Современные методы гиперспектрального дистанционного зондирования с использованием фотоэлектрических преобразователей

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНОГО ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

 

В настоящее время мультиспектральное изображение земной поверхности  получают путем зондирования с различных  космических систем, таких как  QuickBird, Ikonos, 
KFA-1000, Landsat-7, и др. При этом используются данные с сенсоров высокого и среднего пространственного разрешения. Лучшее пространственное разрешение коммерческих сенсоров на сегодняшний день составляет до 61 см в надире, при этом спектральный диапазон находится в пределах 0,45 – 0,9 мкм. Подобные сенсоры сверхвысокого пространственного разрешения имеют 4 спектральных канала: синий – 0,45-0,52 мкм, зеленый - 0,51–0,6 мкм, красный - 0,63–0,7 мкм, ближний инфракрасный - 0,75–0,9 мкм.

Синтезированием спектральных каналов  с применением графической коррекции  в программной среде ERDAS IMAGINE и ArcGis можно получать натуральные цветные изображения земной поверхности с различными объектами искусственного и естественного происхождения. Примеры подобных изображений промышленных объектов показанные на рис. 1.

Рис. 1. Фрагменты мультиспектральных изображений промышленных объектов, полученные на основе сенсора сверхвысокого пространственного разрешения

Подобная  информация, получаемая с вышеупомянутых космических систем, с успехом  используется в настоящее время  в космической диагностике объектов техносферы. Используя теорию дешифрирования информации в разных спектральных каналах и применяя различные алгоритмы обработки изображений в геоинформационных пакетах программного обеспечения, можно решать следующие задачи: выявление трассы трубопроводов и других промышленных объектов с их характерными узлами и элементами; анализ влажности грунтов и динамики подтопления территории; анализ рельефа местности; оценка и диагностика формы, геометрии и размеров промышленных объектов и др. [1].

Такой подход позволяет сегодня решать многие задачи по дистанционному диагностированию, однако он имеет существенные ограничения. Прежде всего, речь идет об ограниченности спектрального диапазона – для  сенсоров высокого разрешения – 0,45 – 0,9 мкм. Даже планируемый запуск в 2005 году космической системы следующего поколения WorldView со сверхвысоким пространственным разрешением не изменит существенно сложившуюся ситуацию (спектральный диапазон расширится всего лишь до 423 – 1050 нм). Кроме того, вышеупомянутые сенсоры имеют низкую спектральную разрешающую способность и имеют небольшое количество спектральных каналов, что также снижает информативность получаемой информации для использования в дистанционном зондировании.

Частичным решением данной проблемы является использование  новых видов сенсоров для задач  дистанционного зондирования. К ним  можно отнести радары дециметрового и метрового диапазонов, тепловизоры 8 - 14 мкм, гиперспектральные сенсоры. Применяя гиперспектральные сенсоры, в частности, можно существенного расширить спектральный диапазон (до 2,5 мкм) и повысить спектральное разрешение.

 

В таблице 1 приведены сравнительные  характеристики передовых космических  сенсоров [2].

 

Таблица 1

№	Гипер- спектрометр/ (КА)	Ncпектр/ диапазон	Наилучшее спектральное Разрешение δλ	Изме- рение поляри-зации	Максимальное Простран- ственное разрешение δх	Размер маршрута	Число простран-ственных пикселей Nпростр	Интеграль- ный критерий η= Ncпектр* Nпростр	Интеграль ный критерий ξ= η/ δλ/( δх)2
1	Warfinghter-1 (OrbView 3-4)	200 0,45-2,5мкм 2,5-5мкм	11,4 нм	нет	8м	5*20км	2•106	4•108	5•105
2	Hyperion (NASA, EO-1)	220 0,4-2,5мкм	10нм	нет	30м	7,5*100км	8•106	1,8•109	1,8•104
3	FTHSI (MightySat II.1)	256 0,47-1,05мкм	1,7 нм	нет	25-250 вдоль маршрута 25-51-поперек маршрута	6-26 км ширина 20-87км длина	2•105	5•107	4,7•104
4	КВС (КА»Ресурс-О1»)	1600 (с учетом поляризаций) 0,25-2,5мкм	1нм в УФ, ВИД 10-30нм в ИК	есть	20м	20*150 км	7,5•106	1,2•1010	3•107
5	Астрогон-1 (МКА «Вулкан-Астрогон»)	1600 (с учетом поляризаций)   0,25-2,5мкм	1нм в УФ, ВИД 10-30нм в ИК	есть	3м в УФ и ВИД	3км*3 км (весь гиперкуб) с изменением характеристик до 100км*100км	106	1,6•109	1,7•108

Из таблицы 1 видно, что отечественный  гиперспектрометр «Астрогон-1» имеет  очень качественные показатели по отношению  к другим гиперспекрометрам и  при этом не проигрывает им в производительности.

Гиперспектрометр «Астрогон-1» представляет собой набор отдельных модулей, работающих синхронно по полям зрения и по кадрам съемки и завязанных в единую бортовую систему [3]. Эти модули охватывают следующие диапазоны длин волн: ультрафиолетовый ~ 0.3 – 0.4 мкм, первый оптический диапазон ~ 0.43 – 0.7 мкм, второй оптический диапазон ~0.66 – 0.86 мкм и инфракрасный диапазон ~ 0.85 - 2.5 мкм. Результаты измерений на каждом модуле объединяются путем обработки по специальной программе, и, в конечном итоге, получается единая спектральная зависимость во всем исследуемом диапазоне длин волн. Конструктивно модули одинаковы, схема одного такого модуля показана на рис.2.

1 – иллюминатор, 2 – бленда, 3 – входной объектив,  4 – коллектор, 5 – входная щель, 6 –светофильтр,  7  - коллиматор, 8 –поляризатор, 9 – дифракционная решетка, 10 – камерный объектив, 11 – отклоняющее зеркало,  12 –электронно–оптический преобразователь (ЭОП), 13 – проекционный объектив, 14 – видеокамера без объектива, 15 – ПЗС (прибор с зарядовой связью)  матрица.

Рис. 2. Схема модуля гиперспектрометра

Вследствие спектрального  разложения на дифракционной решетке вошедшего в прибор излучения на ПЗС матрице (рис.3) формируется изображение. По одной оси матрицы сигнал зависит от пространственной координаты Х узкой полоски исследуемой поверхности (столбцы), по другой - от длины волны излучения  l (строки), причем  величина заряда каждого элемента матрицы (пикселя – квадрата на рис.3) пропорциональна спектральной плотности потока излучения на данной длины волны. Таким образом, на ПЗС матрице образуется гиперспектральное изображение (для выделенного спектрального диапазона), представляющее собой совокупность спектров от элементов поверхности Земли, соответствующих координатам Х рассматриваемого участка поверхности Земли. В модулях для диапазона 0,43 – 0,7 мкм и 0,66 – 0,86 мкм используется ПЗС матрица; для диапазона 0,85 – 2,5 мкм используется электроннооптический преобразователь с фотокатодом на основе термоэлектрически охлаждаемого InGaAs.

Измерения проводятся с борта летательного аппарата, движущегося вдоль координаты Y (рис.4); таким образом, последовательно осматриваются полоски участка поверхности Земли в направлении полета и фиксируются их спектры.

 

Рис. 3. Информационная структура сигнала на ПЗС матрице	Рис. 4. Полоска исследуемой поверхности

 

Применение  приборов подобного рода в сочетании  с наземными исследованиями спектральных характеристик различных объектов позволяет существенно повысит информативность сенсоров для задач дистанционной диагностики. Расширение спектрального диапазона в длинноволновую красную область и повышение спектрального разрешения позволяет, например, выявлять подземные объекты на небольшой глубине, дешифрировать нагретые объекты. При этом имеется возможность за счет высокого спектрального разрешения существенно снизить помехи, производимые другими объектами. Кроме того, расширяются возможности мониторинга и прогнозирования аварий и опасных ситуаций, таких как утечки и разливы различных нефтепродуктов и др. жидкостей; пожары; техногенные нарушения рельефа, почв, растительности, водотоков; изменения формы и геометрии различных объектов и др.

 

Литература

 

1. Белов А.А., Воронцов Д.Ю. и др. Малый космический аппарат «Астрогон-Вулкан» гиперспектрального дистанционного мониторинга высокого разрешения. Институт проблем механики РАН. Москва, 2003 г.
2. Воронцов Д.В., Орлов А.Г. и др. Оценка спектрального и пространственного разрешения гиперспектрометра АГСМТ-1. Институт проблем механики РАН. Москва, 2002 г.