Revista >> Iulie - August 2020 [Nr. 226] >> Tehnologie

Hiperspectralitate şi alte tendinţe în imageria satelitară

Mircea Badut

29 Iulie 2020

Cu ajutorul anumitor imagini ale scoarţei terestre fotografiate de la mare altitudine (realizate din sateliţi sau din avioane ori chiar din drone), putem afla informaţii privind proprietăţile fizico-chimice ale materialelor vizate, informaţii care ne pot fi foarte utile: prezenţa de poluanţi în atmosferă, prezenţa unor contaminanţi în ape, existenţa unor zăcăminte minerale în subsol, starea de umiditate a solului, efectele despăduririlor, identificarea unor dăunători în vegetaţie, starea de coacere a unor culturi agricole, ş.a.m.d.. Iar tehnologia de imagistică spectrală devine tot mai dinamică şi mai accesibilă.

Lămuriri principiale şi conceptuale
Când lumina trece prin materie, sau când este reflectată de materie, ea îşi modifică proprietăţile (lungime de undă, frecvenţă, fază, polarizare, etc), iar acest comportament stă la baza analizei spectrale, el oferindu-ne posibilitatea de a identifica semnăturile moleculare şi chimice ale materiei/substanţei. Iar dacă la fotografierea făcută din satelit folosim senzori opto-electronici având sensibilitate mărită în anumite domenii ale spectrului eletromagnetic (deci nu vorbim despre fotografia din domeniul vizibil), vom obţine date mai intense şi mai rafinate privind substanţele care produc amprente în acele domenii. Mai mult, dacă avem posibilitatea de a fotografia simultan zona vizată folosind mai mulţi senzori, şi fiecare senzor receptează fotoni din spectre diferite, analizele posibile cu aceste date, prin intercorelare, ne pot furniza informaţii şi mai bogate, informaţii revelând aspecte care altfel rămân ascunse.

Primele încercări de a obţine imagini multispectrale ale scoarţei terestre au fost făcute odată cu lansarea programului spaţial Landsat, în 1972, însă ele au devenit disponibile comercial mult mai târziu. Însă iată că în ultimul timp acronimul MS (multi-spectral) lasă locul unui nou concept, HS (hiperspectral), marcând în primul rând o evoluţie cantitativă. Da, în mod tipic, imaginile multispectrale captează lumină din trei până la cincisprezece benzi spectrale, pe când imaginile hiperspectrale vizează zeci sau chiar sute de benzi spectrale. Mai mult, spre deosebire de MS, unde spectrele urmărite sunt separate, imaginile HS colectează radiaţie luminoasă în benzi spectrale adiacente, ceea ce are un impact major asupra rezultatelor ce se pot obţine prin analize spectrale.

Desigur, cu cât dispozitivul de captare a imaginilor vede mai multe benzi spectrale, cu atât rezoluţia sa spaţială (densitatea de pixeli corespunzând detaliilor de la sol) este mai mică. De exemplu, Landsat 7, pus pe orbită în 1999, avea opt benzi spectrale, iar Landsat 8, avea 11 benzi. Aceşti sateliţi puteau distinge detalii la sol având dimensiunile între 15 şi 100 de metri. De altfel, uneori se recurgea la îndesirea imaginilor multi-spectrale prin suprapunere/combinare cu imagini pancromatice de rezoluţie mare (proces nu foarte diferit de cel în care sunt combinate imaginile în smartphone-urile folosind mai multe obiective). Încheiem secţiunea subliniind esenţialul: spectrele multiple captate sunt utile deoarece fiecare dintre ele poate distinge anumite substanţe, în anumite stări, astfel că respectivele imagini ne ajută să punem în evidenţă aspecte pe care altfel nu le-am putea distinge.

Accesibilitate şi paradigmă
Însă vom vedea că, dintre cei trei factori care remodelează astăzi paradigma imageriei satelitare, tranziţia de la MS la HS probabil că are manifestarea cea mai calmă.

Cea mai spectaculoasă modificare de paradigmă vine din înmulţirea iniţiativelor private în domeniul spaţiului/cosmosului, pe fondul rarefierii proiectelor spaţiale cu finanţare guvernamentală. Până nu demult, imageria satelitară era ceva dificil de realizat, presupunând o tehnologie greu de preparat şi de administrat. Doar agenţii guvernamentale precum NASA ori ESA putea pregăti şi lansa misiuni spaţiale cu sateliţi capabili să fotografieze scoarţa planetei în mai multe spectre.
Însă epoca de avânt a explorării cosmice (Space Age), pornită în urmă cu o jumătate de secol, s-a cam domolit odată cu intrarea în mileniul trei. Totuşi, necesitatea de a folosi spaţiul cosmic din apropierea planetei a crescut (în special din raţiuni economice), aşa încât asistăm acum la începutul unei noi ere, a iniţiativei private, care deja are un nume: NewSpace. În ultimii ani, multe companii şi organizaţii non-guvernamentale au investit bani pentru realizarea şi lansarea de sateliţi şi de platforme de observaţii orbitale. Şi, în mod firesc, preluarea iniţiativei pe filieră neguvernamentală a determinat şi o schimbare de paradigmă în privinţa cheltuielii şi eficienţei: noile proiecte de explorare a spaţiului folosesc esenţialmente criteriul diminuării costurilor şi au ca obiectiv recuperarea cât mai directă a investiţiilor. Fie că este vorba de platforme tehnice pentru servicii de telecomunicaţii, ori de surse pentru imagerie multispectrală, obiectivele proiectelor NewSpace sunt unele cât se poate de comerciale. (Dacă Space Age avea motivare politico-economică, NewSpace este eminamente comercială. O altă întorsătură interesantă: dacă până acum NASA dezvolta tehnologie și o transfera către consumatori, de acum companiile din NewSpace dezvoltă tehnologie care poate fi transferată către NASA.)

Dar factorul reformator cel mai profund este cel tehnic, respectiv evoluţia dispozitivelor electronice şi optice, care a condus la miniaturizarea drastică a echipamentelor din dotarea sateliţilor. Comparând cele două epoci spaţiale, specialiştii mărturisesc că astăzi o rachetă purtătoare de sateliţi poate duce o sarcină de sute/mii de ori mai grea, iar costurile de lansare a unui satelit sunt de două-trei sute de ori mai scăzute.

Miniaturizarea aplicată în telefoanele mobile este deja prezentă şi la realizarea dispozitivelor optoelectronice din dotarea sateliţilor. Un sistem de captare de imagini MS/HS, care odinioară avea gabaritul măsurat în metri, acum a ajuns la dimensiuni de 25x25 centimetri. (Vedeţi dispozitivul HyperScout, capabil să lucreze cu 45 de benzi spectrale.) Mai mult, miniaturizarea nu a rezolvat doar problema sarcinii/greutăţii şi pe cea a costului, ci promite să soluţioneze şi o altă chestiune stringentă. Fluxul de date de transmis către receptorul de pe Pământ, crescând prin îndesirea fotografierilor şi/sau prin mărirea rezoluţiei imaginilor captate, depăşeşte posibilităţile de telecomunicaţie şi energetice ale satelitului.
Aşa încât se recurge tot mai des la procesarea imaginilor la bordul satelitului, iar miniaturizarea electronicii permite acest lucru, rezultatul fiind că spre receptor se transmit imagini mult mai puţin voluminoase decât cele brute. Nu este vorba de o analiză spectrală definitivă (care rămâne la latitudinea beneficiarilor), ci de o pre-procesare gen stereo-restituție (prin care imaginile digitale brute se ortogonalizează şi se inter-corelează pentru a obţine plasarea corectă în spaţiu a fotogramelor). Aceşti algoritmi (precum cel de compensare a unghiului de fotografiere şi a curbaturii scoarţei) trebuie să lucreze foarte repede (aproape în timp real) şi să consume puţină electricitate din resursele satelitului.

Aplicări ale imageriei satelitare
Necesităţile de observare, monitorizare şi analizare a diverselor aspecte ale scoarţei terestre vor determina şi pe mai departe folosirea şi dezvoltarea imageriei satelitare. Aflăm că există deja o diversificare şi în abordările de baleiere a suprafeţei planetei şi de captare a imaginilor: sateliţii dotaţi cu camere foto/video (cu senzori lucrând fie în domeniul vizibil, fie în spectre multiple/distincte) survolează planeta pe diverse orbite, precum LEO (Low Earth Orbit), sau în orbita polară (sincronizat cu rotaţia Pământului, sau sincron cu poziţia Soarelui).