Near Infrared

Broadband Reflective Multispectral Imagery

Broadband reflective multispectral sensors and thermal sensors are addressed separately being based on different physics. W praktyce jednak, te dwie grupy pasywnych czujników są często montowane w tym samym instrumencie jako różne pasma. Dotyczy to wielu systemów czujników, takich jak TM, Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +), czy ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) (Tabela 1).

Wielospektralne odbiciowe dane obrazowe są najczęściej wykorzystywane w badaniach geologicznych i środowiskowych oraz uważane za efektywne narzędzie operacyjne do mapowania struktur tektonicznych i litologii, poszukiwania minerałów, planowania logistycznego i nawigacji w terenie. Rozszerzając zakres zastosowań z obserwacji Ziemi na badania planetarne, ta grupa czujników jest często głównym narzędziem do zbierania danych z innych planet. Typowym przykładem jest eksploracja Marsa.

Amerykańska rodzina satelitów Landsat TM, ETM + oraz francuska rodzina satelitów SPOT (Système Pour 1’Observation de la Terre) o wysokiej rozdzielczości widzialnej (HRV) są najczęściej używanymi systemami obserwacji Ziemi, dostarczającymi szerokopasmowych, wielospektralnych i panchromatycznych danych obrazowych o zasięgu globalnym. Jak pokazano w Tabeli 1, tego typu systemy sensoryczne działają w: widzialnym zakresie widma z pasmami odpowiadającymi trzem barwom podstawowym: niebieskiej (380-440 nm), zielonej (440-600 nm) i czerwonej (600-750 nm); zakresie bliskiej podczerwieni (NIR) (750-1100 nm) oraz krótkofalowej podczerwieni (SWIR) (1550-2400 nm). Liczba pasm i szerokość spektralna w zakresach VNIR (widzialna bliska podczerwień) i SWIR zależy od okien atmosferycznych i konstrukcji czujnika. Na przykład, szerokość spektralna pasm SWIR musi być znacznie szersza niż pasm widzialnych, jeśli ma być osiągnięta taka sama rozdzielczość przestrzenna, jak w przypadku pasm TM 5 i 7, ponieważ promieniowanie słoneczne w obszarze spektralnym SWIR jest znacznie słabsze niż promieniowanie w widzialnym zakresie spektralnym.

Ogólnie, „szerokie” pasmo oznacza, że zakres spektralny jest znacznie szerszy niż kilka nanometrów, z wyjątkiem systemów czujników hiperspektralnych opisanych poniżej. Szerokopasmowe odbiciowe systemy czujników multispektralnych stanowią udany kompromis pomiędzy rozdzielczością przestrzenną a rozdzielczością spektralną. Przy stosunkowo szerokich pasmach spektralnych, taki system czujników oferuje rozsądną rozdzielczość przestrzenną z wysokim SNR (Signal Noise Ratio), a jednocześnie, działając w szerokim zakresie spektralnym od VNIR do SWIR, taki system może dostarczać obrazy w pasmach wielospektralnych, umożliwiając identyfikację głównych obiektów naziemnych i dyskryminację różnych typów pokrycia terenu. Wraz z gwałtownym rozwojem technologii czujników, od skanerów mechanicznych do skanerów typu push-broom oraz do kamer cyfrowych CCD, rozdzielczość przestrzenna szerokopasmowych obrazów wielospektralnych stale się poprawia. W przypadku satelitów synchronicznych ze Słońcem na orbicie okołobiegunowej, rozdzielczość przestrzenna tego typu sensorów została zwiększona z 80 m (Landsat MSS) w latach 70. do mniej niż jednego metra w obecnych systemach, jak pokazują przykłady w Tabeli 2.

Wiele systemów czujników satelitarnych nie wykorzystywało pasma niebieskiego, aby uniknąć silnych efektów rozpraszania Rayleigha występujących w atmosferze, które mogą sprawić, że obraz będzie „zamglony”. Popularną konfiguracją jest oferowanie trzech szerokich pasm spektralnych w kolorach zielonym, czerwonym i NIR, jak w przypadku SPOT 1-3 (Tabela 1), ale wraz z poprawą czułości sensorów, nie jest to już stosowane w najnowszych komercyjnych sensorach kosmicznych o wysokiej rozdzielczości przestrzennej (Tabela 2). W komputerowym systemie graficznym możemy wyświetlić trzy pasmowe obrazy jako kompozyt kolorystyczny, gdzie NIR wyświetlane jest w czerwieni, czerwień w zieleni, a zieleń w błękicie. Taki obraz kompozytowy nazywany jest standardowym obrazem kompozytowym fałszywych kolorów. Ten obraz jest najbardziej efektywny dla mapowania zdrowej roślinności.

Zakres spektralny SWIR jest uważany za najbardziej efektywny dla mapowania litologicznego i poszukiwania minerałów, ponieważ większość typów skał ma wysoki współczynnik odbicia w zakresie 1.55-1.75 μm, a minerały ilaste (często produkty alteracji) związane z mineralizacją, mają różne cechy absorpcji w zakresie spektralnym 2.0-2.4 μm. Te dwa zakresy spektralne SWIR, odpowiadające pasmom Landsat TM 5 i 7, są preferowane przez geologów. Systemy czujników SWIR są technicznie trudniejsze i bardziej skomplikowane, ponieważ detektory SWIR muszą pracować w niskich temperaturach, co wymaga systemu chłodzenia (chłodziwo z ciekłego azotu lub kriokomora), aby utrzymać detektory w temperaturze około 80 K.

Dzięki sześciu szerokim odblaskowym pasmom spektralnym, Landsat TM/ETM + zapewniał najlepszą rozdzielczość spektralną wśród szerokopasmowych systemów czujników przez wiele lat. Sześć szerokich odblaskowych pasm spektralnych jest bardzo skutecznych do dyskryminacji różnych obiektów naziemnych, ale nie są one odpowiednie do osiągnięcia specyficznej identyfikacji w poszczególnych typach skał i głównych zespołów mineralnych związanych ze złożami mineralnymi. Wymaga to systemu czujników o znacznie wyższej rozdzielczości spektralnej przy szerokości pasma kilku nanometrów, aby uchwycić ich subtelne sygnatury spektralne. Potrzeba ta doprowadziła do rozwoju systemów hiperspektralnych.

ASTER (skaner typu push-broom dla pasm VNIR i SWIR), znajdujący się na pokładzie satelity Terra-1, jest przedstawicielem systemu czujników przejściowych pomiędzy szerokopasmowym skanowaniem multispektralnym a hiperspektralnym skanowaniem wąskopasmowym. Jest to zintegrowany system trzech skanerów: skanera VNIR typu push-broom z trzema szerokimi pasmami spektralnymi; skanera SWIR typu push-broom z sześcioma wąskimi pasmami spektralnymi; oraz skanera mechanicznego TIR typu across-track z pięcioma pasmami termicznymi (Tabela 1). System ten łączy w sobie dobrą rozdzielczość przestrzenną w pasmach VNIR oraz wysoką rozdzielczość spektralną w pasmach SWIR i termicznych i został zaprojektowany specjalnie do zastosowań geologicznych. Trzy pasma VNIR o rozdzielczości 15 m są odpowiednie do wyróżniania szerokich kategorii pokrycia terenu, takich jak roślinność, woda, gleby czerwone, obszary miejskie, osady powierzchniowe i wychodnie skalne, podczas gdy sześć wąskich pasm SWIR o rozdzielczości 30 m zapewnia potencjał do mapowania głównych zespołów mineralnych typów skał i zmian. Kolejną unikalną zaletą ASTER jest możliwość wykonywania zdjęć stereoskopowych wzdłuż toru jazdy. Skaner VNIR posiada teleskop do obserwacji od tyłu, który wykonuje zdjęcia NIR obok teleskopu nadirowego dla trzech pasm VNIR. W ten sposób obrazy NIR z nadiru i z tyłu są wykonywane jednocześnie, tworząc pary obrazów stereo wzdłuż toru. Pary obrazów stereo wzdłuż toru umożliwiają generowanie danych DEM (Digital Elevation Model).