Ограничения традиционного мониторинга светового загрязнения и преимущества гиперспектра

Во - первых, важно понять, зачем нужны гиперспектральные технологии.

　　Традиционные методы:: В основном полагается на фотоэлектрический фотометр и камеру для всего неба.

　　Фотоэлектрический фотометр: Измерение в определенном направленииОбщая освещенность или яркость(Единица - люкс или звёздная величина). Он может сказать вам « насколько ярким», но не может отличить источник и состав света.

　　Камера для всего неба:: Снимать изображения ночного неба для анализаСветовое свечение неба, распространение светового загрязнения под облачным покровомИ так далее. Он может видеть « где освещено», но изображение RGB или многоспектральное, с ограниченным объемом информации.

　　Преимущества гиперспектральных технологийА.

　　Способность распознавать "отпечатки пальцев":: Каждый источник света (например, натриевые лампы высокого давления, светодиоды, люминесцентные лампы) имеет свои уникальные спектральные характеристики, как отпечатки пальцев человека. Гиперспектральный визуализатор может одновременно получать данные в сотнях непрерывных диапазонов, что позволяет точноВыявление и количественная оценка различных типов источников света и их соотношенийА.

　　Обнаружение сверх видимого светаВоздействие светового загрязнения выходит далеко за рамки видимого света. Гиперспектральные технологии могут охватывать ближнее инфракрасное, коротковолновое инфракрасное и даже ультрафиолетовое диапазоны, чтобы исследовать:

　　Принуждение растенийИзбыток искусственного света ночью (особенно синего и красного) влияет на фотосинтез и световой цикл растений, а гиперспектр обнаруживает незначительные физиологические изменения в листьях.

　　инверсия состава атмосферы:: Хотя это в основном не является его сильной стороной, в сочетании с алгоритмами можно использовать для дополнительного мониторинга вторичного загрязнения, связанного с ночным освещением, такого как фотохимический дым.

　　Поведение диких животных мешает:: Некоторые животные чувствительны к свету на определенной длине волны, и гиперспектр помогает оценить это воздействие.

II.Малый гиперспектрКонкретные перспективы применения

Миниатюризация является ключом к распространению технологий. Гиперспектральные системы, установленные на беспилотных летательных аппаратах, портативных устройствах или мобильных транспортных средствах, значительно расширяют гибкость и масштаб мониторинга.

1. Обследование городского освещения и анализ источников загрязнения

　　Описание приложения:: Использование беспилотного летательного аппарата с небольшим гиперспектральным формирователем изображений для ночного круизного сканирования городских районов.

　　Решение проблемыА.

　　Точный аудит:: Составьте карту пространственного распределения различных типов уличных фонарей в городе (старые натриевые лампы высокого давления против новых светодиодных уличных фонарей). Это имеет решающее значение для управления городским освещением для планирования планов замены светодиодов и оценки эффективности энергосбережения.

　　Выявление нарушений освещения:: Быстрое выявление чрезмерного освещения, прожекторов в сторону неба, рекламных щитов и ненадлежащего освещения фасадов зданий и т.д. Традиционные методы затрудняют быстрое определение этих « виновников» из массивных источников света.

　　Количественное влияние цветовой температуры: Цветовая температура светодиодных ламп (теплый белый, нейтральный белый, холодный) сильно различается. Высокий спектр может точно измерять цветовую температуру каждого источника света и оценивать влияние высокой цветовой температуры (богатой синим светом) освещения на цвет неба (выцветший синий цвет становится оранжевым или серым) и циркадианский ритм человека (циркадный ритм).

2. Оценка светового загрязнения в экологических заповедниках и астрономических обсерваториях

　　Описание приложения:: Составление карт с фиксированной точкой и инспекций в непосредственной близости от обсерватории или в заповеднике & lt; & lt; Темное небо & gt; & gt; с использованием портативного или автомобильного небольшого гиперспектрального оборудования.

　　Решение проблемыА.

　　Разработка базовых данных:: Точная регистрация типов и интенсивности источников света вокруг охраняемой зоны, обеспечивающая научную основу для определения и управления охраняемой зоной.

　　Мониторинг масштабов воздействия:: Анализ того, какие длины волн светового загрязнения проникают глубже всего в « световой купол» из городов и где границы конкретного воздействия на астрономические наблюдения и среду обитания диких животных.

　　Оценка эффективности мер по снижению освещенности:: Эффективность гиперспектральных повторных измерений проверяется после осуществления таких мер по снижению освещенности, как затенение и нисходящее освещение, чтобы увидеть, действительно ли уменьшается вредное рассеяние света.

3. Усовершенствованные исследования воздействия на экосистемы и здоровье человека

　　Описание приложения:: Это передовое направление с потенциалом гиперспектральных технологий.

　　Мониторинг состояния растительностиАнализируя спектральные изменения отражения листьев растений в определенных условиях освещения, можно неинвазивно отслеживать физиологическое воздействие ночного искусственного света на растительность и оценивать его влияние на первичную продуктивность экосистемы.

　　Анализ взаимосвязи между здоровьем человекаОпределив преобладающее соотношение синего света в окружающей среде, можно построить модель его потенциальной корреляции с проблемами со здоровьем, такими как нарушения сна и гормональной секреции у жителей региона. Это обеспечивает поддержку данных для разработки более гуманной политики освещения.

4. Охрана исторических памятников и памятников культуры

　　Описание приложения:: Многие памятники построены из светочувствительного камня (например, мрамора).

　　Решение проблемы:: Гиперспектральный анализ долгосрочного воздействия различных источников света (особенно источников с высоким содержанием ультрафиолетового излучения) на поверхность культурных реликвий может помочь разработать неразрушающую схему освещения дисплея, чтобы сбалансировать декоративные потребности с защитой культурных реликвий.

III. Проблемы и будущие направления развития

Несмотря на большие перспективы, применение этой технологии по - прежнему сталкивается с проблемами:

　　Сложность обработки и анализа данных: Гиперспектральный объем данных огромен ("размерная катастрофа") и требует мощных алгоритмов для выполненияСпектральное смешивание(Выделение вклада различных источников света из гибридных пикселей) иКлассификацияЭто требует глубокого участия искусственного интеллекта и машинного обучения.

　　Радиационная калибровка и стандартизацияОбеспечение сопоставимости и точности данных на разных устройствах, в разное время и в различных погодных условиях является основой для создания надежной базы данных. В настоящее время отсутствуют единые стандарты.

　　Стоимость и портативность:: Несмотря на миниатюризацию, высокопроизводительные небольшие гиперспектральные устройства остаются дорогими, а обработка данных требует специальных знаний и вычислительной мощности.

　　Технические трудности ночного изображения.:: Слабый ночной свет, низкое отношение сигнала и шума, высокая чувствительность датчика и скорость пропускания оптической системы. Обычно требуется более длительное время экспозиции и активное освещение (но это само по себе может стать источником светового загрязнения и требует осторожного использования).

　　Будущие направления развития:

　　Интеллектуальный перевод на основе ИИМодели глубокого обучения позволят в режиме реального времени автоматически определять тип источника света, оценивать его мощность и оценивать его воздействие на окружающую среду.

　　Миниатюризация и чипирование:: По мере развития технологий гиперспектральные устройства будут более компактными, с низким энергопотреблением и даже интегрированы в датчики размером со смартфон для достижения реального универсального мониторинга.

　　Многоплатформенная кооперационная сеть:: Построить сеть стереоскопического мониторинга, состоящую из спутников (макро), беспилотных летательных аппаратов / дирижаблей (средний вид), наземных мобильных станций / портативных устройств (микроскопов) для достижения бесшовного мониторинга светового загрязнения от глобального до угла улицы.

　　Сочетание с Интернетом вещей (IoT):: Подключение небольших гиперспектральных датчиков к городскому Интернету вещей для интеллектуального управления и динамического регулирования осветительных объектов.

заключение

　　Перспективы применения небольших гиперспектральных технологий в мониторинге светового загрязнения чрезвычайно многообещающие, и это революция от « экстенсивного измерения яркости» до « тонкого управления».

Он не только говорит нам, как "ярко" ночное небо, но и раскрывает "какой свет", "откуда" и "какое конкретное влияние оказало". Эта технология является мощным инструментом для более научного, точного и гуманного управления городским освещением, защиты нашего драгоценного ночного неба и окружающей среды. Несмотря на проблемы, по мере развития технологии, она, несомненно, станет одной из основных технологий в области управления световым загрязнением и защиты астрономической среды в будущем.