基于彩虹無(wú)人機(jī)的高光譜遙感成像飛行演示

雙利合譜 趙靜遠(yuǎn) 劉業(yè)林 黃智輝 周明好

• 背景介紹

2021年11月中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院（航天十一院）航天彩虹無(wú)人機(jī)股份有限公司與江蘇雙利合譜科技有限公司共同完成基于彩虹無(wú)人機(jī)（CH-4）的高光譜遙感成像飛行測(cè)試，任務(wù)取得圓滿成功。借助航天十一院的飛行平臺(tái)，江蘇雙利合譜科技有限公司的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)**實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)航時(shí)、大面積、高海拔、高溫差環(huán)境下（400nm~1700nm可見(jiàn)-近紅外）固定翼推掃飛行測(cè)試，相機(jī)核心指標(biāo)得到充分印證。同時(shí)，對(duì)采集的航帶高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、校正（大氣、反射率等）和分類識(shí)別等處理也同步達(dá)到預(yù)期目的。

此次飛行測(cè)試，合作雙方充分利用了各自優(yōu)勢(shì)（包括搭載平臺(tái)的選擇、采集通訊控制的串聯(lián)以及數(shù)據(jù)處理等），為更好地服務(wù)于農(nóng)業(yè)遙感、環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)勘探、地震救災(zāi)等應(yīng)用領(lǐng)域提供了基于高光譜成像的技術(shù)支撐。

圖1 彩虹無(wú)人機(jī)搭載平臺(tái)

圖3 云南省怒江傈僳族自治州蘭坪豐華機(jī)場(chǎng)工作人員合影

圖4 全波段高光譜成像系統(tǒng)（無(wú)人機(jī)/有人機(jī)均可作為掛載平臺(tái)）

• 高光譜遙感介紹

高光譜遙感技術(shù)是通過(guò)高光譜傳感器探測(cè)物體反射的電磁波而獲得地物目標(biāo)的空間和頻譜數(shù)據(jù)。高光譜遙感的出現(xiàn)使得許多使用寬波段無(wú)法探查到的物體，更加容易被傳感器探測(cè)捕捉得到，高光譜遙感技術(shù)的出現(xiàn)具有里程碑意義。

2.1、高光譜遙感的特點(diǎn)

（2）光譜響應(yīng)范圍更廣和光譜分辨率高使得高光譜能夠更加精細(xì)地探測(cè)到被探測(cè)物的微小特征。 

（3）高光譜可以提供空間域和光譜域信息，也就是“譜像合一” 。

（4）數(shù)據(jù)量大且信息冗余多。由于高光譜數(shù)據(jù)的波段多，數(shù)據(jù)量大，相鄰波段之間的相關(guān)性比較高就使得信息冗余度增加。

（5）高光譜遙感的數(shù)據(jù)描述模型多，能夠分析的更靈活。經(jīng)常使用的 3 種模型有：圖像，光譜和特征模型。

2.2、高光譜成像的優(yōu)勢(shì)

隨著高光譜成像光譜分辨率的提高，其探測(cè)能力也有所增強(qiáng)。因此，與RGB和多光譜成像相比較，高光譜成像有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

(1) 有著近似連續(xù)的地物光譜信息。高光譜影像在經(jīng)過(guò)光譜反射率重建后，能獲取與被探測(cè)物近似的連續(xù)的光譜反射率曲線，與它的實(shí)測(cè)值相匹配，將實(shí)驗(yàn)室中被探測(cè)物光譜分析模型應(yīng)用到成像過(guò)程中。

(2) 對(duì)于地表覆蓋的探測(cè)和識(shí)別能力極大提高。高光譜數(shù)據(jù)能夠探測(cè)具有診斷性光譜吸收特征的物質(zhì)，能準(zhǔn)確地區(qū)分地表植被覆蓋類型和道路地面材料等。

(3) 地形要素分類識(shí)別方法是多種多樣的。影像分類既可以采用如貝葉斯判別、決策樹(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等的模式識(shí)別方法，也可以采用基于被探測(cè)物的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)的光譜進(jìn)行匹配的方法。分類識(shí)別特征既可以采用光譜診斷特征，也可以采用特征選擇與提取。

(4) 地形要素的定量和半定量分類識(shí)別將成為可能。在高光譜影像中能估計(jì)出多種被探測(cè)物的狀態(tài)參量，大大地提高了成像高定量分析的精度和可靠性。

2.3高光譜成像的應(yīng)用領(lǐng)域

高光譜如今主要被應(yīng)用在民用方面，例如地質(zhì)調(diào)查、植被遙感、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、大氣遙感、水環(huán)境保護(hù)、災(zāi)害環(huán)境遙感、土壤調(diào)查、林業(yè)遙感以及城市環(huán)境遙感等。**方面主要利用高光譜圖像進(jìn)行識(shí)別偽裝以及辨識(shí)固體、液體、氣體和其它化學(xué)物質(zhì)；爭(zhēng)取更多更詳細(xì)地獲取戰(zhàn)場(chǎng)信息包括障礙物、地表特征和水下障礙等。

2.4 高光譜相機(jī)參數(shù)

在此次飛行測(cè)試中，由江蘇雙利合譜科技有限公司提供的機(jī)載高光譜相機(jī)詳細(xì)參數(shù)如表一所示。

表一 高光譜相機(jī)詳細(xì)參數(shù)

圖5為江蘇雙利合譜科技有限公司的高光譜成像系統(tǒng)在2000米高空下獲取的地物成像高光譜數(shù)據(jù),從中獲取地面的光譜信息并進(jìn)行分析數(shù)據(jù)。

（1）可見(jiàn)-近紅外400-1000nm波段高光譜相機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，如圖6、圖7、圖8和圖9所示。

圖6 歸一化植被指數(shù)處理結(jié)果

圖7 紅邊歸一化植被指數(shù)處理結(jié)果

圖8 4 400-1000nm波段相機(jī)不同目標(biāo)的光譜

圖9 400-1000nm波段相機(jī)分類識(shí)別結(jié)果

（2）近紅外900-1700nm波段高光譜相機(jī)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，如圖10和圖11所示。（注：在1400nm附近是水汽吸收窗口）

• 高光譜遙感展望

江蘇雙利合譜科技有限公司將繼續(xù)秉承傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，更好地展示在高光譜技術(shù)領(lǐng)域的**和拼搏精神，努力從實(shí)踐中獲取更多、更全的寶貴經(jīng)驗(yàn)，為我們的生產(chǎn)生活、科學(xué)研究等領(lǐng)域提供全套的產(chǎn)品和技術(shù)服務(wù)工作，相信在2022年我們的技術(shù)和產(chǎn)品又會(huì)得到質(zhì)地提升，市場(chǎng)會(huì)更加客觀地接受我們，繼續(xù)努力。

• 高光譜產(chǎn)品介紹

圖12為江蘇雙利合譜科技有限公司的各類高光譜成像系統(tǒng)設(shè)備及分析軟件，下面將一一展示。圖13為高光譜表型測(cè)試系統(tǒng)；圖14為全波段有人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)；圖15 GaiaSky-mini3無(wú)人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)；圖16 為高光譜激光雷達(dá)系統(tǒng)；圖17 顯微高光譜成像系統(tǒng)；圖18 為專業(yè)分析軟件。

圖12 高光譜成像系統(tǒng)

圖13 表型測(cè)試系統(tǒng)

圖14 全波段有人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)

圖15 GaiaSky-mini3無(wú)人機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)

圖16 高光譜激光雷達(dá)系統(tǒng)

圖17 顯微高光譜成像系統(tǒng)

圖18 專業(yè)分析軟件