Obrazowanie wielospektralne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Obrazowanie wielospektralne (wielowidmowe) (multispektralne), superspektralne i hiperspektralne – techniki rejestracji obrazu będące uogólnieniem fotografii barwnej na pełną przestrzeń barw w zakresie światła widzialnego, a także mikrofal, dalekiej i bliskiej podczerwieni oraz ultrafioletu. Obraz wielospektralny składa się z wielu kanałów będących uogólnieniem kanałów barw podstawowych: R (red), G (green) i B (blue) na dowolne zakresy spektralne.

Idea[edytuj | edytuj kod]

Idealny przyrząd do obrazowania wielospektralnego dokonuje w określonym przedziale współrzędnych i długości fal jednoczesnego pomiaru funkcji I (x,y), gdzie xy są współrzędnymi na obrazowanej powierzchni, λ jest długością fali elektromagnetycznej, zaś I jest natężeniem energii promieniowania przypadającym na przedział  Δx, Δy, Δλ wokół punktu  xy, λ. Wielkości Δx , Δy w odniesieniu do rozmiarów obrazu stanowią o rozdzielczości przestrzennej obrazowania, zaś wielkość Δλ jest rozdzielczością widmową (spektralną). Taki rodzaj obrazowania nosi w języku angielskim nazwę Full Spectral Imaging (FSI)[1][2] i jako realna technika jest wciąż na początkowym etapie rozwoju. Pierwsza wzmianka o FSI pojawiła się na konferencji SPIE[3] w Barcelonie w 2004 roku[2].

Głównym problemem stojącym na przeszkodzie w praktycznej realizacji FSI jest szybkość rejestracji obrazów w wielu osobnych kanałach związanych z przedziałami długości fali. Aby zarejestrować taki wielokanałowy obraz w krótkim czasie (porównywalnym np. z czasem migawki aparatu fotograficznego) potrzebny jest układ matryc czujników (np. takich jak matryca CCD) o bardzo dużej czułości i szybkości działania połączonej z możliwością pracy w szerokim przedziale widmowym.

Nazewnictwo[edytuj | edytuj kod]

Praktyczne realizacje powyższej idei, zależnie od przedziałów długości fali i rozdzielczości spektralnej, noszą różne nazwy[4]. W zależności od liczby kanałów spektralnych techniki obrazowania dzielimy umownie na:

  • multispektralne – kilka kanałów, np. satelita SPOT – 3 kanały, IKONOS – 4 kanały, Landsat – 7 kanałów[4]
  • superspektralne[4] – kilkadziesiąt kanałów, np. instrument satelitarny MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) zainstalowany w satelitach Aqua i Terra zawierający 36 kanałów
  • hiperspektralne – 100 lub więcej kanałów[4]

Inne źródła[5] nie wprowadzają pojęcia obrazowania superspektralnego, zastępując je szerszym zakresem multispectral imaging, a przy tym definiują różnicę pomiędzy obrazem multispektralnym a hiperspektralnym, nie tylko w oparciu o liczbę kanałów, ale także ich ciągłość; obrazowanie hiperspektralne definiuje się jako możliwość uzyskania rozkładu natężeń w ciągłym zakresie długości fal, natomiast obraz multispektralny może obejmować rozdzielone fragmenty widma; w szczególności obraz multispektralny może być wykonywany przez wiele współpracujących ze sobą czujników fotometrycznych różnego typu – każdy związany z innym zakresem długości fal.

O klasie urządzenia decyduje nie tylko ilość kanałów spektralnych, ale również (a w wielu zastosowaniach – przede wszystkim) rozdzielczość przestrzenna i szybkość działania. W sytuacji, gdy istotna jest jedynie wysoka rozdzielczość spektralna, zaś pomiar ma dotyczyć całej wiązki światła docierającej do przyrządu (bez rozdzielczości przestrzennej), najkorzystniejsze jest użycie spektrometru wielokanałowego, natomiast w sytuacji, gdy zbieranie danych może się odbywać w dowolnie długim czasie, wystarczającym i zarazem najdokładniejszym rozwiązaniem jest zastosowanie klasycznego spektrometru lub monochromatora połączonego z szerokopasmowym fotometrem (zob. spektroskopia astronomiczna).

Przyrządy rejestrujące obraz wielospektralny nazywane są skanerami (kamerami) wielospektralnymi, ewentualnie multispektralnymi lub hiperspektralnymi.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Wizualizacja okolic Zalewu Wiślanego na podstawie danych z satelity Landsat 7

Geografia, geologia, kartografia i dziedziny pokrewne[edytuj | edytuj kod]

Obrazowanie wielospektralne znajduje zastosowanie w systemach zbierania informacji geograficznych, w tym zwłaszcza w Systemach Informacji o Terenie. Dane multispektralne pozwalają na zdobycie o wiele pełniejszej informacji o terenie, niż tradycyjna fotografia satelitarna. Na podstawie analizy światła odbitego przez różne fragmenty terenu można wyciągać wnioski na temat rodzaju skał, składu i wilgotności gleby, a także rodzaju roślinności zasiedlającej teren (w tym roślinności oceanicznej).

Meteorologia[edytuj | edytuj kod]

Satelitarne obrazy wielospektralne są szczególnie ważne dla meteorologii – pozwalają na badanie rozkładu koncentracji pary wodnej, a także rozkładów temperatur gruntu, wody i mas powietrza. Protoplastą technik multispektralnych w meteorologii były jednokanałowe fotografie w podczerwieni.

Ekologia, leśnictwo, rolnictwo[edytuj | edytuj kod]

Mapa rozkładu NDVI

Obrazy multispektralne i hiperspektralne są przydatne w badaniu rozkładu populacji roślin, w szczególności flory oceanicznej oraz drzewostanów na obszarach leśnych. Dokładna analiza światła odbitego od roślin pozwala na wykrycie obecności określonych gatunków drzew, a także wskazuje ich ogólny "stan zdrowia". Najprostszym kryterium oceny wegetacji na danym obszarze jest Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)[4] obliczany jako:

NDVI\;=\;\frac{I_{IR}-I_R}{I_{IR}+I_R}

gdzie I_{IR} jest natężeniem światła w obszarze bliskiej podczerwieni, zaś I_{R} – analogiczną wielkością dla czerwieni. Istnieją również bardziej rozbudowane funkcje opisujące wegetację, np. Enhanced Vegetation Index (EVI)[6].

Obrazowanie hiperspektralne jest doskonałym narzędziem pozwalającym na zdalne (satelitarne) wykrywanie zanieczyszczeń środowiska. Substancje chemiczne, zwłaszcza organiczne mają charakterystyczne widma emsji i absorpcji fal elektromagnetycznych; obrazowanie hiperspektralne pozwala na identyfikację śladów nielegalnej (lub awaryjnej) emisji zanieczyszczeń, np. zanieczyszczających wodę śladów ropy naftowej i innych skażeń środowiska, a także na monitorowanie emisji tzw. gazów cieplarnianych oraz gazów szkodliwie wpływających na warstwę ozonową (łatwa jest również obserwacja grubości samej warstwy).

W leśnictwie wysokorozdzielcze zdjęcia multi i hiperspektralne pozwalają na identyfikację określonych gatunków drzew[7], a także ocenę stanu drzewostanów, np. kondycji roślin, fazy kwitnienia, pylenia, infekcji pasożytniczych[8] itp.

Inwigilacja, ratownictwo, poszukiwania obiektów[edytuj | edytuj kod]

Czyszczenie wykonanego ze szkła kwarcowego okna wysokorozdzielczego skanera hiperspektralnego ARCHER

Dzięki obrazowaniu wielospektralnemu możliwa jest identyfikacja obiektów częściowo ukrytych, które byłyby niewidoczne w obrazie z tradycyjnych kamer kolorowych lub podczas obserwacji bezpośredniej. Przykładem urządzenia do poszukiwań obiektów o znanych "śladach spektralnych" (tzn. pasujących do zaprogramowanego wzorca) jest skaner hiperspektralny ARCHER[9]. Urządzenie to jest zamontowane na pokładzie samolotu i rejestruje obraz widoczny przez okno ze szkła kwarcowego. Umożliwia np. zlokalizowanie ukrytego w gęstym lesie wraku samolotu, poszukiwanie plantacji lub magazynów narkotyków lub prowadzenie inwigilacji grupy osób.

Kryminalistyka[edytuj | edytuj kod]

W technice kryminalistycznej obrazowanie wielospektralne jest narzędziem pozwalającym na przyspieszenie prac śledczych. Wielospektralne fotografie kryminalistyczne miejsc i dowodów zbrodni pozwalają na szybkie wykrycie mikrośladów określonych substancji organicznych lub chemicznych (np. pomagając w wykryciu przyczyn powstania pożaru). Szybkość działania ma tu nie tylko oczywiste znaczenie związane z tempem prowadzenia śledztwa – istotna jest również szybkość zacierania się śladów związana np. z działaniem światła, czynników atmosferycznych, bakterii itp.

Historia sztuki, archeologia[edytuj | edytuj kod]

W badaniach zabytkowych dzieł sztuki, w tym obrazów, książek (w szczególności palimpsestów) obrazowanie wielospektralne jest niezastąpionym narzędziem nieinwazyjnego badania autentyczności oraz ukrytej treści dzieła. Dzięki obrazowaniu wielospektralnemu uzyskano na przykład informacje dotyczące historii powstawania i kolejnych retuszów obrazu Madonna z dzieciątkiem autorstwa Carlo Crivelliego[10].

Dzięki badaniom wielospektralnym odczytano tekst kopii Kodeksu Archimedesa. Został on przepisany w X wieku przez anonimowego skrybę, jednak w XII wieku pergamin został wyprany przez mnichów z powodów "oszczędnościowych" i zapisany od nowa tekstem liturgicznym. Oryginalny tekst udało się odczytać dzięki obrazowaniu wielospektralnemu, początkowo dla czterech kanałów, następnie dla dwunastu[11]. Użyto przy tym długości fal od ultrafioletu (365 nm) poprzez światło widzialne (445, 470, 505, 530, 570, 617 i 625 nm) aż do podczerwieni (700, 735, 870 oraz 910 nm).

Przypisy

  1. Full spectral imaging: a revisited approach to remote sensing (abstrakt), DOI:10.1117/12.510485
  2. 2,0 2,1 Full Spectral Imaging - strona domowa
  3. SPIE – Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 Zdjęcia satelitarne dla GIS – podstawowe pojęcia
  5. Differences between Hyperspectral and Multispectral - artykuł i bibliografia tematu w Wikipedii anglojęzycznej
  6. Enhanced Vegetation Index
  7. AISA Skaner hiperspektralny AISA (Airborne Imaging Spectrometer for Applications) jako narzędzie pozyskiwania informacji o ekosystemie leśnym, Piotr Wężyk, Bogdan Wertz, A.R. Kraków
  8. Wykorzystanie pomiarów zdalnych do oceny wiosennego porażenia roślin przez choroby, Anna Nieróbca, Rafał Pudełko i inni, "Postępy w ochronie Roślin", 47 (4) 2007
  9. ARCHER – artykuł w wikipedii anglojęzycznej
  10. Shedding New Light on a Renaissance Master Multispektralna analiza "Madonny z dzieciątkiem"
  11. Dokumentacja Projektu "Archie" - badania wielospektralne i oprogramowanie związane z odczytywaniem Palimpsestu Archimedesa