無人機載高光譜成像設備研究及應用進展

摘要：無人機載高光譜成像設備因其機動靈活、操作簡單等優(yōu)點，被應用于諸多研究領域，具有廣泛的發(fā)展前景。本文對當前無人機載高光譜成像設備的相關研究進展進行了系統(tǒng)的總結和評述。首先，基于高光譜成像儀的發(fā)展過程闡述了無人機載高光譜成像設備在數據獲取中的顯著優(yōu)勢；其次，從成像方式和研究現狀方面指出了目前無人機載高光譜成像設備影像幅寬窄、成本高和國產化水平低的問題，并介紹了基于無人機高光譜成像設備的應用研究成果，針對當前的設備缺點提出解決方案；最后，指出了無人機載高光譜成像設備的未來發(fā)展趨勢。本文可為無人機載高光譜成像設備的研制提供一定的借鑒和參考，也可為基于無人機載高光譜成像設備的應用提供一定幫助。

1 高光譜成像儀的發(fā)展

遙感技術出現之后, 在探測器技術提高的基礎上, 首先在美國出現了將影像與光譜探測融合為一體的思路。20世紀80年代初期, 童慶禧等與美國JPL專家安·卡爾的交流中了解了這一思路, 并與中國科學院上海技術物理研究所薛永祺研究了這一新型遙感技術實現的可能, 這也是我國開展高光譜遙感技術研究的起源, 相關研究工作為我國后來開展的成像光譜技術研究奠定了重要基礎。高光譜成像儀作為新一代傳感器, 能夠獲取連續(xù)窄波段的光譜信息, 從而識別出具有診斷性波譜的地物?，F有的高光譜傳感器主要是航天高光譜傳感器、航空高光譜傳感器、地面高光譜成像儀及無人機載高光譜成像載荷, 搭載在包括衛(wèi)星、飛機、無人機和地面工作平臺等不同高度的遙感平臺上。

自1980年以來, 航空高光譜傳感器已經得到很大發(fā)展, 并且在水質監(jiān)測、葉面積指數監(jiān)測等研究中進入實用階段。1988年文獻利用航空成像光譜儀AIS圖像數據進行礦物探測識別并制圖, 該研究成果的發(fā)表代表著利用遙感手段獲取地物目標的連續(xù)光譜信息的開始。在AIS的基礎上發(fā)展起來的機載可見光-紅外成像光譜儀AVIRIS于1987年開始投入飛行使用, 此后經過了多次升級改造。與此同時, 一些發(fā)達國家也開始研制成像光譜儀。在AIS和AVIRIS的基礎上, 相關研究人員研制了各式各樣的航空高光譜成像儀, 如加拿大的CASI傳感器及澳大利亞的機載成像光譜儀Hymap等。為了推進我國成像光譜技術的發(fā)展, 2002年租用了Hymap進行了一系列包括儀器飛行、數據獲取處理及應用研究的工作。我國在成像光譜儀方面也取得較大進展, 20世紀80年代后期研制和發(fā)展了航空成像光譜儀MAIS, 此后上海技術物理研究所又自行研制了推帚式成像光譜儀PHI系列及實用型模塊化成像光譜儀OMIS。長春光機所研制了高分辨率成像光譜儀C-HRIS, 并于2011年研制無人機載高光譜成像儀, 目前已投入實際應用。

航天高光譜成像技術是在機載成像光譜技術的基礎上發(fā)展起來的[18], 機載高光譜成像儀的應用實踐為航天高光譜成像儀的研制工作奠定了基礎。20世紀90年代, 航天光譜成像儀的發(fā)展已經成為一個熱門課題, 受到國際的廣泛關注。美國的中分辨率成像光譜儀MODIS、Hyperion成像光譜儀、超光譜成像儀試驗相機FTHSI, 歐洲環(huán)境衛(wèi)星上搭載的MERIS及CHRIS衛(wèi)星相繼發(fā)射升空, 宣告航天高光譜時代的到來。其中2000年美國成功發(fā)射的Hyperion成像儀為高光譜遙感研究獲取了大量珍貴的數據, 具有里程碑意義。我國于2008年發(fā)射了HJ-1A衛(wèi)星, 這是一顆高光譜儀成像衛(wèi)星。2011年長春光機所和上海技術物理所共同研制的高光譜成像儀搭載于“天宮一號”目標飛行器升空。長春光機所目前開展我國“高光譜與高空間分辨率CO2探測儀”的研制工作, 該項目的研制將填補我國星載高光譜溫室氣體探測儀的空白。2018年5月發(fā)射的“高分5號”衛(wèi)星是首顆實現對大氣和陸地綜合觀測的全譜段高光譜衛(wèi)星。

近年來, 隨著無人機的發(fā)展, 基于無人機的高光譜成像載荷也得到快速發(fā)展, 出現了一系列無人機載高光譜成像儀, 這些成像設備一般可應用于地面試驗研究。此外, 利用非成像光譜儀在野外或實驗室測量各種地物的光譜反射率、透射率及其他輻射率, 可幫助理解各種地物的光譜特性, 提高不同種類遙感數據的分析應用精度, 還可以模擬和定標一切成像光譜儀在升空之前的工作性能, 如確定傳感器測量光譜范圍、波段設置和評價遙感數據等。

基于不同遙感平臺的高光譜成像儀各有優(yōu)缺點, 總體而言, 航空光譜儀相較于衛(wèi)星遙感成本高; 航天光譜成像儀的幅寬大, 覆蓋面積廣, 但空間分辨率較低, 時效性差, 可使用的高光譜衛(wèi)星數據很少, 不能滿足當前的研究需求; 地面光譜成像儀雖然成本較低, 但是靈活性也低, 在野外試驗過程中會造成人力物力浪費。而無人機載高光譜成像儀因其機動靈活、時效性高等優(yōu)點得到大力發(fā)展。高光譜成像儀的發(fā)展過程及各階段的特點如圖 1所示。

圖 1 高光譜成像儀的發(fā)展

2 無人機載高光譜成像設備

2.1 成像方式

目前無人機載高光譜成像設備的成像方式主要有推掃式掃描成像、內置推掃式掃描成像及畫幅式成像。

無人機載高光譜成像方式主要為推掃式掃描。推掃式掃描系統(tǒng)利用飛行器的向前運動, 借助于與飛行方向垂直的掃描線記錄而構成二維圖像。具體地說, 就是通過儀器中的廣角光學系統(tǒng)平面反射鏡采集地面輻射能, 并將之反射到反射鏡組, 再通過聚焦投射到焦平面的陣列探測元件上。這些光電轉換元件同時感應地面響應, 同時采光, 同時轉換為電信號, 同時成像。

在推掃式掃描的基礎上, 四川雙利合譜科技有限公司針對小型旋翼無人機開發(fā)了內置推掃成像系統(tǒng)和增穩(wěn)系統(tǒng), 固定成像位置, 減輕了整機重量并降低了能耗。美國SOC公司也研制出內置平移推掃的無人機載高光譜成像儀。內置推掃成像方式的出現, 進一步促進了輕小型無人機高光譜成像設備的應用和發(fā)展。

德國Cubert公司研制了Cubert S185機載成像光譜儀。該成像光譜儀利用畫幅式同步成像技術, 無需任何移動部件, 即可實現快速光譜成像而不需要掃描成像(如推掃技術), 可在0.001 s內獲取整個高光譜圖像立方體。畫幅式成像光譜儀可以獲得瞬間的連續(xù)二維空間光譜數據, 主要用于動態(tài)運動的非穩(wěn)定的無人機遙感平臺或地面人工測量。

推掃式掃描成像由于具有容易實現、高分辨率和高系統(tǒng)靈敏度、體積小、重量輕等優(yōu)點而成為無人機載高光譜成像設備設計的成像方式。但是該成像方式受到像方成像系統(tǒng)和探測器大小的限制, 總視場一般在20°~30°之間, 并且存在影像幾何變形大、校正難度大的問題。內置推掃式掃描成像是在推掃式掃描基礎上的升級改進, 其結構和體積更小, 但是需要在空中停頓, 效率低。畫幅式成像方式成像速度快, 但當無人機載成像光譜儀進行大范圍數據獲取時, 存在數據量大的問題, 并且其空間分辨率低、譜段少。此外, 3種成像方式普遍存在著影像幅寬窄的問題, 當觀測范圍較大時需要進行圖像拼接, 增大了處理難度和工作量。

2.2 成像設備的研究現狀

國內進行無人機載高光譜成像設備研制的機構主要有長春光機所和上海技物所。其中前者于2011年成功研制完成了基于Offner凸光柵分光譜方式的無人機載高光譜成像儀, 目前已經投入到實際應用中。上海技物所徐永琪院士團隊致力于光譜成像儀的研究, 于2012年成功研制出短波紅外波段的地面成像光譜系統(tǒng)進而于2013年成功研發(fā)小型航空成像光譜系統(tǒng), 并進行試飛。

國內自主研制無人機載高光譜成像設備的公司較少。北京歐普特公司在美國Headwall公司機載成像光譜儀的基礎上開發(fā)了機載高光譜成像系統(tǒng),。此外, 四川雙利合譜科技有限公司研制的GaiaSky-mini高光譜成像系統(tǒng)是針對小型旋翼無人機開發(fā)的高性價比機載高光譜成像系統(tǒng)。目前國內產品主要是由國內公司代理國外產品, 設備國產化水平低, 并且產品平均價格在50萬元左右, 高性能的成像設備價位則更高。在具體應用中, 需要將成像儀與無人機飛行平臺、增穩(wěn)云臺、數據處理系統(tǒng)等結合成一套系統(tǒng)使用, 開展應用研究的成本十分高昂。

國外進行無人機載高光譜成像設備研制的機構則較多, 主要有歐洲微電子中心, 美國SOC公司、Resonon公司、BaySpec公司、OKSI公司, 德國Cubert公司, 挪威NEO公司, 芬蘭SPECIM公司等, 具體見表 1。

3 無人機載高光譜成像設備的主要應用領域

(1)地質礦產。區(qū)域地質制圖和礦產勘探是高光譜技術在眾多應用領域中最為成功的領域之一。礦產資源勘探、巖石礦物識別和填圖等一直是高光譜技術發(fā)展和應用的主要方向。文獻通過無人機獲取多光譜長波紅外和高光譜短波紅外圖像, 根據礦物在紅外波段發(fā)射率的差異, 實現了索科洛夫褐煤露天礦的礦物分類。

(2)植被和生態(tài)研究。高光譜遙感憑借其高光譜分辨率的優(yōu)勢在植被研究中的應用已從植被遙感擴大到生態(tài)意義方面[23]。當前的相關研究主要是利用高光譜數據獲得紅邊和植被指數等信息, 從而對植被長勢、植被生物量進行定向定量的評價, 或進行產量估算。文獻[24]對通過無人機獲取的高光譜數據進行偏最小二乘回歸法和植被指數計算, 研究了草地結構和生化特征。文獻[25]提出了用于植被監(jiān)測的高光譜數字表面模型, 該模型將三維表面的表示與無人機獲得目標物的反射與發(fā)射信息相結合。此外, 無人機高光譜遙感技術還可用于對樹木種類的識別和樹木疾病的監(jiān)測等研究[26]。

(3)農業(yè) 。高光譜遙感技術在精準農業(yè)方面為農業(yè)發(fā)展提供了技術保障及數據來源, 發(fā)揮著重要作用。具體表現為能夠根據高光譜遙感技術快速獲得的精確作物生長狀態(tài)及環(huán)境脅迫的各種信息, 相應調整投入物資的投入量, 達到減少浪費、增加產量、保護農業(yè)資源和環(huán)境質量的目的。近幾年, 國外陸續(xù)出現了無人機高光譜遙感的農業(yè)研究。文獻[27]研究了輕小型無人機高光譜成像系統(tǒng)在精準農業(yè)方面的應用, 對高光譜反射特征生物量估算過程展開了研究。文獻[28]將無人機高光譜遙感數據和地面數據結合對冬小麥葉面積指數進行了研究, 從無人機高光譜遙感精細光譜特征信息角度詳細論證了基于無人機高光譜遙感估測冬小麥葉面積指數的價值。文獻[29]利用無人機高光譜遙感平臺獲取了東北粳稻的高光譜信息, 進行相關處理后的結果表明能夠為掌握水稻的生長信息、科學施肥提供一定的理論基礎和技術支撐。

(4)水質監(jiān)測。無人機載高光譜遙感技術因其靈活機動的特點在近海及小范圍的水質監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用, 水質監(jiān)測近些年成為無人機高光譜成像設備的應用研究熱點領域之一。文獻[30]利用無人機對河水中的淹沒水生植物進行監(jiān)測, 結果表明無人機光學遙感技術能夠有效監(jiān)測低濁度和良好光學傳輸的淺水河中的藻類和淹沒水生植被。文獻[31]利用機載高光譜數據評估淺水和渾濁湖泊中的懸浮顆粒物和水生植被。文獻[32]提出了一種基于無人機影像的逐像元匹配算法研究水質監(jiān)測經驗模型。文獻[33]使用基于輕型無人機的光譜儀系統(tǒng)測量環(huán)境變量對水反射率的影響, 該研究方法和結果有助于更好地理解采用遙感技術獲取水體的反射率, 并可應用于基于無人機的水質評估或幫助驗證更高海拔的圖像。

(5)作物病蟲害監(jiān)測。近年來, 作物病蟲害常態(tài)化發(fā)生逐年加重, 部分地區(qū)病蟲害已成為農業(yè)生產的第一大災害, 給農業(yè)生產造成重大損失。中科院遙感所黃文江研究員及其團隊致力于作物長勢及病蟲害監(jiān)測研究, 建立了葉片、冠層尺度的小麥、水稻、玉米等作物主要病蟲害的高光譜遙感監(jiān)測模型和相關監(jiān)測系統(tǒng), 在作物病蟲害遙感監(jiān)測與損失評估方面做出了重要貢獻。文獻[34]提出了一種基于無人機高光譜和空間數據提高葡萄園和農作物植物病蟲害監(jiān)測的新方法, 結果表明高光譜圖像有可能在視覺檢查之前檢測葡萄根瘤蚜。

(6)城市氣體泄漏。機載長波紅外輻射高光譜數據已經用于檢測工業(yè)化學氣體, 但受尺寸和重量限制, 現有的長波紅外輻射傳感器很少搭載在無人機上。長波紅外輻射高光譜傳感器的最小化和與無人機的集成在城市應用中有很好的發(fā)展前景[35]。

4 解決方案

針對當前無人機載高光譜成像設備在研制和應用中存在的問題, 筆者提出了一種新型滾動式掃描成像方式。

滾動式掃描成像設備的基本原理為:將高光譜相機固定在滾筒表面, 為了維持滾筒在轉動過程中的重量平衡, 將彩色相機固定在滾筒表面另一側, 即高光譜相機與彩色相機以滾筒的中心軸為對稱軸對稱設置在滾筒的表面, 高光譜相機能夠在滾動過程中實現數據的獲取。其連接關系如圖 2所示。

同時為靈活控制成像范圍、降低數據存儲量并減少強烈的太陽光照和雨水等外界環(huán)境因素對相機鏡頭的損傷影響, 在滾筒外側裝有遮擋罩。每次飛行前該遮擋罩可根據飛行任務進行調整, 掃描視場角可根據飛行任務改變, 使其掃描成像范圍靈活可控, 對于遮擋區(qū)域的影像不進行成像存儲, 降低數據存儲量。圖 3為基于滾動式掃描的高光譜成像裝置的結構示意圖。

圖 3 裝置結構

該滾動式掃描成像設備在工作時, 成像設備搭載在飛行平臺上, 飛行平臺以速度v1沿前進方向飛行。滾動式掃描成像系統(tǒng)中, 轉動軸在馬達驅動下帶動滾筒及滾筒表面的相機以速度v2進行360°旋轉滾動, 在滾動過程中獲取影像, 滾筒的滾動旋轉方向垂直飛行平臺前進方向。圖 4為滾動式掃描成像設備的成像原理圖。

5 結語

本文對當前無人機載高光譜成像設備的研究及應用進展進行了探索, 詳細論述了高光譜成像儀的發(fā)展過程及其優(yōu)缺點; 對現有的無人機載高光譜成像設備的成像方式進行分析, 指出了獲取影像幅寬窄的問題; 介紹了基于無人機高光譜成像設備的應用研究成果, 并提出了滾動式掃描成像的新型成像方式; 對無人機載高光譜成像設備的未來發(fā)展趨勢進行了分析和預測。影像幅寬窄和成本高是制約當前無人機載高光譜成像設備發(fā)展和開展應用研究的重要問題。提高無人機載高光譜成像設備的國產化水平會在一定程度上降低成本, 也是我國相關技術人員需要攻克的難點問題。未來, 無人機載高光譜成像設備會向低成本、大幅寬及高國產化等方向發(fā)展, 這將會為諸多領域的應用研究帶來新的突破。

來源：李月, 楊燦坤, 周春平, 等. 無人機載高光譜成像設備研究及應用進展[J]. 測繪通報，2019(9)：1-6,17.