Obrazowanie wielospektralne

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

Idealny przyrząd do obrazowania wielospektralnego dokonuje w określonym przedziale współrzędnych i długości fal jednoczesnego pomiaru funkcji I (x,y,λ), gdzie x, y są współrzędnymi na obrazowanej powierzchni, λ jest długością fali elektromagnetycznej, zaś I jest natężeniem energii promieniowania przypadającym na przedział  Δx, Δy, Δλ wokół punktu  x, y, 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

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 liczba 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

Wizualizacja okolic Zalewu Wiślanego na podstawie danych z satelity Landsat 7

Geografia, geologia, kartografia i dziedziny pokrewne

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

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

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:

${\displaystyle NDVI\;=\;{\frac {I_{IR}-I_{R}}{I_{IR}+I_{R}}}}$

gdzie: ${\displaystyle I_{IR}}$ jest natężeniem światła w obszarze bliskiej podczerwieni, zaś ${\displaystyle I_{R}}$ – 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

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(ang.). 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

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

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^[9].

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^[10]. 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).

• 

  Strona z Palimpsestu Archimedesa, zapisana liturgicznym tekstem z XII wieku

• 

  Wizualizacja pierwotnej treści tej samej strony na podstawie obrazowania wielospektralnego

• 

  Stomachion – łamigłówka odtworzona z palimpsestu dzięki obrazowaniu

Przypisy