Гиперспектральная съемка

Что такое гиперспектральная съемка?

Гиперспектральная съемка — это технология сбора и анализа данных, основанная на измерении электромагнитного излучения во множестве узких спектральных полос, простирающихся по всему видимому и инфракрасному спектру (иногда и ультрафиолетовому спектру). В отличие от обычной съемки, которая регистрирует информацию только в нескольких широких полосах (например, красный, зеленый и синий каналы), гиперспектральная съемка разделяет электромагнитное излучение на сотни или даже тысячи узких спектральных полос.

Электромагнитный спектр описывает все типы света: от очень длинных радиоволн, микроволн, инфракрасного излучения, видимого света, ультрафиолетовых лучей и рентгеновских лучей до очень коротких гамма-лучей, большую часть которых человеческий глаз не может видеть (Рисунок 1).

Гиперспектральные снимки обладают высоким спектральным, но низким пространственным разрешением, в то время как мультиспектральные изображения характеризуются высоким пространственным, но низким спектральным разрешением. Исследования по комбинированию данных продемонстрировали, что объединение мульти — и гиперспектральных данных позволяет точнее классифицировать объекты.

Гиперспектральные сенсоры собирают данные в виде набора изображений, каждое изображение в наборе представляет собой узкополосный диапазон длин волн электромагнитного спектра, также известный как спектральный диапазон. Эти изображения объединяются для формирования трехмерного гиперспектрального куба данных для обработки и анализа. Гиперспектральный куб содержит спектральные данные по одному измерению и пространственные данные по двум другим, которые могут быть использованы для создания подробной попиксельной химической и пространственной карты.

Пространственные и спектральные характеристики полученных гиперспектральных данных характеризуются информацией, заложенной в его пикселях. Каждый пиксель представляет собой вектор значений, которые определяют интенсивности в определенном месте (x, y пространственные координаты) в z различных диапазонах. Вектор известен как спектр пикселей, и он определяет спектральную сигнатуру пикселя, расположенного в (x, y), т. е. данные, хранящаяся в пикселе предоставляют информацию о его спектре во всем диапазоне используемого сенсора. Пиксельные спектры являются важными характеристиками при анализе гиперспектральных данных. Но эти пиксельные спектры искажаются из-за ряда факторов (шум сенсора, атмосферные эффекты и низкое разрешение и тд).

Спутниковые снимки, полученные с использованием гиперспектральных сенсоров, доступны не так широко, как мультиспектральные, ввиду небольшого числа космических аппаратов, на борту которых установлены соответствующие сенсоры и дороговизны полученных изображений. По состоянию на 12.2023 отмечается значительный рост анонсированных проектов по запуску космических аппаратов
с возможностью гиперспектральной съемки.

Преимущества гиперспектральных данных:

1. Большее количество спектральных полос.
2. Лучшая способность различения объектов
3. Более точный анализ химического состава
4. Более широкая сфера использования

Несмотря на свои преимущества, гиперспектральные данные также имеют ряд недостатков:

1. Высокие требования к вычислительной мощности
2. Дорогостоящее оборудование
3. Ограниченное пространственное разрешение изображений
4. Требуется экспертиза для интерпретации данных.

В настоящее время существует ряд программных комплексов, предназначенных для обработки аэрокосмических изображений, в том числе гиперспектральных данных, разработанных различными организациями, основными из которых являются:

• ENVI (EXELIS);
• ERDAS ErMapper, ERDAS Imaging (Intergraph, ERDAS);
• GEOMATICA (PCI Geomatics);
• Аспект-Стат, Шелл, Мультикласс, Динкласс (НИИ «Аэрокосмос»),
• и др.

Космические аппараты ДЗЗ с возможность гиперспектральной съемки

Чаще всего гиперспектральную аппаратуру можно встретить на специализированных спутниковых аппаратах с широкой полосой съемки.

Спутники, способные собирать гиперспектральные данные:

КА HJ-1A&1B

Запущенный 06.12.2008г китайский спутник HJ-1A&1B, состоит из двух оптических гиперспектральных спутников HJ-1A и HJ-1B, и одного радарного спутника.

Спутник HJ-1A оснащен одной CCD камерой и одним гиперспектральным регистратором, спутник HJ-1B оснащен одной CCD камерой и одной инфракрасной камерой. Для обеих CCD камер утвержден один принцип проектирования, оба расположены симметрично в надире и параллельно разделяют поле зрения с полосой захвата в 700 км, с пространственным разрешением 30 м, в четырех спектральных каналах.

Гиперспектральный регистратор позволяет выполнять съемку Земли в полосе захвата 50 км, с пространственным разрешением 100 м, количество каналов – 110–128, диапазон углов съемки – 30 градусов.

Инфракрасный сканер охватывает полосу съемки в 720 км, с разрешением 150/300 м, в четырех спектральных каналах.

КА GHOSt(Глобальный спутник гиперспектральных наблюдений)

Первые спутники GHOSt запущены 15.04.2023г, представляют собой группировку из шести технически идентичных микроспутников для получения гиперспектральных изображений от американской компании Orbital Sidekick Inc. Каждый спутник GHOSt оснащен запатентованным гиперспектральным формирователем изображений производства OSK. Датчик разработан для захвата 512 спектральных диапазонов от видимого (VIS) до коротковолнового инфракрасного (SWIR) диапазона.

Гиперспектральные датчики на борту группировки обеспечивают пространственное разрешение 8,3 м для мультиспектрального диапазона и 3 м для панхроматического диапазона.

По состоянию на 12.2023г на орбиту выведено 3 спутника из планируемых 6.

КА OHS

Десять новых спутников OHS в гиперспектральном диапазоне были запущены компанией Orbita Aerospace были запущены в 2019го. Отличается от остальных гиперспектральных спутников своим относительно высоким пространственным разрешением. С помощью спутника OHS возможно получение до 256 каналов.

Пространственное разрешение: 10 м

Ширина: 150 км-500 км

Спектральных каналов: 256 (опционально 32)

Спектральное разрешение: 2,5 нм

Диапазон изображения: 150 км × 2500 км  

Спектральный диапазон: 400-1000нм

Ресурс-П

 «Ресурс-П» (от «перспективный» — российский космический аппарат дистанционного зондирования Земли, созданный ФГУП ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс» для замены КА «Ресурс-ДК1».

Спутник обеспечивает с помощью прибора «ГЕОТОН-Л1» высокодетальную съёмку земной поверхности с разрешением 70 сантиметров в монохроматическом режиме. Ширина полосы земной поверхности, снимаемой за один пролёт — 38 км.

Комплекс гиперспектральных наблюдений (ГСА) снимает в 96—255 каналах (длина волны 0,4—1,1 мкм) с разрешением 25—30 м в полосе 25 км.

КА EO-1

Спутник Earth Observing-1 был запущен 21.11.2000г. Hyperion это решётчатый гиперспектрометр, на борту КА EO-1, имеющий 30-метровое разрешение на местности, покрывающее полосу в 7.7 км. Он снимает в спектральном диапазоне 400–2500 нм с интервалом в 10 нм для каждого из 220 каналов.

Выведен из эксплуатации 30.03.2017г.

Миссия HyspIRI

Миссия Hyperspectral Infrared Imager или HyspIRI включает в себя два прибора, установленных на спутнике на низкой околоземной орбите. Имеется визуализирующий спектрометр, измеряющий от видимого до коротковолнового инфракрасного диапазона (VSWIR: 380–2500 нм) в смежных диапазонах по 10 нм, и мультиспектральный формирователь изображения, измеряющий от 3 до 12 мкм в среднем и тепловом инфракрасном диапазоне (TIR). Приборы VSWIR и TIR имеют пространственное разрешение 60 м в надире. Повторное посещение VSWIR продлится 19 дней, а повторное посещение МДП — 5 дней. HyspIRI также включает в себя интеллектуальный модуль полезной нагрузки (IPM), который обеспечит прямую трансляцию подмножества данных.

КА PROBA-1

PROBA-1, представляет собой бельгийский спутник, запущенный 22.10.2001г. с установленным оборудованием CHRIS и HRC. CHRIS — это гиперспектральная система (200 узких каналов), которая позволяет получать изображения с разрешением 17 м, а HRC — это монохроматическая камера, которая отображает видимый свет с разрешением 5 м.

Второй спутник серии PROBA-1, PROBA-1, был запущен 02.11.2009г вместе со спутником SMOS.

PRISMA

PRISMA, запущенный 22.03.2019г, представляет собой спутник гиперспектральной съемки среднего разрешения, разработанный, принадлежащий и управляемый ASI (Agenzia Spaziale Italiana). Это преемник прекращенной миссии HypSEO (Гиперспектральный спутник для наблюдения за Землей), запланированная продолжительность миссии составляет 5 лет.

Модуль HYC имеет пространственное разрешение 30 м и работает в двух диапазонах: 66-канальном диапазоне VIS/NIR со спектральным интервалом 400–1010 нм и 171-канальном диапазоне NIR/SWIR со спектральным интервалом 920–2505 нм. . Он использует метод сканирования с полосой обзора 30 км.

EnMAP

Программа картографирования и анализа окружающей среды (EnMAP) — это немецкая спутниковая миссия, целью которой является получение данных гиперспектральных изображений атмосферы и поверхности Земли. Миссия, запущенная 04.2022г, управляется Немецким аэрокосмическим центром (DLR)

HSI работает как имидж-сканер, осуществляя наблюдения в спектральном диапазоне 430–2450 нм и обеспечивая глобальное покрытие. EnMAP производит выборку 228 спектральных полос с интервалами 6,5 нм и 10 нм в каналах VNIR и SWIR соответственно. Пространственное разрешение на местности составляет 30 м, а максимальная ширина полосы обзора — 30 км.

CartoSat 3, 3A, 3B

CartoSat 3, 3A, 3B – серия КА сверхвысокого разрешения, дополняющая созданную в Индии космическую систему (КС) оптико-электронной разведки и КС ДЗЗ двойного назначения.

Cartosat 3 разработан в качестве продолжения серии спутников наблюдения Земли Cartosat 2. Новые КА обладают улучшенными пространственными характеристиками.

В качестве полезной нагрузки на борту КА серии Cartosat 3 установлено следующая аппаратура:

• Оптико-электронная аппаратура сверхвысокого разрешения, работающая в панхроматическом режиме, разрешение на земле 0,25 м в полосе 16 км;
• Мультиспектральная камера с пространственным разрешением 1 м в полосе 16 км, 3 канала VIS, 1 канал NIR;
• Гиперспектральная камера с пространственным разрешением 12 м и шириной полосы съемки 5 км, имея 200 каналов в SWIR;

Pixxel

Pixxel — индийская стартап-компания, разрабатывающая группировку спутников гиперспектральной съемки для создания ряда приложений для сельского хозяйства, государственного управления, окружающей среды, энергетики и горнодобывающей промышленности. Первые два спутника группировки TD-2 и TD-1 были запущены 01.04.2022г и 26.11.2022г.

Гиперспектральный имидж-сканер на борту TD-1 и 2 передает 150 спектральных диапазонов с пространственным разрешением 10 м. Тепловизор, запланированный для остальных спутников группировки, будет нести 300 спектральных диапазонов и пространственное разрешение 5 метров. Pixxel планирует запустить группировку из 24 коммерческих спутников гиперспектральной съемки к 2024–2025 годам, что обеспечит 24-часовой период повторного посещения для получения быстрых спутниковых изображений.

Dragonette (EPICHyper 1, 2, 3)

Dragonette-001 (EPICHyper 1, 2, 3) канадской компании Wyvern запущены 04.2023г, 06.2023г и 11.2023г. Обладая спектральным диапазоном от 500 до 800 нм и высокой суточной пропускной способностью, этот спутник будет готов к сбору коммерческих гиперспектральных данных в начале 2024г.

ZY Hyperspectral (ZY1-02D)

ZY-1 02D — первый гражданский оперативный гиперспектральный (HS) спутник Китая, разработанный независимо и успешно запущенный в 2019г. Управляется совместно Бразильским институтом космических исследований и Китайским центром эксплуатации Земли и цифровой Земли (CEODE)

Кол-во спектральных каналов – 166

Пространственное разрешение, м – 2.5 ,10, 30

Ширина полосы съемки, км – 60

Период съемки, сутки – 3

GaoFen

GaoFen 5был запущен 08.05.2018г. Это первый в Китае спутник гиперспектральной съемки. Второй, Gaofen 5–02, был запущен в 09.2021г. Предназначен для обнаружения изменений в глобальных земельных и водных ресурсах, отслеживания загрязнения воздуха и парниковых газов в атмосфере.

Количество каналов – 330

Спектральный диапазон, нм – 0.39~2.513

Спектральное разрешение, нм 4 (VNIR); 8 (SWIR)

Пространственное разрешение, м – 30

Ширина полосы съемки, км – 60

PACEPACE

PACEPACE (Планктон, Аэрозоль, Облако, Экосистема океана) — это миссия НАСА, запуск которой запланирован на 01.2024г.

PACE будет находиться на солнечно-синхронной орбите на высоте 677 кмOCI будет иметь максимальную ширину полосы обзора 2500 километров, разрешение 1 км и спектральное разрешение 5 нм. Он будет способен измерять длину волны от ультрафиолета (340 нм) до ближнего инфракрасного диапазона (890 нм).

Ширина полосы обзора составляет 100 км, разрешение 2,5 км, измерения проводятся в режиме длины волны 385–770 нм с шагом 2 нм. Его цель — обеспечить поляриметрическую точность 0,3% и радиометрическую точность 2%.

Отличие гиперспектральной от мультиспектральной съемки

Мультиспектральная съемка — как правило использует три диапазона видимого света (красный, зеленый и синий) и один или несколько инфракрасных каналов для создания изображений, гиперспектральные изображения позволяют исследовать, как объекты взаимодействуют с гораздо большим количеством диапазонов, в диапазоне от 250 нм до 15 000 нм и в тепловом инфракрасном диапазоне.

Основное различие между мультиспектральным и гиперспектральным — это количество полос и их узость. Гиперспектральные изображения, как правило, включают сотни спектральных полос относительно узкой полосы пропускания (через 5–10 нм), тогда как мультиспектральные наборы данных состоят примерно из 3–15 полос (иногда больше) относительно большой полосы пропускания (70–400 нм). Четкой границы между мультиспектральным и гиперспектральным космическими аппаратами ДЗЗ  в количестве спектральных каналов или ширины спектральной полосы нет, в одних источниках мультиспектральные спутники имеют максимум 4 канала, в других 15. Узкие спектральные каналы способны обнаруживать незначительные спектральные особенности, которые могли бы остаться незамеченными в более широких диапазонах мультиспектральных сканирующих систем. Это позволяет получить гладкие спектральные кривые на большем диапазон, вместо ломаных линий с вершинами ломаных в местах смены спектра.

Гиперспектральное изображение может иметь сотни или тысячи полос. Как правило, у них нет описательных названий каналов.

Гиперспектральная съемка позволяет нам различать материалы со схожими физическими или визуальными характеристиками или то, что человеческий глаз не может видеть, например, различные минералы. Гиперспектральные данные предоставляют гораздо более широкий спектр информации и более точные спектральные профили для анализа.

Различия гиперспектральных (HS) и коротковолновых ИК (SWIR) снимков.

Различия между гиперспектральными (HS) и Short-Wave Infrared (SWIR) снимками заключаются в спектральном диапазоне и основных применениях.

Гиперспектральные снимки обладают широким спектральным диапазоном, охватывая видимую, инфракрасную и ультрафиолетовую области, в том числе включая коротковолновую инфракрасную область. Они содержат большое количество узких спектральных каналов, что позволяет детально изучать спектральные характеристики объектов и материалов. Эти снимки широко применяются в различных областях, включая агрокультуру, экологию, геологию и медицину.

SWIR снимки, напротив, фокусируются на узком спектральном диапазоне в инфракрасной области от 1,0 до 2,5 мкм. Они особенно полезны для обнаружения и исследования химических сигнатур, определенных минералов или органических веществ. Диапазон SWIR снимков входит в спектральный диапазон гиперспектральных снимков.

Мультиспектральный диапазон. Коротковолновый ИК представлен под номером 4:

Гиперспектральный диапазон:

Гиперспектральная съемка с БПЛА и самолета.

Гиперспектральное оборудование может быть успешно установлено на беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) или самолетах.

Гиперспектральная аппаратура устанавливается на БПЛА в качестве полезной нагрузки. Полезная нагрузка представляет собой оборудование или инструменты, которые установленные на летательный аппарат для выполнения конкретных функций или задач, в данном случае гиперспектральной съемки местности.

Когда речь идет о моделях гиперспектральной аппаратуры, используемой для съемки на БПЛ), широкое распространение получили следующие модели:

1. Specim AISA: Specim AISA (Airborne Imaging Spectrometer for Applications) является одной из наиболее известных моделей гиперспектральных аппаратов, разработанных специально для БПЛА. Она может быть установлена на различные типы платформ и предлагает высокое пространственное (около 1м/пиксель) и спектральное разрешение в диапазоне от 400 до 100 нм.
2. Headwall Photonics Nano-Hyperspec: Эта модель предлагает компактное решение для гиперспектральной съемки на БПЛА. Она хорошо зарекомендовала себя в ряде приложений, включая агрокультуру, экологию и геологию. Имеет до 270 спектральных каналов и способна обеспечивать пространственное разрешение до 1 м/пиксель.
3. Telops Hyper-Cam: Telops Hyper-Cam является еще одной моделью гиперспектральной аппаратуры, специально разработанной для установки на БПЛА. Она обладает высокой чувствительностью и широким спектральным диапазоном, что позволяет проводить детальные анализы различных материалов.
4. SPECIM IQ: SPECIM IQ — это портативная гиперспектральная камера, которая может быть использована как самостоятельное устройство или установлена на БПЛА. Она обладает широким спектральным диапазоном и встроенными функциями обработки данных. Имеет в запасе до 190 спектральных каналов и пространственное разрешение до 1 м/пиксель.

Использование гиперспектральных датчиков на БПЛА или самолетах предоставляет следующие преимущества:

1. Высокое пространственное разрешение
2. Удаленное наблюдение: Беспилотные летательные аппараты могут осуществлять съемку в труднодоступных или опасных районах
3. Сквозное наблюдение: Применение гиперспектрального оборудования на БПЛА и самолетах позволяет осуществлять наблюдение объектов и материалов сквозь некоторые непрозрачные среды, такие как водные или растительные покровы.

Применение гиперспектральной съемки.

Гиперспектральная съемка используется для решения различных задач, главным образом:

1. Экологический мониторинг. Гиперспектральная съемка позволяет анализировать разнообразные спектральные характеристики объектов окружающей среды, таких как растительность, водные ресурсы или загрязнения. Используя спектральную информацию, геолокационные данные и соответствующие модели, применение гиперспектральной съемки помогает в определении и мониторинге различных экологических параметров, таких как качество водных систем, состояние почвы, распределение растительности и обнаружение загрязнений. Это способствует оперативному выявлению, анализу, а в последствии эффективному планированию решений различных экологических проблем.

   

2. Разведка месторождений полезных ископаемых. Гиперспектральная съемка нашла применение в разведке полезных ископаемых, помогая идентифицировать и анализировать минеральные составы земли и геологические структуры. Благодаря способности снимать в большом количестве узких спектральных полос, можно получить подробную информацию о химическом составе почвы и типах горных пород. Это позволяет геологам и исследователям точнее определить места наличия полезных ископаемых, таких как металлы, минералы или углеводороды, и планировать эксплуатацию ресурсов с большей эффективностью. Данная технология помогает сократить временные и финансовые затраты на разведку и вносит значительный вклад в устойчивое развитие горнодобывающей промышленности.

   

3. Сельское хозяйство. Гиперспектральная съемка применяется в сельском хозяйстве для оптимизации управления растениеводством и повышения урожайности. Путем анализа спектральных данных можно определить состояние растений, выявить стрессы, связанные с болезнями или дефицитом питательных веществ, и своевременно принять меры для их предотвращения. Это позволяет фермерам более точно определять потребность в поливе, удобрениях и оптимизировать применение сельскохозяйственных инпгредиентов, чтобы повысить урожайность и улучшить эффективность производства.

   

4. Гиперспектральная съемка имеет важное применение в военном наблюдении. Благодаря своей способности регистрировать и анализировать широкий спектр электромагнитной радиации, она может обеспечить детальное изображение и классификацию различных объектов и материалов на земле, в воздухе или на воде. Это полезно для обнаружения скрытых объектов, идентификации целей, анализа поведения и действий противника, а также оценки возможного ущерба от военных действий. Гиперспектральная съемка помогает расширить способности военной разведки и обеспечивает ценные данные для принятия решений в сфере национальной безопасности.