goetz etal 1985 science

7/27/2019 Goetz Etal 1985 Science

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7 J u n e 1 9 8 5 , Volume 2 2 8 , Number 4 7 0 4 m

I m a g i n g S p e c t r o m e t r yf o r E a r t h R e m o t e S e n s i n gA l e x a n d e r F . H . G o e t z , G r e g g V a n eJ e r r y E . S o l o m o n , B a r r e t t N . R o c k

R e m o t e s e n s i n g o f t h e e a r t h ' s s u r f a c ef r o m a i r c r a f t a n d f r o m s p a c e c r a f t p r o -v i d e s i n f o r m a t i o n n o t e a s i l y a c q u i r e d b ys u r f a c e o b s e r v a t i o n s . U n t i l r e c e n t l y , t h em a i n l i m i t a t i o n s o f r e m o t e s e n s i n g w e r et h a t n o s u b s u r f a c e i n f o r m a t i o n c o u l d b ea c q u i r e d a n d t h a t s u r f a c e i n f o r m a t i o nl a c k e d s p e c i f i c i t y ( 1 ) . O r b i t a l i m a g i n gr a d a r c a n now p r o v i d e s u b s u r f a c e d a t a i n

p o r t i o n s o f t h e s p e c t r u m . I n a ld i s c u s s s e v e r a l a p p r o a c h e s t cs i s o f t h e r e s u l t i n g h y p e r s p e (d a t a s e t s . H y p e r s p e c t r a l r e lm u l t i d i m e n s i o n a l c h a r a c t e r ot r a l d a t a s e t . I n t h e p a s t ,a c q u i r e d i n f o u r t o s e v e n s p e cI m a g i n g s p e c t r o m e t r y no w mb l e t h e a c q u i s i t i o n o f d a t a i n E

S u m m a r y . I m a g i n g s p e c t r o m e t r y , a n e w t e c h n i q u e f o r t h e r e m o t e s e re a r t h , i s n o w t e c h n i c a l l y f e a s i b l e f r o m a i r c r a f t a n d s p a c e c r a f t . T h e i n i t i a l rt h a t r e m o t e , d i r e c t i d e n t i f i c a t i o n o f s u r f a c e m a t e r i a l s o n a p i c t u r e - e l e m e nb e a c c o m p l i s h e d b y p r o p e r s a m p l i n g o f a b s o r p t i o n f e a t u r e s i n t h es p e c t r u m . T h e a i r b o r n e a n d s p a c e b o r n e s e n s o r s a r e c a p a b l e o f a c q u i rs i m u l t a n e o u s l y i n 1 0 0 t o 2 0 0 c o n t i g u o u s s p e c t r a l b a n d s . T h e a b i l i t yl a b o r a t o r y - l i k e s p e c t r a r e m o t e l y i s a m a j o r a d v a n c e i n r e m o t e s e n s i n gC o n c o m i t a n t a d v a n c e s i n c o m p u t e r t e c h n o l o g y f o r t h e r e d u c t i o n a n d s t o r cp o t e n t i a l l y m a s s i v e d a t a s e t s a r e a t h a n d , a n d n e w a n a l y t i c t e c h n i q u e sd e v e l o p e d t o e x t r a c t t h e f u l l i n f o r m a t i o n c o n t e n t o f t h e d a t a . T h e emphd e t e r m i n i s t i c a p p r o a c h t o m u l t i s p e c t r a l d a t a a n a l y s i s a s o p p o s e d t o t ha p p r o a c h e s u s e d i n t h e p a s t s h o u l d s t i m u l a t e t h e d e v e l o p m e n t o f n e w d i cp r o c e s s i n g m e t h o d o l o g i e s .a r i d r e g i o n s ( 2 ) , a n d r e c e n t w o r k i n h i g h -s p e c t r a l - r e s o l u t i o n r a d i o m e t r y s h o w st h a t m i n e r a l c o m p o n e n t s i n t h e s u r f a c e ,a s w e l l a s v e g e t a t i o n s t r e s s e d b y m e t a l si n t h e s u b s t r a t e , c a n b e i d e n t i f i e d ( 3 ) . I nt h i s a r t i c l e we d i s c u s s e a r l y r e s u l t s o f am a j o r a d v a n c e i n r e m o t e s e n s i n g , i m a g -i n g s p e c t r o m e t r y , w h i c h c o n s i s t s o f t h ea c q u i s i t i o n o f i m a g e s i n man y n a r r o wc o n t i g u o u s s p e c t r a l b a n d s t h r o u g h o u tt h e v i s i b l e a n d s o l a r - r e f l e c t e d i n f r a r e d

A . F . H . G o e t z i s a s e n i o r r e s e a r c h s c i e n t i s t a n di m a g i n g s p e c t r o m e t e r p r o g r a m m a n a g e r , G . V a n e i sa member o f t h e t e c h n i c a l s t a f f , J . E . S o l o m o n i s t h es u p e r v i s o r o f t h e i m a g i n g a n a l y s i s s y s t e m s g r o u p ,a n d B . N . R o c k i s t h e s u p e r v i s o r o f t h e g e o b o t a n i c a lr e m o t e s e n s i n g g r o u p , J e t P r o p u l s i o n L a b o r a t o r y ,C a l i f o r n i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , P a s a d e n a 9 1 1 0 9 .7 JUNE 1 9 8 5

s p e c t r a l b a n d s s i m u l t a n e o u s lo f t h e s p e c i f i c i t y o f t h e d a t a ai m a g i n g s p e c t r o m e t r y , m a n yl e m s c a n no w b e a d d r e s s e dm o t e s e n s i n g t e c h n i q u e .T h e v a l u e o f t h e t e c h n i q ua b i l i t y t o a c q u i r e a c o m p l e t es p e c t r u m f o r e a c h p i c t u r e e l e ii n t h e i m a g e . T h e r e f l e c t a n c oi n t h e r e g i o n 0 . 4 t o 2 . 5 ,m c a ri d e n t i f y a l a r g e r a n g e o f s u Im a t e r i a l s t h a t c a n n o t b e i d e ib r o a d b a n d , l o w - r e s o l u t i o n i nt e m s s uc h a s t h e L a n d s a t s cF i g u r e 1 s h o w s h i g h - s p e c t r a ll a b o r a t o r y r e f l e c t a n c e s p e c t r ab e r o f common m i n e r a l s . T I

CIENCEt h e m a t i c m a p p e r ( T M ) i s a b l e t o a c q u i r eo n l y o n e d a t a p o i n t i n t h i s w a v e l e n g t hr e g i o n . Many s u r f a c e m a t e r i a l s , a l t h o u g hn o t a l l , h a v e d i a g n o s t i c a b s o r p t i o n f e a -t u r e s t h a t a r e 2 0 t o 4 0 n m w i d e a t h a l f t h eb a n d d e p t h ( 5 ) . T h e r e f o r e , s p e c t r a l i m a g -i n g s y s t e m s , w h i c h a c q u i r e d a t a i n c o n -t i g u o u s 1 0 - n m - w i d e b a n d s , c a n p r o d u c ed a t a w i t h s u f f i c i e n t r e s o l u t i o n f o r t h ed i r e c t i d e n t i f i c a t i o n o f t h o s e m a t e r i a l sw i t h d i a g n o s t i c s p e c t r a l f e a t u r e s . T h eL a n d s a t s c a n n e r s , w h i c h h a v e b a n d -w i d t h s b e t w e e n 1 0 0 a n d 2 0 0 n m , c a n n o tr e s o l v e t h e s e s p e c t r a l f e a t u r e s . S o m ei m po r t an t r o c k- f o r m i n g m i n e r a l s , s u c ht d d i t i o n , we a s q u a r t z a n d f e l d s p a r , d o n o t h a v e a n y

D t h e a n a l y - f u n d a m e n t a l o r o v e r t o n e a b s o r p t i o n f e a -c t r a l i m a g e t u r e s i n t h e r e g i o n f r o m 0 . 4 t o 2 . 5 , u m a n df e r s t o t h e t h e r e f o r e c a n n o t b e d e t e c t e d d i r e c t l y .f t h e s p e c - On t h e o t h e r h a n d , n e i t h e r d o t h e s ed a t a w e r e m i n e r a l s m a s k t h e a b s o r p t i o n f e a t u r e s o fc t r a l b a n d s . t h e i m p o r t a n t m i n o r m i n e r a l s i n r o c k sl a k e s p o s s i - a n d s o i l s . S i m i l a r l y , m i n e r a l m i x t u r e s ,h u n d r e d s o f a n d m i x t u r e s w i t h v e g e t a t i o n i n a n i n d i -v i d u a l p i x e l , c a n b e s e p a r a t e d i f t h ec o m p o n e n t s h a v e u n i q u e s p e c t r a l f e a -n s i n g o f t h e t u r e s .e s u l t s s h o wi t b a s i s c a nr e f l e c t a n c e D a t a C o l l e c t i o nr i n g i m a g e s

t o a c q u i r e S i m u l t a n e o u s i m a g i n g i n m a n y c o n t i g -c a p a b i l i t y . u o u s s p e c t r a l b a n d s r e q u i r e s a n e w a p -a g e o f s u c h p r o a c h t o s e n s o r d e s i g n . S e n s o r s s u c h a ss a r e b e i n g t h e L a n d s a t m u l t i s p e c t r a l s c a n n e r ( M S S )a s i s o n t h e o r TM a r e o p t o m e c h a n i c a l s y s t e m s i ne s t a t i s t i c a l w h i c h d i s c r e t e d e t e c t o r e l e m e n t s a r eg i t a l i m a g e - s c a n n e d a c r o s s t h e s u r f a c e o f t h e e a r t hp e r p e n d i c u l a r t o t h e f l i g h t p a t h , a n dt h e s e d e t e c t o r s c o n v e r t t h e r e f l e c t e d s o -l a r p h o t o n s f r o m e a c h p i x e l i n t h e s c e n el y . B e c a u s e i n t o a s e n s i b l e e l e c t r o n i c s i g n a l ( F i g . 2 a ) .a c q u i r e d b y T h e d e t e c t o r e l e m e n t s a r e p l a c e d b e h i n dm o r e p r o b - f i l t e r s t h a t p a s s b r o a d p o r t i o n s o f t h eb y t h i s r e - s p e c t r u m . T h e M SS h a s f o u r s u c h s e t s o ff i l t e r s a n d d e t e c t o r s , w h e r e a s TM h a se l i e s i n i t s s e v e n . T h e p r i m a r y l i m i t a t i o n o f t h i sr e f l e c t a n c e a p p r o a c h i s t h e s h o r t r e s i d e n c e t i m e o fm e n t ( p i x e l ) t h e d e t e c t o r i n e a c h i n s t a n t a n e o u s f i e l de s p e c t r u m o f v i e w ( I F O V ) . To a c h i e v e a d e q u a t en b e u s e d t o s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o w i t h o u t s a c r i f i c i n gr f a c e c o v e r s p a t i a l r e s o l u t i o n , s u c h a s e n s o r m u s tn t i f i e d w i t h o p e r a t e i n b r o a d s p e c t r a l b a n d s o f 1 0 0n a g i n g s y s - n m o r g r e a t e r o r m u s t u s e o p t i c s w i t hS a n n e r s ( 4 ) . u n r e a l i s t i c a l l y s m a l l r a t i o s o f f o c a l l e n g t hI - r e s o l u t i o n t o a p e r t u r e ( f n u m b e r s ) .i f o r a n u m - O n e a p p r o a c h t o i n c r e a s i n g t h e r e s i -h e L a n d s a t d e n c e t i m e o f a d e t e c t o r i n e a c h IFOV i s

1 1 4 7


2/7

t o u s e l i n e a r r a y s o f d e t e c t o r e l e m e n t s( F i g . 2 b ) . I n t h i s c o n f i g u r a t i o n t h e r e i s ad e d i c a t e d d e t e c t o r e l e m e n t f o r e a c hc r o s s - t r a c k p i x e l , w h i c h i n c r e a s e s t h er e s i d e n c e o r i n t e g r a t i o n t i m e t o t h e i n t e r -v a l r e q u i r e d t o m o v e o n e IFOV a l o n g t h et r a c k . S u c h a n e x p e r im e n t a l t w o- s p ec -C h l o r i t e

7 ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ GE p i d o t e M o n t m o r i l l

T a l c l l l i t e

T r e m o l i t e

c c f

2 . 0 2 . 2 2 . 4 2 . 0 2 . 2Wave l e ngth ( M . m )

a


3/7

d e v e l o p e d ( 1 1 ) . T h e s e a r r a y s r e s p o n dt o w a v e l e n g t h s f r o m a b o u t 0 . 7 t o 5 . 2, m .F o r a r e a a r r a y s , 3 2 b y 3 2 e l e m e n td e v i c e s o f H g C d T e s a n d w i c h e d w i t h as i l i c o n c h a r g e d - c o u p l e d e v i c e m u l t i p l e x -e r h a v e b e e n m a d e s u c c e s s f u l l y ( 1 2 ) , a n d6 4 b y 6 4 e l e m e n t d e v i c e s , w h i c h c a n b ea b u t t e d o n o p p o s i t e s i d e s , a r e u n d e rd e v e l o p m e n t ( 1 3 ) . T h e s e d e v i c e s c a n b em o s a i c k e d t o f o r m f o c a l p l a n e a r r a y s o f6 4 b y 6 4 n e l e m e n t s i n d i m e n s i o n , w h e r en r e p r e s e n t s t h e n u m b e r o f d e v i c e s i n t h em o s a i c . A l t h o u g h d e v e l o p m e n t o f 6 4 b y6 4 e l e m e n t d e v i c e s i s p r o g r e s s i n g , t h e 3 2b y 32 e l e m e n t a r r a y r e p r e s e n t e d t h e s t a t eo f t h e a r t i n i n f r a r e d a r e a a r r a y s 2 y e a r sa g o , w h e n t h e f i r s t a i r b o r n e s e n s o r w a sb e i n g t e s t e d .A s e n s o r c a l l e d t h e a i r b o r n e i m a g n gs p e c t r o m e t e r ( A I S ) h a s b e e n b u i l t t o t e s tt h e i m a g i n g s p e c t r o m e t e r c o n c e p t w i t hi n f i a r e d a r e a a r r a y s ( 1 4 ) . T h is i n s t r um e n to p e r a t e s i n t h e m o d e s h o w n i n F i g . 2 d .T h e s p e c t r a l c o v e r a g e o f t h e i n s t r u m e n ti s 1 . 2 t o 2 . 4 p m , i n c o n t i g u o u s b a n d s t h a ta r e 9 . 3 n m w i d e . T h i s s a m p l i n g i n t e r v a li s s u f f i c i e n t t o c o m p l e t e l y d e s c r i b e a b -s o r p t i o n f e a t u r e s f o r s o l i d s i n t h i s w a v e -l e n g t h r e g i o n . C o n t i n u o u s s t r i p i m a g e s ,3 2 p i x e l s w i d e i n 1 2 8 s p e c t r a l b a n d s , a r ea c q u i r e d f r o m t h e N a t i o n a l A e r o n a u t i c sa n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n ( N A S A ) C -1 3 0 a i r c r a f t . T h e 1 2 8 s p e c t r a l b a n d s a r ea c q u i r e d b y s t e p p i n g t h e s p e c t r o m e t e rg r a t i n g t h r o u g h f o u r p o s i t i o n s d u r i n g t h et i m e i t t a k e s t o f l y f o r w a r d o n e p i x e lw i d t h o n t h e g r o u n d . T h e a r e a a r r a y i sr e a d o u t b e t w e e n e a c h g r a t i n g p o s i t i o n ,a n d t h e d a t a a r e r e c o r d e d o n t h e a i r c r a f tw i t h a h i g h - d e n s i t y a n a l o g t a p e r e c o r d e r .T h e IFOV o f A I S i s 1 . 9 m i l l i r a d i a n s ,w h i c h p r o d u c e s a g r o u n d p i x e l s i z e o fa p p r o x i m a t e l y 8 b y 8 m f r o m a t y p i c a lo p e r a t i n g a l t i t u d e o f 4 2 0 0 m . To a i d i nl o c a t i n g t h e A I S g r o u n d t r a c k , a b o r e -s i g h t e d 3 5 - m m c a m e r a a c q u i r e s b l a c ka n d w h i t e , w i d e - f i e l d - o f - v i e w p h o t o g r a -p h y .F i g u r e 3 s h o w s a n A I S i m a g e , a c -q u i r e d o v e r V a n N u y s , C a l i f o r n i a , o n t h ef i r s t e n g i n e e r i n g f f i g h t o f A I S i n N o v e m -b e r 1 9 8 2 . T h i s i m a g e c o v e r s t h e a r e ao u t l i n e d i n b l a c k l i n e s o n t h e c a m e r ap h o t o g r a p h . N o t a b l e f e a t u r e s i n c l u d e af i e l d i n t h e l o w e r p o r t i o n o f t h e I m a g e , ac o n d o m i n i u m c o m p l e x i n t h e c e n t e r , a n da s c h o o l i n t h e u p p e r h a l f o f t h e i m a g e .O n t h i s t e s t f l i g h t , i m a g e s w e r e a c q u i r e di n o n l y o n e g r a t i n g p o s i t i o n , o r i n 3 2c o n t i g u o u s s p e c t r a l b a n d s i n t h e r e g i o nf r o m 1 . 5 t o 1 . 2 , u m . A m o s a i c o f t h e 3 2A I S i m a g e s , e a c h i n a d i f f e r e n t 9 . 3 - n m -w i d e s p e c t r a l b a n d a n d e a c h 3 2 p i x e l sw i d e , i s s h o w n b e l o w t h e p h o t o g r a p h .T h e m o s t o b v i o u s f e a t u r e . i n t h e m o s a i c7 JUNE 1 9 8 5

i s t h e l o s s o f d e t a i l i n t h e 1 . 4 - p m a t m o -s p b e r i c w a t e r a b s o r p t i o n b a n d . H o w e v -e r , t h e r e i s c o n s i d e r a b l e d e t a i l v i s i b l e i nt h e s p e c t r a l i m a g e s w e l l i n s i d e t h i s b a n d .D e t a i l s a s s o c i a t e d w i t h l r e f l e c t a n c e v a r i a -t i o n s a r e i d e n t i f i e d w i t h a r r o w s . F o r i n -s t a n c e , t h e r e f l e c t a n c e o f a w e l l - w a t e r e dc o u r t y a r d l a w n i n s i d e t h e s c h o o l g r o u n d s

A i r p h o t o

N

A I S 32 s p e c t r a l c h a n n e l s

a -

1 . 5 0 u r m 11 . 2 1 M m n. 4 - M u m Water a b s o r p t i o n bandF i g . 3 . A i r p h o t o o f a n a r e a i n V a n N u y s , C a l i f o r n i a , s h o w i n g a s c h o o l c o u r t y a r d ( a ) a n d a n o p e nf i e l d ( b ) . T h e b l a c k t r a c e s o u t l i n e t h e c o v e r a g e o f t h e 3 2 - p i x e l - w i d e A I S i m a g e s t a k e n i n 3 2s p e c t r a l b a n d s b e t we e n 1 . 5 0 a n d 1 . 2 1 , u m . T h e i n d i v i d u a l A I S i m a g e s t a k e n i n 9 . 3 - n m - w i d e ,c o n t i g u o u s s p e c t r a l i n t e r v a l s a r e s h o w n a t t h e b o t t o m . T h e s p e c t r a l r e f l e c t a n c e b e h a v i o r o f t h ew e l l - w a t e r e d c o u r t y a r d a n d t h e o p e n f i e l d a r e q u i t e d i f f e r e n t a n d r e f l e c t t h e i r r i g a t i o n p r a c t i c e s .

1 2 0 0 1 1 6 0 0a 4 2Nev ad a

C u p r i t e 3 8

bDac

a tac I

1 . 6 1 . 8 2 . 0W a v e l e n g t h ( p m )C

a -

2 . 0 3 , u m 2 . 3 2 AmF i g . 4 . ( a ) A i r p h o t o o f a p o r t i o n o f t h e C u p r i t e m i n i i n g d i s t r i c t i n N e v a d a , s u p e r i m p o s e d w i t h t h eA I S c o v e r a g e . ( b ) S p e c t r a ( 1 2 8 c h a n n e l s ) d e r i v e d f r o m a 5 b y 5 p i x e l a r e a i n t h e A I S i m a g e o f t h eC u p r i t e m i n i n g d i s t r i c t . T h e n o r m a i z e d s p e c t r u m a p p r ox i m a te s t h e g r o u n d s p e c t r a l r e f l e c t a n c e .( c ) A s e t o f 32 A I S s p e c t r a l i m a ge s o v e r C u p r i t e t a k e n a t 9 . 3 - n m i n t e r v a l s b e t w e e n 2 . 0 3 a n d 2 . 3 2pm i n w h i c h e a c h p i x e l s p e c t r u m h a s b e e n n o r m a l i z e d t o p r o d u c e a n e q ua l a r ea u n d e r t h er e f l e c t a n c e c u r v e . T h e d i f f e r i n g r e f l e c t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s a s a f u n c t i o n o f w a v e l e ng t h a r ec l e a r l y v i s i b l e ( l o c a t i o n a ) .1 1 4 9

- a- b


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( l o c a t i o n a ) d r o p s s i g n i f i c a n t l y b e y o n d1 . 4 , u m i n c o m p a r i s o n w i t h t h e r e f l e c -t a n c e o f t h e u n w a t e r e d f i e l d ( l o c a t i o n b ) .T h e A I S i n s t r u m e n t w a s d e s i g n e d p r i -m a r i l y a s a n e n g i n e e r i n g t e s t b e d f o rd e t e c t o r d e v e l o p m e n t , b u t i t h a s b e e nu s e d s u c c e s s f u l l y f o r d a t a a c q u i s i t i o n i ns u p p o r t o f r e s e a r c h i n r e m o t e s e n s i n g .H o w e v e r , t o a c q u i r e d a t a w i t h g r e a t e rs p e c t r a l a n d s p a t i a l c o v e r a g e , a new i n -s t r u m e n t c a l l e d t h e a i r b o r n e v i s i b l e - i n -f r a r e d i m a g i n g s p e c t r o m e t e r ( A V I R I S ) i sb e i n g d e v e l o p e d ( 1 5 ) . U s i n g l i n e a r r a y so f s i l i c o n a n d I n S b c o n f i g u r e d a s i n F i g .2 c , A V I R I S w i l l a c q u i r e i m a g e s i n 2 2 4b a n d s 1 0 n m w i d e , i n t h e 0 . 4 - t o 2 . 4 - , u mr e g i o n . T h e i n s t r u m e n t w i l l f l y i n t h eNASA U - 2 a i r c r a f t , a n d a t a n a l t i t u d e o f2 0 km t h e s w a t h w i d t h w i l l b e 1 1 km w i t ha 2 0 - m g r o u n d I F O V . I n 1 9 8 5 NASA w i l le n t e r t a i n p r o p o s a l s f o r a n a l y s i s o fA V I R I S d a t a , a n d t h e i n s t r u m e n t i ss c h e d u l e d f o r f l i g h t i n 1 9 8 6 . A s h u t t l ee x p e r i m e n t a l s o h a s b e e n p r o p o s e d a n di s s c h e d u l e d f o r a 1 9 8 6 f u n di n g s t a r t ( 1 6 ) .A h i g h - r e s o l u t i o n i m a g i n g s p e c t r o m e t e ri s o n e o f t h e E a r t h O b s e r v i n g S y s t e m( E O S ) i n s t r u m e n t s b e i n g c o n s i d e r e d f o rt h e S p a c e P l a t f o r m a s p a r t o f t h e S p a c eS t a t i o n . EOS i s s l a t e d f o r l a u n c h i n t h ee a r l y - t o m i d - 1 9 9 0 ' s ( 1 7 ) .M i n e r a l I d e n t i f i c a t i o n

I n o r d e r t o t e s t t h e c a p a b i l i t y o f i m a g -i n g s p e c t r o m e t r y f o r m i n e r a l i d e n t i f i c a -t i o n w i t h t h e A I S , t h e C u p r i t e m i n i n gd i s t r i c t o f N e v a d a w a s c h o s e n f o r s t u d y .T h e C u p r i t e a r e a c o n t a i n s b o t h h y d r o -t h e r m a l l y a l t e r e d a n d u n a l t e r e d r o c k s ,w e l l e x p o s e d a n d n e a r l y d e v o i d o f v e g e -t a t i o n . T h e a l t e r e d r o c k s o v e r f l o w n i nt h i s s t u d y c o n t a i n s e c o n d a r y q u a r t z ,o p a l , a n d c l a y m i n e r a l s ( 1 8 ) , a n d t h e a r e ah a s b e e n s u b j e c t e d t o e x t e n s i v e s t u d yw i t h b r o a d b a n d m u l t i s p e c t r a l i m a g e s i nt h e v i s i b l e , r e f l e c t i v e , a n d e m i s s i v e i n -f r a r e d ( 1 9 ) . S e v e r a l m i n e r a l s , w h o s e r e -f l e c t a n c e s p e c t r a w e r e s h o w n i n F i g . 1 ,o c c u r i n t h e C u p r i t e a r e a a n d h a v e d i a g -n o s t i c a b s o r p t i o n f e a t u r e s i n t h e 2 . 0 - t o2 . 4 - , u m r e g i o n . T h e n a r r o w s p e c t r a l b a n ds a m p l i n g p o s s i b l e w i t h a n i m ag i n g s p e c -t r o m e t e r s h o u l d t h e r e f o r e a l l o w t h e s em i n e r a l s t o b e i d e n t i f i e d .F i g u r e 4 a s h o w s t h e c e n t r a l r e g i o n o ft h e C u p r i t e d i s t r i c t o v e r f l o w n w i t h A I S .T h e b r i g h t a r e a s a r e t h e r e s u l t o f t r e n c h -i n g o p e r a t i o n s t h a t b r e a k t h r o u g h t h ed a r k - s t a i n e d s u r f a c e c r u s t a n d e x p o s em a t e r i a l s c o n s i s t i n g o f a l m o s t p u r e s i l i -c a . T h e b o t t o m c u r v e i n F i g . 4 b s h o w s ar a w 1 2 8 - c h a n n e l s p e c t r u m o f a 5 b y 5p i x e l a r e a i n t h e A I S c o v e r a g e o u t l i n e di n F i g . 4 a . T h e m a j o r f e a t u r e s a r e t h e

1 1 5 0

*%2 . 0 3 2 . 1 0 2 . 1 5 2 .2 0 2 .2 5 2 .

Wavelength ( , u m )F i g . 5 . A I S i m a g e f r o m C u p r i t es h o w i n g 3 b y 3 p i x e l s p e c t r a o f t is e n t a t i v e s u r f a c e u n i t s . D i r e c t i do f t h e d o m i n a n t m i n e r a l i n e a c h am a d e o n t h e b a s i s o f t h e 2 . 0 -s p e c t r a l r e s p o n s e . L a b o r a t o r y sf i e l d - c o l l e c t e d s a m p l e s are a l s o s Ik e n l i n e s ) , a n d t h e y v e r i f y t h e A I S

b r o a d a t m o s p h e r ic w a t e r b a n d sa t 1 . 4 a n d 1 . 9 , u m a n d t h e s o l a r icurve, w h i c h e x h i b i t s a r a p i dw a r d l o n g e r w a v e l e n g t h s . A s lm o d e l i n g t h e a t m o s p h e r i c a n d ie f f e c t s c a n b e m a d e i f o n e n o r md a t a t o a n a r e a i n t h e i m a g e h aor n o t o p o g r a p h i c r e l i e f a n dk n o w n s p e c t r a l r e f l e c t a n c e c ht i c s . T h e t o p curve i n F i g . 4 b i so f t h i s n o r m a l i z a t i o n p r o c e d u r ef e a t u r e s i n t h e s u r f a c e m a t e r i am o r e a p p a r e n t i n t h e n o r m a l it r u m b e c a u s e t h e r e m o v a l o f se f f e c t s m a k e s i t p o s s i b l e t o d id a t a a t t h e i r f u l l r a d i o m e t r i c r (E n h a n c e d 3 2 - c h a n n e l i m a g e st h e r e g i o n f r o m 2 . 0 3 t o 2 . 3 2a c q u i r e d i n t h e a r e a o u t l i n e d i iare s h o w n i n F i g . 4 c . S u r f a c eh a v i n g a b s o r p t i o n b a n d s ca nn i z e d b y c h a n g e s i n c o n t r a s t w it o t h e i r s u r r o u n d i n g s .S p e c t r a c a n b e d e r i v e d o n ap i x e l b a s i s f r o m a n y p o i n t o ni m a g e . F i g u r e 5 s h o w s a s i n g l iw i d e c h a n n e l i m a g e a t 2 . 0 3 1f r o m F i g . 4 c a n d t h e r e f l e c t a n cd e r i v e d f r o m averages o f 3 bareas f r o m a l l 3 2 i m a g e s . T h r es p e c t r a l c l a s s e s are seen . Tht a k e n f r o m t h e h i l l i n t h e l o w e rt h e i m a g e c o n t a i n a n a b s o r p t i ow h i c h m a t c h e s t h a t o f k a o l i( S i 2 O 5 ) ( O H ) 4 ] . A l a b o r a t o r y spa f i e l d s a m p l e f r o m a s p e c t r a ll i b r a r y i s a l s o s h o w n . T h e s p e c ds i n g l e , b r o a d - a b s o r p t i o n f e a lt e r e d a t 2 . 1 7 , u m i n d i c a t i v e ([ K A 1 3 ( 0 S 4 ) ( O H ) M , a m i n e r a l aw i t h a l t e r e d f e l d s p a t h i c r o c k s .

t o r y r e f l e c t a n c e s p e c t r u m o f a f i e l d s a m -p l e i s s u p e r i m p o s e d . T h e s p e c t r a o b -L a b o r a t o r y t a i n e d f r o m t h e t o p o f t h e i m a g e a r ea l u n l t e -b e a r i n g d e v o i d o f a b s o r p t i o n f e a t u r e s s i n c e t h i ss a m p l e s u r f a c e m a t e r i a l c o n s i s t s o f a l m o s t p u r eq u a r t z , w h i c h d o e s n o t e x h i b i t s p e c t r a la b s o r p t i o n f e a t u r e s i n t h i s w a v e l e n g t hr e g i o n .

L a b o r a t o r y V e g e t a t i o n M a p p i n gk a o l i n i t e -b e a r i n gs a m p l e A p p r o x i m a t e l y 7 0 p e r c e n t o f t h e l a n ds u r f a c e o f t h e e a r t h i s c o v e r e d w i t h v e g e -. 2 8 t a t i o n . N a t i v e v e g e t a t i o n c a n b e a n a c c u -r a t e i n d i c a t o r o f l o c a l a n d r e g i o n a l g e o -N e v a d a , l o g i c c o n d i t i o n s . I n a d d i t i o n , v e g e t a t i o nh r e e r e p r e - i s a n i n d i c a t o r o f s t r e s s a g e n t s o f n o n g e o -e n t i f i c a t i o n l o g i c o r i g i n . N u t r i e n t d e f i c i e n c y r e -re a c a n b e s p o n s e a n d i n s e c t d a m a g e a r e w e l l c h a r -t p e c 2 t r a o f a c t e r i z e d f o r s o m e f o r e s t s p e c i e s ( 2 0 ) ,i o w n ( b r o - w h e r e a s a n t h r o p o g e n i c a n d w a t e r - i n -r e s u l t s . d u c e d s t r e s s e s p r o d u c e v a r y i n g t y p e s o fr e s p o n s e i n s u s c e p t i b l e s p e c i e s o f b o t hn a t i v e a n d c r o p v e g e t a t i o n ( 2 1 ) . S u b t l ei c e n t e r e d f e a t u r e s o f t h e n a t i v e v e g e t a t i o n s u c h a si r r a d i a n c e v a r i a t i o n s i n s p e c i e s a n d c o m m u n i t y d i s -f a l l o f f t o - t r i b u t i o n p a t t e r n s , a l t e r a t i o n s i n p h e n o -h o r t c u t t o l o g i c c y c l e s , a n d m o d i f i c a t i o n s i n t h ei n s o l a t i o n p h y s i o l o g y a n d m o r p h o l o g y o f i n d i v i d u a li a l i z e s t h e s p e c i m e n s p r o v i d e v a l u a b l e i n s i g h t i n t ov i n g l i t t l e t h e c l i m a t i c , e d a p h i c , g e o l o g i c , a n du n i f o r m , p h y s i o g r a p h i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a n a r e a .k a r a c t e r i s - T h e u s e o f v e g e t a t i o n c o n d i t i o n s , h e a l t h ,t h e r e s u l t c h e m i c a l c o m p o s i t i o n , a n d s t r u c t u r e a s a

. S p e c t r a l m e a n s o f i n f e r r i n g g e o l o g i c i n f o r m a t i o nl b e c o m e c o n s t i t u t e s a n i n t e r d i s c i p l i n a r y a p p r o a c hz e d s p e c - k n o w n a s g e o b o t a n y ., y s t e m a t i c R e f l e c t a n c e s p e c t r a o f v e g e t a t i o n ,i s p l a y t h e g a t h e r e d i n t h e 0 . 4 - t o 2 . 5 - , u m r e g i o n o fe s o l u t i o n . t h e e l e c t r o m a g n e t i c s p e c t r u m , c o n t a i nc o v e r i n g i n f o r m a t i o n o n p l a n t p i g m e n t c o n c e n t r a -, u m , a n d t i o n s , l e a f c e l l u l a r s t r u c t u r e , a n d l e a fn F i g . 4 a , m o i s t u re c o n t e nt ( 2 2 ) . S u c h b o t a n i c a l l y

t f e a t u r e s s i g n i f i c a n t i n f o r m a t i o n , w h e n g a t h e r e d i nb e r e c o g - t h e a p p r o p r i a t e f o r m a t , a l l o w s t h e r e -t h r e s p e c t m o t e d i s c r i m i n a t i o n a n d m a p p i n g o fp l a n t s p e c i e s o r c o m m u n i t i e s , t h e d e t e c -a p i x e l b y t i o n o f t h e i r p h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o n a n di t h e A I S s t a t e o f h e a l t h , a n d t h e a s s e s s m e n t o f t h eL e 9 . 3 - n m - a m o u n t o f c o v e r o r b i o m a s s , b a s e d o n, | m t a k e n u n i q u e s p e c t r a l p r o p e r t i e s o f a v e g e t a t e dc e s p e c t r a s u r f a c e . H i g h - s p e c t r a l - r e s o l u t i o n d a t a) y 3 p i x e l s e t s i n i m a g e f o r m a t , s u c h a s t h o s e p r o -, e g e n e r a l v i d e d b y A I S , d e m o n s t r at e t h e p o t e n t i a le s p e c t r a a p p l i c a t i o n o f s u c h d a t a f o r b o t a n i c a l a n dp o r t i o n o f g e o b o t a n i c a l p u r p o s e s .i n d o u b l e t A s p a r t o f a s t u d y o f t h e v a l u e o f h i g h -n i t e [ A 1 2 - s p e c t r a l - r e s o l u t i o n i m a g i n g i n v e g e t a t i o no e c t r u m o f s t u d i e s , A I S o v e r f l i g h t s o f t h e P i c o A n t i -r e f e r e n c e c l i n e , n e a r P i r u , C a l i f o r n i a , w e r e c o n -t r a s h o w a d u c t e d i n D e c e m b e r 1 9 8 2 a t a t i m e w h e nt u r e c e n - s e v e r a l t y p e s o f n a t i v e v e g e t a t i o n w e r eo f a l u n i t e s e n e s c e n t a n d d r y . O t h e r t y p e s o f v e g e -i s s o c i a t e d t a t i o n , n o t a b l y e v e r g r e e n b r o a d l e a f a n dA l a b o r a - c o n i f e r s p e c i e s a s s o c i a t e d w i t h b o t h t h e

S C I E N C E , V O L . 2 2 8


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l i v e o a k c o m m u n i t i e s a n d t h e r i p a r i a nw o o d l a n d s , a s w e l l a s i r r i g a t e d a r e a s ,w e r e p h o t o s y n t h e t i c a l l y a c t i v e a t t h et i m e o f t h e s e o v e r f l i g h t s . T h e A I S d a t aw e r e a c q u i r e d i n t h e 1 . 2 - t o 1 . 5 - p m r e -g i o n o n l y , w i t h a g r o u n d IFOV o f a p -p r o x i m a t e l y 1 0 m . S i m u l t a n e o u s l y , t h eNASA N S - 0 0 1 t h e m a t i c m a p p e r s i m u l a -t o r ( T M S ) a c q u i r e d m u l t i s p e c t r a l d a t a i ns i x b r o a d b a n d s p e c t r a l r e g i o n s , e q u i v a -l e n t t o t h e b a n d s o f t h e TM o n L a n d s a t s4 a n d 5 . F a l s e - c o l o r i n f r a r e d ( C I R ) a e r i a lp h o t o g r a p h y w a s a l s o a c q u i r e d .F i g u r e 6 s h o w s a s e r i e s o f f a l s e - c o l o ri m a g e s c o n s i s t i n g o f a C I R p h o t o g r a p h , ap r i n c i p a l c o m p o n e n t s ( P C ) t r a n s f o r m a -t i o n ( 2 3 ) o f T M S d a t a f o r t h e s a m e a r e a ,a s i m i l a r PC o f A I S d a t a , a n d a d u p l i c a t eA I S PC i m a g e w i t h a n o v e r l a y s h o w i n gt h e a r e a l d i s t r i b u t i o n o f d o m i n a n t v e g e -t a t i o n f o r t h e a r e a . T h e T M S a n d A I Sd a t a , b o t h o f w h i c h h a v e r o u g h l y e q u i v a -l e n t r a d i o m e t r i c r e s o l u t i o n , w e r e p r o -c e s s e d i n a n i d e n t i c a l f a s h i o n i n o r d e r t om a k e p o s s i b l e a c o m p a r i s o n o f t h e i r r e -s p e c t i v e c a p a b i l i t i e s .T h e A I S PC i m a g e h a s m o r e h u e s t h a nt h e T M S PC i m a g e . S i n c e t h e n u m b e r o fh u e s c a n n o t b e i n c r e a s e d b y s i m p l e c o n -t r a s t s t r e t c h i n g , i t c a n b e a s s u m e d t h a tm o r e s p e c t r a l v a r i a b i l i t y i s s e e n i n t h eA I S d a t a . T h i s v a r i a b i l i t y r e l a t e s t o t h ed i s t r i b u t i o n o f d o m i n a n t s p e c i e s w i t h i nt h e c o m m u n i t y . T h e r e s u l t s o f t h e f i e l d -s t u d y i d e n t i f i c a t i o n a r e s h o w n i n t h eo v e r l a y . A s a n e x a m p l e , c o m p a r i s o n o ft h e A I S a n d T M S i m a g e s s h o w s t h a ta r r o y o w i l l o w , m u l e f a t , a n d b a m b o o a r es e p a r a b l e o n t h e A I S i m a g e b u t n o t o nt h e T M S .T h e s e i n i t i a l r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h a tt h e h i g h - s p e c t r a l - r e s o l u t i o n , l i m i t e d -s p e c t r a l - c o v e r a g e ( 1 . 2 t o 1 . 5 F . m ) A I Si m a g e p r o v i d e s m o r e s p e c i e s d i s c r i m i n a -t i o n t h a n t h e l o w - s p e c t r a l - r e s o l u t i o n ,b r o a d - s p e c t r a l - c o v e r a g e ( 0 . 4 t o 2 . 5 , u m )T M S i m a g e . T h e s p e c t r a l r e g i o n c o v e r e db y t h e A I S c o n t a i n s r e f l e c t a n c e f e a t u r e sr e l a t e d t o l e a f s t r u c t u r e a n d m o i s t u r ec o n t e n t , c h a r a c t e r i s t i c s l i k e l y t o b e r e l a t -e d t o s p e c i e s - s p e c i f i c c o n d i t i o n s o f s e -n e s c e n c e a n d p h y s i o l o g y . M o r e i n f o r -m a t i o n , s p e c i f i c a l l y c o n c e r n i n g s t r e s s ,w i l l b e c o m e a v a i l a b l e w h e n t h e m o s ti m p o r t a n t r e g i o n , 0 . 5 t o 1 . 2 , u m , i s c o v -e r e d w i t h h i g h - r e s o l u t i o n i m a g i n g b yA V I R I S .G e o b o t a n i c a l e x p l o r a t i o n a n d e n v i r o n -m e n t a l m o n i t o r i n g s t u d i e s , b a s e d o n t h eu s e o f r e m o t e l y s e n s e d d a t a a c q u i r e d b yh i g h - s p e c t r a l - r e s o l u t i o n s e n s o r s y s t e m ss u c h a s A I S a n d A V I R I S , h a v e t h e p o -t e n t i a l t o p r o v i d e i n f o r m a t i o n o f p h y s i o -l o g i c a n d t a x o n o m i c s i g n i f i c a n c e t o p l a n tr e s e a r c h e r s . S u c h d a t a , a c q u i r e d e s s e n -t i a l l y s i m u l t a n e o u s l y f o r l a r g e a r e a s o f7 JUNE 1 9 8 5

t h e e a r t h a n d i n a n o n d e s t r u c t i v e f a s h -i o n , w i l l p r o v e i n v a l u a b l e i n d e v e l o p -i n g c a p a b i l i t i e s f o r v e g e t a t i o n m a p p i n g ,h e a l t h a s s e s s m e n t , a n d s t r e s s d e t e c t i o na n d c h a r a c t e r i s t i c s .D a t a A n a l y s i

J u s t a s i m a g i n g s p e c t r o m e t r y r e q u i r e sn e w t e c h n o l o g y f o r i n s t r u m e n t s a n d d e -t e c t o r s , e f f e c t i v e u t i l i z a t i o n o f t h e d a t ar e q u i r e s d e v e l o p m e n t o f n e w a n a l y t i ca p p r o a c h e s a n d t e c h n i q u e s . B e l l m a n ' s" c u r s e o f d i m e n s i o n a l i t y " ( 2 4 ) i s f u l f i l l e d

w i t h t h e a d v e n t o f i n s t r u m e n t s t h a t p r o -d u c e i m a g e s i n h u n d r e d s o f s p e c t r a lb a n d s s i m u l t a n e o u s l y . B e l l m a n ' s c o m -m e n t a r o s e i n t h e c o n t e x t o f m u l t i v a r i a t es t a t i s t i c a l a n a l y s i s , t h e d o m i n a n t a p -p r o a c h i n t o d a y ' s m e t h o d s o f m u l t i s p e c -t r a l s c e n e c l a s s i f i c a t i o n . D i m e n s i o n a l i t yi s u s e d h e r e i n t h e s t a t i s t i c a l s e n s e a n dr e f e r s t o t h e n u m b e r o f s p e c t r a l m e a s u r e -m e n t s ( v a r i a t e s ) p e r p i x e l . T h e d i m e n -s i o n a l i t y o f i m a g i n g s p e c t r o m e t e r d at am a k e s i t n e c e s s a r y t o s e e k new a n a l y t i cm e t h o d s i f d e p e n d e n c e o n t h e r a w c o m -p u t a t i o n a l p o w e r o f s u p e r c o m p u t e r s i s t ob e a v o i d e d . T h e e x p e r i e n c e w i t h A I S

k - 3 S 0 m - m '

A r r o y ow i l l o w _M u l e f a t - - .

C o t t o n -w o o dNS-O0 1 (TMS) AIS P CP C Image I m a g e

W a l n u t and, grass

o . Sandbar

_ Oa ks- B a m b o os A r r o y ow i l l o w

A I S PCImageC I R a e r i a l p h o t o

F i g . 6 . C o m p a r i s o n o f c o l o r i n f r a r e d ( C I R ) a e r i a l p h o t o g r a p h y , p r i n c i p a l c o m p o n e n t s ( P C ) ,t h e m a t i c m a p p e r s i m u l a t o r ( T M S ) , a n d A I S d a t a a c q u i r e d s i m u l t a n e o u s l y o v e r a n a r e a o fo r c h a r d s a n d r i p a r i a n w o o d l a n d s n e a r P i r u , C a l i f o r n i a . A PC t r a n s f o r m a t i o n w a s a p p l i e d t o t h es e v e n s p e c t r a l c h a n n e l s o f t h e T M S d a t a a n d 1 8 o f t h e 3 2 c h a n n e l s o f A I S d a t a i n t h e 1 . 2 - t o 1 . 5 -p L m r e g i o n e x c l u s i v e o f t h e 1 . 4 - , m a t m o s p h e r i c w a t e r b a n d . E q u i v a l e n t c o n t r a s t s t r e t c h e s w e r ea p p l i e d t o e a c h i m a g e . T h e r e s u l t s o f g r o u n d s p e c i e s i d e n t i f i c a t i o n a r e s h o w n o n t h e r i g h t .1 0 0806040

0t

t 100-0 8 0

6 040

a

1 ,

b

1 . 6 2 . 0 2 . 4 1 . 2W a v e l e n g t h ( u m )

1 . 6 2 . 0 2 . 40 1 1 -1 . 2

F i g . 7 . B i n a r y e n c o d i n g s c h e m e f o r l a b o r a t o r y r e f l e c t a n c e s p e c t r a o f t w o m i n e r a l s , ( a ) a l u n i t ea n d ( b ) k a o l i n i t e .1 1 3 1

II


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L-dimensional p a t t e r n sp ac e

- - ~ ~ ~ ~ ~ i j1 2 3 A L - 1 AL

L-dimensional p a t t e r n v e c t o r_ i 2: , ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ X2 . 5 j i m

1 0 08 0 - ,

6040

0 0c

q } 1 0 0-Db8 08 0 -

6 0 p4 0

0 1 1

4.00 -

2.67 -

+ 1 . 3 3 -

c x0Ea ,

0 4.002.67

1 . 3 30

1 . 2 1 . 6 2 . 0 2. 4 1 32 6 4 96 1 28Wave l e ngth ( p m )

F i g . 8 ( l e f t ) . G e n e r a l i z e d a p p r o a c h t o t h e m u l t i s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n p r o b l e m . F i g . 9 ( r i g h t ) .S p e c t r a l r e f l e c t a n c e curves o f tw o m i n e r a l s , ( a ) a l u n i t e a n d ( b ) k a o l i n i t e , a n d t h e i r c o r r e s p o n d -i n g W a l s h - H a d a m a r d s p e c t r a l t r a n s f o r m a t i o n s . T h e v a l u e o f t h e m a g n i t u d e o f t h e c o e f f i c i e n t sw a s i n c r e a s e d b y I t o f a c i l i t a t e p l o t t i n g o f t h e m a g n i t u d e s o n a l o g a r i t h m i c s c a l e .d a t a t e n d s t o c o n f i r m t h a t t h e n a t u r e o fi m a g i n g s p e c t r o m e t r y l e a d s n a t u r a l l y t oa more d e t e r m i n i s t i c a p p r o a c h t o s c e n ea n a l y s i s . T h e most c o m p e l l i n g r e a s o n f o rt u r n i n g t o d e t e r m i n i s t i c , a s o p p o s e d t os t a t i s t i c a l , m e t h o d s o f a n a l y s i s i s t h e f a c tt h a t i m a g i n g s p e c t r o m e t r y p r o v i d e ss p e c t r a l s a m p l i n g s u f f i c i e n t t o d e f i n eu n i q u e s p e c t r a l s i g n a t u r e s .T h e f i r s t p r o b l e m t o b e a d d r e s s e d i nt h e a n a l y s i s o f t h e s e d a t a i s v i s u a l i n t e r -a c t i o n w i t h h y p e r s p e c t r a l i m a g e s a n dt h e i r s t a t i s t i c a l p r o p e r t i e s . C u r r e n tg r a p h i c s a n d i m a g e d i s p l a y t e c h n o l o g ya l l o w i m p l e m e n t a t i o n o f a v a r i e t y o ft o o l s f o r v i s u a l e x p l o r a t o r y a n a l y s i s .Among t h e s e a re t h e a b i l i t y t o d i s p l a y at i m e - s e q u e n c e d p r o j e c t i o n o f t h e i m a g e si n t h e s p e c t r a l d i r e c t i o n , c u r s o r - d e s i g -n a t e d s p e c t r a l p l o t s o f s i n g l e p i x e l s o raverages o ve r a s p a t i a l w i n d o w , a n dr a p i d l o c a t i o n o f p i x e l s h a v i n g s i m i l a rs p e c t r a l s i g n a t u r e s . I n a d d i t i o n , i t i s nowp o s s i b l e t o i n t e r a c t i v e l y l o c a t e a n d d i s -p l a y s p e c t r a f r o m a s p e c t r a l l i b r a r y f o rv i s u a l c o m p a r i s o n a n d t o i n t e r a c t i v e l yc r e a t e s p e c t r a l d a t a s e t s f r o m s p e c i f i e dr e g i o n s i n t h e sce n e . F i g u r e 5 i l l u s t r a t e ss o m e o f t h e s e c a p a b i l i t i e s b a s e d o n t h eu s e o f A I S d a t a a c q u i r e d o v e r C u p r i t e ,N e v a d a .A n o t h e r u s e f u l v i s u a l e n h a n c e m e n t o ft h e d a t a i s t h e a p p l i c a t i o n o f a n e q u a lenergy s p e c t r a l n o r m a l i z a t i o n , g i v e n b y

L A i j X u ( e ) i s c o n s t a n t ( 1 )=I

w h e r e e i s t h e w a v e l e n g t h i n d e x , ( i , j ) i st h e s p a t i a l l o c a t i o n i n d e x , A u i s t h e s c a -l a r m u l t i p l i e r f o r t h e i n t e n s i t y X V o f p i x e l

( i , ) , a n d L i s t h e t o t a l n u m b e r o f s p e c t r a lm e a s u r e m e n t s p e r p i x e l . T h e r e s u l t i n gn o r m a l i z e d d a t a a l l o w d i r e c t c o m p a r i -so ns o f t h e s h a p e s o f s p e c t r a l curves. Ane x a m p l e o f t h i s e n h a n c e m e n t i s s h o w n i nF i g . 4 c w h e r e t h e k a o l i n i t e d o u b l e t f e a -t u r e a t l o c a t i o n a b e c o m e s o b v i o u s .M a n u a l e x a m i n a t i o n o f t h e s p e c t r a lc o n t e n t o f t h e i m a g e s b y c u r s o r - d e s i g -n a t e d p l o t t i n g i s a u s e f u l t o o l . I t b e c o m e sr a t h e r l a b o r i o u s , h o w e v e r , w h e n o n e i st r y i n g t o l o c a t e s p e c t r a l l y s i m i l a r u n i t st h r o u g h o u t a n e n t i r e scene. To over-come t h i s p r o b l e m , a f a s t s p e c t r a l s i g n a -t u r e - m a t c h i n g a l g o r i t h m h a s b e e n d e -v i s e d t h a t c a n b e u s e d t o f i n d a l l t h ep i x e l s i n a sce n e h a v i n g a s p e c t r a l s i g n a -t u r e s i m i l a r t o a s p e c i f i e d p r o t o t y p es p e c t r u m . T h e p r o t o t y p e ca n b e s p e c i -f i e d f r o m t h e i m a g e d a t a i t s e l f or f r o m as p e c t r a l r e f e r e n c e l i b r a r y . T h e t e c h n i q u er e l i e s o n b i n a r y e n c o d i n g o f t h e s p e c t r a ld a t a i n o r d e r t o a c h i e v e f a s t cross-corre-l a t i o n f o r s i g n a t u r e m a t c h i n g . A n u m b e ro f a p p r o a c h e s may b e u s e d i n a c h i e v i n gt h e b i n a r y e n c o d i n g . H o w e v e r , t h e f o l -l o w i n g a l g o r i t h m a p p e a r s t o g i v e t h e b e s to v e r a l l r e s u l t s . U s i n g t h e s a m e n o t a t i o nas i n E q . 1 , we f i n d t h a t e a c h p i x e l i sw r i t t e n as a n L - c o m p o n e n t v e c t o r

t i j = [ X i i ( X I ) , X i , ( X 2 ) , . . ., X Y ( X L ) ] T( 2 )w h e r e X d e n o t e s w a v e l e n g t h a n d T d e -n o t e s t r a n s p o s e . I f we d e f i n e t h e s c a l a r ,I, a s t h e mean o f t h e ( i , j ) s p e c t r a lv e c t o r ,

LFU=LX i i ( t ) ~ ( 3 )

a b i n a r y - v a l u e d L - e l e m e n t v e c t o r , Y U , i sc o n s t r u c t e d b y= H( Z - p u

w h e r e H ( u ) i s t h e u n i t s t e p o p e r a t o r1 , UHO) u < O

( 4 )

( 5 )An e x a m p l e o f t h e u s e o f t h i s e n c o d i n gs c h e m e i s i l l u s t r a t e d i n F i g . 7 , w h e r e t h er e s u l t s are s h o w n f o r l a b o r a t o r y r e f l e c -t a n c e s p e c t r a o f tw o m i n e r a l s a m p l e s .

I n o r d e r t o c h a r a c t e r i z e t h e s i m i l a r i t yb e t w e e n tw o b i n a r y s p e c t r a l v e c t o r s , t h eHamming d i s t a n c e ( 2 5 ) i s u s e d ,DH(, L)-=-iJ T ( 6 )

orL

D H ( Z , = > E : Y u ( e ) ( Y m n ( e ) ( 7 )w h e r e E D d e n o t e s t h e l o g i c a l e x c l u s i v eO R o p e r a t o r ( 2 6 ) . T h i s d i s t a n c e m e a s u r ei s r e l a t e d t o t h e m o r e f a m i l i a r T a n i m a t om e a s u r e ( 2 5 ) u s e d i n t a x o n o m i c c l a s s i f i -c a t i o n . I n o r d e r t o a c c o m m o d a t e n a t u r a lv a r i a b i l i t y i n s p e c t r a o f s i m i l a r m a t e r i a l s ,t h e a l g o r i t h m i s r u n w i t h t h e u s e o f as p e c i f i c t h r e s h o l d o f a c c e p t a n c e DH=a s u c h t h a t- i i - ,mn i f a n d o n l y i f DH ( 8 )T h i s a l g o r i t h m p r o v i d e s a f a s t m e a n s o fs e a r c h i n g a s ce n e f o r t h e l o c a t i o n o fs p e c i f i c c l a s s e s a n d h a s b e e n u s e d w i t hsu cce ss o n AIS d a t a ( 2 7 ) .M u l t i s p e c t r a l s c e n e c l a s s i f i c a t i o n i se s p e c i a l l y a f f e c t e d b y t h e d i m e n s i o n a l i t yo f i m a g i n g s p e c t r o m e t e r d a t a . T h e g e n e r -a l m u l t i s p e c t r a l c l a s s i f i c a t i o n p r o b l e m i s

0 . 4

C o e f f i c i e n t

A A f t .


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i l l u s t r a t e d d i a g r a m a t i c a l l y i n F i g . 8 . T h ek e y e l e m e n t i n t h i s p r o b l e m a p p e a r s t ob e f i n d i n g a f e a t u r e e x t r a c t i o n o p e r a t o rw i t h e f f i c i e n t i n f o r m a t i o n c o m p r e s s i o np r o p e r t i e s . T h e t r a n s f o r m a t i o n o p e r a t o rc a n b e l i n e a r o r n o n l i n e a r b u t s h o u l dr e d u c e d i m e n s i o n a l i t y a n d a t t h e s a m et i m e p r e s e r v e t h e i n f o r m a t i o n n e c e s s a r yf o r i d e n t i f i c a t i o n o f t h e s p e c t r a l s i g n a -t u r e . O n e o f t h e t r a d i t i o n a l t r a n s f o r m a -t i o n s u s e d i s t h e K a r h u n e n - L o e v e , o rP C , t r a n s f o r m a t i o n ( 2 3 , 2 8 ) . H o w e v e r ,c o n s t r u c t i o n o f t h i s t r a n s f o r m a t i o n r e -q u i r e s e s t i m a t i o n o f t h e c o v a r i a n c e m a -t r i x , a n d t h i s p r o c e s s w o u l d t a k e o n t h eo r d e r o f 1 0 1 3 a r i t h m e t i c o p e r a t i o n s f o r at y p i c a l s c e n e 1 0 b y 1 0 km s u c h a s w i l l b ea c q u i r e d b y A V I R I S . C l e a r l y , m o r ec o m p u t a t i o n a l l y e f f i c i e n t t r a n s f o r m a -t i o n s a r e n e e d e d f o r t h e a n a l y s i s o f i m a g -i n g s p e c t r o m e t e r d a t a .T h e n o n l i n e a r b i n a r y e n c o d i n g a n dc r o s s - c o r r e l a t i o n t e c h n i q u e s d i s c u s s e da b o v e a r e p o s s i b l e i n t h i s c o n t e x t . H o w -e v e r , t h e r e i s a l a r g e c l a s s o f l i n e a rd e t e r m i n i s t i c t r a n s f o r m a t i o n s h a v i n g f a s tn u m e r i c a l i m p l e m e n t a t i o n s t h a t a r e o b v i -o u s c a n d i d a t e s a s f e a t u r e e x t r a c t i o n o p -e r a t o r s . E x a m p l e s i n c l u d e F o u r i e r ,W a l s h - H a d a m a r d , a n d H a a r ( 2 8 ) . An e x -a m p l e o f t h e W a l s h - H a d a m a r d s p e c t r a lt r a n s f o r m a t i o n i s s h o w n i n F i g . 9 . A l ll i n e a r t r a n s f o r m s p r o v i d e d i m e n s i o n a l i t yr e d u c t i o n . H o w e v e r , t h e r e r e m a i n s t h eq u e s t i o n o f c l u s t e r i n g p r o p e r t i e s a n ds i m i l a r i t y m e a s u r e s i n t h e r e d u c e d d i -m e n s i o n p a t t e r n s p a c e . T h e W a l s h - H a -d a m a r d t r a n s f o r m ( 2 8 ) i s p a r t i c u l a r l y a t -t r a c t i v e f r o m t h e s t a n d p o i n t o f c o m p u t a -t i o n a l s p e e d , b e i n g e v e n f a s t e r t h a n t h ef a s t F o u r i e r t r a n s f o r m . F u r t h e r m o r e ,e a r l y a n a l y t i c r e s u l t s i n d i c a t e t h a t a d i -m e n s i o n a l i t y r e d u c t i o n o f e i g h t t o o n ec a n b e a c h i e v e d w h i l e g o o d c l a s s i f i c a t i o na c c u r a c y i s r e t a i n e d .C o n c l u s i o n

D i r e c t i d e n t i f i c a t i o n o f E a r t h s u r f a c em a t e r i a l s o n t h e b a s i s o f t h e i r u n i q u e

s p e c t r a l r e f l e c t a n c e f e a t u r e s i s now p o s -s i b l e w i t h i m a g i n g s p e c t r o m e t e r s y s t e m si n a i r c r a f t a n d e v e n t u a l l y i n s p a c e c r a f t .Ne w i m a g e - p r o c e s s i n g m e t h o d s a r e b e -i n g d e v e l o p e d t o h a n d l e t h e l a r g e q u a n t i -t i e s o f d a t a p r o v i d e d b y t h e s e n e w s e n -s o r s . A n o t h e r s t e p i n m a c h i n e a n a l y s i s o fd a t a , t h e u s e o f k n o w l e d g e - b a s e d e x p e r ts y s t e m m e t h o d s f o r s c e n e a n a l y s i s ( 2 9 ) ,may e v e n t u a l l y b e r e q u i r e d t o m a k e f u l lu s e o f t h e i n f o r m a t i o n c o n t e n t o f t h e s ev e r y l a r g e d a t a s e t s . T h i s a p p r o a c h o f f e r sg r e a t p r o m i s e i n p r o v i d i n g a n i n t e g r a t e dd a t a m a n a g e m e n t a n d d a t a a n a l y s i ss c h e m e s u i t a b l e f o r h a n d l i n g d a t a o f t h ei m a g i n g s p e c t r o m e t e r t y p e . T h e a b i l i t yo f s u c h s y s t e m s t o e f f i c i e n t l y u s e a p r i o r ik n o w l e d g e a b o u t s p e c t r a l c l a s s c h a r a c -t e r i s t i c s , g e n e r a l s c e n e c o n t e n t , a n d s p a -t i a l a s s o c i a t i o n r u l e s m a k e s t h i s a p -p r o a c h q u i t e a t t r a c t i v e . P r o p e r l y d e -s i g n e d , s u c h s y s t e m s w i l l p r o v i d e f o re f f i c i e n t u s e r i n t e r a c t i o n s a n d d y n a m i cm o d i f i c a t i o n o f b o t h t h e k n o w l e d g e b a s ea n d i t s a p p l i c a t i o n t o s p e c i f i c a n a l y t i cp r o b l e m s .

R e f e r e n c e s a n d N o t e s1 . A . F . H . G o e t z a n d L . C . R o w a n , S c i e n c e 2 1 1 ,7 8 1 ( 1 9 8 1 ) .2 . J . F . M c C a u l e y e t a l . , i b i d . 2 1 8 , 1 0 0 4 ( 1 9 8 2 ) .3 . A . F . H . G o e t z , L . C . R o w a n , M . J . K i n g s t o n ,i b i d ., p . 1 0 2 0 ; W. C o l l i n s , S . C h a n g , G . R a i n e s ,F . C a r n e y , R . A s h l e y , E c o n . G e o l . 7 8 , 7 3 7( 1 9 8 3 ) ; N . M . M i l t o n , W. C o l l i n s , S . C h a n g , R .G . S c h m i d t , i b i d . , p . 6 0 5 .4 . S . C . F r e d e n a n d F . G o r d o n , J r . , M a n u a l o fR e m o t e S e n s i n g ( A m e r i c a n S o c i e t y o f P h o t o -g r a m m e t r y , F a l l s C h u r c h , V a . , 1 9 8 3 ) , c h a p . 1 2 .5 . G . R . H u n t , G e o p h y s i c s 4 2 , 5 0 1 ( 1 9 7 7 ) .6 . D . M e i s s n e r , H . L a u c h t , J . B o d e c h t e l , R .H a y d n , i n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 8 3 I n t e r n a t i o n a lG e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n g S y m p o s i u m( I E E E C a t a l o g N o . 8 3 C H 1 8 3 7 - 4 , I E E E , N e wY o r k , 1 9 8 3 ) , p . F A - 4 , 1 . 1 .7 . G . B r a c h e t , i n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 8 1 I n t e r n a -t i o n a l G e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n g S y m p o -s i u m ( I E E E C a t a l o g N o . 8 1 C H 8 6 5 6 - 8 , I E E E ,N e w Y o r k , 1 9 8 1 ) , p . 1 3 1 5 .8 . G . D e C l e r c k , J . B o s i e r s , J . S e v e n h a u s , L . V and e n H o v e , i n P r o c e e d i n g s o f t h e IEEE I n t e r n a -t i o n a l E l e c t r o n D e v i c e s M e e t i n g ( I E E E , N e wY o r k , 1 9 8 3 ) , p . 5 0 5 .9 . M . M . B l o u k e , J . R . J a n e s i c k , J . E . H a l l , M . W .C o w e n s , P . J . M a y , O p t . E n g . 2 2 , 6 0 7 ( 1 9 8 3 ) .1 0 . J . R . J a n e s i c k a n d M . M . B l o u k e , i n P r o c e e d -i n g s 2 8 t h S o c i e t y o f P h o t o - O p t i c a l I n s t r u m e n t a -t i o n E n g i n e e r s A n n u a l I n t e r n a t i o n a l T e c h n i c a lS y m p o s i u m o n O p t i c s a n d E l e c t r o - O p t i c s( S P I E , B e l l i n g h a m , ' V a s h . , 1 9 8 4 ) , v o l . 5 0 1 , p . 2 .1 1 . G . C . B a i l e y , K . M a t t h e w s , C . A . N i b l a c k , i nP r o c e e d i n g s o f t h e S o c i e t y o f P h o t o - O p t i c a lI n s t r u m e n t a t i o n E n g i n e e r s ( S P I E , B e l l i n g h a m ,W a s h . , 1 9 8 3 ) , v o l . 4 3 0 , p . 5 2 .

1 2 . J . P . R o d e , K . V u r a l , J . D . B l a c k w e l l , F . A .C o x , W. N . L i n , i n P r o c e e d i n g s o f t h e I n f r a r e dI n f o r m a t i o n S y s t e m s S p e c i a l t y G r o u p o n I n f r a -r e d D e t e c t o r s (S, S a n D i e g o , 1 9 8 2 ) , p . 3 1 3 .1 3 . J . B . W e l l m a n , A . F . H . G o e t z , M . H e r r i n g , G .V a n e , i n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 8 3 I n t e r n a t i o n a lG e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n g S y m p o s i u m( I E E E C a t a l o g N o . 8 3 C H 1 8 3 7 - 4 , I E E E , N e wY o r k , 1 9 8 3 ) , p . F A - 5 , 6 . 1 .1 4 . G . V an e , A . F . H . G o e t z , J . B . W e l l m a n , IEEET r a n s a c t i o n s o n G e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s -i n g ( I E E E , Ne w Y o r k , i n p r e s s ) .1 5 . G . V an e , M . C h r i s p , H . E n m a r k , S . M a c e n k a , J .S o l o m o n , i n P r o c e e d i n g s o f t h e 1 9 8 4 IEEE I n -t e r n a t i o n a l G e o s c i e n c e a n d R e m o t e S e n s i n gS y m p o s i u m ( P u b l i c a t i o n S P 2 1 5 , E u r o p e a nS p a c e A g e n c y , P a r i s , 1 9 8 4 ) , p . 7 5 1 .1 6 . J . B . Welman e t a l . , i n P r o c e e d i n g s o f t h e I E E EN a t i o n a l T e l e s y s t e m s C o n f e r e n c e ( I E E E C a t a -l o g N o . 8 3 C H 1 9 7 5 - 2 , I E E E , N e w Y o r k , 1 9 8 3 ) ,p . 2 8 6 .1 7 . D . M . B u t l e r e t a l . , E a r t h O b s e r v i n g S y s t e m( T e c h n i c a l M e m o r a n d u m 8 6 1 2 9 , N a t i o n a l A e r o -n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n , W a s h i n g t o n ,D . C . , 1 9 8 4 ) , v o l . 1 .1 8 . M . J . A b r a m s , R . P . A s h l e y , L . C . R o w a n , A . F .H . G o e t z , A . B . K a h l e , G e o l o g y 5 , 7 3 6 ( 1 9 7 7 ) .1 9 . A . B . K a h l e a n d A . F . H . G o e t z , S c i e n c e 2 2 2 , 2 4( 1 9 8 3 ) .2 0 . P . A . M u r t h a , C a n . F o r . S e r . P u b l . 1 2 9 2 ( 1 9 7 2 ) ,p . 1 2 .2 1 . B . N . R o c k a n d J . E . V o g e l m a n n , i n P r o c e e d -i n g s o f A m e r i c a n S o c i e t y o f P h o t o g r a m m e t r y( A m e r i c a n S o c i e t y o f P h o t o g r a m m e t r y , F a i l sC h u r c h , V a . , 1 9 8 5 ) , p . 8 6 0 ; P . A . M u r t h a , I n t .A r c h . P h o t o g r a m m . 1 3 ( B 8 ) , 6 6 7 ( 1 9 8 0 ) ; C . J .T u c k e r , R e m o t e S e n s i n g E n v i r o n . 1 0 , 2 2 ( 1 9 8 0 ) .2 2 . A . F . H . G o e t z , B . N . R o c k , L . C . R o w a n ,E c o n . G e o l . 7 8 , 5 7 3 ( 1 9 8 3 ) .2 3 . P r i n c i p a l c o m p o n e n t s t r a n s f o r m a t i o n i s a l i n e a rt r a n s f o r m a t i o n o f m u l t i v a r i a t e d a t a t o a n e wc o o r d i n a t e s y s t e m i n w h i c h t h e a x e s a r e o r t h o g -o n a l a n d l i n e a r c o m b i n a t i o n s o f t h e o r i g i n a lv a r i a t e s . T h e t r a n s f o r m a t i o n i s d e r i v e d f r o m t h ec o v a r i a n c e m a t r i x t o p r o d u c e a c o o r d i n a t e s y s -t e m i n w h i c h t h e c o r r e l a t i o n a m o n g c l a s s e s o fm a t e r i a l s b as e d o n s p e c t r a l r e f l e c t a n c e i s m i n i -m i z e d . T h e f i r s t t h r e e p r i n c i p a l c o m p o n e n t sw e r e c o m b i n e d t o p , r o d u c e t h e TM a n d A I Sc o l o r i m a g e s s h o w n i n F i g . 6 .2 4 . R . 0 . D u d a a n d P . E . H a r t , P a t t e r n C l a s s i f i c a -t i o n a n d S c e n e A n a l y s i s ( W i l e y , Ne w Y o r k ,1 9 7 3 ) .2 5 . J . T . T o u a n d R . C . G o n z a l e z , P a t t e r n R e c o g n i -t i o n P r i n c i p l e s ( A d d i s o n - W e s l e y , R e a d i n g ,M a s s . , 1 9 7 4 ) , c h a p . 3 .2 6 . J . C . B o y c e , D i g i t a l L o g i c a n d S w i t c h i n g C i r -c u i t s ( P r e n t i c e - H a l l , E n g l e w o o d C l i f f s , N . J . ,1 9 7 5 ) .2 7 . J . E . S o l o m o n a n d M . L e e , i n p r e p a r a t i o n .2 8 . R . C . G o n z a l e z a n d P . W i n t z , D i g i t a l I m a g eP r o c e s s i n g ( A d d i s o n - W e s l e y , R e a d i n g , M a s s . ,1 9 7 9 ) .2 9 . R . 0 . D u d a a n d E . H . S h o r t l i f f e , S c i e n c e 2 2 0 ,2 6 1 ( 1 9 8 3 ) ; M . G o l d b e r g , G . K a r a m , M . A l u o ,p a p e r p r e s e n t e d a t t h e IEEE C o m p u t e r S o c i e t yC o n f e r e n c e , V i s i o n a n d P a t t e r n R e c o g n i t i o n ,W a s h i n g t o n , D . C . , 1 9 8 3 ; T . E . W e y m o u t h , J . S .G r i f f i t h , A . R . H a n s e n , E . M . R i s e m a n , i nP r o c e e d i n g s F o u r t e e n t h D e f e n s e A d v a n c e d R e -s e a r c h P r o j e c t s A g e n c y I m a g e U n d e r s t a n d i n gW o r k s h o p ( D A R P A , W a s h i n g t o n , D . C . , 1 9 8 3 ) ,p . 1 6 8 ; L . N . K a n a l , I E E E T r a n s . P a t t e r n R e c -o g n i t i o n M a c h . I n t e l l . P A M I - 1 , 1 9 3 ( 1 9 7 9 ) .3 0 . T h e r e s e a r c h d e s c r i b e d i n t h i s a r t i c l e w a s c a r -r i e d o u t a t t h e J e t P r o p u l s i o n L a b o r a t o r y , C a l i -f o r n i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , u n d e r c o n t r a c tw i t h t h e N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a nd S p a c e A d -m i n i s t r a t i o n .

goetz etal 1985 science

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