Гиперспектральное дистанционное зондирование, при котором для каждого пикселя изображения с борта самолета или спутника получается полный спектр, обеспечивает более полное понимание земной поверхности и служит инструментом для мониторинга изменений.

В отличие от мультиспектральной съемки, гиперспектральная технология позволяет идентифицировать материалы на поверхности, одновременно устраняя влияние атмосферного сигнала. Ее технологии, методы и области применения в экологии неуклонно расширялись на протяжении последних трех десятилетий, и сейчас настало время для следующего шага: достижения непрерывного глобального покрытия, чтобы использовать критически важные количественные измерения изменений для понимания нашей планеты.

Спектральная съемка началась почти четыре десятилетия назад с запуска спутника Landsat 1. Перспективы спектрометрии стали очевидны благодаря первым измерениям полевыми спектрометрами. Первоначальное определение спектрометрии, предложенное мной и другими коллегами, звучало как "получение изображений в сотнях смежных, зарегистрированных спектральных каналов, таких, что для каждого пикселя может быть получен спектр излучения".¹ Это определение до сих пор хорошо описывает данный метод. В той же статье в журнале Science Джерри Соломон придумал термин «гиперспектральная съемка».

На заре развития технологии микропроцессоров еще не существовало, и обработка изображений велась в крупных централизованных вычислительных центрах. Несмотря на эти технические трудности, исследователи понимали, что в конечном итоге технически возможно создать спектрометры для полетов на самолетах и космических аппаратах и получать спектры, подобные лабораторным, позволяющие количественно определять состав материалов на земной поверхности. Спектральные данные, собранные гиперспектральными сенсорами, обеспечивают надежность благодаря обилию данных и облегчают применение методов статистического анализа.

Гиперспектральная съемка Земли зародилась в Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) после запуска спутника Landsat 1 (в то время называвшегося Earth Resources Technology Satellite, или ERTS 1) в 1972 году. Я был главным исследователем в команде, в которую входил покойный Юджин Шумейкер, выбранной NASA для анализа данных мультиспектрального сканера Landsat 1 с целью геологического картирования плато Коконино в центральной Аризоне. В ходе анализа изображений стало ясно, что тонкие цветовые вариации, видимые на снимках, трудно идентифицировать на местности, и для правильной интерпретации цветов на изображении необходимы измерения спектральной отражательной способности образцов нетронутой поверхностной почвы.

Эта необходимость стимулировала разработку в 1974 году первого по-настоящему портативного полевого спектрометра отражательной способности (PFRS), способного перекрывать спектральный диапазон отраженного солнечного излучения от 0,4 до 2,5 мкм. Результаты, полученные с помощью PFRS, сыграли ключевую роль в добавлении канала 7 к Тематическому картографу (Thematic Mapper) и в обосновании разработки в JPL аэромобильного спектрометра, первого в своем роде.

*Инструмент, с которого все началось: Майк Абрамс и автор, Алекс Гётц, используют первый по-настоящему портативный полевой спектрометр отражательной способности на плато Коконино в Аризоне. Прибор состоял из кругового переменного фильтра и PbS-детектора в оптической головке, а также электроники управления и регистрации в рюкзаке. Получение одного спектра занимало 30 секунд. Зонт был необходим для защиты прибора от солнца. Предоставлено ASD Inc.*

Съемка в спектральных областях с выраженными полосами атмосферного поглощения изначально рассматривалась как недостаток гиперспектральных приборов. Однако это стало преимуществом по мере развития алгоритмов обработки, позволяющих количественно оценивать изменения пропускания атмосферы на изображении в зависимости от перепадов высот и изменчивости водяного пара.² Поскольку обычные мультиспектральные инструменты, такие как на Landsat и других космических аппаратах, не ведут съемку в этих длинах волн, способность получать такую атмосферную информацию уникальна для гиперспектральных сенсоров.

К концу 1980-х годов на рынке появилось несколько коммерческих гиперспектральных устройств. Первым был DAIS от компании Geophysical Environment Research из Миллбрука, штат Нью-Йорк. Однако к 1989 году все еще не существовало коммерчески доступных пакетов программного обеспечения для обработки изображений, способных работать с более чем 10 спектральными каналами. Кроме того, программное обеспечение, написанное на одной платформе, нельзя было перенести на другую без написания специфического кода для отображения изображений.

В начале 1990-х годов в рамках проекта SIPS (Spectral Image Processing System), предпринятого в Центре изучения Земли из космоса, который я основал в 1985 году в Университете Колорадо в Боулдере, был разработан первый «гиперкуб» (image cube). Также было создано программное обеспечение для обработки гиперспектральных изображений, которое можно было переносить на все популярные вычислительные платформы того времени. Позже SIPS превратился в ENVI (Environment for Visualizing Images), что позволило даже относительно начинающим пользователям обрабатывать изображения.

ENVI стимулировал быстрое расширение исследовательского сообщества, сосредоточенного на возможности точного картирования наземного покрова из космоса. Однако не хватало одного компонента: легкодоступного, по-настоящему портативного полевого спектрометра для получения спектров лабораторного качества. Веря в то, что это в конечном итоге сдержит рост исследовательского сообщества, мы с моим коллегой по Университету Колорадо, доктором Брайаном Кертиссом, разработали полевой спектрометр, ныне известный как линейка аналитических приборов FieldSpec, который можно было использовать в самых разных исследовательских приложениях.

Этот проект побудил нас основать компанию ASD Inc. в 1990 году. В течение 20 лет компания разрабатывала, проектировала, производила и продавала спектрорадиометр FieldSpec. Сложные инструментальные решения ASD в видимом и коротковолновом инфракрасном диапазонах для измерения материалов и исследований используются на всех континентах, в более чем 1000 исследовательских институтов и более чем в 70 странах.

Области применения гиперспектрального дистанционного зондирования охватывают весь спектр дисциплин в наблюдениях Земли: от анализа воды, горных пород, почвы и растений до картирования экосистем. Гиперспектральные снимки используются для картирования минералогии на потенциальных участках добычи полезных ископаемых с целью понимания геологической истории. Можно даже определить температуру образования минералов. Примером является район добычи Кьюпрайт (Cuprite), состоящий из двух центров кислотно-сульфатных гидротермальных изменений, расположенных по обе стороны от автомагистрали US 95 в юго-западной Неваде.³ Кьюпрайт — одно из лучших в мире мест для полевых испытаний точности новых сенсоров и методов спектрального картирования благодаря разнообразию минералов изменений, отличным обнажениям пород, скудной растительности, сухому климату и легкому доступу.⁴ С помощью спектроскопических измерений ученые определили, что богатое минеральное разнообразие этого района сформировалось в ходе раздельного развития двух гидротермальных центров в Кьюпрайте. Это открытие имеет значение для геологоразведки и может быть использовано для дистанционного понимания структуры других гидротермальных систем как на Земле, так и на других планетах.

Гиперспектральное дистанционное зондирование продолжает расширяться, помогая нам понимать биосферу Земли в соответствии с нашим растущим пониманием ее физических и химических систем на региональном, континентальном и глобальном уровнях. Национальная сеть экологических обсерваторий (NEON) — это платформа для обнаружения, понимания и прогнозирования последствий изменений климата и землепользования, а также инвазивных видов для экологии континентального масштаба. NEON будет работать в течение следующих 30 лет и собирать долгосрочные данные с помощью высотных региональных авиационных наблюдений дистанционного зондирования.

Авиационная наблюдательная платформа (AOP) несет оборудование дистанционного зондирования, предназначенное для достижения пространственного разрешения на уровнях менее 1 метра, связывая масштабы организмов и отдельных участков со спутниковыми наблюдениями. AOP, включающая в себя сочетание спектрометра видимого/коротковолнового инфракрасного диапазона (SWIR), сканирующего маломерного импульсного лидара для измерения 3D-структуры полога и цифровой камеры высокого разрешения, предоставит ученым данные для изучения изменений в землепользовании и экологических структур.⁵

Будущее гиперспектральной съемки можно разделить на четыре направления.

Первое касается тенденции к получению еще более точных измерений состояния окружающей среды и ее процессов во времени и пространстве. Ключевой вопрос для сторонников гиперспектральной съемки: следует ли продолжать вкладывать значительные средства в исследования и разработки, направленные на мультиспектральные инструменты, такие как спектрорадиометр среднего разрешения MODIS, или же в миссию HyspIRI (гиперспектральная и инфракрасная съемка), рекомендованную в десятилетнем обзоре Национального исследовательского совета 2007 года? В условиях сокращения ресурсов NASA, стоит ли потенциальное знание затраченных средств? Я думаю, что да, но должен найтись убежденный сторонник, чтобы обеспечить достаточно высокий приоритет выделения этих ресурсов.

США не одиноки в разработке гиперспектральных устройств для орбиты. Среди прочих, немецкая миссия EnMAP, включающая спектрометр, работающий в видимом, ближнем и коротковолновом инфракрасном диапазонах, запланирована к запуску на 2015 год.

Второе направление — это необходимость обучения студентов извлечению информации и знаний из данных. В настоящее время существует лишь несколько университетских программ, обучающих спектральному дистанционному зондированию, а аналитические приборы, подходящие для поддержки исследовательских усилий, дороги и труднодоступны. Из-за потребности в доступе к оборудованию компания ASD ежегодно предоставляет избранным аспирантам премию Alexander Goetz Instrument Support Program Award, включающую использование прибора FieldSpec для их полевых исследований, чтобы дополнительно стимулировать творческую исследовательскую среду в области дистанционного зондирования и полевой спектроскопии. Однако очень немногие университеты имеют доступ к приборам на самолетах. Потенциал существует, но маловероятно, что эта область значительно расширится, пока гораздо большая группа студентов и преподавателей не получит свободный доступ к гиперспектральным устройствам под своим контролем.

Третья тенденция положительна благодаря достижениям в компьютерных и сенсорных технологиях, которые предоставляют более простые способы получения, хранения, доступа и анализа больших наборов изображений. Эволюция программного и аппаратного обеспечения продвигает гиперспектральную съемку от анализа отдельных самолетных снимков площадью 100 км² к глобальным наборам данных, содержащим петабайты информации.

И последняя необходимость — наличие гиперспектральных устройств на орбите, способных создавать изображения качества и разрешения сенсора AVIRIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) и используемых для характеристики поверхности и атмосферы Земли с частым повторным покрытием. Эти данные затем могут быть применены для развития океанографии, наук об окружающей среде, гидрологии снежного покрова, геологии, вулканологии, почвоведения и землепользования, изучения атмосферы и аэрозолей, сельского хозяйства и лимнологии, а также добавят важнейший элемент — отслеживание изменений.

Именно эта страсть к использованию технологий для понимания планеты, на которой мы все живем, движет нами вперед. Такие инструменты, как самолетные и космические спектрометры, полевые спектрометры и передовое хемометрическое моделирование, будут продолжать развиваться в отрасли, которая еще не раскрыла свой полный потенциал.