高光譜遙感在深空探測的應用.

1、高光譜遙感在深空探測的應用1高光譜遙感簡介 高光譜分辨率遙感（Hyperspectral Remote Sensing）在電磁波譜的可見光、近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍內(nèi)，獲取許多非常窄的光譜連續(xù)的影像數(shù)據(jù)的技術。其成像光譜儀可以收集到上百個非常窄的光譜波段信息。 早期高光譜遙感數(shù)據(jù)主要應用于礦物識別，實現(xiàn)了單礦物識別和填圖。由于高光譜遙感能提供更多的精細光譜信息（張均萍等，2001），隨著航天技術的不斷發(fā)展高光譜遙感也廣泛的應用于行星探測領域。2目錄 水星 火星 月球月球 木衛(wèi)二和土衛(wèi)三 小行星 地球3水星4 水星（英語：Mercury，拉丁語：Mercurius）是太陽系八大行星最內(nèi)側(cè)也

2、是最小的一顆行星，也是離太陽最近的行星。符號為， 中國稱為辰星，有著八大行星中最大的軌道偏心率。它每87.968個地球日繞行太陽一周，而每公轉(zhuǎn)2.01周同時也自轉(zhuǎn)3圈。信使號 嚴格的來說信使號搭載的Mercury Atmospheric and Surface Composition Spectrometer (MASCS)還屬于多光譜的范疇，但相似的方法也適用于高光譜遙感數(shù)據(jù)。5Fig. 1. MDIS WAC departure color sequence (EW0108829678 - EW0108829728C). Mark S. Robinson et al. Science 20

3、08;321:66-69Published by AAAS6Fig. 2. (A) Basho crater (64-km diameter). Mark S. Robinson et al. Science 2008;321:66-69Published by AAAS7Fig. 3. (A) Spectral reflectance of key units discussed in the text, normalized to the standard area shown in Fig. 2A. Mark S. Robinson et al. Science 2008;321:66-

4、69Published by AAAS8火星9 火星（Mars）是太陽系八大行星之一，天文符號是，是太陽系由內(nèi)往外數(shù)的第四顆行星，屬于類地行星，直徑約為地球的53%，自轉(zhuǎn)軸傾角、自轉(zhuǎn)周期均與地球相近，公轉(zhuǎn)一周約為地球公轉(zhuǎn)時間的兩倍。橘紅色外表是地表的赤鐵礦（氧化鐵）。我國古書上將火星稱為“熒惑”，西方古代（古羅馬）稱為“戰(zhàn)神瑪爾斯星”。Spectral Reflectance and Morphologic Correlations in Eastern Terra Meridiani, Mars 火星快車搭載的 Observatoire pour laMinralogie，lEau，les

5、Glaces，et lActivit（OMEGA）覆蓋在東部地中海的超光譜圖像數(shù)據(jù)表明，分子水廣泛存在侵蝕地帶物質(zhì)中，由機遇號探明：侵蝕地帶與強烈火山坑地帶的地帶和赤鐵礦平原呈平行不整合接觸關系，且在這些地體之上。在水鎂礬（MgSO4H2O）中的結(jié)晶水的鑒定與暴露于赤鐵礦平原以北的谷和平臺中的物質(zhì)有關。使用OMEGA數(shù)據(jù)檢測的侵蝕沉積物與機遇號檢測的分層巖石之間在礦物學相似性意味著從火星車數(shù)據(jù)的分析推斷的古老水環(huán)境在可以延伸到區(qū)域尺度。10Fig. 1. (A) Shaded relief map of Meridiani Planum region showing the dissected

6、 cratered terrain (DCT) disconformably overlain by etched terrain deposits (ET), which in turn are covered by hematite-bearing plains (PH). R. E. Arvidson et al. Science 2005;307:1591-1594Published by AAAS11Fig. 2. (A) THEMIS scaled daytime infrared image subframe showing major geomorphic units incl

7、uding etched terrain materials exposed on a plateau and in a valley. R. E. Arvidson et al. Science 2005;307:1591-1594Published by AAAS12Fig. 3. OMEGA-based reflectance spectra for spectral endmember units with letters to denote spectral features. R. E. Arvidson et al. Science 2005;307:1591-1594Publi

8、shed by AAAS13Fig. 4. (A) OMEGA-based reflectance spectrum for dark etched plateau region divided by the spectrum for dark plains and compared in (B) with laboratory spectra for various sulfate minerals. R. E. Arvidson et al. Science 2005;307:1591-1594Published by AAAS14月球15 月球，俗稱月亮，古時又稱太陰、玄兔，是地球唯一的

9、天然衛(wèi)星，并且是太陽系中第五大的衛(wèi)星。月球的直徑是地球的四分之一，質(zhì)量是地球的1/81，相對于所環(huán)繞的行星，它是質(zhì)量最大的衛(wèi)星，也是太陽系內(nèi)密度第二高的衛(wèi)星，僅次于木衛(wèi)一。 美國NASA的阿波羅計畫是到目前為止，唯一實現(xiàn)的載人登月任務?？偣矌Щ亓顺^380公斤的月球巖石，其中有些被用于研究月球的地質(zhì)，以了解月球的起源（通過相關的研究提出月球形成于45億年前的巨大撞擊假說），月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成以及月球形成后的歷史。16Detection of Adsorbed Water and Hydroxyl on the Moon 來自Cassini的Visual and Infrared Mapping

10、Spectrometer （VIMS）在1999年飛越月球期間的數(shù)據(jù)顯示在月表，3微米由于吸附水的存在而產(chǎn)生吸收谷和的羥基的近2.8微米的吸收谷。 光譜中所示的水量取決于混合的類型和巖石和土壤中的晶粒尺寸，可以從10到1000 ppm并且局部更高。 極區(qū)中的水可能是遷移到較冷環(huán)境的冰。 在較低緯度的荒漠高地觀察到痕量羥基。17Fig. 1 Cassini VIMS observations of the Moon on 19 August 1999. Roger N. Clark Science 2009;326:562-564Published by AAAS18Fig. 2 (A) Ave

11、rage VIMS spectra for the three regions indicated in Fig. 1C. Roger N. Clark Science 2009;326:562-564Published by AAAS19Fig. 3 Radiative transfer models of water and hydroxyl-bearing minerals in different conditions and amounts on a model of Apollo 16 soil (containing no water or hydroxyl absorption

12、s). Roger N. Clark Science 2009;326:562-564Published by AAAS20IIM21Major elements and Mg# of the Moon: Results from ChangE-1 Interference Imaging Spectrometer (IIM) data吳昀昭利用IIM數(shù)據(jù)和Apollo以及Luna返回樣品數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)基礎上采用Partial least squares regression (PLSR)將月表的反射光譜和SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO和TiO2的含量的建立模型；22Fig.

13、3. Correlation coefficients of spectral differences with major elements for IIM data.23Wu Y. Major elements and Mg# of the Moon: Results from ChangE-1 Interference Imaging Spectrometer (IIM) dataJ. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2012, 93:214234.Fig. 4. Equidistant Cylindrical Maps of major element

14、al abundances determined in this study. 24Wu Y. Major elements and Mg# of the Moon: Results from ChangE-1 Interference Imaging Spectrometer (IIM) dataJ. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2012, 93:214234.Fig. 6. Histograms of elemental abundances for the whole Moon derived from the modified PLSR model

15、.25Wu Y. Major elements and Mg# of the Moon: Results from ChangE-1 Interference Imaging Spectrometer (IIM) dataJ. Geochimica Et Cosmochimica Acta, 2012, 93:214234.木衛(wèi)二和土衛(wèi)三 正在飛往柯伊伯帶的新視野號在十年前附近掠過這兩顆衛(wèi)星，為我們提供了寶貴的科學數(shù)據(jù)。26New HorizonsThe New Horizons mission is helping us understand worlds at the edge of ou

16、r solar system by making the first reconnaissance of the dwarf planet Pluto and by venturing deeper into the distant, mysterious Kuiper Belt a relic of solar system formation.27Fig. 1. LEISA compositional mapping of Europa. W. M. Grundy et al. Science 2007;318:234-237Published by AAAS28Fig. 2. LEISA

17、 compositional mapping of Ganymede. W. M. Grundy et al. Science 2007;318:234-237Published by AAAS29Fig. 3. Large-scale arcuate troughs on Europa. W. M. Grundy et al. Science 2007;318:234-237Published by AAAS30小行星31 小行星（asteroid）是太陽系內(nèi)類似行星環(huán)繞太陽運動，但體積和質(zhì)量比行星小得多的天體。太陽系中大部分小行星的運行軌道在火星和木星之間，稱為小行星帶。另外在海王星以外也

18、分布有小行星，這片地帶稱為柯伊伯帶（Kuiper Belt）。Rosetta32The Surface Composition and Temperature of Asteroid 21 Lutetia As Observed by Rosetta/VIRTIS Rosetta搭載上的可見光，紅外和熱成像光譜儀（VIRTIS）是一個具有兩個獨立通道的成像和高分辨率光譜儀：VIRTIS-M，其獲得的光譜范圍為0.25至5.1m，空間分辨率：250 rad；VIRTIS-H，高分辨率紅外光譜儀在2-至5-m范圍內(nèi)，光譜分辨率高達3000（ Coradini et al.,2007; Filacc

19、hione et al. ,2006; Ammannito et al.,2006）。 VIRTIS-M獲得的21 Lutetia小行星（這個不是67P）的高光譜圖像，空間分辨率在12km和小于1km（在最接近時）之間變化。 由于Lutetia自旋軸的取向，根據(jù)OSIRIS形狀模型，只有范圍從北極到赤道的大約50的表面被成像， (Jorda et al.,2010)。34Fig. 1 Mean VIRTIS-M IR channel spectrum acquired during the scan phase. A. Coradini et al. Science 2011;334:492-

20、494Published by AAAS35Fig. 2 Plot of VIRTIS-M spectrum in the range from 0.5 to 2.4 m. A. Coradini et al. Science 2011;334:492-494Published by AAAS36Fig. 3 Around closest approach, VIRTIS performed pushbroom acquisitions by using a constant acquisition rate while the distance from the asteroid varie

21、d considerably. A. Coradini et al. Science 2011;334:492-494Published by AAAS37回歸地球 探索類地行星、衛(wèi)星和小行星對了解地球的結(jié)構(gòu)、形成演化有著重要的至關重要的作用，不難總結(jié)出在其他天體上利用高光譜遙感技術主要是為了探明其表面的地質(zhì)環(huán)境，其中水的存在與否至關重要。 而在地球，高光譜遙感需要的航天技術要求相對較低但應用則豐富多樣，這項技術也常常和其他技術結(jié)合來為我們創(chuàng)造出更好的明天。38Sensing biodiversity高光譜傳感器提供非常高的光譜（相對于空間）分辨率。它們產(chǎn)生從可見光到短波紅外波長的基本上連續(xù)的光譜，并且主要在政府或商用飛機上飛行。光譜反映了樹冠