無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的研究及應(yīng)用進(jìn)展

摘要：無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備因其機(jī)動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于諸多研究領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展前景。本文對(duì)當(dāng)前無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和評(píng)述。首先，基于高光譜成像儀的發(fā)展過程闡述了無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備在數(shù)據(jù)獲取中的顯著優(yōu)勢(shì)；其次，從成像方式和研究現(xiàn)狀方面指出了目前無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備影像幅寬窄、成本高和國產(chǎn)化水平低的問題，并介紹了基于無人機(jī)高光譜成像設(shè)備的最新應(yīng)用研究成果，針對(duì)當(dāng)前的設(shè)備缺點(diǎn)提出解決方案；最后，指出了無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的未來發(fā)展趨勢(shì)。本文可為無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的研制提供一定的借鑒和參考，也可為基于無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的應(yīng)用提供一定幫助。

1 高光譜成像儀的發(fā)展

遙感技術(shù)出現(xiàn)之后, 在探測(cè)器技術(shù)提高的基礎(chǔ)上, 首先在美國出現(xiàn)了將影像與光譜探測(cè)融合為一體的思路。20世紀(jì)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(xué)院上海技術(shù)物理研究所薛永祺研究了這一新型遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可能, 這也是我國開展高光譜遙感技術(shù)研究的起源, 相關(guān)研究工作為我國后來開展的成像光譜技術(shù)研究奠定了重要基礎(chǔ)。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(shí)別出具有診斷性波譜的地物。現(xiàn)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(jī)載高光譜成像載荷, 搭載在包括衛(wèi)星、飛機(jī)、無人機(jī)和地面工作平臺(tái)等不同高度的遙感平臺(tái)上。

自1980年以來, 航空高光譜傳感器已經(jīng)得到很大發(fā)展, 并且在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、葉面積指數(shù)監(jiān)測(cè)等研究中進(jìn)入實(shí)用階段。1988年文獻(xiàn)利用航空成像光譜儀AIS圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行礦物探測(cè)識(shí)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(biāo)的連續(xù)光譜信息的開始。在AIS的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的機(jī)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(jīng)過了多次升級(jí)改造。與此同時(shí), 一些發(fā)達(dá)國家也開始研制成像光譜儀。在AIS和AVIRIS的基礎(chǔ)上, 相關(guān)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(jī)載成像光譜儀Hymap等。為了推進(jìn)我國成像光譜技術(shù)的發(fā)展, 2002年租用了Hymap進(jìn)行了一系列包括儀器飛行、數(shù)據(jù)獲取處理及應(yīng)用研究的工作。我國在成像光譜儀方面也取得較大進(jìn)展, 20世紀(jì)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(shù)物理研究所又自行研制了推帚式成像光譜儀PHI系列及實(shí)用型模塊化成像光譜儀OMIS。長春光機(jī)所研制了高分辨率成像光譜儀C-HRIS, 并于2011年研制無人機(jī)載高光譜成像儀, 目前已投入實(shí)際應(yīng)用。

航天高光譜成像技術(shù)是在機(jī)載成像光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[18], 機(jī)載高光譜成像儀的應(yīng)用實(shí)踐為航天高光譜成像儀的研制工作奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代, 航天光譜成像儀的發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)熱門課題, 受到國際的廣泛關(guān)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(yàn)相機(jī)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(shí)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(shù)據(jù), 具有里程碑意義。我國于2008年發(fā)射了HJ-1A衛(wèi)星, 這是國內(nèi)第一顆高光譜儀成像衛(wèi)星。2011年長春光機(jī)所和上海技術(shù)物理所共同研制的高光譜成像儀搭載于“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器升空。長春光機(jī)所目前開展我國首臺(tái)“高光譜與高空間分辨率CO2探測(cè)儀”的研制工作, 該項(xiàng)目的研制將填補(bǔ)我國星載高光譜溫室氣體探測(cè)儀的空白。2018年5月發(fā)射的“高分5號(hào)”衛(wèi)星是世界首顆實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣和陸地綜合觀測(cè)的全譜段高光譜衛(wèi)星。

近年來, 隨著無人機(jī)的發(fā)展, 基于無人機(jī)的高光譜成像載荷也得到快速發(fā)展, 出現(xiàn)了一系列無人機(jī)載高光譜成像儀, 這些成像設(shè)備一般可應(yīng)用于地面試驗(yàn)研究。此外, 利用非成像光譜儀在野外或?qū)嶒?yàn)室測(cè)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(shù)據(jù)的分析應(yīng)用精度, 還可以模擬和定標(biāo)一切成像光譜儀在升空之前的工作性能, 如確定傳感器測(cè)量光譜范圍、波段設(shè)置和評(píng)價(jià)遙感數(shù)據(jù)等。

基于不同遙感平臺(tái)的高光譜成像儀各有優(yōu)缺點(diǎn), 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(shí)效性差, 可使用的高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)很少, 不能滿足當(dāng)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(yàn)過程中會(huì)造成人力物力的極大浪費(fèi)。而無人機(jī)載高光譜成像儀因其機(jī)動(dòng)靈活、時(shí)效性高等優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)如圖 1所示。

圖 1高光譜成像儀的發(fā)展

2 無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備

2.1 成像方式

目前無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的成像方式主要有推掃式掃描成像、內(nèi)置推掃式掃描成像及畫幅式成像。

無人機(jī)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(yùn)動(dòng), 借助于與飛行方向垂直的掃描線記錄而構(gòu)成二維圖像。具體地說, 就是通過儀器中的廣角光學(xué)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(cè)元件上。這些光電轉(zhuǎn)換元件同時(shí)感應(yīng)地面響應(yīng), 同時(shí)采光, 同時(shí)轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 同時(shí)成像。

在推掃式掃描的基礎(chǔ)上, 四川雙利合譜科技有限公司針對(duì)小型旋翼無人機(jī)開發(fā)了內(nèi)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(jī)重量并降低了能耗。美國SOC公司也研制出內(nèi)置平移推掃的無人機(jī)載高光譜成像儀。內(nèi)置推掃成像方式的出現(xiàn), 進(jìn)一步促進(jìn)了輕小型無人機(jī)高光譜成像設(shè)備的應(yīng)用和發(fā)展。

德國Cubert公司研制了Cubert S185機(jī)載成像光譜儀。該成像光譜儀利用畫幅式同步成像技術(shù), 無需任何移動(dòng)部件, 即可實(shí)現(xiàn)快速光譜成像而不需要掃描成像(如推掃技術(shù)), 可在0.001 s內(nèi)獲取整個(gè)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(shù)據(jù), 主要用于動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的非穩(wěn)定的無人機(jī)遙感平臺(tái)或地面人工測(cè)量。

推掃式掃描成像由于具有容易實(shí)現(xiàn)、高分辨率和高系統(tǒng)靈敏度、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而成為無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備設(shè)計(jì)的首選成像方式。但是該成像方式受到像方成像系統(tǒng)和探測(cè)器大小的限制, 總視場(chǎng)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(nèi)置推掃式掃描成像是在推掃式掃描基礎(chǔ)上的升級(jí)改進(jìn), 其結(jié)構(gòu)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(dāng)無人機(jī)載成像光譜儀進(jìn)行大范圍數(shù)據(jù)獲取時(shí), 存在數(shù)據(jù)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(dāng)觀測(cè)范圍較大時(shí)需要進(jìn)行圖像拼接, 增大了處理難度和工作量。

2.2 成像設(shè)備的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)進(jìn)行無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備研制的機(jī)構(gòu)主要有長春光機(jī)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(jī)載高光譜成像儀, 目前已經(jīng)投入到實(shí)際應(yīng)用中。上海技物所徐永琪院士團(tuán)隊(duì)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(jìn)而于2013年成功研發(fā)小型航空成像光譜系統(tǒng), 并進(jìn)行試飛。

國內(nèi)自主研制無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的公司較少。北京歐普特公司在美國Headwall公司機(jī)載成像光譜儀的基礎(chǔ)上開發(fā)了國內(nèi)第一套機(jī)載高光譜成像系統(tǒng), 并獲得了國家專利保護(hù)。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(duì)小型旋翼無人機(jī)開發(fā)的高性價(jià)比機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。目前國內(nèi)產(chǎn)品主要是由國內(nèi)公司代理國外產(chǎn)品, 設(shè)備國產(chǎn)化水平低, 并且產(chǎn)品平均價(jià)格在50萬元左右, 高性能的成像設(shè)備價(jià)位則更高。在具體應(yīng)用中, 需要將成像儀與無人機(jī)飛行平臺(tái)、增穩(wěn)云臺(tái)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等結(jié)合成一套系統(tǒng)使用, 開展應(yīng)用研究的成本十分高昂。

國外進(jìn)行無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備研制的機(jī)構(gòu)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(jī)載高光譜成像設(shè)備的主要應(yīng)用領(lǐng)域

(1)地質(zhì)礦產(chǎn)。區(qū)域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是高光譜技術(shù)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中最為成功的領(lǐng)域之一。礦產(chǎn)資源勘探、巖石礦物識(shí)別和填圖等一直是高光譜技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要方向。文獻(xiàn)通過無人機(jī)獲取多光譜長波紅外和高光譜短波紅外圖像, 根據(jù)礦物在紅外波段發(fā)射率的差異, 實(shí)現(xiàn)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(shì)在植被研究中的應(yīng)用已從植被遙感擴(kuò)大到生態(tài)意義方面[23]。當(dāng)前的相關(guān)研究主要是利用高光譜數(shù)據(jù)獲得紅邊和植被指數(shù)等信息, 從而對(duì)植被長勢(shì)、植被生物量進(jìn)行定向定量的評(píng)價(jià), 或進(jìn)行產(chǎn)量估算。文獻(xiàn)[24]對(duì)通過無人機(jī)獲取的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行偏最小二乘回歸法和植被指數(shù)計(jì)算, 研究了草地結(jié)構(gòu)和生化特征。文獻(xiàn)[25]提出了用于植被監(jiān)測(cè)的高光譜數(shù)字表面模型, 該模型將三維表面的表示與無人機(jī)獲得目標(biāo)物的反射與發(fā)射信息相結(jié)合。此外, 無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)還可用于對(duì)樹木種類的識(shí)別和樹木疾病的監(jiān)測(cè)等研究[26]。

(3)農(nóng)業(yè) 。高光譜遙感技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)保障及數(shù)據(jù)來源, 發(fā)揮著重要作用。具體表現(xiàn)為能夠根據(jù)高光譜遙感技術(shù)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(yīng)調(diào)整投入物資的投入量, 達(dá)到減少浪費(fèi)、增加產(chǎn)量、保護(hù)農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境質(zhì)量的目的。近幾年, 國外陸續(xù)出現(xiàn)了無人機(jī)高光譜遙感的農(nóng)業(yè)研究。文獻(xiàn)[27]研究了輕小型無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用, 對(duì)高光譜反射特征生物量估算過程展開了研究。文獻(xiàn)[28]將無人機(jī)高光譜遙感數(shù)據(jù)和地面數(shù)據(jù)結(jié)合對(duì)冬小麥葉面積指數(shù)進(jìn)行了研究, 從無人機(jī)高光譜遙感精細(xì)光譜特征信息角度詳細(xì)論證了基于無人機(jī)高光譜遙感估測(cè)冬小麥葉面積指數(shù)的價(jià)值。文獻(xiàn)[29]利用無人機(jī)高光譜遙感平臺(tái)獲取了東北粳稻的高光譜信息, 進(jìn)行相關(guān)處理后的結(jié)果表明能夠?yàn)檎莆账镜纳L信息、科學(xué)施肥提供一定的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

(4)水質(zhì)監(jiān)測(cè)。無人機(jī)載高光譜遙感技術(shù)因其靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)在近海及小范圍的水質(zhì)監(jiān)測(cè)中發(fā)揮了重要作用, 水質(zhì)監(jiān)測(cè)近些年成為無人機(jī)高光譜成像設(shè)備的應(yīng)用研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。文獻(xiàn)[30]利用無人機(jī)對(duì)河水中的淹沒水生植物進(jìn)行監(jiān)測(cè), 結(jié)果表明無人機(jī)光學(xué)遙感技術(shù)能夠有效監(jiān)測(cè)低濁度和良好光學(xué)傳輸?shù)臏\水河中的藻類和淹沒水生植被。文獻(xiàn)[31]利用機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)評(píng)估淺水和渾濁湖泊中的懸浮顆粒物和水生植被。文獻(xiàn)[32]提出了一種基于無人機(jī)影像的逐像元匹配算法研究水質(zhì)監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。文獻(xiàn)[33]使用基于輕型無人機(jī)的光譜儀系統(tǒng)測(cè)量環(huán)境變量對(duì)水反射率的影響, 該研究方法和結(jié)果有助于更好地理解采用遙感技術(shù)獲取水體的反射率, 并可應(yīng)用于基于無人機(jī)的水質(zhì)評(píng)估或幫助驗(yàn)證更高海拔的圖像。

(5)作物病蟲害監(jiān)測(cè)。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(nóng)業(yè)生產(chǎn)的第一大災(zāi)害, 給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大損失。中科院遙感所黃文江研究員及其團(tuán)隊(duì)致力于作物長勢(shì)及病蟲害監(jiān)測(cè)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(cè)模型和相關(guān)監(jiān)測(cè)系統(tǒng), 在作物病蟲害遙感監(jiān)測(cè)與損失評(píng)估方面做出了重要貢獻(xiàn)。文獻(xiàn)[34]提出了一種基于無人機(jī)高光譜和空間數(shù)據(jù)提高葡萄園和農(nóng)作物植物病蟲害監(jiān)測(cè)的新方法, 結(jié)果表明高光譜圖像有可能在視覺檢查之前檢測(cè)葡萄根瘤蚜。

(6)城市氣體泄漏。機(jī)載長波紅外輻射高光譜數(shù)據(jù)已經(jīng)用于檢測(cè)工業(yè)化學(xué)氣體, 但受尺寸和重量限制, 現(xiàn)有的長波紅外輻射傳感器很少搭載在無人機(jī)上。長波紅外輻射高光譜傳感器的最小化和與無人機(jī)的集成在城市應(yīng)用中有很好的發(fā)展前景[35]。

4 解決方案

針對(duì)當(dāng)前無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備在研制和應(yīng)用中存在的問題, 筆者提出了一種新型滾動(dòng)式掃描成像方式。

滾動(dòng)式掃描成像設(shè)備的基本原理為:將高光譜相機(jī)固定在滾筒表面, 為了維持滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的重量平衡, 將彩色相機(jī)固定在滾筒表面另一側(cè), 即高光譜相機(jī)與彩色相機(jī)以滾筒的中心軸為對(duì)稱軸對(duì)稱設(shè)置在滾筒的表面, 高光譜相機(jī)能夠在滾動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取。其連接關(guān)系如圖 2所示。

同時(shí)為靈活控制成像范圍、降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量并減少強(qiáng)烈的太陽光照和雨水等外界環(huán)境因素對(duì)相機(jī)鏡頭的損傷影響, 在滾筒外側(cè)裝有遮擋罩。每次飛行前該遮擋罩可根據(jù)飛行任務(wù)進(jìn)行調(diào)整, 掃描視場(chǎng)角可根據(jù)飛行任務(wù)改變, 使其掃描成像范圍靈活可控, 對(duì)于遮擋區(qū)域的影像不進(jìn)行成像存儲(chǔ), 降低數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量。圖 3為基于滾動(dòng)式掃描的高光譜成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 3裝置結(jié)構(gòu)

該滾動(dòng)式掃描成像設(shè)備在工作時(shí), 成像設(shè)備搭載在飛行平臺(tái)上, 飛行平臺(tái)以速度v1沿前進(jìn)方向飛行。滾動(dòng)式掃描成像系統(tǒng)中, 轉(zhuǎn)動(dòng)軸在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)滾筒及滾筒表面的相機(jī)以速度v2進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)滾動(dòng), 在滾動(dòng)過程中獲取影像, 滾筒的滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)方向垂直飛行平臺(tái)前進(jìn)方向。圖 4為滾動(dòng)式掃描成像設(shè)備的成像原理圖。

5 結(jié)語

本文對(duì)當(dāng)前無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的研究及應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了探索, 詳細(xì)論述了高光譜成像儀的發(fā)展過程及其優(yōu)缺點(diǎn); 對(duì)現(xiàn)有的無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的成像方式進(jìn)行分析, 指出了獲取影像幅寬窄的問題; 介紹了基于無人機(jī)高光譜成像設(shè)備的最新應(yīng)用研究成果, 并提出了滾動(dòng)式掃描成像的新型成像方式; 對(duì)無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和預(yù)測(cè)。影像幅寬窄和成本高是制約當(dāng)前無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備發(fā)展和開展應(yīng)用研究的重要問題。提高無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備的國產(chǎn)化水平會(huì)在一定程度上降低成本, 也是我國相關(guān)技術(shù)人員需要攻克的難點(diǎn)問題。未來, 無人機(jī)載高光譜成像設(shè)備會(huì)向低成本、大幅寬及高國產(chǎn)化等方向發(fā)展, 這將會(huì)為諸多領(lǐng)域的應(yīng)用研究帶來新的突破。

審核編輯：符乾江