Hiper-spektral Uzaktan Algılama Sistemleri

Hiper-spektral uzaktan algılama, yüksek spektral ve konumsal çözünürlüklü veri sağlayan bir diğer gelişmekte olan tekniktir. Hiper-spektral uzaktan algılama, multi-spektral sistemlerin arkasından gelişen spektral görüntülemedeki yeni nesil teknolojidir [59]. Hiper-spektral uzaktan algılama daha doğru bilgi çıkarımı sağlayarak uzak çevreleri anlamamızı pozitif yönde etkilemektedir. Çünkü görüntüdeki her pikselden çok daha detaylı spektral bilgi elde edilebilmektedir. Hiper-spektral uzaktan algılama ve görüntü spektroskopi bu kapsamda kullanılan iki teknolojidir. Bu iki teknoloji arasındaki farklılık şöyle açıklanabilmektedir; hiper-spektral uzaktan algılama, daha ziyade uzaktan algılama sistemi olarak tanımlanırken, görüntü spektrometri teknolojisi bütün konumsal ve spektral alanları (mikroskopiden makroskopiye) kapsamaktadır [60]. Literatürde, görüntü spektroskopi, görüntü spektrometri, hiper-spektral görüntü ve nadir olarak ultra spektral görüntü terimleri kullanılmaktadır [61]. Görüntü spektrometrinin orijinal tanımı “parlaklık spektrumu türetilebilen her bir piksel için kesiksiz (sürekli), kayıt edilmiş yüzlerce spektral bantlarda görüntü alımı”dır [62], [63]. Görüntü spektrometrisinin bir diğer tanımı “çok sayıda dar, spektral olarak sürekli bantlarda, kalibre edilmiş parlaklık birimlerinde ölçülen ve uzaktaki bir platformdan konumsal olarak bağdaştırılan anlık alımlar” şeklindedir [64]. Hiper-spektral uzaktan algılamanın hedefi multi-spektral sistemlere benzer olarak çok sayıda dar ve sürekli bantlardan oluşan görüntüler şeklinde alınmış ve kalibre edilmiş spektradan dünya sistemi bileşenlerini sayısal olarak

ölçebilmektir [65]. Başka bir ifadeyle, MSS ve TM gibi multi-spektral sensörler nispeten geniş birkaç dalgaboylu görüntüler üretirken, hiper-spektral sensörler bitişik yüzlerce dar spektral bantlarda görüntü üretmektedir [66]. Yirminci yüzyılın sonlarında geliştirilen uydu sistemleri dünyanın birkaç spektral bantta görünüşünü sağlamaktadır. Ancak multi- spektral uydular dünyanın yansıyan solar spektrumunu gösteren bütün bileşik bilgiyi yakalamada yetersiz olmaktadır [61]. Pek çok dar bantta yapılan hiper-spektral alım analistlere piksellerde temsil edilen dünyanın spektral yansıma eğrilerini oluşturma imkânı vermektedir [67]. Hiper-spektral uzaktan algılamanın multi-spektral uzaktan algılamaya üstünlükleri bir piksele karşılık gelen her bir noktadaki bütün spektrumunu elde edebilmesi, yüzey özelliklerinin belirlenmesinde multi-spektralin kısıtlı kapasitesini ortadan kaldırmasıdır [59]. Hiper-spektral uzaktan algılamanın esas dezavantajı da yüksek maliyeti ve kompleks yapısıdır. Ayrıca, hiper-spektral verinin aşırı şekilde büyük olması yüzünden büyük depolama kapasitesi gerektirmesi dezavantaj olarak ifade edilebilir.

Görüntü spektroskopi veya hiper-spektral görüntü uzun bir gelişim ve bilim toplumu tarafından kabul görme geçmişine sahiptir. Hiper-spektral sistemlerde meydana gelen gelişim dijital elektronikler ve bilgisayar sistemlerindeki gelişim ile yakından bağlantılıdır. Teknolojik gelişmelere paralel ortaya çıkan artış spektroskopinin potansiyelinde farkındalık yaratmaktadır. Spektroskopi terimi ilk kez 19. Yüzyıl sonlarında kullanılmış [61] ve spektroskop ilk olarak astronomlar tarafından yıldızların, kümelerin, galaksilerin ve yıldız bileşimlerinin dairesel hızlarının belirlenmesinde kullanılmıştır [68]. Hiper-spektral görüntü terimi literatüre ilk kez Goetz ve diğerleri tarafından 1985 yılında eklenmiştir [62]. Arazi ve laboratuvar spektrometreleri yansıtma değerlerinin ölçümünde kullanılmakta ve böylece sürekli eğriler şeklinde spektrum değerleri elde edilmektedir. Elde edilen spektrometre ölçümlerinin analiz edilmesiyle görüntüdeki her bir piksel için detaylı spektrum elde etmek mümkün olmaktadır. Bu yüzden görüntü spektrometreleri ile yüksek spektral çözünürlüklü spektrumlar kullanılarak toplanan yansıtma değerlerine dayanarak malzemelerin tanımlanması yapılabilmektedir [69].

Hiper-spektral görüntüler, görüntü spektrometre (ya da hiper-spektral sensör veya spektroskop) adı verilen cihazlar kullanılarak üretilmektedir. Görüntü spektroskopları, CCD’nin daha yenilikçi bir tasarımıdır [60]. Hiper-spektral sensörler tipik olarak 150 ila 300 adet 5-10 nm bant genişliklerinde kesiksiz bantlar şeklinde 350-2500 nm arasındaki

dalgaboylarında yansıtılan spektrumu ölçmektedir [70]. Ayrıca, son dönemde geliştirilen sensörler nanometre altı aralıklarda daha yüksek spektral çözünürlüklü görüntüler alınmasına imkân vermektedir [71]. Bu sensörler genellikle hem yer platformlarında (istasyon veya el cihazı olarak) hem de hava ve uzay platformlarında kullanılmaktadır. Arazi ya da laboratuvar cihazları araştırma topluluklarının gereklilikleri doğrultusunda geliştirilmişlerdir. Yer platformu sistemleri daha fazla yüksek spektral çözünürlük gerektiren daha hassas ölçümler yapmada kullanılmaktadır [59]. Spektrometre bir görüntüleme sensörü olarak kullanıldığında, benzer şekilde görüntüdeki her bir piksel için dar, kesiksiz yansıtma spektrumlarına sahip görüntü üretmektedir. Görüntü spektrometrenin (yani hiper-spektral uzaktan algılama) başlaması 1972 yılında LandSat- 1 uydusunun fırlatılmasına dayanmaktadır [63]. Görüntü spektroskopisine dayanan yer gözlemi, yirmi yıldan fazla bir sürede seyrek olarak kullanılabilen bir araştırma aracından, geniş bir kullanıcı topluluğuna sunulan bir meta ürününe dönüştürülmüştür [61]. Hava platformlarında hiper-spektral uzaktan algılama kullanımı da yaklaşık 30 yıllık bir geçmişe dayanmaktadır [59]. İlk görüntü spektro-metre (ki Görüntü Spektroradyometre Tarama (Scanning Imaging Spectroradiometer, SIS) olarak adlandırılmaktadır) NASA Johnson Uzay Merkezi için 1970’lerin başlarında yapılmıştır [65]. NASA üretilen görüntüleri hiperspektral olarak adlandırmış olduğu farklı görüntü spektrometreler ortaya koymaktadır [67]. Hava platformlarındaki hiper-spektral sensörlerde spektral aralık genellikle 380-12700 nm arasındadır [42]. Jet Propulsion Laboratuvarının (JPL) havasal görüntü spektrometresi (Airborne Imaging Spectrometer, AIS) gelecek görüntü spektrometrelerin yapısal gelişiminde en fazla etkiye sahip birinci nesil cihazdır. İlk kez 1983 yılında uçurulan AIS, 1,2-2,4 mikron aralıklarında 128 banda sahipti [67]. AIS’nin başarısı hava görünür/kızılötesi görüntü spektrometrenin (Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer, AVIRIS) ortaya çıkmasına ve gelişimine öncülük etmiştir [61]. AVIRIS ilk kez 1986 yılında uçurulmuştur ve 0,4-2,5 mikron aralıklarında 224 bantta görüntü alımı gerçekleştirmiştir [67]. AVIRIS, uçurulmuş en kaliteli ve en iyi kalibre edilmiş havasal görüntüleme sensörü kabul edilmektedir [63]. Hava platformlarında bu iki gelişmeden sonra başarılı şekilde kullanılan çeşitli yeni görüntüleme sistemleri ortaya çıkmıştır. HyMap, Integrated Spectronics tarafından Sidney’de (Avustralya) geliştirilen gelişmiş hiper-spektral sensörlerinden biridir ve mevcut hava hiper-spektral uzaktan algılamanın en gelişmiş sistemidir [72]. HyMap sensörü, VIS, NIR, SWIR, MWIR ve TIR spektral bölgelerinde (0,45-2,5 µm), 10-20 nm spektral bant genişliklerinde 126 spektral bantta alım yapma kapasitesine sahiptir [72], [73]. Bu sensörlerin yanında hava

platformlarında mevcut başarılı şekilde kullanılan AISA, HYDICE, CASI ve HyperCAM gibi farklı sensörler de bulunmaktadır ve detaylı listesi Cocks ve diğerleri tarafından verilmektedir [74]. Uzay sistemleri ile karşılaştırıldığında bu havasal görüntüleme sensörleri daha yüksek konumsal ve spektral çözünürlüklere sahip olsalar da, şerit genişlikleri daha düşüktür ve konumsal olarak kapladıkları alan daha sınırlıdır [59]. Bu yüzden, her ne kadar bazı dezavantajları olsa da uydu sensörlerinin bütün dünyayı görüntüleme kapasitelerinden dolayı, görüntü spektrometreler uzay platformlarında kullanılmaya da başlamıştır. TRW şirketi tarafından 1997 yılında fırlatılan ancak başarız olan LEWIS hiper-spektral görüntüleyici (HIS) ilk uzay platformu görüntü spektrometresidir [65]. [60]’a göre, yörüngedeki ilk uzay platformu hiper-spektral sensör NASA’nın yüksek çözünürlüklü görüntü spektrometre programının parçası olan HIRIS’dir. Hyperion olarak adlandırılan bir diğer sensör yine NASA tarafından 2000 yılında Yeni Milenyum Programı çerçevesinde fırlatılmıştır [65]. Bu görüntü spektrometre TRW tarafından yapılmıştır ve EO-1 misyonunda taşınmaktadır [63]. Hyperion VIS-NIR-SWIR spektral bölgelerinde 10 nm bant genişliklerinde 224 bantta alım yapabilmektedir [60]. Ayrıca günümüzde bilinen hiper-spektral yer gözlem uydu sensörleri arasında MSMSISat (G. Afrika ve Belçika), PRISMA (Italya), HISUI (Japonya), EnMAP (Almanya), HyspIRI (ABD), ve Resourcesat-3 (Hindistan) yer almaktadır [59].