Broadband Reflective Multispectral Imagery
Broadband reflective multispectral sensors and thermal sensors are addressed separately being based on different physics. In de praktijk worden deze twee groepen passieve sensoren echter vaak in hetzelfde instrument gemonteerd als verschillende banden. Dit geldt voor veel sensorsystemen, zoals TM, Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +), en ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) (tabel 1).
Breedband reflectieve multispectrale beeldgegevens worden het meest gebruikt voor geologische en milieustudies en worden beschouwd als een effectief operationeel instrument voor het in kaart brengen van tektonische structuren en lithologie, voor de exploratie van mineralen, voor logistieke planning, en voor veldonderzoeksnavigatie. Deze groep sensoren, die het toepassingsgebied van aardobservatie uitbreiden tot planeetonderzoek, zijn vaak de belangrijkste instrumenten voor het verzamelen van gegevens van andere planeten. Een typisch voorbeeld is de verkenning van Mars.
De Amerikaanse Landsat-satellietfamilie TM, ETM +, en de Franse SPOT (Système Pour 1’Observation de la Terre) satellietfamilie hoge resolutie zichtbaar (HRV) zijn de meest gebruikte aardobservatiesystemen, die breedband multispectrale en panchromatische beeldgegevens met een wereldwijde dekking verschaffen. Zoals blijkt uit tabel 1 werken deze soorten sensorsystemen in: het zichtbare spectrale bereik met banden die overeenkomen met drie primaire kleuren; blauw (380-440 nm), groen (440-600 nm), en rood (600-750 nm); het nabij-infrarode bereik (NIR) (750-1100 nm), en het kortegolf-infrarode bereik (SWIR) (1550-2400 nm). Het aantal banden en de spectrale breedte in het VNIR (zichtbaar nabij infrarood) en SWIR spectraal bereik zijn afhankelijk van de atmosferische vensters en het sensorontwerp. Zo moet de spectrale breedte van de SWIR-banden veel breder zijn dan die van de zichtbare banden, wil men dezelfde ruimtelijke resolutie bereiken, zoals het geval is voor de TM-banden 5 en 7, omdat de zonnestraling in het SWIR-spectraalgebied aanzienlijk zwakker is dan die in het zichtbare spectraalgebied.
In het algemeen betekent “brede” band dat het spectrale bereik aanzienlijk breder is dan enkele nanometers, behalve in het geval van de hieronder beschreven hyperspectrale sensorsystemen. Breedbandige reflectieve multispectrale sensorsystemen zijn een geslaagd compromis tussen ruimtelijke resolutie en spectrale resolutie. Met relatief brede spectrale banden biedt een dergelijk sensorsysteem een redelijke ruimtelijke resolutie met een hoge SNR (signaal-ruisverhouding) en ondertussen kan een dergelijk systeem, dat in een breed spectraal bereik van VNIR tot SWIR werkt, beelden van multispectrale banden leveren, waardoor belangrijke grondobjecten kunnen worden geïdentificeerd en verschillende types landbedekking kunnen worden onderscheiden. Met de spectaculaire verbetering van de sensortechnologie, van mechanische scanners tot scanners met duwbewegingen en tot digitale CCD-camera’s, wordt de ruimtelijke resolutie van multispectrale breedbandbeelden steeds beter. Voor zonnesynchrone satellieten in de buurt van een polaire omloopbaan is de ruimtelijke resolutie van dit soort sensoren verbeterd van 80 m (Landsat MSS) in de jaren zeventig tot minder dan een meter, bij de huidige systemen, zoals blijkt uit de voorbeelden in tabel 2.
Het VNIR-spectrale bereik wordt door bijna alle breedbandige reflectieve multispectrale sensorsystemen gebruikt. Dit spectrale bereik ligt binnen de piek van de zonnestraling en maakt het dus mogelijk beelden met een hoge resolutie en een hoge SNR te genereren. Het bestrijkt ook diagnostische kenmerken van grote objecten op de grond, zoals de paar voorbeelden hieronder:
–
Vegetatie: Kleine reflectiepiek in groen, absorptie in rood, en vervolgens een significante reflectiepiek in NIR, vaak de ‘rode rand’ genoemd.
–
Water: Sterke diffusie en penetratie in blauw en groen, en bijna volledige absorptie in NIR.
–
Iron oxide (rode bodems, gossans, enz.): Absorptie in blauw en hoge reflectie in rood.
Veel satellietsensorsystemen hebben de blauwe band niet gebruikt, om sterke Rayleigh-verstrooiingseffecten te vermijden die in de atmosfeer optreden en die een beeld “wazig” kunnen maken. Een populaire configuratie is het aanbieden van drie brede spectrale banden in groen, rood en NIR, zoals het geval is bij SPOT 1-3 (tabel 1), maar met de verbetering van de gevoeligheid van de sensoren is dit niet langer het geval voor de meest recente commerciële ruimtegedragen sensoren met hoge ruimtelijke resolutie (tabel 2). In een grafisch computersysteem kunnen we de drie bandbeelden weergeven als een kleurencompositie waarbij NIR wordt weergegeven in rood, rood in groen, en groen in blauw. Een dergelijk kleurcomposietbeeld wordt een standaard valse-kleurcomposiet genoemd. Dit beeld is het meest effectief voor het in kaart brengen van gezonde vegetatie.
Het SWIR-spectraalbereik wordt beschouwd als het meest effectief voor lithologische kartering en de opsporing van mineralen, omdat de meeste gesteentetypen een hoge reflectie hebben in 1,55-1,75 μm en kleimineralen (vaak producten van alteratie) die verband houden met mineralisatie, verschillende absorptiekenmerken hebben in het spectrale bereik 2,0-2,4 μm. Deze twee SWIR-spectrale bereiken, die overeenkomen met Landsat TM-banden 5 en 7, genieten de voorkeur van geologen. SWIR-sensorsystemen zijn technisch moeilijker en gecompliceerder omdat de SWIR-detectoren bij lage temperaturen moeten werken, waarvoor een koelsysteem nodig is (een koelvloeistof met vloeibare stikstof of een cryokoeler) om de detectoren op ongeveer 80 K te houden.
Met zes brede reflecterende spectrale banden biedt Landsat TM/ETM+ al vele jaren de beste spectrale resolutie onder de breedbandsensorsystemen. De zes brede reflecterende spectrale banden zijn zeer effectief voor het onderscheiden van verschillende bodemobjecten, maar zij zijn niet toereikend voor een specifieke identificatie in bepaalde gesteentetypen en belangrijke minerale samenstellingen met betrekking tot minerale afzettingen. Dit vereist een sensorsysteem met een veel hogere spectrale resolutie bij een bandbreedte van enkele nanometers om hun subtiele spectrale signaturen op te lossen. Deze vraag heeft geleid tot de ontwikkeling van hyperspectrale systemen.
ASTER (een scanner met duwbeugel voor VNIR- en SWIR-banden), aan boord van de Terra-1-satelliet, is representatief voor een overgangssensorsysteem tussen breedbandige multispectrale en hyper-spectrale smalbandige detectie. Het is een geïntegreerd systeem van drie scanners: een VNIR-scanner met drie brede spectrale banden; een SWIR-scanner met zes smalle spectrale banden; en een mechanische TIR-scanner met vijf thermische banden (tabel 1). Het systeem combineert een goede ruimtelijke resolutie in de VNIR-banden met een hoge spectrale resolutie in de SWIR- en de thermische banden en is speciaal ontworpen voor geologische toepassingen. De drie VNIR-banden met een resolutie van 15 m zijn geschikt voor het onderscheiden van brede categorieën landbedekking, zoals vegetatie, water, rode grond, stedelijke gebieden, oppervlakkige afzettingen en rotsontsluitingen, terwijl de zes smalle SWIR-banden met een resolutie van 30 m mogelijkheden bieden voor het in kaart brengen van belangrijke minerale samenstellingen van gesteentetypen en veranderingen. Een ander uniek voordeel van ASTER is dat het stereomogelijkheid langs het spoor heeft. De VNIR scanner heeft een naar achteren kijkende telescoop om NIR beelden te maken naast de nadir telescoop voor de drie VNIR banden. Zo worden nadir- en achterwaartse NIR-beelden gelijktijdig gemaakt, waardoor “along track” stereobeeldparen worden gevormd. Met de stereobeeldparen langs het spoor kunnen DEM-gegevens (Digital Elevation Model) worden gegenereerd.