및 기능을 제공하고 있다. 또한 사용자는 클라우드 환경에서 Google Earth Engine(GEE)을 통하여 USGS-ARD와 같은 Landsat 반사도 성과에 직접 접근할 수 있다. 이번 연구에서는 고해상도 위성정보 처리에 활용되고 있는 Orfeo ToolBox(OTB) 오픈 소스 소프트웨어의 대기보정 기능을 확장 구현하였다. 현재 OTB 도구는 어떠한 Landsat 센서도 지원하지 않기 때문에, 이 확장 도구는 최초로 개발된 사례이다. 이 도구를 이용하여 RadCalNet 사이트의 Railroad Valley, United States(RVUS) 반사율 자료 값을 이용한 결과 검증을 위하여 같은 지역의 Landsat-8 OLI 영상의 절대 대기보정에 의한 반사도 성과를 산출하였다. 산출된 결과는 RVUS 자료를 기준으로 반사도 값과의 차이가 5% 미만으로 나타났다. 한편 이 반사도 성과는 USGS-ARD 반사도 값뿐만 아니라 QGIS Semi-automatic Classification Plugin과 SAGA GIS와 같은 다른 오픈 소스 도구에서 산출된 성과를 이용한 비교 분석을 수행하였다. OTB 확장도구로부터 산출한 반사도 성과는 RadCalNet RVUS의 자료와 높은 일치도를 나타내는 USGS-ARD의 값과 가장 부합되는 것으로 나타났다. 이 연구에서 OTB 대기보정 처리의 다양한 위성센서 적용 가능성을 입증한 결과로 이 모듈을 다른 센서정보로 확장하여 구현하는 경우에도 정확도가 높은 반사도 산출이 가능한 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 연구 방법은 향후 차세대중형위성을 포함하는 다양한 광학위성에 대한 반사도 성과 산출 도구개발에도 활용할 수 있다.