Введение
Захват данных изображения в нескольких диапазонах электромагнитного спектра
Многоспектральная съемка позволяет получать данные изображения в определенных диапазонах длин волн электромагнитного спектра. Эти длины волн могут разделяться с помощью фильтров или регистрироваться приборами, чувствительными к конкретным длинам волн, включая свет из частот, выходящих за пределы видимого диапазона, то есть инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Это позволяет извлекать дополнительную информацию, которую не способен уловить человеческий глаз с помощью рецепторов, воспринимающих красный, зеленый и синий цвета. Изначально технология была разработана для идентификации и разведки военных целей. Первые космические платформы для получения изображений использовали многоспектральную съемку для картографирования деталей земной поверхности, связанных с береговыми линиями, растительностью и рельефом. Многоспектральная съемка также находит применение при анализе документов и картин.
Использование спектральных полос
Для различных целей могут использоваться различные комбинации спектральных диапазонов. Обычно они представлены красным, зеленым и синими каналами. Назначение диапазонов цветам зависит от цели изображения и личных предпочтений аналитиков. Тепловой инфракрасный диапазон часто исключается из рассмотрения из-за низкого пространственного разрешения, за исключением специальных задач. Истинный цвет использует только красный, зеленый и синий каналы, отображаемые в соответствующие цвета. Как обычная цветная фотография, он хорошо подходит для анализа объектов, созданных человеком, и легко воспринимается начинающими аналитиками. Комбинация "зеленый-красный-инфракрасный", где синий канал заменен ближним инфракрасным, используется для анализа растительности, которая сильно отражает ближний инфракрасный диапазон и отображается синим цветом. Эта комбинация часто применяется для обнаружения растительности и камуфляжа. Комбинация "синий-NIR-MIR", где синий канал использует видимый синий, зеленый – NIR (поэтому растительность остается зеленой), а MIR отображается красным. Такие изображения позволяют увидеть глубину воды, растительный покров, влажность почвы и наличие пожаров – все на одном изображении. Существует множество других комбинаций. NIR часто отображается красным, из-за чего участки, покрытые растительностью, выглядят красными.
Типичные спектральные полосы
Длины волн приблизительны; точные значения зависят от конкретных инструментов (например, характеристики спутниковых датчиков для наблюдения за Землей, характеристики освещения и датчиков для анализа документов): Синий, 450–515/520 нм, используется для изображения атмосферы и глубоких вод, и может достигать глубины до 150 футов (46 м) в чистой воде. Зеленый, 515/520–590/600 нм, используется для визуализации растительности и глубоководных структур, до 90 футов (27 м) в чистой воде. Красный, 600/630–680/690 нм, используется для визуализации объектов, созданных человеком, в воде глубиной до 30 футов (9 м), почвы и растительности. Ближний инфракрасный (NIR), 750–900 нм, используется в основном для визуализации растительности. Средний инфракрасный (MIR), 1550–1750 нм, используется для визуализации растительности, содержания влаги в почве и некоторых лесных пожаров. Дальний инфракрасный (FIR), 2080–2350 нм, используется для визуализации почвы, влаги, геологических особенностей, силикатов, глин и пожаров. Тепловой инфракрасный, 10 400–12 500 нм, использует излучаемое вместо отраженного излучения для изображения геологических структур, тепловых различий в водных течениях, пожаров и для ночных исследований. Радар и связанные с ним технологии полезны для картирования местности и обнаружения различных объектов.
Blue, 450–515/520 nm, is used for atmosphere and deep water imaging, and can reach depths up to 150 feet (46 m) in clear water. Green, 515/520–590/600 nm, is used for imaging vegetation and deep water structures, up to 90 feet (27 m) in clear water. Red, 600/630–680/690 nm, is used for imaging man made objects, in water up to 30 feet (9 m) deep, soil, and vegetation. Near infrared (NIR), 750–900 nm, is used primarily for imaging vegetation. Mid infrared (MIR), 1550–1750 nm, is used for imaging vegetation, soil moisture content, and some forest fires. Far infrared (FIR), 2080–2350 nm, is used for imaging soil, moisture, geological features, silicates, clays, and fires. Thermal infrared, 10,400–12,500 nm, uses emitted instead of reflected radiation to image geological structures, thermal differences in water currents, fires, and for night studies. Radar and related technologies are useful for mapping terrain and for detecting various objects.
Программное обеспечение для анализа данных
MicroMSI одобрен Агентством геопространственной разведки (NGA). Opticks – это приложение для дистанционного зондирования с открытым исходным кодом. Multispec – это бесплатное программное обеспечение для мультиспектрального анализа. Gerbil – это программное обеспечение для визуализации и анализа мультиспектральных данных с открытым исходным кодом.
Отслеживание военных целей
Мультиспектральная визуализация измеряет световое излучение и часто используется для обнаружения или отслеживания военных целей. В 2003 году исследователи из Исследовательской лаборатории армии США и Федерального технологического альянса сотрудничающих лабораторий сообщили о создании двухдиапазонного многоспектрального фокального плоскостного массива (FPA). Этот FPA позволил исследователям одновременно наблюдать за двумя инфракрасными (ИК) диапазонами. Поскольку технологии средневолнового инфракрасного (MWIR) и длинноволнового инфракрасного (LWIR) излучения измеряют собственное излучение объекта и не требуют внешнего источника света, их также называют методами тепловизионной съемки. Яркость изображения, полученного тепловизором, зависит от излучательной способности и температуры объекта. Каждый материал имеет инфракрасную сигнатуру, способствующую его идентификации. Эти сигнатуры менее выражены в гиперспектральных системах (которые снимают изображение во многих большем количестве диапазонов, чем мультиспектральные системы), а также под воздействием ветра и, особенно, дождя. Системы визуализации, использующие технологию MWIR, лучше работают при наличии солнечных отражений от поверхности цели и создают более четкие изображения горячих объектов, таких как двигатели, по сравнению с технологией LWIR. Однако LWIR лучше работает в затуманенных условиях, таких как дым или туман, поскольку на больших длинах волн происходит меньше рассеяния. Обычно спутники наблюдения Земли оснащены тремя или более радиометрами. Каждый из них получает одно цифровое изображение (в дистанционном зондировании называемое "сценой") в узком спектральном диапазоне. Диапазоны группируются в области длин волн в зависимости от источника излучения и интересов исследователей.
Прогноз погоды
Современные метеорологические спутники создают изображения в различных спектральных диапазонах. В случае спутников Landsat использовалось несколько различных обозначений каналов, при этом до 11 каналов (Landsat 8) формируют многоспектральное изображение. Спектральная съемка с более высоким радиометрическим разрешением (включающая сотни или тысячи каналов), более тонким спектральным разрешением (включающая более узкие каналы) или более широким спектральным охватом может называться гиперспектральной или ультраспектральной. Объект освещается ультрафиолетовым, видимым и инфракрасным излучением, а отраженное излучение регистрируется камерой, чувствительной к этой области спектра. Изображение также может быть получено с использованием проходящего, а не отраженного излучения. В особых случаях объект может быть облучен УФ-, VIS- или ИК-излучением, и регистрируется флуоресценция пигментов или лаков. Многоспектральный анализ помог в интерпретации древних папирусов, таких как найденные в Геркулануме, путем съемки фрагментов в инфракрасном диапазоне (1000 нм). Часто текст на документах невооруженным глазом выглядит как черные чернила на черной бумаге. При 1000 нм разница в отражении инфракрасного света бумагой и чернилами делает текст четко читаемым. Этот метод также использовался для изучения палимпсеста Архимеда, путем съемки листов пергамента в полосах пропускания от 365 до 870 нм, а затем с использованием передовых методов цифровой обработки изображений для выявления скрытого текста с работами Архимеда. Многоспектральная съемка использовалась в проекте Фонда Меллона в Йельском университете для сравнения чернил в средневековых английских рукописях. Многоспектральная съемка также используется для исследования обесцвечиваний и пятен на старых книгах и рукописях. Сравнение «спектрального отпечатка» пятна с характеристиками известных химических веществ может позволить идентифицировать его. Этот метод использовался для изучения медицинских и алхимических текстов, в поисках подсказок о деятельности ранних химиков и возможных химических веществах, которые они могли использовать в своих экспериментах. Подобно тому, как повар проливает муку или уксус на кулинарную книгу, ранний химик мог оставить вещественные следы на страницах ингредиентов, использовавшихся для приготовления лекарств.
(involving hundreds or thousands of bands), finer spectral resolution (involving smaller bands), or wider spectral coverage may be called hyperspectral or ultraspectral. The painting is irradiated by ultraviolet, visible and infrared rays and the reflected radiation is recorded in a camera sensitive in this region of the spectrum. The image can also be registered using the transmitted instead of reflected radiation. In special cases the painting can be irradiated by UV, VIS or IR rays and the fluorescence of pigments or varnishes can be registered. Multispectral analysis has assisted in the interpretation of ancient papyri, such as those found at Herculaneum, by imaging the fragments in the infrared range (1000 nm). Often, the text on the documents appears to the naked eye as black ink on black paper. At 1000 nm, the difference in how paper and ink reflect infrared light makes the text clearly readable. It has also been used to image the Archimedes palimpsest by imaging the parchment leaves in bandwidths from 365–870 nm, and then using advanced digital image processing techniques to reveal the undertext with Archimedes' work. Multispectral imaging has been used in a Mellon Foundation project at Yale University to compare inks in medieval English manuscripts. Multispectral imaging has also been used to examine discolorations and stains on old books and manuscripts. Comparing the "spectral fingerprint" of a stain to the characteristics of known chemical substances can make it possible to identify the stain. This technique has been used to examine medical and alchemical texts, seeking hints about the activities of early chemists and the possible chemical substances they may have used in their experiments. Like a cook spilling flour or vinegar on a cookbook, an early chemist might have left tangible evidence on the pages of the ingredients used to make medicines.