Гиперспектральная съемка из космоса для экологического мониторинга

Гиперспектральная съемка и дистанционное зондирование становятся ключевыми инструментами для отслеживания пластикового загрязнения в Мировом океане. Существует много научных исследований с использованием спутниковых снимков, и Европейское космическое агентство поддерживает ряд проектов дистанционного зондирования в этой области. Такие проекты, как Trace, который использует гиперспектральные данные со спутника Prisma Итальянского космического агентства (см. глоссарий для списка спутников, упомянутых в этой статье), наряду с другими спутниковыми снимками, для разработки системы отслеживания большого морского мусора и зон накопления в океанах. Матиас Бохов, ученый-эколог из Центра Гельмгольца в Потсдаме, входящего в состав Немецкого исследовательского центра геонаук GFZ, работает над проектом.

Он сказал: «В то время как мультиспектральные данные с высоким разрешением позволяют отслеживать плавающие объекты, только гиперспектральные данные позволяют идентифицировать материал. Нам нужно получить гиперспектральное изображение места, которое позволит нам предположить, где плавающий мусор будет находиться в течение следующих нескольких дней, чтобы иметь возможность сказать, что это действительно морской мусор, а не дрейфующие водоросли или древесина». В дополнение к изображениям Prisma - и изображениям EnMap после запуска - были использованы данные с мультиспектральных спутников PlanetScope, наряду с моделью океанографического прогнозирования Tiresias, разработанной CNR-ISMAR.

Бохов отметил, что возможность отслеживать плавающие объекты стала возможной только после запуска спутникового флота PlanetScope, который способен выполнять ежедневный мониторинг всей Земли. Хотя группировки спутников обычно используются только для получения изображений над сушей и прибрежными зонами, для этого проекта съёмка велась над Адриатическим морем. «Высокая частота съемки с течением времени позволяет отслеживать плавающие объекты, связанные с океанографической системой прогнозирования. Мы собираемся выяснить, насколько хорошо это работает в течение следующего месяца», — сказал Бохов.

Спектральные возможности в коротковолновом инфракрасном диапазоне (SWIR), между 1000 нм и 2 500 нм, важны для идентификации пластмасс из-за спектрального отклика материала на этих длинах волн. По словам Андраша Юнга, соучредителя фирмы по производству спектральных камер Cubert, гиперспектральная съемка может использоваться для сортировки пластика на макроскопическом уровне, например для бытовых или промышленных. Для этого есть много успешных приложений для диапазхона длин волн 400 нм - 1000 нм. Но гиперспектральная съемка также может быть использована для обнаружения микропластика в воде, и в этом случае область SWIR более полезна. Профессор Джонатан Чан, приглашенный профессор ETRO в Vrije Universiteit Brussel, отметил, что идеальный датчик для обнаружения морского пластика должен обладать большими спектральными возможностями измерения на длинах волн SWIR. Чан работает над проектом Muss2, который использует спектральные и пространственные методы улучшения для создания смоделированных гиперспектральных коротковолновых инфракрасных изображений с околоземной орбиты и данных со спутника Copernicus Sentinel 2 с использованием моделирования функции спектрального отклика. Гиперспектральные снимки, сделанные с околоземной орбиты, не всегда доступны, и их охват не так велик, как у обычных миссий, таких как Landsat и Sentinel. Чтобы преодолеть эти ограничения, команда Muss2 будет применять метод, основанный на теории, для улучшения мультиспектральных изображений со спутника Sentinel 2. Ожидаемыми результатами являются то, что он описал как синтетические гиперспектральные изображения Sentinel 2 с пространственным разрешением 10 м, с тем же охватом, что и мультиспектральные изображения Sentinel 2.

«До сих пор нам удавалось генерировать такие изображения на основе спектральных конфигураций Hyperion и Prisma, и количественные оценки являются многообещающими», — сказал он. «Кроме того, мы применяем метод глубокого обучения для для пространственного улучшения изображений Prisma, чтобы помочь в обнаружении небольших объектов». Все входные данные для проекта взяты из открытых источников, включая Sentinel 2, Hyperion и Prisma. Запуск Prisma в 2019 году стал важной вехой, и скоро будет запущен EnMap. Это полноразмерные гиперспектральные изображения на 400-2 500 нм с сотнями спектральных полос и представляют собой самый мощный источник данных на околоземной орбите для мониторинга окружающей среды. Потенциал еще не полностью понят и не используется, и научные сообщества только начинают понимать все протоколы предварительной обработки и вопросы качества данных».

Еще одной интересной инициативой является проект Spots, целью которого является изучение гиперспектральной сигнатуры плавающего пластикового мусора в далеко не идеальных условиях. Как объяснил Робин де Врис, геопространственный аналитик некоммерческой организации The Ocean Cleanup, гиперспектральные спутниковые данные могут стать ключевым компонентом дистанционного зондирования плавающего пластикового мусора. Он сказал: «На гиперспектральную сигнатуру влияет, когда пластик погружается под воду или когда он покрывается биологическим налетом с течением времени, известным как биообрастание. Проект Spots важен, потому что многие исследования изучали обнаружение плавающего пластика только в идеальных условиях». Ключевыми целями проекта Spots являются сбор спектральной библиотеки различных пластмасс при различной глубине воды и сценариях биообрастания, а также изучение прогностических моделей для оценки глубины воды, типа материала и степени биообрастания от гиперспектральной сигнатуры.

По словам де Вриса, команда проекта уже собрала большую часть лабораторных и полевых данных, и, хотя еще слишком рано делиться какими-либо определенными результатами, он сказал, что ученые уже обнаружили, что толщина материала и глубина воды оказывают глубокое, а иногда и неожиданное влияние на гиперспектральную сигнатуру пластмасс. На протяжении всего проекта команда Spots будет использовать ряд технологий гиперспектральной съемки, включая тепловизор Bayspec OCI-F, спектрофотометр Spectral Evolution SR-3501 и гиперспектральную камеру Specim IQ. «Это оборудование подходит только для использования в контролируемых средах», — пояснил де Врис. «Это означает, что мы собираем данные о пластике в контролируемой среде, чтобы узнать, как мы можем наилучшим образом экстраполировать их на прикладное дистанционное зондирование в будущем». Он добавил: «На данном этапе сложно применить мультиспектральные и гиперспектральные датчики в полевых условиях для применения дистанционного зондирования широко рассеянного морского мусора. Основными причинами этого являются относительно высокая стоимость оборудования и ограниченное пространственное разрешение, а также длительное время интеграции датчиков по сравнению с динамичной средой, такой как текущие реки или океанские волны.

Потенциал поляризации

Проект Ocean Plastics Polarisation Properties (OP3) направлен на получение поляризующих сигнатур пластикового морского мусора по отношению к другим природным компонентам морской воды. Это происходит благодаря сочетанию лабораторных экспериментов, измерений in situ и существующих данных о поляризации от спутниковых миссий, таких как Parasol. Как объяснил Тристан Хармель, научный сотрудник Géosciences Environnement Toulouse, дистанционное зондирование пластикового морского мусора может быть сложным из-за очень высокого поглощения воды в диапазоне NIR-SWIR и маскирования сигнала во время атмосферной коррекции. Дополнительная оптическая информация необходима для обнаружения пластика в океанах. Было показано, что поляризационное состояние света, покидающего воду, является важным инструментом для расшифровки сложных морских сигналов для получения данных о компонентах воды. Чтобы ощутить два важных элемента поляризации и направленности. В свое время французская миссия Parasol, которая содержала инструмент Polder, была очень интересным решением, потому что датчики Polder обеспечивали поляризацию в трех спектральных диапазонах (синем, красном и ближнем инфракрасном) для 16 различных направлений обзора.

Следующее поколение спутниковых поляриметров также обеспечит гораздо более совершенный набор данных, охватывающий видимые, NIR и SWIR диапазоны. К ним относится инструмент 3MI, который будет запущен на спутниках серии Eumetsat Metop-SG, который будет обеспечивать мультиспектральные (410-2 130 нм), многополяризованные (-60 °, 0 ° и +60 °) и многоугольные изображения исходящего излучения в верхней части атмосферы. Кроме того, инструмент SpexOne, который будет запущен на платформе NASA Pace, обеспечит параметры поляризации в спектральном диапазоне от 350 нм до 770 нм со спектральным разрешением 10-40 нм в пяти угловых направлениях. Инструмент Harp2, который также будет запущен на Pace, обеспечит параметры поляризации для четырех видимых спектральных диапазонов NIR с углами обзора до 60. Основным ограничением для надлежащего внедрения этих инструментов для мониторинга пластикового мусора является их грубое пространственное разрешение, которое составляет более километра. Проект также исследует использование портативных или беспилотных поляриметров.

Не только пластик

Профессор Чан отметил, что это только вопрос времени, когда новые типы данных, собранных и используемых в рамках проектов мониторинга пластикового морского мусора, будут распространяться и применяться в областях, о которых никогда раньше не думали. «Благодаря своей мощной спектральной информации, у гиперспектральной съемки огромный потенциал. Станет возможным более детальное картирование материалов поверхности земли, а временной гиперспектральный анализ станет более традиционным, хотя это большая проблема из-за высокой размерности наборов данных», — сказал он. «Уже есть мотивация для включения таких датчиков в кубсаты, чтобы углубить понимание выбросов в реальном времени, температуры и так далее. Это очень активно развивающиеся научные тематики. Безусловно, будут также новые приложения, связанные с изменением климата, зеленой окружающей средой и темами, связанными с устойчивостью», - добавил он. Вероятно, продолжающиеся исследования в области технологии гиперспектральной визуализации будут способствовать улучшению атмосферной коррекции спектральных спутниковых данных над водными объектами, что также может принести пользу другим областям мониторинга окружающей среды, таким как зондирование цвета океана. «Результаты исследования Spots и все его данные будут предоставлены в открытый доступ, чтобы промышленные партии также могли им воспользоваться. Я могу себе представить, что наша библиотека будет полезна для сортировки промышленных отходов, поскольку она может сделать сортировку промышленных отходов более устойчивой к грязным или влажным пластмассам», - отметил он. Юнг из Cubert отметил, что с точки зрения общего перевода исследований, большинство клиентов Cubert являются учеными или исследователями, но он определенно видит растущую долю OEM или промышленных приложений. «Мы видим потенциальные применения в науках о жизни, включая медицину, сельское хозяйство и продукты питания, потому что им нужны быстрые и спектрально точные камеры», — добавил Юнг. «Мы хорошо умеем идентифицировать случайно движущиеся объекты из положения случайно движущейся камеры; это то, что не может быть сделано сканерами».

Глоссарий


EnMap: Программа экологического картирования и анализа, немецкая гиперспектральная спутниковая миссия, которая должна быть запущена в этом году.

Hyperion: гиперспектральный тепловизор (220 каналов от видимого до SWIR) на борту спутника Earth-Observing One, который был выведен из эксплуатации в 2017 году.

Landsat: Программа Landsat NASA обеспечивает самую длинную непрерывную космическую миссию ДЗЗ.

Metop-SG: Метеорологическая оперативная серия спутников второго поколения, запуск которой запланирован на ближайшие два десятилетия. Инструмент 3MI, разработанный Eumetsat в качестве усовершенствования Polder, будет на борту.

Проект Muss2: Многомодельные синтетические данные S2-HS (Sentinel 2-hyperspectral) для анализа морского пластикового мусора.

OP3project: Поляризационные свойства пластика океана, под руководством Карла фон Осецкого Университета Ольденбурга.

Спутник Pace: планктон, аэрозоль, облака, океан, экосистема. Миссия NASA должна быть запущена в 2023 году. В нем будет размещен инструмент SpexOne, многоугольный поляриметр, а также поляриметр Harp2.

Спутник Parasol : поляризация и анизотропия отражений для атмосферной науки в сочетании с наблюдениями с лидара. Запущен французским агентством CNES, чтобы посмотреть, как облака и аэрозоли влияют на климат. Содержит инструмент Polder : поляризация и направленность отражений Земли. Миссия завершилась в 2013 году.

PlanetScope: группировка из примерно 130 спутников, способных ежедневно получать изображения всей поверхности Земли (производительность 200 миллионов км² / день).

Prisma: Миссия гиперспектральной съемки среднего разрешения Итальянского космического агентства, запущенная в 2019 году.

Sentinel-2: группировка из двух спутников на полярной орбите. Она является частью Европейской программы наблюдения Земли Copernicus под управлением Европейского космического агентства. В настоящее время действуют семь миссий Sentinel.

Проект Spots: Спектральные свойства затопленного и биообрастающего морского пластикового мусора.

Проект Trace : Обнаружение и отслеживание крупного морского мусора на основе временных рядов дистанционного зондирования с высоким разрешением, машинного обучения и моделирования океанических течений.