News 遥感应用

城区的公园,路边绿树,花园与绿道统称为“城市之肺”。它们承担着过滤水、气,帮助城区控制暴风雨水,为人们提供阴凉,帮助整个城市系统节能的作用。

在北美地区,80%的人生活在城区。所以这些“城市之肺”是一定要保护的。

与其它的森林、农作物一样,城区绿植也面临着来自害虫与疾病的威胁。在北美,最大的威胁之一来自于白蜡树蛀虫。这是一种源自于亚洲森林的绿色甲虫。这种害虫专门攻击白蜡树。白蜡树蛀虫的幼虫在成熟之前要在树内部孕育1~2年。这段时间,这些幼虫会阻止树木将水与养分传输到树冠。由于在早期很难做到肉眼识别,所以很难在早期就对被攻击的树木施救。

白蜡树蛀虫首次是在2002年的密西根州被发现的。在其后的18年时间里,这种害虫已经传播到全美50个州中的35个。这种害虫很大几率会杀死90-95%的北美白蜡树,而这些白蜡树在城区绿植中的占比为25%。

现在看来,对于救治被害虫攻击的白蜡树以及防止害虫扩散出去的最好的办法是在用肉眼可以发现临床症状之前就发现被攻击的树。对于这一点,机载多光谱成像系统可以做到。

面对这一环境问题,Spectrabotics与ArborDrone两家公司采用了Micasense公司的多光谱相机尝试对城区的白蜡树进行采样监测以及识别出被害虫攻击了但还处于早期的白蜡树。

之所以采用Micasense的多光谱相机正是因为其数据的可靠性与高分辨率。城区绿植的种类有很多,这个任务的第一步就是要分辨出哪些是白蜡树。由于所有的绿植光谱响应特征都相似,所以不能利用光谱特性来将白蜡树区分出来。这就需要利用图像识别技术来协助一下。而图像识别的精度一定程度上是受分辨率影响的。这一点上,Micasense的多光谱相机完全胜任;这个任务的第二步是要利用光谱特征来区分被攻击的白蜡树与健康的白蜡树。然而对于这一点,当下没有现成的指数算法。这就需要利用实验室数据采集与多光谱图像数据结合到一起来研发新的指数算法。这就需要多光谱相机的采集到的数据具有足够的准确性。要确保多光谱数据不会被外界因素有很大的干扰,特别是光照条件的变化。对于这一点,Micasense多光谱相机的窄带充分保证了数据的精度,相机自身搭配的DLS2屏蔽掉光照条件变化又保证了数据的准确度。基于Micasense多光谱高分辨率以及数据精确保真的这两大特点,Spectrabotics与ArborDrone两大公司做出了以下的成果:

多光谱数据采自美国丹佛市的一处城区

在利用研发出的白蜡树蛀虫(EAB)指数算法处理后的图像数据明显的看出被白蜡树蛀虫攻攻击患病的早(左1),中(左2),晚(左3)期白蜡树。

这三棵被蛀虫攻击的白蜡树在用肉眼观测的结果是完全没有临床症状的。可能要等到树叶枯黄,树皮剥落后才能确定它们已经被攻击了。而那时,白蜡树蛀虫已经孕育成熟并转去攻击其它白蜡树了。

以该成果来看,Micasense多光谱相机是可以帮助人们通过光谱信息来保护树木,进而保护好我们生活的环境。让我们每个植树节付出的辛苦不白费。

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发布时间: 2023-04-14 16:27:36
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名词解释:

G-LiHT系统组成 : Goddar’s LiDAR, Hyperspectral and Thermal airborne imager; 激光雷达,机载高光谱成像系统,机载热红外成像系统

G-LiHT v2.0系统组成:机载高光谱成像系统,机载热红外成像系统,机载荧光成像光谱仪

FIREFLYFluorescence Imaging of REd and Far-red Light Yield,红外和远红外产生的荧光成像

GLAMR: Goddard’s Laser for Absolute Measurement of Radiance, 戈达德激光用于绝对辐射亮度测量

FLAREFLuorescence Airborne Research Experiment 荧光机载研究实验


简介:

    G-LiHT是一套便携的、集成了激光雷达、机载高光谱成像仪、机载热红外成像仪的机载成像系统。该系统可以同时获取陆地生态系统的制图、结构和功能。激光雷达可提供冠层元素空间结构的3D信息;成像光谱仪可辨别物种在生物物理变量(例如,光合色素)的组成和变化;热红外数据可量化物种表面温度、探测热量和水分胁迫。这套系统在热带森林和温带森林已经分别进行了实验。目前G-LiHT已经发展到第二代G-LiHT v2.0,增加了新的荧光成像光谱仪,用于检索太阳诱导荧光(SIF).

    通过FIREFLY(Fluorescence Imaging of Red and Far-red light Yield)红外远红外产生的荧光进行成像。FIREFLY成像是通过戈达德激光射线测量的绝对辐射(GLAMR)进行定标的。

    G-LiHT v2.0可以让大型实验在获得更精良的数据的同时需要更少的人手。其搭载的激光雷达(LiDAR)部分有更长的范围,更高的采样密度和PRF;可见光近红外成像光谱仪(VNIR Imaging spectrometer)部分有更好的信噪比和温控焦平面;可见光近红外辐射照度光谱仪(VNIR Irradiance spectrometer)中包含温度稳定探测器;热红外相机(Thermal camera)有更高的空间分辨率跟帧频;精细分辨率RGB相机(Fine-resolution RGB camera)可以提供4厘米GSD立体成像功能;FIREFLY荧光成像光谱仪(Headwall Photonics)与分辨率精细的辐射照度光谱仪(Ocean Optics QE Pro)用来检索太阳诱导荧光(SIF)。

    核心部分的红外远红外产生的荧光成像光谱仪(FIREFLY)是一款紧凑且分辨率精细的成像光谱仪,用于获取红外、远红外波段(670-780nm)的太阳诱导荧光(SIF)。这款荧光成像光谱仪是NASA与Headwall Photonics公司合作设计开发并于2017年投放市场。


与现有的其他机载SIF成像分光仪对比:



相比之下,G-LiHT的多传感器集成方法对于描述SIF更为精准,例如冠层重新收、非光合作用猝灭等。

用GLAMR对FIREFLY进行定标

GLAMR设置和窄带扫描:




定标所用的主要仪器是蓝宝石激光器(Sapphire laser)和NIST的转换辐射计。在5个不同波段范围(690-694.5nm,707-711.5nm,725-729.5nm,742-746.5nm,760-764.5nm),以0.05-0.15nm步长获取数据。用间隔10秒明暗交替的方式采集。

GLAMR结果:

单像元的绝对光谱响应(ASR)

FIREFLY定标结果:

FIREFLY vs. Ocean Optics QE Pro:

    虽然QE Pro微型光纤光谱仪是用于测量SIF的常见荧光光谱仪,但是相比之下,他的光谱分辨率要比FIREFLY差一倍。除此之外,QE Pro的暗噪声也要比FIREFLY差很多。


FLARE机载荧光野外实验:

    FlARE是美国航空局(NASA)与欧洲航天局(ESA)成立的关于FLEX(Fluorescence Explorer)荧光探测合作组织,旨在监测不同生物群落并获得数据,并利用该数据对荧光检索算法进行改进。FLEX(Fluorescence Explorer)项目是在第八次欧洲航天局地球探索任务中成立的。该项目内容是测量实际光合作用行为以及其他用来表征植物状况的参数。


2017年,FLARE利用G-LiHT在波多黎克进行航空采集数据。

实验目的:

1. 验证红外远红外产生的荧光(FLREFLY)辐射线测定与太阳诱导荧光(SIF)检索。主要被测物是战略遮蔽物与草地。

2. 获取足够的测量值来将目标荧光参数化,同时限定模型去模拟热带雨林SIF发射。主要去测量叶子的光学属性与植物形态。

3. 利用不同的仪器来测量SIF发射并且每日做对比。(G-LiHT,Fluo-Wat)

4. 检测不同环境下的SIF发射并做对比。主要数据为土壤情况跟气候状况。


利用G-LiHT航空观测:

1. 测量战术遮蔽物与植物。地点为USFS Intl. Institute of Tropical Forestry(IITF)

2. 本土与外来热带树种。地点为波多黎克Botanical Garden大学与植物园。


复杂冠层下的植被结构:


SIF太阳诱导荧光检索实例:


由实例可见不同的检索方式呈现相似的空间模式。

DART荧光实例:


DART荧光3D辐射传输模型中包括:

 叶片的荧光辐射传输实施模型

 基于iPAR的阳光直射叶子与阴影下叶子的空间明确区别

 根据光适应性来调节荧光效率和光学特性


实验结论

1. G-LiHT v2.0是迄今最为完善的用于测量与解译复杂森林冠层太阳诱导荧光(SIF)发射的机载系统。它允许研究人员利用复杂精确的3D辐射传输模型对复杂生态情况下的物种进行观测。

2. FIREFLY探测器的光谱分辨率与光谱响应已经通过美国宇航局(NASA)的GLAMR激光标定机构测试,将用于测量SIF检索的信噪比。

3. G-LiHT系统于2017年3月份在波多黎克与美国佛罗里达州所采集到的数据是第一份在热带、亚热带对于阳光诱导荧光测量、空间分辨率在1-2米的航空测量数据;在美国新英格兰地区,温带森林也进行了数据采集。

4. 更多使用G-LiHT的高海拔森林的实验测量也在计划中。


原文引自FLARE in the Tropics using the Next Generation G-LiHT with FIREFLY./Bruce Cook,Principal Investigator, Betsy Middleton, Science Advisor, Christy Hansen, Airborne Sciences Manager



G- LiHT v2.0用到的Headwall机载高光谱叶绿素荧光成像光谱仪产品介绍链接如下:http://www.goldway.com.cn/product/Hight/Hight-1/Fluorescence

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发布时间: 2023-04-14 16:27:19
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随着社会发展的需要,使用多种勘查技术研究矿产形成条件及矿体变化性特征,提高矿产勘查地质效果的技术越来越多样化。

被大众所熟知,矿产勘查核心就是预测,而预测不同于猜测,其区别就在于预测是有理论指导的。在矿产勘查方面,机载高光谱成像系统(HSI)可利用飞行过程中抓取到的高光谱图像数据与LiDAR数据融合,快速、准确地绘制出大面积的地表矿物模型渲染图,从而找出值得开采的矿产资源等,为矿产勘查提供了扎实的理论依据,大大提高了矿产勘查效率和效果。

美国Headwall全波段高光谱成像仪Co-aligned VNIR-SWIR光谱波段覆盖400-2500nm,由400-1000nm和900-2500nm两台成像光谱仪集成于一体,同时还可集成一台小型Lidar,整体小巧轻便,特别适合无人机搭载,为矿产勘查提供一种新手段。


图1短波红外相机(SWIR) 900-2500nm高光谱数据叠加到谷歌地图上生成的伪彩色矿物图

强大的高光谱图像分析功能:

Headwall的SpectralView®软件分类模块可用于生成地表矿物的伪彩色地图。每一种颜色对应一个光谱特征,代表一种或一组由专家鉴定的矿物。使用Headwall的LiDAR Tools软件处理激光点云数据生成高分辨率DEM,在使用DEM生成3D渲染图。




图2 3D渲染图



图3常见矿物的光谱图


结果表明,航空高光谱成像技术可以用在矿产勘察领域,并且在有合适的矿物光谱数据库的情况下,能保证很好的准确性。理想情况下,这些光谱数据库应该在当地实际测量获取,这样确保了光谱特征跟当地地质情况匹配。


无人机载高光谱成像仪在矿产勘查领域的范例

---内华达州铜矿热蚀变矿物学的高光谱成像与分析


Carson B. Roberts, Ph.D., Isabel Barton, Ph.D., Jingping He


Headwall Co-aligned VNIR-SWIR全波段无人机载高光谱成像仪搭载LiDAR

无人机搭载Headwall Co-aligned VNIR-SWIR高光谱成像仪(400-2500nm)和激光雷达低空飞行(40-80米AGL)获取数据。激光雷达数据用于建立测量地形的3D和DEM模型,生成的DEM再用于高光谱图像数据的正射校正。从调查区域采集样本,在实验室进行分析,生成用于光谱图像分类的光谱数据库。基于无人机的高光谱扫描分类显示了内华达州南部铜矿浅成低温热液系统暴露在上层的光谱活性矿物的分布情况。不同类型的粘土、云母、硫酸盐和其他蚀变产物的暴露有助于揭示铜矿超热过程的性质、强度和地质化学条件,表明该铜矿为一种具有多变硫化作用的低PH流体系统。然后将分类的矿物图与激光雷达点云融合,生成所调查区域的矿物三维图像。




测量区地形



初步解译结果:

1、东南地区的高分辨率光谱扫描显示:

 Siebert凝灰岩和未命名的灰流凝灰岩光谱蚀变矿物学特征是相似的(主要是高岭石,部分为明矾石)。这是意料之中的,因为两者都是相对较早形成的流纹岩凝灰岩,都是由相同的热液流体引起的广泛的泥质蚀变。

 赤铜矿山砾岩是由早期凝灰岩和Harkless碳酸盐千枚岩风化而形成的填充单元,在该地区的西侧斜坡和扫描中心暴露的内部显示出明显的层状硅酸盐矿物学,第四纪冲积层则在扫描区的西南尖端位置。

 在扫描区西部边缘的砾岩,是一个蚀变程度较低的含钠的过碱性岩灰单元,与蚀变程度较重的早期凝灰岩相比,具有明显的高岭石类型。

 在扫描区域的中间有一个微小的改变(N-S含蒙脱石的红色条纹),这可能是早期在该区域绘制的一个小的正断层痕迹。


2、地球化学解译(探索性的):

 根据现场和实验室的光谱学和地质观察,赤铜矿系统的化学状态随着距离和/或时间的变化而变化很大。在东南扫描区,高岭石和明矾石的普遍存在,以及明矾石组成中的主要成分钾,均表明地表附近存在一个高度氧化的、接近中性的蚀变系统,可能处于温泉或蒸汽加热环境中(与Swayze等人的解释一致)。

 由于该地区只报告了黄铁矿,所以硫化状态很难限制;其广泛的稳定性范围意味着它可以兼容硫化过程中几个数量级的变化(在Einaudi等人的图表中,黄铁矿-磁黄铁矿(py-po)线和硫凝结曲线之间的任何数值)。虽然层状硅酸盐组成表明SE扫描区普遍存在低硫化体系,但在部分铜矿山中,丰富的天然硫的形成反映了体系中其他地方存在极高的硫化状态。温度范围大概是150-300˚C(在Einaudi等人图表的下端)。

 其他分析正在进行中。


3、除了空间分辨率外,此次结果与Swayze的结果在一些细节上有所不同:

 Swayze等人发现了蚀变带横切岩石单元。虽然这对于两个早期凝灰岩的高岭石-明矾石蚀变是正确的,但这主要是因为它们具有相似的起始岩性;除此之外,在岩性边界和光谱边界之间存在明确的对应关系(通常考虑到位移物质)。例如赤铜矿山砾岩和Stonewall凝灰岩单元,它们都显示出地质接触后的明显光谱特征。

 我们没有检测到水铵长石,但发现大部分明矾石具有很大的铵态特征。由于水铵长石在SWIR中可以通过铵基峰检测到,这意味着样品中可能存在水铵长石,但与铵态明矾石混合。



超热相图

参考文献:


Swayze, G., et al., 2014. Mapping advanced argillic alteration at Cuprite, Nevada, using imaging spectroscopy. Economic Geology 109: 1179-1221.

Einaudi, M., et al., 2003. Sulfidation state of fluids in active and extinct hydrothermal systems: transitions from porphyry to epithermal environments. In: Simmons, S., ed., Society of Economic Geologists Special Publication 10: 285-314.

Simmons, S., et al., 2005. Geological characteristics of epithermal precious and base metal deposits. In Hedenquist, J., ed., Society of Economic Geologists 100th Anniversary Volume: 485-522.







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发布时间: 2023-04-18 11:48:42
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发布时间: 2023-04-18 11:49:04
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