POZYSKANIE ZOBRAZOWAŃ HIPERSPEKTRALNYCH Z WYKORZYSTANIEM MAŁYCH BSP

POZYSKANIE ZOBRAZOWAŃ HIPERSPEKTRALNYCH Z WYKORZYSTANIEM MAŁYCH BSP Aleksandra SIMA, D. Nuyts, P. Baeck, S. Livens, J. Blommaert, S. Delalieux, B. Delauré Flemish Institute for Technological Research VITO NV, Belgium

VITO REMOTE SENSING FLAMANDZKI INSTYTUT DO BADAN NAD TECHNOLOGIA GLOBALNA SIEC PARTNEROW KOMPLEKSOWE DORADZTWO WSPOMAGANIE DECYZJI MISJE I TECHNOLOGIA SATELITARNA GEO PRODUKTY I SERWISY JAKOSC DANYCH WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE

GLOBALNA SIEC PARTNEROW Aktywnosc w 115 krajach Ponad 80 partnerow miedzynarodowych i w Belgii Operacyjne przetwarzanie danych: PROBA-V, COPERNICUS Global Land Services, SPOT-VEGETATION, APEX, etc. 3 WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE

ROZWIAZANIA TECHNOLOGICZNE» Od wymagan uzytkownikow do rozwiazan technologicznych Satelitarne Lotnicze Stratosferyczny BSP BSP PROBA-V, projekt misji i instrumentu APEX - spectrometer lotniczy MEDUSA, kompaktowa, ultra lekka kamera COSI-cam, kompaktowa kamera hiperspektralna 4 WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE

15 LAT DOSWIADCZENIA ZE ZOBRAZOWANIAMI HIPERSPEKTRALNYMI Od roku 2002 ponad 80 obszarow pokrytych danymi obrazowymi pozyskanymi przez instrumenty: CASI-2 & CASI-550 CASI-3 SASI ATM AISA-Eagle AHS-160 HyMAP Hyspex APEX Wszystkie dane przetworzone i opracowane przy uzyciu specjalnie zaprojektowanego systemu.

MINIATURYZACJA KAMER HIPERSPEKTRALNYCH 2013 2012 MEMS Fabry-Perot Fabry-Perot na szklanym podlozu Fabry-perot bezposrednio na matrycy detektora MEDUSA 2011 APEX WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE

http://hyperspectral.vgt.vito.be/content/sensors APEX APEX to Szwajcarsko-Belgijski Projekt finansowany przez ESA-PRODEX z dofinansowaniem od ESA.» VNIR 380-970nm 114 kanalow spektralnych (0.6-6.3nm)» SWIR 940-2500 nm 199 kanalow spektralnych (6,2-11nm)» 1.75m @ 3500m AGL (2-5m @4-10km) Kraje w ktorych APEX pozyskal dane: http://apex.vgt.vito.be/content/new-data-requests

GLOWNE ZASTOSOWANIA DANYCH» Roznorodnosc biologiczna» Jakosc wody» Rolnictwo precyzyjne Kalmthoutse Heide, Belgia APEX RGB

APEX: JAKOSC WODY KARTOWANIE ZASIEGU ROSLIN INWAZYJNYCH Calkowita zawartosc zawiesin (TSM) w morzu Wattowym (wmg L -1 ) 9 Friedrich Alexander University Erlangen- Nuremberg

MEDUSA: ULTRA LEKKA WYSOKOROZDZIELCZA KAMERA SYSTEM 11 Koncepcja Model lotniczy PEGASUS - PRODUKT - Top level specifications Focal length Mass Power consumption Operational altitude Swath (@18 km) Ground sampling distance @18 km Spectral range Spectral channels Image collection rate Realtime data downlink (S-band) Direct georeferencing functionality Image compression Focal plane size WWW.VITO.BE/EN/LAND-USE 11 330 mm 2,6 kg < 40 W 15-18 km 3 km 30 cm 400-650 nm PAN COLOUR (RGB) 0.7 fps 20 Mbps H/W synchr. INS JPEG2000 10000 x 1200 (2 x)

Kamera Rikola test 2013 Zobrazowanie eksperymentalnej uprawy ziemniakow

JAK POZYSKAC DANE HIPERSPECKTRALNE PRZY POMOCY SENSORA 2D? Skanowanie przestrzenne spektralne przestrzennospektralne Struktura danych Migawka (Snapshot) Koncept Pushbroom Zmienne zakresy spectralne przestrzennospektralne Mozaika Tiled 1 obraz zawiera spektrum 1 linii obrazu obraz 2D w jednym zakresie spektralnym obraz 2D gdzie linie pozyskane sa w roznych zakresach spektralnych Mozaika pikseli, np. 4x4, 5x5,... kafelki (tiles) z 1 zakresem spektralnym Rozdzielczosc przestrzenna Uwagi wysoka wysoka wysoka niska niska Rekonstrukcja obrazu trudna dla BSP Wymaga zmiany zakresu spektralnego Wymaga specjalistycznego przetworzenia danych Wymaga precyzyjnych filtrow Skomplikow any system optyczny 15

COSI CAM KOMPAKTOWA KAMERA HIPERSPEKTRALNA COSI CAM Specyfikacja @40m [@150] Rozmiar obrazu 2048 x 1088 Pokrycie 40 m [150m ] Rozdzielczosc terenowa Zakres spektralny Rozdzielczosc spektralna Zapis danych Waga Wymiary 4 cm [15cm] 600-900 nm (72 zakr. spekt.) 470-900 nm (160 zakr.spekt.) 5-10 nm Dysk wewnetrzny 500 g 6cm x 7cm x 11.6cm

LINIOWO ZMIENNY FILTR INTERFERENCYJNY» Liniowy filtr interferencyjny» Filtr o zmiennej grubosci umieszczony bezposrednio na matrycy detektora» Kazde 8 linii obrazu rejestruje dane w innym zakresie spektralnym i pokrywa inny fragment obrazowanego terenu» Wymagany jest ruch kamery aby zarejestrowac pelne spektrum dla obrazowanego terenu 8 pikseli = 1 zakres spektralny

OBRAZ ZRODLOWY ZAREJESTROWANY PRZEZ COSI CAM 600nm 700nm 800nm 900nm 18 Data acquired in collaboration with pcfruit, St. Truiden (B)

PRZETWARZANIE DANYCH» Dedykowany system przetwarzania danych bazujacy na podstawach fotogrametrii I widzenia komputerowego Obraz zrodlowy Odbicie spektralne» Dane GNSS i terenowe punkty kontrolne nie sa wymagane, ale podnosza jakosc skalowania danych I georeferencji» Korekcja radiometryczna I spektralna odgrywa olbrzynia role w przetwarzaniu danych» Wymagane jest uzycie referenycjnych paneli 19 spektralnych Wskazniki Mapa dzialania

REKONSTRUKCJA OBRAZOW POZYSKANYCH W ROZNYCH ZAKRESACH SPEKTRALNYCH 20

WYSOKOROZDZIELCZE DANE HIPERSPEKTRALNE, PIKSEL=4CM 21 1 m

PRODUKT DOSTARCZANY PRZEZ COSI CAM I SYSTEM PRZETWARZANIA DANYCH» Produkt orto» Rozdzielczosc terenowa = 4cm (@40m) 2 m 22

NUMERYCZNY MODEL POKRYCIA TERENU 23 Data acquired in collaboration with pcfruit, St. Truiden (B)

MAPA WSKAZNIKOW WEGETACYJNYCH, NP. NDVI 1.0 0.5 24 0.0

POZYSKANE DANE Dane pozyskane w 2015 i 2016 roku:» Eksperymentalna uprawa truskawek,» Pszenica ozima,» Laki naturalne (rezerwat przyrody),» Sady owocowe jablonie i grusze» Buraki cukrowe 25

POZYSKANIE DANYCH PRZY UZYCIU COSI CAM Kompletny system dostosowany do potrzeb BSP

EKSPERYMENTALNA UPRAWA TRUSKAWEK (RGB = 801nm, 667nm, 604nm), PIKSEL =2CM 5m 27 Data acquired in collaboration with pcfruit, Sint-Truiden (B)

ZOBRAZOWANIE W KOLORACH NIERZECZYWISTYCH (RGB = 801nm, 667nm, 604nm) COSI rozdz. terenowa = 2.0cm 0.5m RGB rozdz. terenowa = 2.6cm 28

EKSPERYMENTALNA UPRAWA TRUSKAWEK DANE SPEKTRALNE Pudlo kartonowe Wiory drewna Truskawka ID1 Truskawka ID2 Truskawka ID3 Gleba Nex-6, 16mm lens, GSD = 0.8cm 29 M. Boonen, N. Gallace, S. Delalieux, A. Sima, B. Delauré and D. Bylemans, 2016. Remote sensing as a useful tool in strawberry cultivation. 8 th International Strawberry Symposium, ISS2016, 13-16 August 2016, Quebec City, Canada.

PSZENICA OZIMA (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm), PIKSEL = 4CM 2m Data acquired in collaboration with CRA-W, Gembloux (B)

PSZENICA OZIMA- NDVI Data acquired in collaboration with CRA-W, Gembloux (B) 31 Publikacja w przygotowaniu

SAD GRUSZE (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm), PIKSEL=4cm Detekcja zarazy ogniowej 32

SAD GRUSZE (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm) PIKSEL=4cm 1m 4m 33 Data acquired in collaboration with pcfruit, Kortenaken (B)

SAD GRUSZE NUMERYCZNY MODEL POKRYCIA TERENU Zordzielczosc terenowa = 4cm 34 Data acquired in collaboration with pcfruit, Kortenaken (B)

BURAKI CUKROWE DETEKCJA MACZNIAKA PRAWDZIWEGO, PIKSEL =4CM 3m 35

DETEKCJA METEORYTOW, (R=801.7nm, G=667.4nm, B=604nm) PIKSEL=3cm 2m 36

WYZWANIA» Eliminacja/ograniczenie wplywu zmian oswietlenia obrazowanego obiektu» Eliminacja/ograniczenie wpywu cieni (biektow terenowych, chmur itd.) na pamiary spektralne na zdjeciu» Eliminacja/ograniczenie wplywu kata nachylenia powierzchni obrazowanego obiektu w stosunku do Slonca na rejestrowane spektrum korekcja dwukierunkowej funkcji rozkładu odbicia (BRDF - Bidirectional Reflectance Distribution Function)» Eliminacja koniecznosci uzywania paneli referencyjnych» 37

PODSUMOWANIE» Technologia hiperspektralna jest juz dostepna dla BSP» Wybor kamery hiperspektralnej odpowiedniej dla potrzeb projektu wymaga znajomosci techniki pozyskania danych» Analiza i interpretacja danych wymaga specjalistycznej wiedzy COSI, GSD = 2cm» COSI Cam zaprojektowana, zbudowana i testowana przez VITO zostala wprowadzona na rynek przez firme Cubert Gmbh http://cubert.org/product/uhd-137-butterfly-nir/ Nex-6, 16mm lens, GSD = 0.8cm 38

HTTP://CUBERT.ORG/PRODUCT/UHD-137-BUTTERFLY-NIR/ 39 nowy zakres spektralny: 450-1000nm 160 kanalow

PUBLIKACJE NA TEMAT COSI CAM» M. Boonen, N. Gallace, S. Delalieux, A. Sima, B. Delauré and D. Bylemans, 2016. Remote sensing as a useful tool in strawberry cultivation. 8 th International Strawberry Symposium, ISS2016, 13-16 August 2016, Quebec City, Canada.» P. Baeck, J. Blommaert, S. Delalieux, B. Delauré, S. Livens, A. Sima, M. Boonen, G. Jacqueminb and J.P. Goffart, 2016, High Resolution Vegetation Mapping with a Novel Compact Hyperspectral Camera System. Proceedings of the 13th ICPA, July 31 August 4, 2016, St. Louis, USA» Sima, A. A., Baeck, P., Nuyts, D., Delalieux, S., Livens, S., Blommaert, J., Delauré, B., and Boonen, M., 2016: Compact Hyperspectral Imaging System (Cosi) For Small Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) System Overview and First Performance Evaluation Results, Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci., XLI-B1, 1157-1164, doi:10.5194/isprs-archives-xli-b1-1157-2016.» Serruys, P., Sima, A., Livens, S., Delauré, B., 2014. Linear Variable Filters a Camera System Requirement Analysis for Hyperspectral Imaging Sensors Onboard Small Remotely Piloted Aircraft Systems, in: 6th Workshop on Hyperspectral Image and Signal Processing: Evolution in Remote Sensing, 24-27 June 2014, Lausanne, Switzerland. Lausanne, Switzerland, pp. 1 4. Pytania? aleksandra.sima@vito.be 40