Гиперспектральное дистанционное зондирование является современным передовым этапом технологии дистанционного зондирования, использование множества очень узких диапазонов электромагнитных волн от интересующего объекта для получения соответствующих данных, содержит богатство пространственной, радиометрической и спектральной тройной информации, разработка которой является революцией в дистанционном зондировании, но также вызвала фундаментальные изменения в методах обработки данных и анализа информации, так что оригинал в широкополосном дистанционном зондировании в необнаруживаемом материале, в гиперспектральном дистанционном зондировании может быть обнаружен. Так что же такое гиперспектральный? Он начинается с видимого диапазона солнца.
Почему мир такой красочный?
Будь то юг неба или смена сезонов, почему мы чувствуем, что мир такой красочный? Радуга, которая проясняется после дождливого дня, может помочь нам найти ответ. Солнечный свет на самом деле является смешанным светом, через рассеивание капель воды в воздухе разлагается на красочный монохроматический свет, составляющий все цвета, которые могут воспринимать наши глаза, эта часть света определяется как видимые длины волн солнца.
В дополнение к этому солнечный свет также содержит свет в ультрафиолетовых и инфракрасных длинах волн. Однако тот же цвет света для наших человеческих глаз также является сложным цветом света, содержащим тысячи полос, что находится далеко за пределами предела человеческого глаза, чтобы различать. В то же время разные объекты состоят из разных элементов и их соединений, структура материала также различна, что приводит к тому, что длина волны отраженного или рассеянного света на поверхности объекта также показывает специфику; разные объекты в разных состояниях с разными длинами волн света отражают или рассеивают разную способность, но также делают объект имеющим разный цвет или спектральные характеристики, как и «отпечатки пальцев». Подобно информации «отпечатков пальцев», она может различать особенности и состав атмосферы тонким способом. Такие уникальные спектральные характеристики веществ составляют основу для идентификации и анализа характеристик различных объектов в науке дистанционного зондирования.
Для точного получения световой информации в различных диапазонах длин волн оптические дистанционные датчики спутников последовательно приняли технологию многоспектральной визуализации и технологию гиперспектральной визуализации, в которой свет, отраженный или рассеянный от объектов, разделяется на определенные диапазоны длин волн света с помощью фильтров, призм, решеток и других устройств для разделения света, а цели идентифицируются, а дистанционное зондирование количественно оценивается на основе информации о спектральных характеристиках, полученной с земли или от атмосферного отражения или рассеивания.
Первоначально дистанционное зондирование земли использовало систему технологии многоспектральной визуализации, часто всего с несколькими каналами, каждый канал содержит оптическую информацию с длинами волн шириной в десятки нанометров и может реализовать спектральную способность обнаружения как в инфракрасном, так и в ультрафиолетовом направлениях. Однако для схожих объектов или объектов в разных состояниях характерные пики их спектров отражения обычно схожи, как показано на рисунке ниже, характерные пики четырех видов деревьев лишь немного отличаются на 960 нанометрах, и для того, чтобы различать категории разных видов деревьев, требуется спектральное разрешение менее десяти нанометров; например, для классификации и идентификации горных пород, появления вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, восстановления почвы для сельского хозяйства и вспышек флоры или цианобактерий, например, для классификации и идентификации горных пород, вредителей и болезней сельскохозяйственных культур, восстановления и обработки почвы, цветения воды или вспышек цианобактерий, загрязнения воздуха и других проблем, которые отражаются в спектрах только при изменении в несколько нанометров, традиционные средства многоспектрального обнаружения перегружены, и процент успешной идентификации невысок.
С началом разработки гиперспектральной технологии дистанционного зондирования в 1970-х годах область оптического дистанционного зондирования претерпела революционные изменения и постепенно сформировала популярную область передовых технологий. Гиперспектральная технология дистанционного зондирования - это технология, основанная на очень многих узкополосных данных изображения, которая объединяет технологию визуализации со спектральной технологией для обнаружения двумерного геометрического пространства и одномерной спектральной информации цели, а также для получения непрерывных узкополосных данных изображения с высоким спектральным разрешением. Технология гиперспектральной визуализации быстро развивается, и к распространенным из них относятся решеточная спектроскопия, акустооптическая спектроскопия с перестраиваемым фильтром, призменная спектроскопия и покрытие чипа.
Каковы технические характеристики гиперспектрального дистанционного зондирования?
Гиперспектральная (гиперспектральная камера) одноканальная полоса пропускания узкая, ее спектральное разрешение достигает порядка нанометра (нм) (обычно менее 10 нм), количество спектральных каналов достигает десятков или даже сотен, что позволяет получать непрерывные спектральные данные по отражению/рассеиванию материала, которые могут быть реализованы в диапазоне видимого, ближнего инфракрасного, среднего инфракрасного и теплового инфракрасного диапазонов длин волн, а также получать гиперспектральные данные.
В отличие от традиционной технологии многоспектрального дистанционного зондирования, которая различает цели на основе цветовых различий, технология гиперспектрального дистанционного зондирования может достигать дискретной выборки в спектральном пространстве, и цели, которые можно различить, как правило, те, которые имеют очевидные различия в спектральном пространстве, такие как водоемы, растительность и голая земля. Гиперспектральное дистанционное зондирование представляет собой технологию получения многомерной информации, которая объединяет технологию визуализации и спектральную технологию, которая может одновременно получать двумерную пространственную информацию о цели и трехмерную спектральную информацию, и анализировать информацию о составе материала через морфологию спектральных кривых для идентификации цели, а также целевых особенностей, которые могут различать различные категории одного и того же типа особенностей. В соответствии с различными сценариями применения, селективность спектра становится гибкой и разнообразной, что улучшает способность различать и идентифицировать признаки, эффективно различает различные категории, принадлежащие к одному и тому же виду признаков, реализует «различные спектры для одного и того же вида признаков» и «различные признаки для одного и того же вида спектра» и уменьшает явление спектрально-пространственной путаницы признаков, такое как явление разных видов деревьев. Это может уменьшить явление спектрально-пространственной путаницы признаков, такое как идентификация разных видов деревьев и разных минералов; в то же время гиперспектральные данные могут использоваться для извлечения биофизических и химических параметров и биохимического анализа хлорофилла а, лигнина и целлюлозы растительности.
Развитие технологии гиперспектрального дистанционного зондирования превращает дистанционное зондирование из качественного анализа в количественное или полуколичественное преобразование. Основное применение традиционной технологии дистанционного зондирования с получением изображений основано на качественном анализе. Часть результатов количественного анализа точности результатов не идеальна, что, очевидно, связано со спектральным и пространственным разрешением датчика изображения, помехами атмосферного и почвенного фона и другими ограничениями. Дистанционное зондирование с получением изображений с гиперспектральным разрешением впервые преодолевает ограничение спектрального разрешения, что в значительной степени подавляет влияние других мешающих факторов в спектральном пространстве, что очень полезно для повышения точности результатов количественного анализа.
Что такое гиперспектральные приложения?
По сравнению с изображениями высокого разрешения и многоспектральными изображениями гиперспектральные изображения имеют высокое спектральное разрешение и множество полос, которые могут получать почти непрерывные спектральные кривые признаков, и конкретные полосы могут быть выбраны или извлечены в соответствии с необходимостью выделения целевых признаков; квантованные данные непрерывной спектральной кривой обеспечивают условия для введения классификации изображений в модель спектрального механизма признаков, которая содержит богатую радиометрическую, пространственную и спектральную информацию и является синтезом разнообразной информации. Она содержит богатую радиометрическую, пространственную и спектральную информацию и является всеобъемлющим носителем различной информации. Гиперспектральные изображения широко используются в областях геоморфологического картирования, разведки ресурсов, сельскохозяйственного дистанционного зондирования, экологического дистанционного зондирования, мониторинга лесного хозяйства, дистанционного зондирования почв, дистанционного зондирования цвета воды и атмосферной науки.
1. Дистанционное зондирование для классификации объектов
На рисунке показаны гиперспектральные данные прибрежной зоны Дубая, полученные с помощью гиперспектральных дистанционных датчиков, которые могут точно распознавать информацию об основных категориях объектов, таких как водоемы, здания, дороги, голая почва и т. д., посредством классификации объектов, и могут быть подразделены на 3–5 эффективных подкатегорий в каждой основной категории, а также могут распознавать информацию о судах в отдаленном море.
2. Разведка рудных месторождений
Технология гиперспектрального дистанционного зондирования может дать толчок геологической разведке. На основе анализа спектральных кривых полученных пород можно узнать типы распределения минералов и площадь места. На рисунке показано, что данные гиперспектрального дистанционного зондирования эффективно извлекли два вида минеральной информации о сериците и хлорите в районе Дулан провинции Цинхай, а после преобразования MNF они улучшают распознавание литологической и тектонической геологической информации.
3. Дистанционное зондирование водной среды
Из-за определенного сходства между спектрами водных растений и цветения воды и спектрами растительности, для обычно используемых многоспектральных данных дистанционного зондирования сложно точно идентифицировать цветение воды и водные растения, и только гиперспектральные данные дистанционного зондирования могут улавливать подробные спектральные различия между сложными и изменчивыми цветениями воды, водными растениями и водоемом, чтобы точно идентифицировать цветение воды и водные растения. На рисунке показана экологическая карта регионального водоема Юньнань Дяньчи, полученная с помощью спутникового гиперспектрального дистанционного датчика, который может четко определять окрашенное растворенное органическое вещество (CDOM), хлорофилл a (Chl-a) и концентрацию взвешенных твердых частиц (TSM) в водоеме. Между тем, параметры качества воды малых рек и озер, отличных от Дяньчи, также четко распознаются на изображении.
4. Дистанционное зондирование атмосферы
Дистанционный мониторинг выбросов метана из точечных источников проводился в Ливии и США с использованием гиперспектральных данных дистанционного зондирования с оптимизированными алгоритмами инверсии концентрации метана в столбе. На рисунке (a) показаны результаты мониторинга утечки метана из нефтяной скважины Dor Marada в Ливии, а на рисунке (b) показаны результаты мониторинга утечки метана из нефтяной скважины DCP Midstream в Пермском бассейне США, которая может точно контролировать чистый шлейф выбросов метана в регионе.
