空間地球科學及應用

NASA高光譜紅外成像儀(HyspIRI)

時間:2017-06-17  來源: 文本大小:【 |  | 】  【打印

    2007空間地球科學與應用計劃中推薦了NASA高光譜紅外成像HyspIRI (Hyperspectral InfraRed Imager)任務:未來十年及以后的國家需求(十年調查),以研究多個領域的關鍵科學問題,特別是生態系統和自然災害。HyspIRI由兩個儀器組成,一個可見至短波紅外VSWIR (Visible to Short-WavelengthInfraRed) 成像光譜儀和一個熱紅外TIR (Thermal Infrared) 多光譜成像儀,以及對數據進行快速下行和在軌處理的智能有效載荷模塊IPM(Intelligent Payload Module)VSWIR儀器將具有10nm連續波段,可覆蓋380-2500nm光譜范圍,30米空間分辨率和16天回訪。TIR儀器將在4-13um范圍有8個離散波段、60米空間分辨率和5天回訪。借助這兩臺近地軌道儀器,HyspIRI將可以用來研究從生態系統功能和多樣性到人類健康和城市化的廣泛領域關鍵科學和應用問題。

 

1.      介紹

 

2007年,美國國家研究理事會(National Research Council)發布了空間地球科學與應用:未來十年及以后的國家需求(常被稱為“十年調查”),回顧和總結了在社會挑戰背景下地球系統科學的現狀。“十年調查”建議NASA承擔幾個地球科學任務,包括擬解決具體科學問題和社會需求的高光譜紅外成像儀HyspIRI任務。HyspIRI將由兩個儀器組成:一個可見/近紅外/短波紅外VSWIR成像光譜儀和一個熱紅外TIR多光譜成像儀,以及對數據進行快速下行和在軌處理的智能有效載荷模塊IPM。通過在近地軌道LEO運行,HyspIRI可以每隔5-16天以高空間分辨率(30-60)覆蓋全球(1)NASAJPLGSFC一起,由SSG科學研究組制定了一套科學和應用問題,以解決十年調查報告中概述的和科學界提出的問題。

 

2.      任務架構

 

2.1.VSWIR

    VSWIR儀器配置最初基于繼承了月球礦物繪圖儀M3Moon Mineralogy Mapper)Offner光譜儀設計。該儀器配置需要60米地面采樣和19天回訪。然而,與可持續陸地成像SLISustainable Land Imaging)計劃合作的最近評估表明,配有新探測器陣列的Dyson光譜儀設計方案可以顯著改善VSWIR儀器的空間和時間分辨率。當最大太陽仰角≥20°時,該Dyson裝置將具有30米的改進空間分辨率和16天回訪(圖1)。

VSWIR可以以≤10nm連續波段覆蓋3802510nm范圍,且包含大于95%的光譜交叉軌道和大于95%的光譜瞬時視場角IFOV均勻性。絕對輻射度精度要求95%以上,通過每月對月球觀測和周期性表面校正實驗,結合IPM編寫的基本算法分析進行維護。在600nm2200nm的信噪比SNR分別為70015001。儀器設計也將使偏振靈敏度和散射光降低到最小,以改善沿海海洋觀測。為了減少水域表面太陽閃光的影響,儀器將在后向散射方向指向。標定數據收集方案將以全空間和光譜分辨率在≤50米深度對陸地和沿海地帶進行觀測,并將數據傳輸到地面站。在開放海洋上,將以約1千米的空間分辨率進行平均。

2.2.TIR

    HyspIRI TIR儀器將繼續先前傳感器幾十年來的測量傳統,如高級星載熱輻射計ASTER(Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer)和中分辨率成像光譜儀MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)HyspIRI TIR儀器將有8個波段,一個4um中紅外MIR 77-13um的長波紅外LWIR。幾個TIR波段(圖3)與ASTERMODIS匹配(表2)。4um波段具有高達1200K的飽和極限,而更長波的波段將在400-500K達到飽和。

 

1. HyspIRI計劃的全球覆蓋

A16 VSWIR覆蓋,VSWIR將以30米空間采樣每16天對陸表和沿海進行測量。(B5-TIR覆蓋,TIR將以60米空間采樣每5(白天和夜晚)對陸表和沿海進行測量。

 

這一配置可用來識別火災、火山和其他熱現象中的熱點,輻射準確度和精度將分別為0.5K0.2K,且所有波段量化為14 bits。儀器校正將使用一個在軌黑體和每次掃描鏡旋轉時產生的空間視角。HyspIRI TIR將具有60米空間分辨率,并在赤道有5天回訪。 

2.3.智能載荷模塊

智能載荷模塊IPM是一種在軌處理系統概念,設計按照HysplIRI任務制定過程的要求,在時間關鍵或時間敏感條件時為用戶提供服務(如災難響應、干旱監測、以及地面現場實驗和校正/驗證活動)。HyspIRIIPM概念利用了EO-1Earth Observing 1)技術驗證開發的在軌處理架構,具有兩個Mongoose處理器,一個用于命令和數據處理(Command and Data HandlingC&DH),另一個用于科學數據處理。通過將儀器數據與C&DH分離,可能實現更大的靈活性,且不會損害衛星的健康和安全。IPM將構建靈活的配置,并利用最新的在軌處理技術的優勢,包括空間用低功率多核處理器和現場可編程門陣列FPGA協處理器。這些處理器將提高計算性能的數據吞吐,并可以處理延遲需求。例如IPM將接受高達1 gigabits每秒的數據傳輸速率,并通過數據處理流程(圖4)進行1級處理、輻射校正、大氣校正、幾何校正、以及網絡覆蓋處理服務(Web Coverage Processing ServiceWCPS)數據分類等步驟。

由于兩個HyspIRI儀器將高速生成大數據集(表3),IPM將在關鍵時刻進行必需數據的傳輸。雖然直接廣播技術已快速將數據傳送至地面,但期望的直接下行速率依然被限制在每秒10 megabits 左右。IPM將利用這種直接下行鏈路減少用戶預定數據的容量,從而地面用戶可以近實時下載這些數據。使用地面和在軌軟件,IPM可以確定哪些數據和什么時候下載。用戶可以指定和優先考慮感興趣的地理區域,可以與地面軌跡預報相結合,制定在軌產品生成和下行計劃。利用在軌自動分析來搜索特定事件或有趣特征,如火山噴發或水華。這些事件的數據產品可以根據CPU資源、頻帶處理極限、以及下行帶寬進行優先合并。EO-1The Earth Observing One )已被用作在軌產品生成規劃的試驗臺,并證明了可用于HyspIRI任務。

1  HyspIRI任務擬解決的緊迫和特別的科學與應用問題

領域

科學問題

應用

陸地系統

? 生態——格局和空間分布

?農業應用(如緩解旱情、用水效率、供水)

? 生態——功能、生理、季節活動,物候

?對自然/人為干擾的影響和反應         

? 野火——(景觀變化/碳收支)

?野火管理(例如,特大火災)

? 表面組成和變化

?景觀和景觀變化對人類健康的影響

? 生物多樣性/物種分布

?保護措施

? 表面能量平衡(例如,評估蒸散量)

 

水生系統

? 理解光學復雜的水域(如混濁、沿海、河口)

?水的可用性和質量(供人類消費或人類使用),例如預測(有害)藻華發生和程度的工具

? 淺水底組成

?跟蹤漏油和其他污染物

? 內陸水生環境

?災害評估(如洪水預報或干預)

? 海洋生態學,珊瑚礁組成/范圍

?恢復和緩解措施

? 濕地范圍

?保護措施

? 淹沒水生植被和物種鑒別/分布

?對自然/人為干擾的影響和反應

? 地貌(海岸線變化)

 

? 地下水排放

 

? 洪水

 

? 海洋顏色/海洋生物

 

生物地球化學

碳、水、氮、氧,氣候反饋、碳儲,以及對生態系統功能/物種種群的影響

?對緩解措施的影響

?對資源開采、城市化的影響

?對水質的影響(可用水)

氣候地質學

?大氣校正

?資源探測和提取

?表面礦物組成

?地震破壞程度或預警

?地質災害,如地震和火山造成的危害

?對空氣質量和人體健康的影響

 

2.OffnerDyson成像光譜儀設計比較,Dyson設計更加緊湊

 

3.Landsat 78相比,HyspIRI的波長范圍和波段位置

 

3.      HyspIRI團隊拓展

 

HyspIRI任務概念團隊積極參與了科學和應用團隊,從而為潛在的全球任務做好準備,能常規性地為各種科學與應用需求提供高質量VSWIR光譜和多波段熱數據集。支持這一團隊發展的最重要活動包括分別從2009年和2008開始舉辦的HyspIRI年度研討會和HyespIRI科學與應用討論會,涉及到方案現狀、技術創新、科學問題、應用驗證、以及團隊拓展。

 

2 HyspIRI TIR儀器光譜波段特征 

波段

波長(um)

帶寬(um)

標定輻射和溫度(W/m2/sr)

與其他TIR任務相同部分

最小

最大

1

3.98

0.08

14(400K)

9600(1200K)

MODIS band 22

2

7.35 

0.32

0.34(200K)

110(500K)

MODIS band 28

3

8.28

0.34

0.45(200K)

100(500K)

ASTER band 10

4

8.63

0.35 

0.57(200K)

94(560K)

ASTER band11, MODIS band29

5

9.07 

0.36 

0.68(200K)

86(500K)

ASTER band12

6

10.53 

0.54 

0.89(200K)

71(500K)

ASTER band13

7

11.33  

0.54 

1.1(200K)

58(500K)

ASTER band14, MODIS band31

8

12.05

0.52

1.2 (200K)

48 (500k)

MODIS band32

 

3 HyspIRI VSWIRTIR儀器任務參數與現有和提出的ISS儀器(VSWIR-DysonECOSTRESS)比較

參數

HyspIRI VSWIR

VSWIR-Dyson

HyspIRI-TIR

ECOSTRESS

軌道高度

626千米(LEO)

400千米

626千米(LEO

400千米

地面空間分辨率

30

30

60

38×69

地表覆蓋

全球(<16天重訪)

±52°緯度,回訪周期不定

全球(<5天重訪)

±52°緯度,隨重訪周期

覆蓋時間

10:30 AM10:30 PM

全天時

10:30 AM10:30 PM

全天時

光譜波段

連續(10nm), 380-2500nm

連續(10nm), 380-2500nm

8

5

平均數據下行

300Mb/

9.1Mb/

24Mb/

3Mb/

幅寬

185千米

30千米

51.596 千米

51.384 千米

任務持續時間(目標)

3年(5年)

0.5年(2年)

3年(5年)

0.5年(1年)

在軌校正

在軌校正,每月月球和周期性校正

替代、自動目標和偽不變量的輻射校正;大氣光譜;表面目標空間

空間和內部黑體

2個內部黑體

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.      科學問題和應用

 

通過獨立或聯合使用VSWIRTIR儀器,HyspIRI任務具備解決前所未有多樣性科學與應用問題的能力。這些主題總結在表14中。

 

4.1. 陸地生態系統

4.1.1. 冠層生物化學

   冠層生物化學控制了光吸收和光合作用的基本過程,是包含了碳、水和營養物質的生物地球化學循環的重要組成部分。成像光譜儀已證明具備測量葉片光合色素(包括葉綠素ab、類胡蘿卜

素,包括葉黃素和花青素)的獨特能力。水吸收具有近紅外和短波紅外特征,可用于獲取葉子和冠層含水量。因其在植物營養和營養循環中的重要性,許多研究集中在測量葉面的氮含量。熱紅外成像也可能有助于測量814微米范圍內的纖維素、半纖維素、角質和其他生物化學物質。

 

4 十年調查報告HyspIRI任務概念和科學問題

類型

問題

VSWIR儀器問題

1) 生態系統和多樣性分布的全球空間格局是什么,如何區分生態系統在組成或生物多樣性上的不同?

2) 陸地和水生生態系統、功能群落和診斷物種的季節特征和周期是什么?這些如何被氣候變化,土地利用和干擾所改變?

3) 自然和人為導致的環境變化是如何改變/擾亂維持地球生物生存的生物地球化學循環的?

這些變化如何影響生態系統的組成和健康,地球系統其他部分的反饋是什么?

4) 受干擾環境是如何變化的?這些變化如何影響支持地球生命的生態系統過程?

5) 生態系統構成和功能的變化如何影響人類健康、資源利用和資源管理?

6) 地表土壤/巖石、雪/冰和淺水層的組成是什么?

TIR儀器問題

1) 我們如何通過探測瞬態熱現象來幫助預測和減輕地震和火山危害?

2) 全球生物量燃燒對陸地生物圈和大氣層的影響是什么?這種影響如何隨著時間的推移而變化?

3) 全球淡水供應消費使用如何應對氣候和需求的變化,其對水資源可持續管理的影響是什么?

4) 城市化如何影響地方、區域和全球的環境? 我們是否可以表征這種影響,以幫助減輕其對人類健康和福祉的影響?

5) 地球暴露表層的組成和溫度是什么? 這些因素是如何隨時間而變化并影響土地利用和居住狀況的?

聯合儀器問題

1) 由局部和區域熱氣候、土地利用變化和其他因素引起的內陸、沿海和開放海洋水生生態系統的變化是怎樣的?

2) 火災和植被組成如何耦合?

3) 火山會通過地面溫度、氣體和氣溶膠排放速率、火山口的溫度和組成、植被覆蓋的健康程度等方面的變化來顯示即將爆發嗎?

4) 不同氣候條件下,生態系統中的物種、功能類型和生物多樣性組成如何影響能源、水和生物地球化學循環?

5) 暴露地球表面的組成是什么?它對人為和非人為驅動因素的反應如何?

6) 人類環境和傳染病的模式如何響應主要環境變化,特別是對城市增長和變化以及城市化相關因素的影響?

 

4.1.2. 格局和空間分布

   HyspIRI VSWIR全球30米像素覆蓋可以識別植物功能類型、評估物種多樣性、以及區分陸地植物物種和群落。以前工作已證明成像光譜數據在繪制棲息地入侵物種詳細圖式方面的獨特能力。監測入侵物種對理解生態系統服務和功能的可持續性至關重要,在一項關于入侵樹木的研究中,Asner等利用高光譜成像繪制了夏威夷低地森林的五種入侵物種,顯著改變了三維森林結構,并永久改變了其功能——盡管所有物種屬于同一闊葉林功能類型。HyspIRI任務有潛力揭示更多改變物種分布和生態系統功能的例子。 

4.1.3. 功能、生理、季節性活動和多樣性

   雖然廣泛的物候形態已被很好理解,但與潛在生理狀態/變化相關的更微妙植被活動模式并沒有很好刻畫。HyspIRI VSWIR的獨特光譜能力和16天重訪可以促進葉物候過程研究,例如利用光化學反射指數PRIPhotochemical Reflectance Index)來評估光合作用和光利用效率之間的季節性關系,研究碳固。

通過測量植被生物物理和生物化學性質,HyspIRI可以同時估計表面溫度和與表面性質(例如,反照率、葉面積指數、葉衰老和死亡率、色素生物化學、濕和干葉物質)及能量平衡參數相關的植物生物化學特性,改善植物生理功能測量。這些信息用來改善農業,如作物選擇、用水策略和緩解干旱。最新研究證明成像光譜可以反映光合能力。 

4.1.4. 生物多樣性估計、植物物種和群落鑒別

成像光譜已經在廣泛的生態系統物種繪圖上顯示出極大成功,例如,混雜硬木森林、多樣熱帶雨林、山區雨林、混交硬葉植物群落、熱帶稀樹草原、灌木叢和半干旱灌木草原。此外,研究表明闊葉植物物種在熱紅外區(714微米)有明顯反射,可用來改進物種分布制圖。成像光譜還可以通過熱帶森林的廣泛物種研究冠層生物化學多樣性、物種多樣性和光譜多樣性之間的直接聯系。 

4.1.5. 植物功能類型和植物性狀策略

目前用于理解生態系統功能(光合作用、蒸騰作用、呼吸作用)的范式是根據植物功能類型PFTs(plant functional types),可以利用遙感來研究。許多PFT特征(認為可以表示相似功能)可以利用光譜進行獨特檢測,尤其是生長形式(草、草本植物、灌木和樹)、葉片壽命(落葉vs常綠)以及系統發育(被子植物vs裸子植物)。然而,這些屬性僅與生態系統功能部分相關。在過去15年,生態學家已積累了廣泛的植物特征數據庫(其中部分是通過使用成像光譜技術得到的),更好地評估PFT屬性和植物功能之間的聯系。 

4.1.6. 干擾響應

生態干擾(例如由極端天氣、火災、森林撫育間伐或頂梢枯死、牧場退化、昆蟲和病原體爆發、以及入侵物種引起的干擾)會影響植被生化和生理過程,從而對整個生態系統產生級聯效應。這些干擾通常涉及植被功能和組成的長期變化,VSWIR儀器將產生能夠促進干擾應用的全譜信號,應用實例包括干旱、害蟲群襲和恢復監測。 

4.2.水生生態系統

4.2.1. 海洋顏色和光學性質

  HyspIRIVSWIR儀器將有助于促進對海洋顏色和光學性質的研究,這將建立在先前對水光學性質的研究上,包括葉綠素濃度、浮游植物功能類型和物種、懸浮沉積物和有色可溶有機物質。HyspIRI還可以改善對污染和水質的監測,包括顆粒相關的生物地球化學組成和進入海洋的地下水排放。利用WSWIR儀器的連續光譜覆蓋和30米空間分辨率,HyspIRI任務將成為即將開展的衛星任務的有力補充,如氣溶膠、云和海洋生態系統探測衛星PACEPACE具有較粗糙的空間分辨率(1千米),更高的時間分辨率(12天全球覆蓋)。HyspIRI也可以與“沿海和空氣污染監測地球靜止衛星” GEO-CAPEGEOstationary Coastal and Air Pollution Events)任務互補觀測,該任務將在地球靜止軌道上每隔0.53小時以250-375米的分辨率測量海洋顏色。 

4.2.2. 濕地環境

  HyspIRIVSWIR儀器在研究濕地方面具有巨大潛力,從濕地范圍到濕地覆蓋分類和物種分布,再到水文過程來。成像光譜已被用于評估植被功能類型,繪制河口濕地和紅木環境,以及包括入侵物種的物種分布。HyspIRI可以建立在濕地生化和生物物理參數研究基礎上,以及利用TIRVSWIR產品對水文和水文氣象過程的研究。

 

4. IPM數據處理圖,其中軌道高光譜成像儀實時或接近實時執行在軌處理

 

4.2.3. 水面特征和藻華

HyspIRI也可用于改進水面特征研究。具有粗糙分辨率的多光譜數據已經被用來定位和研究馬尾藻、束毛藻、滸苔,以及能產生毒素的短凱倫藻的聚集體。具有更精細分辨率的高光譜成像已證明了區分浮游植物物種類型和馬尾藻生物量估計的潛力。利用高光譜數據對光學活性藻華色素的鑒別也表明了HyspIRI VSWIR儀器的潛在作用。

4.2.4. 測深

淺水測深對沿海航運、環境治理和變化監測至關重要,長期以來,遙感是估算淺水深度的有力工具,多光譜傳感器可獲得清水約20深的較精確信息。已經開發高光譜反演算法,精度隨光譜分辨率增加而提高。最近工作表明,使用Hyperion可探測清水環境約30米深,顯示出HyspIRI在該應用的巨大潛力。 

4.2.5. 淺水生態系統及其特征

衛星遙感是(唯一)能對珊瑚礁和其他淺底棲系統進行全球性研究的工具,如海草棲息地。通過反復的全球覆蓋,HyspIRI有潛力顯著提升對淺水底棲生物過程的理解,十年調查報告專門建議HyspIRI來研究珊瑚礁。 

4.2.6. 干擾響應(漏油、洪水)

HyspIRI可以改進干擾區域測繪,監測影響并量化離散事件(如石油泄漏和洪水)和長時間干擾(如入侵物種的進入和擴散)所影響水生生態系統的恢復。Kokaly等人利用在短波紅外成像光譜數據可測的油氣吸收信息繪制了深水地平線(Deep Water Horizon)石油泄漏后巴拉塔里亞灣(Barataria Bay)的油污染程度,Khanna等人跟蹤了溢油后鹽沼植被的恢復情況。入侵物種的范圍和影響也可通過VSWIR和成像光譜的水生生態系統物種分類和繪圖來進行評估。

4.3.地表構成和變化

地球裸露地表反射和發射的能量有助于識別巖石、礦物和土壤,這些裸露巖石和土壤的組成可通過分析反射率和發射率測量結果來獲得。此外,熱量測量可提供白天和夜間的溫度,用于繪制溫度分布和提取熱慣量等信息。埋藏的高溫熱源(熔鹽管、煤層地下火、高溫巖石等)將在地球表面形成熱點,可用于理解深度和勢流特征。HyspIRI TIR數據將用于繪制溫度異常,提取熱廓線,通過信息模型數值推導熱源深度。這些測量將為礦物和碳氫化合物資源調查提供新的研究和應用機會,如十年調查報告和最近工作中所倡議的。HyspIRI VSWIRTIR數據的綜合信息可以極大提高區分和識別地表材料的能力,包括巖石、土壤和植被。

4.4. 極端事件、自然災害和人類健康

4.4.1. 火山和地震

 

5. 2014年美國加利福尼亞州King火利用MODIS-ASTERMASTER)模擬器成像,空間分辨率與HyspIRI類似。 RGB =4um2.1um1.6um 通過使用4um波段(紅色)可以清楚地區分活躍的火線。

 

TIR可以檢測即將發生地質事件的前兆,包括瞬態的熱現象。例如,溫度變化和二氧化硫(可能還有其他氣體)豐度通常要先于火山爆發和其他地震活動發生。SO2排放和/或溫度的特征變化可用于跟蹤火山口噴發或巖漿上涌、熔巖湖和火山口環形山。熔巖流的預測依賴于積液率和溫度,這可由HyspIRI VSWIRTIR協同工作獲得。

4.4.2. 野火

野火是確定植被生態系統碳通量和排放的一個越來越重要的過程,隨著氣候的變化,消防制度也可能發生改變。VSWIRTIR傳感器為增強全球火災過程理解提供了互補能力。將多光譜TIRVSWIR數據相結合,可以提高對火災、植被和相關微量氣體排放之間耦合關系的理解。

活動火源可根據其發射輻射進行表征(圖5),HyspIRI可以改進空間分辨率、靈敏度和飽和度。高靈敏度TIR波段可以測量更小的,與土地使用相關的火災,這些火災難以被粗糙分辨率的傳感器探測到。4um波段具有較低的靈敏度,但有1200K的飽和閾值,比其他衛星傳感器的飽和閾值高2-3倍,從而可以表征大型的熱火。4um波段可用于計算火的輻射功率,這又可比以前更精細的空間分辨率來估計碳排放。VSWIR成像光譜儀數據具有從較大較冷火焰中區分較小較熱火的能力,從短波、中紅外和熱紅外通道的組合可以獲取火焰溫度。成像光譜可用于繪制火災對植被和土壤影響的復雜圖像,為測量火災的嚴重程度提供改進了方法。結合VSWIRTIR數據可以進一步改善對火災嚴重程度的估計,成像光譜對監測火災后植被恢復也有重要貢獻。

4.4.3. 干旱和水利用

鑒于人口增長和氣候變化的趨勢,在全球范圍內精確監測地球淡水資源將變得越來越重要。將地表溫度和VSWIR葉面積指數LAILeaf Area Index)估計相結合,是對估計蒸發量和可用水量有價值的指標,遙感在旱情方面已被證明非常有價值。根系土壤中的水分不足可在植被脅迫和冠層溫度上反映出來,而土壤表層的缺水將導致土壤成分迅速升溫。通過經常重訪(5-16天)和高空間分辨率,HyspIRI儀器可在人類管理的空間尺度和植被生長的時間尺度上對用水消耗進行準確估計。該信息還可以支持監測灌溉取水、估計含水層枯竭、評估灌溉系統性能,規劃保護瀕危物種的河流改道等應用。

4.4.4. 人類的健康威脅和城市化

目前,全球人口50%以上居住在城市,預計到2050年這一數字將升至66%。城市地區雖然只占地球表面一小部分,但在用水、碳排放、空氣污染和廢棄物方面都有重要的生態學意義。遙感對控制能量交換、微量氣體、城市水文生物物理性質的深入理解具有重要作用。其中,對不透水率、植被和城市溫度(城市熱島效應UHIUrban Heat Island Effect)的進一步繪圖特別重要。借助VSWIR的增強光譜能力和TIR多個通道,HyspIRI對不透水率、城市綠化覆蓋、地面反照率、發射率和LST等方面有很大改進潛力。由于城市地區高度多樣化,許多寬波段系統無法區分表面組成,因此VSWIR光譜顯的特別重要。考慮到巨大光譜多樣性,VSWIR光譜提供了更精確的覆蓋手段。借助多個熱譜段、頻繁重訪和夜視功能,HyspIRI儀器將為主要城市UHI提供前所未有的時間和空間測量。

4.4.5.疾病傳播

HyspIRI TIR可以每五天提供全球熱紅外數據,將成為對影響生命周期許多因素進行量化的關鍵。VSWIR信息可用于棲息地確認、葉面積指數估計、土地覆蓋分類、與作物病原菌爆發相關的其他因素研究,以及蚊子等疾病傳染的媒介。在獲取土壤水分和類別、溫度(水、空氣、地面)、地表特征、群落組成、生態系統分布和物候的進一步信息后,可以繪制傳播媒介的分布,在本地區先前工作的基礎上預測疾病的出現、程度和潛在影響。

 

5.      HyspIRI籌備:降低風險與技術驗證

 

5.1. 機載HyspIRI

過去三年里NASA支持并進行了年際飛行活動,演示了HyspIRI數據在重要科學和應用研究的獨特作用。這些活動涉及兩個儀器:機載可見/紅外成像光譜儀AVIRISMODIS/ASTER 機載模擬器MASTER。由NASA ER-2研究機搭載,以20千米高度在美國西部不同區域飛行(圖6)。定期收集這些數據集合,可以得到季節性覆蓋,這些儀器將共同模擬HyspIRINASA2013年便資助了14個提案,支持三年參與這些活動。之外,一個與HyspIRI相關的空間和地球科學研究ROSES征集活動于20154月閉幕,名為“HyspIRIPreparatory AirborneVolcanoand Coral Reef Campaign ”。此呼吁要求對火山和珊瑚礁研究進行提案, 2016年由ER-2號通過AVIRISMASTER儀器,到夏威夷群島進行單次航行活動。火山和珊瑚礁的研究與十年調查報告提出的HypsIRI任務密切相關。

 

6.A2013AVIRISMASTER作為HyspIRI活動一部分在加利福尼亞地區飛行,(1)南加州,(2)圣巴巴拉,(3)約塞米蒂,(4)舊金山灣區,(5 太浩湖,(6Soda Straw。(B)鑲嵌圖

 

5.2. HyspIRI熱紅外輻射計原型(PHYTIR)

NASA地球科學技術辦公室儀器培育計劃負責開發了一個稱為PHyTIRHyspIRI TIR儀器的實驗室原型,是HyspIRI降低風險活動的一部分。 PHyTIR目標是驗證HyspIRI TIR儀器的關鍵組成部分, PHyTIR由一個推掃,812.5μm 8譜段多帶濾波輻射計組成。 然而,8個波段中只有3個占用,且從波段讀取數據的電子設備僅適用于實驗室,數據會被記錄在實驗室計算機上,而不是空間用數據系統。 然而,PHyTIR表明HyspIRI-TIR測量要求可以滿足,且這項活動使所需技術成熟度達到了5/6TRL

5.3. 空間站ECOsystem空間熱輻射計實驗(ECOSTRESS

2014年,NASA地球探險(Earth Ventures)計劃選中了一項升級PHyTIR輻射計的提案,并用于ECOSTRESS任務。ECOSTRESS任務重點是回答與水利用和植物動力學相關的關鍵問題,包括:(1)陸地生物圈如何響應水資源利用的變化? 2)晝夜植被水分脅迫變化如何影響全球碳循環? 3)通過對農業用水的先進監測和對干旱估計的改進,是否可以減少農業脆弱性?該任務促進了PHyTIR的成功設計、組裝和測試,從根本上將PHyTIR升級為812.5um有五個波段,并為其開發了太空飛行電子設備。 ECOSTRESS將部署在國際空間站(ISS),空間分辨率為38 m(軌道)×69 m(交軌)。與HyspIRI TIR儀器計劃相比,ECOSTRESS改進了空間分辨率,具有獨特的全天覆蓋時間,可以在一天不同時段獲取數據(表3)。 ECOSTRESS原計劃在2017年發射,任務期限為一年,但如果儀器能繼續按計劃運行,可能會延長。

ECOSTRESS任務的核心產品包括地表溫度LST(Land Surface Temperature)和發射率、蒸散量ET (Evapotranspiration)、蒸發脅迫指數ESI (Evaporative Stress Index、水利用效率WUE (Water Use Efficiency)。采用多種方法獲得ET產品,包括大氣-陸地交換反演模型ALEXI (Atmospheric-Land Exchange InverseETPriestly-Taylor-Jet推進實驗室ET產品(PT-JPL)。

5.4. 建議的VSWIR-DysonISS任務 作為ISS任務提出的技術演示部分,JPL開發了VSWIR-Dyson光譜儀(380-2510nm范圍、≤10nm采樣、半高寬(FWHM≤12nm)(表3)。 VSWIR-Dyson利用了便攜式遠程成像光譜儀PRISM可見近紅外VNIR Dyson的成功設計。從根本上講,以適中成本和較短期限在ISS上部署這種高信噪比SNRsignal-to-noise)光學快速成像光譜儀,可以實現30米空間采樣,此外,與ECOSTRESS一起,VSWIR-Dyson可以對大部分地球表面產生HyspIRI的早期科學。

為了利用VSWIR-Dyson開發,正探索實現該儀器ISS任務的可行性,包括以下目標:(1)降低風險并驗證VSWIR-Dyson成像光譜儀架構,支持未來SLI可選項、HyspIRI和其他NASA計劃;2)提供Landsat波段,以30米空間分辨率在軌卷積成像光譜測量; 3)以30米空間分辨率驗證輕度失真、低雜散光、高SNRVSWIR-Dyson380-2510nm)成像光譜儀; 4)在軌驗證≥4×倍光譜無損壓縮和云篩選; 5)與Landsat和其他多光譜儀器進行交叉校正; 6)著手解決HyspIRI VSWIRVSWIR + TIR科學與應用目標(表1,4)。

6.      結論

HyspIRI的真正價值在于可以為許多重要社會科學問題和應用做出重大貢獻(表格14)。 通過VSWIR連續光譜測量和TIR 8個波段,以及IPM的直播功能,HyspIRI能夠對水生和陸地生態系統變化進行短 期全球測繪,并可解決與土地利用和城市化、公共衛生、水利用和需求等相關的社會問題,以及有潛力支持對火山、地震和野火等環境災害的響應。

繼續推進并實現HyspIRI VSWIRTIRIPM技術目標,減少成本和降低與HyspIRI任務計劃相關的風險。由HyspIRI降低風險的儀器PHyTIR所衍生的ECOSTRESS將安裝在國際空間站上,是HyspIRI計劃和任務概念應用的一個關鍵驗證。

 

文獻來源: Christine M. Lee, Morgan L. Cable, Simon J. Hook, et al., An introduction to the NASA Hyperspectral InfraRed Imager (HyspIRI) mission and preparatory activities. Remote Sensing of Environment, 2015, 167, 6-19.

 

 

 

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