Adquisición de datos espectrales de teledetección
1. La etapa de desarrollo de la fotogrametría aérea.
La fotografía aérea más antigua que aún se conserva es de 1860. Foto de Boston tomada desde. un globo de J.W. Su aplicación en geología comenzó en 1913, cuando alguien usó una cámara para tomar fotografías del campo petrolífero de Benglassen en Libia, África, y utilizó este conjunto de fotografías sucias para compilar un mapa geológico del campo petrolífero de Benglassen. La teledetección aérea utiliza principalmente aviones o globos como vehículos, utiliza cámaras aéreas para obtener información del objetivo y luego obtiene las fotografías aéreas finales mediante dos procesos: positivo y negativo. La fotografía aérea utiliza la banda a todo color de ondas electromagnéticas y luz visible, y utiliza película fotográfica para recibir la luz solar reflejada por el sujeto para obtener imágenes fotosensibles. En términos generales, el rango fotosensible de la película fotográfica es de 0,3 ~ 0,9 micrones. En la mayoría de los casos, la fotografía aérea es fotografía vertical, es decir, el eje principal de la cámara aérea se mantiene en dirección vertical para tomar fotografías; Se utiliza una cámara especial para fotografías oblicuas. La fotografía aérea se puede dividir en cuatro tipos según las características de las bandas de ondas electromagnéticas, las películas e imágenes fotosensibles correspondientes, a saber: imágenes aéreas en blanco y negro con luz visible; imágenes aéreas en color verdadero con luz visible; imágenes aéreas en color falso; Imágenes infrarrojas en blanco y negro. Las más utilizadas son las imágenes aéreas en blanco y negro a todo color con luz visible y las imágenes aéreas en color falso por infrarrojos, que utilizan principalmente las características de intensidad de reflexión de banda ancha del espectro de objetos terrestres.
2. Estación de teledetección satelital multiespectral
Las imágenes digitales por satélite comienzan con los satélites meteorológicos. En 1960, el satélite meteorológico TIROS-1 proporcionó imágenes de satélite muy toscas, que mostraban principalmente patrones de nubes. Posteriormente, en la década de 1970, la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) lanzó el sensor de radiación de muy alta resolución (AVHRR) para la predicción meteorológica, que tenía una resolución a nivel del suelo de 1,1 km. Vimos las imágenes de nubes que adquirió en programas de televisión sobre pronóstico del tiempo. Al mismo tiempo, a partir de 1970 se lanzaron varios satélites con sensores de mayor resolución. Por ejemplo, el 23 de julio de 1972, la NASA lanzó el primer satélite de tecnología de recursos terrestres dedicado a monitorear y mapear la superficie de la Tierra (ERTS-U), que pasó a llamarse Landsat en 1975. Landsat 1-3 está equipado con un escáner multiespectral (MSS) con cuatro bandas, a saber, verde, roja y dos bandas infrarrojas, con una resolución terrestre de aproximadamente 80 m. En 1982, Landsat 4 fue equipado con Thematic Imager (TM), que tiene 7 bandas, más anchas que el MSS, y el ancho de banda se divide en bandas más finas, lo que puede reflejar mejor los patrones cambiantes de las características espectrales de los objetos terrestres. Su resolución terrestre es de 30 m excepto la banda 6 que es de 120 m. La característica más típica de la teledetección multiespectral es que puede utilizar múltiples bandas para obtener simultáneamente múltiples características espectrales del mismo objetivo. Esto mejora enormemente la capacidad de la teledetección para identificar objetos terrestres. Posteriormente, varios países siguieron su ejemplo y el rango espectral del sensor varió desde la luz visible, el infrarrojo hasta las bandas de microondas, y el ámbito de aplicación también se fue ampliando.
3. Etapa de desarrollo de la tecnología de teledetección del espectro de imágenes
La tecnología de teledetección del espectro de imágenes es un salto en el desarrollo de la tecnología multiespectral. Los resultados de la investigación de Hunt muestran que el ancho de absorción de los minerales característicos es de aproximadamente 20 ~ 40 nm, mientras que la resolución espectral de los datos de detección remota multiespectral (como MSS y TM) es solo de aproximadamente 100 nm, por lo que los científicos de detección remota comenzaron a estudiar materiales con alto espectro. resolución y resolución espacial de sensores de teledetección. En 1981, un radiómetro infrarrojo multiespectral del transbordador espacial (SMIRR) acompañó al transbordador espacial estadounidense Columbia para realizar observaciones de banda limitada de la superficie de la Tierra, logrando la primera detección remota de alta resolución espectral para identificar directamente rocas y arcillas carbonatadas desde el espacio. , abriendo así un nuevo capítulo en la identificación de litología por teledetección del espectro de imágenes. Tras el desarrollo exitoso de AIS-1 y AIS-2 de los espectrómetros de imágenes aéreas JPL y AVIRIS, se desarrollaron con éxito varios espectrómetros de imágenes como FIL/PML, CAS1 y SFSI (Tong Qingxi et al., 1993).
Otros incluyen: HIRIS (espectrómetro de imágenes de alta resolución), que tiene 192 bandas espectrales en el rango de 0,4 ~ 2,5 micrones, una resolución terrestre de 30 m, una resolución espectral de 9,4 nm en el rango de longitud de onda de 0,4 ~ 1,0 micrones y un espectrometro resolución de 9,4 nm en el rango de longitud de onda de 1,0 ~ 2,5 micrones. Hay 168 en el rango (Kerekes & Landgrebe, 1991). El espectrómetro de imágenes de 63 canales (GER) de Geophysical and Environmental Metal Research Company está especialmente diseñado para geología remota. investigación de detección y se ha utilizado muchas veces para mapeo litología (Zheng Lanfen et al., 1992; Bamaby W. Rockwell, 1997). Además de los espectrómetros de imágenes aerotransportados, tanto los Estados Unidos como la Agencia Espacial Europea (ESA) han desarrollado planes. para desarrollar espectrómetros de imágenes espaciales, entre los cuales se ha puesto en órbita el espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) de los Estados Unidos (EOS) para realizar observaciones periódicas de la Tierra mediante teledetección con alta resolución espectral. Al mismo tiempo también se lanzará el espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MERIS) de la ESA (Tong Qingxi et al., 1993).
De 1990 a 1995, Roger N. Clark y otros utilizaron datos de AVIRIS para identificar y mapear minerales y litología en el sitio de pruebas Capulet en Nevada, EE. UU. Descubrieron que el espectrómetro de imágenes no sólo podía distinguir diferencias generales de brillo y pendiente en el espectro de emisión de la superficie (la base de las técnicas multiespectrales MSS, TM y SPOT para distinguir objetos terrestres). Además, se pueden obtener bandas de absorción espectral utilizadas para identificar objetos terrestres especiales. El análisis espectral de datos espectrales de imágenes puede identificar y mapear cualquier sustancia (minerales, vegetación, objetos T humanos, masas de agua, nieve, etc.) con características únicas dentro del planeta. rango espectral medido. Propiedades de absorción (Clark, R.N. et al., 1996).
El Instituto de Física Técnica de Shanghai de la Academia de Ciencias de China es la principal institución de investigación para espectrómetros de imágenes en mi país. En 1983, se desarrolló con éxito el primer escáner de espectro de subdivisión de infrarrojos de seis canales que funcionaba en la región del espectro de onda corta (2,05 ~ 2,5 micrones), con una resolución espectral de entre 30 y 50 nm. En 1987, impulsado por la misión de prospección de oro del Estado y la Academia de Ciencias de China, el instrumento se desarrolló con 12 canales. La posición de su banda es consistente con la banda de absorción de minerales arcillosos y carbonatos superficiales, por lo que tiene mejores capacidades. identificar litología geológica Gran capacidad (Tong Qingxi et al., 1993). También hay un escáner multiespectral infrarrojo térmico (TIMS), un escáner multiespectral de 19 bandas (AMSS) y un espectrómetro de imágenes aéreas multiespectrales de 71 bandas (MATS). Los datos de estos espectrómetros se utilizan principalmente para la detección remota de recursos de petróleo y gas (Zhu Zhenhai, 1993) y el mapeo de minerales (Wang Jinnian et al., 1996). La tecnología de procesamiento de datos y la investigación teórica sobre la identificación de minerales han logrado diversos grados de progreso. (Li, 1997).
En cuanto a la adquisición de datos espectrales de teledetección, hay varios avances nuevos:
(1) Se ha ampliado el rango espectral de la aplicación y se ha aumentado la banda espectral; se ha mejorado la resolución espectral y espacial; ③ Tiene la función de obtener pares de imágenes estereoscópicas, rompiendo la capacidad de solo fotografías aéreas para tener pares de imágenes estereoscópicas (como imágenes SPOT (4) Mejorar el rendimiento del detector o los dispositivos detectores, es decir, de línea); dispositivos CCD de matriz y área; ⑤ Mejoró la precisión de los datos de imagen; ⑥ Ampliación vertical de los campos de aplicación, como el uso de datos de imágenes de TM para identificar directamente minerales como hematita y goethita.
A finales del siglo XX y principios del XXI, los satélites espaciales de imágenes hiperespectrales se han convertido en una importante tecnología de vanguardia para la teledetección y la observación de la Tierra, desempeñando un papel cada vez más importante en el estudio de los recursos terrestres. y monitorear el medio ambiente terrestre.
El desarrollo de la tecnología de teledetección de alta resolución espectral es uno de los principales avances tecnológicos realizados por la humanidad en los dos últimos años del siglo XX. Es la tecnología de vanguardia de la teledetección actualmente e incluso a principios del siglo XIX. Las imágenes de superficie obtenidas mediante imágenes hiperespectrales contienen rica información espacial, radiométrica y espectral. A finales de la década de 1990, con la solución de una serie de problemas básicos en aplicaciones de detección remota hiperespectral, como la calibración y cuantificación de información de imágenes hiperespectrales, la visualización y expresión multidimensional de información de imágenes espectrales, la conversión de imagen-espectro y la gran procesamiento de datos a escala Procesamiento, etc., la teledetección hiperespectral ha pasado gradualmente de la etapa de investigación experimental a la etapa de aplicación práctica. Como punto caliente en las aplicaciones de teledetección hiperespectral, la mejora de la tecnología de extracción de información de datos hiperespectrales y la expansión de aplicaciones estrechamente relacionadas. Los campos son el foco.
La característica más importante de los datos de teledetección hiperespectral es que combina la dimensión de la imagen tradicional y la información de la dimensión espectral. Obtiene información espectral continua de cada objeto de la superficie mientras adquiere imágenes del espacio de la superficie, logrando así la inversión de la composición del objeto terrestre. Información e identificación de objetos terrestres en función de las características espectrales de los objetos terrestres. Consta de las siguientes tres partes:
(1) Dimensión de la imagen espacial
En la dimensión de la imagen espacial, los datos hiperespectrales son similares a las imágenes generales. El algoritmo general de reconocimiento de patrones para imágenes de teledetección es una tecnología de extracción de información aplicable.
(2) Dimensión espectral
Se puede obtener una curva espectral "continua" de cada píxel de la imagen hiperespectral, y se puede utilizar la tecnología de "coincidencia espectral" basada en la base de datos espectral. logrado El propósito de identificar características. Al mismo tiempo, la mayoría de los objetos terrestres tienen características típicas de forma de onda espectral, especialmente las características de absorción espectral están estrechamente relacionadas con la composición química de los objetos terrestres. La extracción de parámetros característicos de absorción espectral (posición de la longitud de onda de absorción, profundidad de absorción y ancho de absorción) se convertirá en el aspecto principal de la extracción de información hiperespectral.
(3) Dimensión del espacio característico
Las imágenes hiperespectrales proporcionan un espacio característico de alta dimensión. Para la extracción de información hiperespectral, es necesario tener una comprensión profunda de las características de distribución y el comportamiento de los objetos terrestres en el espacio de características bidimensional formado por datos hiperespectrales. La investigación ha descubierto que el espacio de alta dimensión de los datos hiperespectrales está bastante vacío, los datos están distribuidos de manera desigual y tienden a concentrarse en las esquinas del espacio del cubo hiperdimensional. Las diferencias en los datos típicos se pueden asignar a una serie de subespacios de baja dimensión. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de desarrollar algoritmos de extracción de características efectivos para encontrar subespacios de baja dimensión que mantengan diferencias importantes para generar información de manera efectiva.