Гиперспектральный имидж-сканер прибрежного океана

Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean ( HICO ) — гиперспектральный датчик наблюдения Земли, который работал на Международной космической станции (МКС) с 2009 по 2014 год. HICO собирал гиперспектральные спутниковые изображения поверхности Земли с МКС. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
HICO был первооткрывателем или проверочной миссией по созданию гиперспектральных изображений океанов, особенно оптически сложных прибрежных вод. [ 4 ] Набор данных, собранный HICO, служит примером набора данных для будущих миссий гиперспектральных спутников, таких как PACE .
HICO был установлен непосредственно на МКС, а не на отдельной беспилотной спутниковой платформе (т.е. в отличие от датчика MODIS, установленного на спутниках Aqua и Terra, и от датчика SeaWiFS, установленного на спутнике OrbView-2, также известном как Seastar). Таким образом, HICO было поручено собрать изображения определенных регионов, синхронизированные с дневной орбитальной траекторией МКС. Кроме того, его запись данных может содержать некоторые пробелы во времени для выполнения эксплуатационных задач на борту МКС, таких как выходы в открытый космос и стыковка.
История
[ редактировать ]США HICO был разработан Управлением военно-морских исследований . Датчик был запущен 10 сентября 2009 года с космодрома Танегасима в Японии в качестве полезной нагрузки для МКС на ракете H-2B -304 (включая HTV-1 транспортный корабль ). Он был установлен 24 сентября 2009 года на открытом стенде японского экспериментального модуля лаборатории Кибо (японский комплекс Кибо) МКС двумя инженерами Экспедиции-20 , астронавтом ЕКА Фрэнком Де Винном и астронавтом НАСА Николь Стотт. HICO был установлен одновременно с системой дистанционного обнаружения атмосферы и ионосферы RAIDS: вместе эти две системы называются «экспериментальной полезной нагрузкой HICO и RAIR (HREP или HREP-RAIR)». [ 5 ] HICO за время эксплуатации собрала более 10 000 изображений. [ 3 ] США Финансовая поддержка поступила от Управления военно-морских исследований , Министерства обороны США, а затем от Программы Международной космической станции .
Летом 2013 года данные HICO стали общедоступными. [ 6 ] и остаются в свободном доступе сегодня.
HICO прекратила сбор данных в сентябре 2014 года, когда радиация солнечной вспышки повредила ее компьютер. Попытки перезагрузить компьютер не увенчались успехом. [ 7 ] Дата последнего изображения и официального окончания работы — 13 сентября 2014 года.
По истечении срока службы экспериментальная полезная нагрузка HICO и RAIDS (HREP) была удалена с МКС 3 августа 2018 года на космической капсуле SpaceX CRS-15 Dragon после миссии по пополнению запасов в июле – августе 2018 года. Секция багажника Дракона сгорела во время входа в атмосферу, в результате чего был утилизирован прибор HICO и другое содержимое. Рейс, на котором был выгружен HICO, стал четвертым в истории грузовым рейсом туда и обратно с повторно использованной капсулой Dragon. [ 8 ]
Технические характеристики и данные продукции
[ редактировать ]

Спектральный охват и разрешение
[ редактировать ]HICO использует 128 спектральных диапазонов с длиной волны примерно от 353 до 1080 нм со спектральным разрешением 5,7 нм (центры полос на расстоянии 5,7 нм друг от друга). [ 3 ] Данные с длинами волн менее 400 нм и более 900 нм не рекомендуются для анализа; Данные 400–900 нм имеют более высокое качество. Сглаживающий фильтр 10 нм применяется к длинам волн от 400 до 745 нм, а фильтр 20 нм применяется к длинам волн от 746 до 900 нм. [ 9 ]
Пространственный охват и разрешение
[ редактировать ]Пространственное разрешение пикселей HICO составляет около 90 метров. Каждая полная сцена занимает прямоугольник размером примерно 42 на 192 км (в зависимости от высоты и угла). Высокие широты Земли не охвачены. МКС совершает около шестнадцати 90-минутных витков в день, а по мере вращения Земли направление орбитального пути смещается на запад. Орбита МКС проходит над одной и той же областью на земле примерно каждые три дня, включая ночные эстакады. [ 10 ] Однако изображения HICO были ограничены сбором только одной сцены на орбиту, в результате чего в день получалось от семи до восьми сцен дневного света, часто пространственно разбросанных по всему миру.
Радиометрическое разрешение
[ редактировать ]Данные HICO имеют отношение сигнал/шум более 200:1 для волн, проникающих в воду, и предполагается альбедо 5%. Датчик имел высокую чувствительность в синем диапазоне волн и полный охват волн, проникающих в воду. [ 11 ]
Временной охват и разрешение
[ редактировать ]HICO собирала спутниковые снимки с 25 сентября 2009 г. по 13 сентября 2014 г. [ 12 ] В день собиралось максимум восемь сцен дневного света. В любом конкретном прибрежном регионе, где были сняты сцены, временное разрешение неоднородно. Например, над Чесапикским заливом на восточном побережье США за все 5 лет миссии была собрана 101 сцена, а в течение 2012 календарного года было снято 16 сцен.
Продукты данных
[ редактировать ]Наборы данных HICO, как и другие наборы гиперспектральных спутниковых данных, велики по объему данных. Например, одна сцена HICO требует от 120 до 700 МБ дискового пространства (в зависимости от формата и сжатия). Данные доступны на веб-сайте NASA Ocean Color Web в формате HDF (аналогично netCDF ). [ 9 ]
Подобные датчики
[ редактировать ]- (DLR) Deutsches Zentrum Fur Luft-und Raumfahrt Немецкий аэрокосмический центр Спектрометр визуализации Земли (DESIS), установленный на Международной космической станции, . Этот датчик наиболее сопоставим с HICO, поскольку он является гиперспектральным и установлен на МКС. [ 13 ] [ 14 ]
Другие гиперспектральные спутниковые датчики
[ редактировать ](неполный список)
- Гиперион, запущенный на борту космического корабля Earth Observing-1 (EO-1) в 2000 году.
- Компактный спектрометр формирования изображений высокого разрешения (CHRIS) на ПРОБА-1 в 2001 г.
- Сканирующий абсорбционный спектрометр для атмосферной картографии (SCIAMACHY) на ENVISAT с 2002 по 2012 год.
- Гиперспектральный предшественник прикладной миссии (PRISMA), запущенный в 2019 году Итальянским космическим агентством. [ 15 ]
- Усовершенствованный гиперспектральный имиджер (AHSI) на борту китайского GaoFen-5 спутника [ 16 ] в 2018 году
- Спутник гиперспектральной визуализации (HySIS), запущенный из Индии в 2018 году.
- Приборы HyperScout запущены на наноспутниках [ 17 ]
- (Планируется) Инструмент цвета океана (OCI) на « Планктон, аэрозоли, облака и экосистемы океана» (PACE) спутнике
Другие инструменты для изучения Земли на МКС
[ редактировать ](неполный список)
- ИКС-РапидСкат , работавший с 2014 по 2016 год.
- Датчик полного и спектрального солнечного излучения 1 (ТСИС-1), установленный в 2013 году. [ 18 ]
- SAGE III , установлен в 2017 году.
- Датчик изображения молнии (LIS), установлен в 2017 году.
- для исследования динамики глобальных экосистем (GEDI) , установленный в 2018 году. Полноволновой лидар
- Прибор «Экосистемный космический терморадиометр для эксперимента на космической станции» (ЭКОСТРЕСС) , [ 19 ] который был доставлен на МКС в рамках той же миссии, которая выгрузила HICO в 2018 году.
- Орбитальная углеродная обсерватория 3 (ОСО-3), установленная в 2019 году.
Приложения
[ редактировать ]- Экология фитопланктона в целом, например, какие типы фитопланктона присутствуют в определенном регионе океана, на основе характеристик их пигментов и цветов света, которые эти пигменты поглощают. [ 20 ]
- Обнаружение вредного цветения водорослей (HAB) путем распознавания уникальных длин волн света, излучаемого определенными типами планктона, цветущими в больших количествах. Например, изображения HICO использовались для обнаружения цветения цианобактерий во внутренних водах (таких как озеро Эри). [ 21 ] и озеро Пинто, Калифорния [ 22 ] и цветение инфузории Mesodinium Rubrum в проливе Лонг-Айленд. [ 23 ]
- Картографирование батиметрии мелководий. [ 24 ] [ 25 ]
- Фотохимия растворенных веществ в прибрежных водах. [ 26 ]
- Мониторинг качества воды , включая такие переменные, как хлорофилл-а и взвешенные частицы. [ 27 ]
- Карты местности, типа растительности и типа дна. [ 28 ]
- Характеристика разлива нефти Deepwater Horizon в апреле 2010 года, включая сбор изображений территории вокруг мест взрыва и близлежащих болот для выявления незагрязненной воды, водонефтяных смесей и эмульгированных нефтяных нитей. [ 29 ]
См. также
[ редактировать ]- Спутник наблюдения Земли
- Гиперспектральная визуализация
- Визуализирующая спектроскопия
- Международная космическая станция
- Кибо (модуль МКС)
- Цвет океана
- Планктон, Аэрозоль, Облако, Экосистема океана
- Научные исследования на Международной космической станции
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лаке, Роберт Л.; Корсон, Майкл; МакГлотлин, Норман Р.; Батчер, Стив Д.; Вуд, Дэниел Л.; Корван, Дэниел Р.; Ли, Ронг Р.; Снайдер, Уильям А.; Дэвис, Курт О.; Чен, Дэвидсон Т. (1 марта 2011 г.). «Гиперспектральный имидж-сканер прибрежного океана: описание прибора и первые изображения». Прикладная оптика . 50 (11). Оптическое общество: 1501–1516. Бибкод : 2011ApOpt..50.1501L . дои : 10.1364/ao.50.001501 . ISSN 0003-6935 . ПМИД 21478922 .
- ^ «ХИКО» . Цвет океана НАСА . 25 сентября 2009 года . Проверено 21 сентября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Обзор миссии. Что такое HICO?» . Цвет океана НАСА . 10 сентября 2009 г. Архивировано из оригинала 3 октября 2022 г. Проверено 21 сентября 2021 г.
- ^ «Преодоление разрыва между теорией и практикой» . Международная космическая станция Национальная лаборатория США . 20 октября 2017 г. Проверено 21 сентября 2021 г.
- ^ Будзиен, Скотт (2009). «Экспериментальная полезная нагрузка HICO и RAIDS — система дистанционного обнаружения атмосферы и ионосферы (RAID)» (PDF) . Сервер технических отчетов НАСА (NTRS) . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ « Ощущение» изменения в открытых операциях для инструмента HICO космической станции» . НАСА . 9 июля 2013 года . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ Келли, Нина Мэгги (23 марта 2015 г.). «Спутники могут быть уязвимы к солнечным бурям» . ИГИС Информатика и ГИС . Сельское хозяйство и природные ресурсы, Калифорнийский университет . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ «Грузовая капсула SpaceX возвращается на Землю с космической станции – Spaceflight Now» . Spaceflight Now — ведущий источник новостей о космосе в Интернете . 3 августа 2018 года . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б «Характеристики датчиков и данных» . Цвет океана НАСА . 10 сентября 2009 г. Архивировано из оригинала 17 января 2022 г. . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ «Учебное пособие по орбите космической станции» . Ворота к фотографиям Земли, сделанным астронавтами . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ Дэвис, Кертисс О. (2010). «Гиперспектральный формирователь изображений прибрежного океана (HICO): обзор датчиков и обработки данных» (PDF) . Указатель датчиков . Международная координационная группа по цвету океана (IOCCG) . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ «Расширенная миссия по зондированию прибрежного океана» . НАСА . 30 ноября 2015 года . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ Алонсо, Кевин; Бахманн, Мартин; Берч, Кара; Кармона, Эмилиано; Серра, Даниэле; де лос Рейес, Ракель; Дитрих, Даниэле; Хайден, Юта; Гельдерлин, Андреас; Икес, Джек; Кнодт, Уве; Круц, Дэвид; Лестер, Хит; Мюллер, Руперт; Панутти, Мэри; Рейнартц, Питер; Рихтер, Рудольф; Райан, Роберт; Себастьян, Ильза; Теглер, Мирко (15 октября 2019 г.). «Информационные продукты, качество и валидация спектрометра изображений зондирования Земли DLR (DESIS)» . Датчики . 19 (20). MDPI AG: 4471. Бибкод : 2019Senso..19.4471A . дои : 10.3390/s19204471 . ISSN 1424-8220 . ПМК 6848940 . ПМИД 31618940 .
- ^ Мюллер, Р.; Авбель, Дж.; Кармона, Э.; Экардт, А.; Гераш, Б.; Грэм, Л.; Гюнтер, Б.; Хайден, Ю.; Икес, Дж.; Керр, Г.; Нодт, У.; Круц, Д.; Кравчик, Х.; Макарау А.; Миллер, Р.; Перкинс, Р.; Уолтер, И. (3 июня 2016 г.). «Новая разработка гиперспектрального датчика на многополезной платформе Муз, установленной на МКС» . ISPRS — Международные архивы фотограмметрии, дистанционного зондирования и пространственной информатики . XLI-B1. Коперник ГмбХ: 461–467. doi : 10.5194/isprsarchives-xli-b1-461-2016 . ISSN 2194-9034 .
- ^ Гарден, Клаудия; Брешиани, Мариано; Брага, Федерика; Фаббретто, Алиса; Жирарди, Никола; Пепе, Моника; Джанинетто, Марко; Коломбо, Роберто; Кольяти, Серджио; Гебрехивот, Семхар; Лаанен, Марникс; Питерс, Стив; Шредер, Томас; Конча, Хавьер А.; Брандо, Витторио Э. (14 августа 2020 г.). «Первая оценка данных PRISMA уровня 1 для водопользования» . Датчики . 20 (16). MDPI AG: 4553. Бибкод : 2020Senso..20.4553G . дои : 10.3390/s20164553 . hdl : 10281/282791 . ISSN 1424-8220 . ПМК 7471993 . ПМИД 32823847 .
- ^ Лю, Инь-Нянь; Чжан, Инь; Цзяо, Лей-Лэй; Ху, Сяо-Нин; Шу-Фэн; Цао, Кай-Цин; Чай, Мэн-Ян, Вэй-И-Нуо (2019). Спутник GaoFen-5». Журнал IEEE Geoscience and Remote Sensing . 7 (4). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 23–32. Bibcode : 2019IGRSM...7d..23L . doi : 10.1109/mgrs.2019.2927687 . ISSN 2168-6831 . 209457158 .
- ^ Эспозито, М.; Зуккаро Марки, А. (12 июля 2019 г.). «Демонстрация первого гиперспектрального формирователя изображений для наноспутников на орбите». В Карафоласе Никос; Содник, Зоран; Кугни, Бруно (ред.). Международная конференция по космической оптике — ICSO 2018 . ШПИОН. п. 71. дои : 10.1117/12.2535991 . ISBN 9781510630772 .
- ^ «ЦИС 1» . Космическая страница Гюнтера . Проверено 23 сентября 2021 г.
- ^ Хук, Саймон (15 мая 2019 г.). «Инструмент» . ЭКОСТРЕСС . Проверено 22 сентября 2021 г.
- ^ Райан, Джон; Дэвис, Кертисс; Туфилларо, Николас; Кудела, Рафаэль; Гао, Бо-Кай (27 января 2014 г.). «Применение гиперспектральной камеры прибрежного океана для изучения экологии фитопланктона в заливе Монтерей, Калифорния, США» . Дистанционное зондирование . 6 (2). МДПИ АГ: 1007–1025. Бибкод : 2014RemS....6.1007R . дои : 10.3390/rs6021007 . ISSN 2072-4292 .
- ^ О'Ши, Райан Э.; Пахлеван, Нима; Смит, Брэндон; Брешиани, Мариано; Эгертон, Тодд; Джардино, Клаудия; Ли, Лин; Мур, Тим; Руис-Верду, Антонио; Руберг, Стив; Симис, Стефан Г.Х.; Штумпф, Ричард; Вайчюте, Диана (2021). «Усовершенствованная оценка биомассы цианобактерий на основе гиперспектральных наблюдений: демонстрация с использованием изображений HICO и PRISMA» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 266 . Elsevier BV: 112693. Бибкод : 2021RSEnv.26612693O . дои : 10.1016/j.rse.2021.112693 . hdl : 1805/31613 . ISSN 0034-4257 .
- ^ Кудела, Рафаэль М.; Паласиос, Шерри Л.; Остерберри, Дэвид К.; Аккорси, Эмма К.; Гильдия, Лиана С.; Торрес-Перес, Хуан (2015). «Применение гиперспектрального дистанционного зондирования для изучения цветения цианобактерий во внутренних водоемах» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 167 . Эльзевир Б.В.: 196–205. Бибкод : 2015RSEnv.167..196K . дои : 10.1016/j.rse.2015.01.025 . ISSN 0034-4257 .
- ^ Дирсен, Хайди; Макманус, Джордж Б.; Хлус, Адам; Цю, Дацзюнь; Гао, Бо-Кай; Линь, Сенджи (16 ноября 2015 г.). «На изображении космической станции запечатлено цветение инфузорий красного прилива с высоким спектральным и пространственным разрешением» . Труды Национальной академии наук . 112 (48): 14783–14787. Бибкод : 2015PNAS..11214783D . дои : 10.1073/pnas.1512538112 . ISSN 0027-8424 . ПМЦ 4672822 . ПМИД 26627232 .
- ^ Гарсия, Родриго А.; Фернс, Питер RCS; Маккинна, Лахлан И.В. (2014). «Обнаружение тенденций и сезонных изменений в батиметрии, полученных на основе изображений HICO: тематическое исследование залива Шарк, Западная Австралия». Дистанционное зондирование окружающей среды . 147 . Эльзевир Б.В.: 186–205. Бибкод : 2014RSEnv.147..186G . дои : 10.1016/j.rse.2014.03.010 . hdl : 20.500.11937/24033 . ISSN 0034-4257 .
- ^ Льюис, Дэвид; Гулд, Ричард В.; Вайдеманн, Алан; Ладнер, Шервин; Ли, Чжунпин (3 июня 2013 г.). «Оценки батиметрии с использованием косвенно откалиброванных данных HICO». Ин Хоу, Вейлин В.; Арноне, Роберт А. (ред.). Зондирование и мониторинг океана V . Том. 8724. ШПИОН. стр. 87240Н. дои : 10.1117/12.2017864 .
- ^ Цао, Фанг; Мишра, Дипак Р.; Шальлес, Джон Ф.; Миллер, Уильям Л. (2018). «Оценка фотохимии на основе ультрафиолета (УФ) в оптически сложных прибрежных водах с использованием гиперспектрального имидж-сканера для прибрежного океана (HICO)» . Устьевые, прибрежные и шельфовые науки . 215 . Эльзевир Б.В.: 199–206. Бибкод : 2018ECSS..215..199C . дои : 10.1016/j.ecss.2018.10.013 . ISSN 0272-7714 .
- ^ Брага, Федерика; Гарден, Клаудия; Бассани, Кристиана; Матта, Эрика; Кандиани, Габриэле; Стрёмбек, Никлас; Адам, Мэри; Брешиани, Мариано (2013). «Оценка качества воды в северной части Адриатического моря по данным HICO™». Письма о дистанционном зондировании . 4 (10). Информа UK Limited: 1028–1037. Бибкод : 2013RSL.....4.1028B . дои : 10.1080/2150704x.2013.830203 . ISSN 2150-704X . S2CID 122545559 .
- ^ Бахманн, Чарльз М.; Николс, К. Рид; Монтес, Маркос Дж.; Фусина, Роберт А.; Фрай, Джон К.; Ли, Ронг-Ронг; Грей, Дерик; Корван, Дэниел; Пэрриш, Кристофер; Селларс, Джон; Уайт, Стивен А.; Вулард, Джейсон; Ли, Криста; МакКоннон, Сесилия; Венде, Джон (2010). «Характеристика побережья по гиперспектральным изображениям». Конгресс по визуализации и прикладной оптике . Вашингтон, округ Колумбия: OSA. стр. ОМД2. дои : 10.1364/orse.2010.omd2 . ISBN 978-1-55752-892-6 .
- ^ Лейфер, Ира; Лер, Уильям Дж.; Симечек-Битти, Дебра; Брэдли, Элиза; Кларк, Роджер; Деннисон, Филип; Ху, Юнсян; Мэтисон, Скотт; Джонс, Кэтлин Э.; Холт, Бенджамин; Рейф, Молли; Робертс, Дар А.; Швейковский, Ян; Суэйзи, Грегг; Возенкрафт, Дженнифер (2012). «Современное дистанционное зондирование разливов нефти со спутников и с воздуха: применение к разливу нефти BP Deepwater Horizon» . Дистанционное зондирование окружающей среды . 124 . Эльзевир Б.В.: 185–209. Бибкод : 2012RSEnv.124..185L . дои : 10.1016/j.rse.2012.03.024 . ISSN 0034-4257 .