В задачах ДЗЗ часто требуется не просто получить изображения поверхности, а извлечь из них информацию о составе, влажности и физическом состоянии объектов. Видимый и ближний инфракрасный диапазоны решают лишь часть таких задач. Для минералогического анализа, выявления нефтяных загрязнений и оценки водообеспеченности более эффективным оказывается коротковолновый инфракрасный диапазон — SWIR.
До недавнего времени применение мультиспектральной SWIR-съемки было ограничено лабораторными условиями и спутниковыми платформами, но развитие сенсорных технологий открыло возможность использовать этот диапазон в формате оперативной аэрофотосъемки с беспилотников. В статье рассказываем, что такое SWIR, в каких задачах он применяется и какие возможности дает новая мультиспектральная SWIR-камера для БАС разработки Геоскана и Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН.
Что такое SWIR-диапазон
Коротковолновый инфракрасный диапазон (Shortwave Infrared, SWIR) охватывает длины волн примерно от 1000 до 3000 нм и располагается между ближним инфракрасным (NIR) и средневолновым инфракрасным (MWIR) диапазонами.
Если в средне- и длинноволновом ИК диапазонах фиксируется тепловое излучение самих объектов, то в SWIR изображение формируется за счет отражения и поглощения падающего излучения. Благодаря этому коротковолновый ИК диапазон по визуальным свойствам близок к видимому и позволяет получать контрастные изображения с высокой детализацией.
В SWIR-диапазоне проявляются характерные полосы поглощения воды, азота, гидроксидов, сульфатов, сульфидов и карбонатов. Это позволяет выявлять различия в составе объектов и оценивать их физическое состояние — данные, недоступные в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.
Области применения SWIR-съемки
Обследования в SWIR-диапазоне широко применяются для дистанционного зондировании Земли в разных областях — от изучения природных ресурсов до мониторинга окружающей среды.
В геологии и геофизике SWIR используется для эффективного поиска и оценки месторождений. Например, съемки обнажений горных пород в коротковолновом инфракрасном диапазоне позволяют более точно определять отдельные минералы и их группы, такие как листовые и каркасные силикаты, бораты, сульфаты и другие.
В экологическом мониторинге — для выявления разливов нефтепродуктов. Материалы SWIR-съемки с БАС помогают обнаружить нефтяные пленки на поверхности воды, определить их тип и оценить толщину слоя. Обследование позволяет очертить границы загрязнения и оперативно приступить к устранению его последствий.
В сельском хозяйстве SWIR-камера помогает исследователям и агрономам оценивать состояние растений, их потребность в питательных веществах и водообеспеченность. С ее помощью можно регистрировать полосы поглощения воды и азота, которые не видны в ближнем инфракрасном и видимом диапазоне.
В лесном хозяйстве данные аэрофотосъемки со SWIR-камеры позволяют проводить мониторинг состояния экосистемы, например определять индекс влажности лесных угодий, обнаруживать участки иссушения или переувлажнения лесов или местностей с лишайниковым покровом.
Для решения таких задач важно получать данные не в одном широком спектре, а в нескольких узких спектральных интервалах внутри SWIR-диапазона. Это позволяет различать объекты и их состояния по характерным полосам поглощения и отражения, а также проводить более точный анализ минерального состава, влажности, химических соединений и биофизических параметров поверхности.
Эволюция решений для мультиспектральной SWIR-съемки
Ранее для мультиспектральной съемки в этом диапазоне были доступны только сканирующие системы и камеры с механическим переключением фильтров. Формирование полного набора изображений в таких устройствах проходит не единовременно, поэтому точное пространственное и временное совмещение каналов в подобных системах затруднено.
Вместе с тем для обследований с беспилотников критичны компактность, малый вес, высокая скорость и точность формирования данных. Это делает малоэффективными решения, основанные на последовательной съемке или механическом переключении фильтров, — в задачах аэросъемки с БАС требуются мультиспектральные камеры, способные регистрировать несколько SWIR-каналов одновременно за один кадр.
За последние годы развитие полупроводниковых технологий позволило существенно повысить разрешение SWIR-сенсоров: если ранее для матриц в этом диапазоне считалось высоким разрешение в 640×512 пикселей, то теперь при сопоставимой стоимости доступны сенсоры с разрешением до 5 мегапикселей. Это создало предпосылки для появления мультиспектральных систем, которые могут применяться не только в условиях лабораторий, но и на движущихся беспилотных системах.
Мультиспектральная SWIR-камера для БАС
Развитием этого направления стала первая отечественная односенсорная камера для мультиспектральной съемки с беспилотников в SWIR-диапазоне. Систему разработали и изготовили Геоскан и Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН.
Устройство одновременно фиксирует изображение в четырех спектральных интервалах и передает данные на один сенсор. Такая работа системы обеспечивает высокую скорость съемки, точное совмещение каналов и формирование четырех снимков в каждом спектральном диапазоне камеры за один кадр.
Основные параметры камеры:
- рабочий диапазон: 900–1700 нм;
- четыре спектральных канала с разрешением 1,2 Мпикс каждый;
- электронный глобальный затвор;
- ширина полосы пропускания: 25–35 нм в зависимости от канала;
- угол обзора (диагональный): 56°;
- габариты камеры: 35×35×65 мм.
Интеграция SWIR-камеры в беспилотные комплексы Геоскана позволила расширить спектр задач дистанционного зондирования Земли — от геологоразведочных и мультиспектральных съемок до мониторинга водных объектов и экосистем. Разработка стала еще одним комплексным инструментом для получения высокоточных данных в дополнение к Geoscan Pollux.
Появление компактной мультиспектральной SWIR-камеры для беспилотников выводит коротковолновый инфракрасный диапазон за пределы лабораторий и спутниковых платформ и делает его инструментом оперативной аэросъемки. Совмещение высокой пространственной и спектральной точности с возможностью съемки как на обширной территории, так и с малых высот позволяет получать данные, ранее недоступные для обследований с БАС.