Особенности применения эталонной спектральной информации для изучения природных объектов по данным гиперспектральной съемки на основе моделей смешанного спектра отражения

На основе тематической обработки материалов много- и гиперспектральной аэрокосмической съемки в настоящее время решается ряд важных практических задач, связанных с мониторингом состояния окружающей природной среды. При интерпретации материалов гиперспектральной съемки обнаружение, распознавание и оцениваие состояния элементов ландшафта в автоматизированном режиме. Определяющую роль при автоматизированном спектральном анализе материалов съемки играет получение и подготовка эталонной информации.
В настоящее время в Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского разрабатывается специализированный программный комплекс обработки много и гиперспектральных данных аэрокосмической съемки, в рамках которого опорная эталонная информация представляется в виде отдельного программного модуля базы данных, учитывающего фенологические фазы растительности, тип индикатрисы рассеивания, геометрию съемки, спектральное разрешение и границы спектральных регистрируемых диапазонов [1].
Источниками эталонных спектральных данных являются материалы наземных и авиационных измерений различных элементов ландшафта, накопленные организацией в течение десятка лет в результате лётно-экспериментальных работ. В 2013-2014 гг. проведены работы по получению спектральных характеристик природных объектов, характерных для степей Алтайского края, физико-географических условий Амурской области (район строительства космодрома «Восточный») и Крыма.
Наземные исследования проводились с помощью спектрорадиометров FieldSpec версий 3, а авиационные с использованием видеоспектрометров «Фрегат» и «Лептон». По спектрометрическим материалам наземной и авиационной съемки, проведённой в Амурской области, был проведён анализа качества данных гиперспектральных данных на эту территорию, полученных КА «Ресурс-П», а также оценена возможность решения ряда тематических природоресурных задач.
В результате накоплен большой объем спектрометрической информации. Объективное дешифрирование большого объема спектрометрической информации возможно только при правильном учете различий в условиях наблюдения элементов ландшафта и особенностей технических характеристик используемых приборов. Методики учета метеорологических условий съемки при атмосферной коррекции и калибровки данных гиперспектральной съёмки достаточно хорошо проработаны, однако в большинстве случаев при идентификации объектов не учитывают разницу в размерах спектрометрируемой площадки. Эта разница становится незначительной, если спектрометрируемый на земле эталонный объект представляет собой однородный по площади участок (асфальт, бетона и т.п.), в пределах которого отсутствует переотражение излучения и размер которого больше, чем элемент разрешения прибора на местности. Если же в поле зрения наземного спектрофотометра попадает только часть изучаемого объекта и его размеры меньше пространственного разрешения прибора, в этом случае необходимо проводить предварительную адаптацию эталонной информации для использования ее в качестве исходной при дешифрировании или применять методы субпиксельного распознавания. Авторами в качестве методов адаптации опорной спектральной информации к геометрическим размерам распознаваемого объекта и пространственному разрешению обрабатываемых дистанционных данных предложено использовать модели линейного и нелинейного смешенного спектра отражения [2]. При этом особое внимание уделяется вопросам адаптации спектрально-отражательной наземной информации при изучении таких сложных природных комплексов, как растительный покров, для которого характерно многократное рассеивание излучения на внутренней структуре листьев, а также между самими листьями. Для таких случаев бала решена задача моделирования смешанного эталонного спектра отражения, описывающего процесс отражения падающего излучения растительным покровом в целом, с учетом проективного покрытия, геометрии наблюдения и отражения отдельными фитоэлементами. Показано, что вегетационные индексы, рассчитанные напрямую по авиационным или космическим гиперспектральным данным без учета формирования смешенного спектра отражения в поле зрения аппаратуры, могут привести к ошибкам определения по ним биометрических характеристик растительности (фитомассы, проективного покрытия). Для верификации модели были выполнены спектрометрические исследования как отдельных фитоэлементов (ветвей), так и крон деревьев. Экспериментально оценена зависимость отражательных характеристик некоторых пород деревьев (туя, сосна, ель) от индекса листовой поверхности LAI.
Преимущества применения адаптированной наземной спектрометрической информации в качестве эталонной оценивались также на примере идентификации горных пород на фоне степного ландшафта в Алтайском крае и в ходе анализа синхронных (авиационных, наземных и космических) гиперспектральных измерений растительных сообществ на Амуро-Зейской равнине.
Полученная эталонная информация используется как исходная в специализированном программном комплексе обработки для определения информативных признаков идентификации элементов ландшафта и определения их качественного состояния. Например, для установления качественной взаимосвязи спектра отражения от степени дефолиации и уровня содержания фитопигментов в растениях, кроме индексов, можно эффективно использовать методы анализа локальных точек перегиба и формы спектральных сигнатур [3].
Таким образом, решение практических задач в области прикладного использования много- и гиперспектральных данных должно быть связано с необходимостью учета структуры исследуемых объектов и различий в пространственном и спектральном разрешении приборов, которые могут быть решены путем моделирования смешанного спектра отражения.
Список литературы:
1. Григорьева О.В., Чапурский Л.И. Проблемы создания и информационного наполнения базы данных по коэффициентам спектральной яркости объектов наземных экосистем // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. Сборник научных статей. Том 9. Номер 3. – М.: ООО «ДоМира», 2012. – С.18-25.
2. Марков А.В. , Григорьева О.В. , Чапурский Л.И., Мочалов В.Ф. Методы подготовки эталонной информации для обработки материалов много- и гиперспектральной аэрокосмической съемки в задаче мониторинга природной среды // Сборник трудов III Всероссийской научной конференции «Проблемы военно-прикладной геофизики и контроля состояния природной среды». Том 2., ВКА им. А.Ф. Можайского, СПб, 2014 – С. 283-286
3. Григорьева О.В. Наблюдение деградации лесов по данным гиперспектрального аэро- и космического зондирования // Исследования земли из космоса.– 2014. – №1. – С. 43-48.