ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 5, с. 93-96
= РЕЦЕНЗИИ
УДК 681.782.46.015.3:528.854
IMAGING SPECTROMETRY. Basic Principles and Prospective Applications / Eds Freek D. van der Meer, Steven M. Jong. Neederland: Springer, 2006. 403 p.
В последние два десятилетия в Америке, Европе, Австралии, Китае интенсивно развивается принципиально новый метод дистанционного зондирования с аэрокосмических носителей — видеоспектральная съемка (imaging spectrometry). Видеоспектрометры позволяют исследовать тонкие спектральные различия объектов в оптическом диапазоне 0.3—2.5 мкм (в перспективе тепловой диапазон) в виде спектров излучения и большого количества (до нескольких сотен) монохромных (узкоспектральных, гиперспектральных) видеоспектральных изображений (снимков). Это позволяет решать на качественно новом уровне традиционные задачи дистанционного зондирования, а также классы задач, связанные с определением вещественного состава (вида) и состояния объектов. Появилось большое количество публикаций, в том числе и эта первая монография, посвященная физическим основам и перспективам использования видеоспектральной съемки.
Во введении дается определение видеоспектральной съемки, подчеркивается возможность получения информации о спектре пиксела изображения, что исключительно важно для наук о Земле.
Далее следует Ч. I. Основные положения видеоспектральной съемки. Глава 1. Физические основы метода. Рассматриваются общие вопросы взаимодействия излучения оптического диапазона с минералами, горными породами, почвами, растительностью, искусственными материалами, атмосферой. Анализируются спектры некоторых минералов, спектральные линии, важные с диагностических позиций. Указываются фундаментальные исследования, где имеются библиотеки (банки) спектров. Для растительности анализируется влияние на их спектры целлюлозы, лигнина, пектинов др., указываются диагностические линии, приводятся типичные спектры для диапазона 0.4—2.5 мкм, отмечается увеличение отражательной способности хлорофилла и воды у больных растений и важность геометрии растительного покрова. Спектральные характеристики почв зависят от их физических свойств и химического состава, в первую очередь, от содержания органических и неорганических веществ. Диагностические линии вещественного состава нахо-
дятся в диапазоне 2.0—2.5 мкм. Важнейшим объектом дистанционных исследований является вода, которая хорошо поглощает излучение оптического диапазона, причем чистая вода поглощает его почти полностью. Поглощение уменьшается при наличии взвешенных минеральных и органических примесей, хлорофилла. Диагностические линии находятся в ближнем ИК-диапазоне.
Глава 2. Технические средства. До последнего времени все системы дистанционного зондирования оптического диапазона имели приемники с широкими спектральными интервалами. Но было показано, что только информация с высоким спектральным разрешением позволяет судить о вещественном составе объектов. Возможность получения такой информации появилась только с созданием видеоспектрометров. Первые из них появились в начале 1980-х годов; AIS-JPL, например, имел 128 каналов в видимом—ближнем ИК-диапазоне с разрешением 2.4—11.2 нм и поле обзора 3.7°. Более известен видеоспектрометр AVIRIS - 224 канала и поле обзора 30°. Упоминаются видеоспектрометры CASi (Канада), AISA (Финляндия) и др. Авторы относят к ним как приборы матричного типа, так и оптико-механические сканеры. Приводятся основные характеристики сканеров фирм Daedalus — AOCI, MAS, MIVIS (102 канала), GER-DAIS (63 канала), DAIS (211 каналов) и опытных образцов космических видеоспектрометров. Дается сравнительная оценка стоимости космических и авиационных видеоспектральных съемок, указывается на важный аспект оперативности получения конечной продукции. Кратко рассматриваются общие вопросы предварительной обработки — радиометрическая и геометрическая коррекция и т.п., контроль качества, атмосферная коррекция, некоторые процедуры тематической обработки.
Ч. II. Перспективы применения видеоспектральной съемки. Глава 3. Деградация земель. Для решения этой задачи предлагается активно использовать известные методы дистанционного зондирования. Указывается место видеоспектральной съемки в части оценки таких важных характеристик почв как содержание влаги, органики, железа, глинистых материалов, текстура и структура. Рассматриваются методики классификации почв по данным видеоспектральной съем-
ки; они находятся на ранних этапах развития, но весьма перспективны из-за существенно большего объема и принципиально качественных отличий видеоспектральной информации (высокое геометрическое и спектральное разрешение).
Глава 4. Идентификация и картографирование почв. В ней указывается, что полевые спектральные и видеоспектральные наблюдения позволяют определить вещественный состав почв по библиотекам спектров и диагностическим линиям, в первую очередь воды (1400, 1900, 2200 нм). Приводятся примеры картографирования почвенных комплексов в Колорадо (США). Сравниваются результаты опытно-методических аэросъемок с результатами, полученными видеоспектрометрами ЛУ1Ш8 и НуМар (Австралия). Отмечается, что данные видеоспектральных съемок позволяют выявить новые перспективные площади для развития сельского хозяйства.
Глава 5. Видеоспектральная съемка и изучение растительности. Говорится о том, что до настоящего времени многоспектральные системы с широкими спектральными каналами, например ТМ, разделяли растительность от других объектов, но практически не разделяли виды, поскольку важные изменения для растительности отмечаются в очень узких спектральных интервалах. Надежно это может быть зафиксировано только видеоспектрометрами. При этом возникают новые проблемы обработки огромного количества видеоспектральных данных в виде изображений и спектров, выявление связей со спектральными характеристиками различных видов растительности, моделями рассеяния и излучения растительности, химического состава листьев. Рассматриваются также физические основы формирования отражательных характеристик растительности. В видимом диапазоне наблюдается высокое фотосинтетическое поглощение, исключение составляет зеленая зона. Основные линии поглощения 420, 490, 600 нм (хлорофилл-а), 435, 643 нм (хлоро-филл-в), 420 и 425, 440 и 450, 470 и 480 нм (каротин) и др. Хлорофилл разрушается быстрее, чем каротин, поэтому индикационное значение приобретает увеличение отражения в красной зоне. Каротин и хантофиллы приобретают более важное значение в составе листа, в результате чего и появляется желтый цвет. Когда лист умирает, он приобретает коричневый цвет (танин). "Красный край" (690—720 нм) — важнейшая индикационная характеристика растительности. Он обусловлен низким отражением хлорофилла в красной зоне и высоким отражением в ближнем ИК-интервале от 800 нм и связан с внутренней структурой листа и содержанием воды. Для регистрации резко поднимающейся линии красного края необходимо иметь высокое спектральное и пространственное разрешение. В ближнем ИК-диапазоне (700— 1300 нм) растительность имеет высокую отража-
тельную способность, что определяется структурой листьев. Далее, в интервале 1300—2500 нм отражение падает вплоть до почти полного, например, для длин волн 2660, 2730 нм. Увеличение содержания воды в листьях увеличивает поглощение не только на этих линиях, но и во всем диапазоне. Поглощение компонентами листа — лигнином, протеином, крахмалом, нитратами — невелико. Далее отмечено, что спектральные свойства растений зависят от комбинации различных характеристик, но основополагающими являются диагностические линии 680, 850, 1650 и 2200 нм хлорофилла и воды. Линия 2200 нм используется для разделения видов растительности. Приводятся оптические модели листьев и индикационная роль линий от 420 до 2350 нм в определении содержания хлорофилла и других компонентов. При обсуждении вопросов полевой спектрометрии детально исследуются связи спектральных характеристик растений с биохимией листа, содержанием воды, стрессом растительности, фенологическими изменениями. Все это необходимо учитывать при выборе условий проведения видеоспектральной аэросъемки. Обсуждаются возможности и приводятся примеры применения видеоспектральной аэросъемки при определении полевой биомассы, биогеохимических характеристик растительности, баланса углерода.
Глава 6. Видеоспектральная съемка в сельском хозяйстве. Отмечается еще раз (см. Введение) исключительная практическая важность правильной оценки условий жизнедеятельности сельскохозяйственных культур. Для этого необходимы точные измерения вегетационного индекса и указанных в предыдущей главе характеристик, что под силу только видеоспектральным системам. В этом направлении проведен ряд исследований в Европе с авиационными видеоспектрометрами. Объекты исследований — посевы сахарной свеклы, картофеля, озимой пшеницы. Для определения индикационной роли различных спектральных каналов использовались различные методы классификации, а для определения значимости "красного края", наиболее важной характеристики — специальные методы обработки.
Глава 7. Геологическое применение. Переключает внимание на проблемы в области геологии. Известно, что минералы и горные породы имеют существенные различия спектральных характеристик. Перечисляется ряд экспериментов по минералогическому картографированию с помощью видеоспектральной аэросъемки. Наиболее известны работы по обнаружению и прослеживанию благоприятных на оруденение зон гидротермальных изменений, литологии (США, Испания, Бразилия). Отдельно рассматривается вопрос индикационной роли имеющих характерные спектры геоботанических аномалий над рудными телами (стресс растительности, что в принципе уве-
IMAGING SPECTROMETRY
95
личивает глубинность поисков) и в пределах зон влияния добывающих и обогатительных предприятий (экологическая безопасность). Указывается на перспективность видеоспектральной съемки для изучения геологических процессов и поисков некоторых полезных ископаемых по газовым ореолам в приземном слое атмосферы. В качестве примера детально анализируются результаты аэросъемок
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.