無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)展

引言

高光譜遙感技術(shù)發(fā)展于 20 世紀(jì) 80 年代，其結(jié)合了傳統(tǒng)的光譜探測(cè)和攝影成像技術(shù)，可同時(shí)獲取目標(biāo)的空間信息、光譜信息和輻射信息，形成圖譜合一的數(shù)據(jù)立方體。與多光譜遙感技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)能夠在一個(gè)連續(xù)的光譜范圍內(nèi)進(jìn)行窄帶成像，因此光譜分辨率 更高、信息分辨能力更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)精確的目標(biāo)分類和地物識(shí)別。目前，高光譜遙感系統(tǒng) 已經(jīng)歷了從航空平臺(tái)到航天平臺(tái)的發(fā)展過程，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者發(fā)現(xiàn)星 載高光譜儀器雖然可以提供長(zhǎng)時(shí)間、大尺度的數(shù)據(jù)，但受衛(wèi)星重訪周期的限制，空間分辨率 和時(shí)間分辨率較差；航空高光譜儀器雖然空間分辨率較高，但對(duì)氣象條件和使用環(huán)境有苛刻要求，且需要有專業(yè)支持團(tuán)隊(duì)，成本高昂，靈活性較差。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、控制與導(dǎo)航系統(tǒng)及信息處理技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)(UAV)作為新型遙感平臺(tái)的條件逐漸成熟，同時(shí)大量微型化、高性能高光譜傳感器的研發(fā)也推動(dòng)了無人機(jī)與高光譜遙感的結(jié)合。作為一種新興的遙感技術(shù)，無人機(jī)高光譜遙感可以克服云層的影響，快速、精確地向研究者提供高空間分辨率和時(shí)間分辨率的高光譜數(shù)據(jù)，有效地填補(bǔ)了低空高光譜遙感數(shù)據(jù)的空白。無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展對(duì)自然資源調(diào)查有著重要的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較優(yōu)勢(shì)。首先，航空、航天平臺(tái)的高光譜數(shù)據(jù)獲取周期從幾個(gè)月到幾年，難以對(duì)一些短期的變化現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)和研究。其次，一些地形陡峭、植被密集的區(qū)域，調(diào)查人員難以涉足，無法進(jìn)行有效的實(shí)地調(diào)查。使用無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)，能夠有效解決以上問題，向研究人員提供多時(shí)態(tài)、高分辨率的高光譜數(shù)據(jù)，有效降低了高光譜遙感技術(shù)的實(shí)施成本，極大簡(jiǎn)化了自然資源調(diào)查的流程。

無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)

2.1 組成特征

典型的無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)由高光譜成像儀、無人機(jī)、姿態(tài)位置測(cè)量（POS）系統(tǒng)、 三軸穩(wěn)定云臺(tái)、機(jī)載計(jì)算機(jī)及固定框架組成。盡管無人機(jī)、全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航模塊（GNSS/IMU）、三軸穩(wěn)定云臺(tái)和高光譜成像儀的技術(shù)發(fā)展迅速，但各個(gè)模塊在無人機(jī) 上的系統(tǒng)集成仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要考慮多種因素，例如無人機(jī)的有效載荷、續(xù)航時(shí)間、成本、成像技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式和 GNSS/IMU 精度等。對(duì)無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)而言，最大有效載荷重量、續(xù)航時(shí)間以及起降方式是最主要的3個(gè)考慮因。目前，無人機(jī)平臺(tái)可分為固定翼和多旋翼兩類：固定翼無人機(jī)在相同的載荷下，可以提供更長(zhǎng)的飛行時(shí)間，作業(yè)范圍更大，但由于需要開闊的跑道進(jìn)行起降，因而應(yīng)用范圍有限；多旋翼無人機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、起降靈活，但是負(fù)載能力較小，且續(xù)航時(shí)間有限。在無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)中，除了無人機(jī)平臺(tái)以及搭載的高光譜成像儀之外，為了實(shí)現(xiàn)精確的地理配準(zhǔn)，微型計(jì)算機(jī)和 GNSS/IMU 模塊也需要集成到無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)中。由于高光譜數(shù)據(jù)一般具有空間分辨率高、光譜分辨率高和光譜通道多等特征，對(duì) GNSS/IMU 精度要求較高，同時(shí)需要配置可靠的三軸穩(wěn)定平臺(tái)減少無人機(jī)振動(dòng)對(duì)高光譜成像儀視軸穩(wěn)定性的干擾。

2.1 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)在VNIR譜段的研究和產(chǎn)品研發(fā)已近相對(duì)成熟，許多國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)已經(jīng)在不同領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應(yīng)用，但 SWIR、MWIR 以及 LWIR 譜段無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)的研究相對(duì)國(guó)外仍有較大差距。即使在 VNIR 譜段，國(guó)內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)在成像光譜儀的光譜分辨率、光譜波段數(shù)、重量等性能參數(shù)上雖無顯著區(qū)別，但國(guó)外的系統(tǒng)在集成化、輕量化、軟件自動(dòng)化方面更加出色，為用戶提供了更便捷的操作體驗(yàn)以及全流程的處理軟件，極大了提高了調(diào)查效率。此外，在儀器成像方式上，國(guó)內(nèi)主流的商業(yè)無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)多使用推掃式的系統(tǒng)，而國(guó)外已有快照成像方式的系統(tǒng)，在采集速度與圖像質(zhì)量方面有較大提升。因此，加強(qiáng)并完善相關(guān)系統(tǒng)研究是未來研究的重要方向。

應(yīng)用進(jìn)展

3.1 研究現(xiàn)狀

目前，無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)填圖方面的應(yīng)用主要是將無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)與三維地質(zhì)模型相結(jié)合。2018 年，KIRSCH M等使用搭載了高光譜成像儀的無人機(jī)對(duì)位于德國(guó)薩克森州弗萊堡礦區(qū)采石場(chǎng)的V型垂直露頭區(qū)進(jìn)行勘探，對(duì)花崗巖宿主中富含硫化物的熱液區(qū)開展地質(zhì)填圖，把波段范圍更廣的高光譜數(shù)據(jù)與數(shù)字地質(zhì)模型相結(jié)合，顯著提高了地質(zhì)勘探和采礦監(jiān)測(cè)過程的可靠性和安全性，為地球科學(xué)研究、礦產(chǎn)勘探、采礦和地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)提供了重要的地質(zhì)信息來源。HUYNH H H 等在韓國(guó)首爾東部含灰?guī)r和白云巖的碳酸鹽巖露頭，建立了基于 SWIR 高光譜技術(shù)和基于無人機(jī)的數(shù)字高程模型（DEM）的一體化三維模型，使無人機(jī)系統(tǒng)采集的具有高空間分辨率的高光譜影像與數(shù)字表面模型相結(jié)合，重建地表和幾何形狀的 3D 地質(zhì)模型（圖 1）。此類3D地質(zhì)圖在地質(zhì)領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境高精度的可視化，精確地展示研究區(qū)巖性、礦物學(xué)和地質(zhì)構(gòu)造特征。

圖 1 基于無人機(jī) SWIR 高光譜圖像和 DEM 的綜合 3D 地質(zhì)模型

在礦產(chǎn)資源調(diào)查方面，無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)具有檢測(cè)周期短、資源敏感度高、可靈活 部署等優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于地質(zhì)礦產(chǎn)勘探。2020 年，BOOYSEN R 等首次開展了使用輕型高光譜無人機(jī)對(duì)稀土元素含量進(jìn)行直接檢測(cè)的工作，該團(tuán)隊(duì)在納米比亞和芬蘭分別進(jìn)行 了無人機(jī)高光譜測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)無人機(jī)高光譜可直接識(shí)別和繪制碳酸鹽巖露頭中的稀土元素，為推進(jìn)世界其他地區(qū)稀土元素沉積物的發(fā)現(xiàn)提供了新的調(diào)查方式。

3.2 水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)

水體質(zhì)量對(duì)人類的生活和繁衍具有重要意義，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)水資源產(chǎn)生了一系列影響，為了實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，對(duì)水體質(zhì)量進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)必要且具有重要意義的工作。目前，關(guān)于水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)的研究對(duì)象主要為湖泊、河流，使用的數(shù)據(jù)多為星載高光譜遙感數(shù)據(jù)，對(duì)于城市狹窄河流的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，星載數(shù)據(jù)的空間和光譜分辨率無法滿足精確監(jiān)測(cè)的要求，使用無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)則可以有效地彌補(bǔ)星載數(shù)據(jù)的不足。2019 年，WEIL等以武漢巡司河為研究區(qū)，使用六旋翼無人機(jī)搭載微型高光譜成像儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過XGBoost（extreme Gradient Boosting）機(jī)器學(xué)習(xí)算法完成了水體透明度的反演（圖 2）。圖 2 中標(biāo)注了 32 個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn) 的水體透明度值，最大值為 59cm，最小值為39cm，反演結(jié)果的最大值為55.75cm，最小值 為37.95cm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果一致，但反演結(jié)果能更好地反映河流水體透明度的分布趨勢(shì)。該項(xiàng)研究的開展，充分表明無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在城市水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重大的發(fā)展?jié)摿?。HUANG C等為了擺脫傳統(tǒng)水污染調(diào)查中單點(diǎn)調(diào)查的局限性，對(duì)于城市“黑水問題” 使用無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)對(duì)城市水資源進(jìn)行監(jiān)測(cè)并引用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。CUI M等使用無人機(jī)高光譜技術(shù)的水體高光譜數(shù)據(jù)，以人工控制實(shí)驗(yàn)建立了一套渾濁度反演模型，對(duì)不同地域的河流進(jìn)行渾濁度反演調(diào)查。

圖 2 巡司河透明度反演結(jié)果

對(duì)于水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)來說，大型藻類群落分布是一個(gè)重要的調(diào)查項(xiàng)目，而藻類分布的調(diào)查必須以準(zhǔn)確、高效和具有成本效益的環(huán)境數(shù)據(jù)收集為基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的遙感技術(shù)對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行快速調(diào)查具有一定的優(yōu)勢(shì)，但衛(wèi)星和載人機(jī)平臺(tái)的高光譜遙感設(shè)備由于較低的空間分辨率 和有限的操作靈活性，難以完成對(duì)大型藻類棲息地進(jìn)行精細(xì)測(cè)繪的任務(wù)。針對(duì)這一調(diào)查難點(diǎn)，ROSSITER T等使用多旋翼無人機(jī)和推掃式高光譜成像儀組成了一套無人機(jī)高光譜成像系統(tǒng)，對(duì)愛爾蘭西部基爾基蘭灣中的潮間帶藻類棲息地進(jìn)行了高光譜圖像數(shù)據(jù)采集，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上完成了對(duì)潮間帶泡葉藻的分類實(shí)驗(yàn)，總體準(zhǔn)確率達(dá)到94.7%。該研究清楚地表明了無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)具有對(duì)空間上和光譜上存在混合的潮間帶大型藻類棲息地中的物種進(jìn)行精細(xì)分類的潛力。

圖3 Platamona 海灘塑料物體識(shí)別結(jié)果

此外，無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在海洋水體塑料污染的治理中也發(fā)揮著巨大作用。BALSI M 等在意大利撒丁島西北部進(jìn)行了海灘塑料垃圾檢測(cè)研究，開發(fā)了一種自動(dòng)識(shí)別海洋塑料的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過自行訓(xùn)練的分類器完成了 對(duì)聚乙烯塑料（PET）的實(shí)時(shí)識(shí)別。圖 3 顯示了系統(tǒng)工作過程中的數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)果，5個(gè)漂浮在海面上的物體清晰可見，其中 2個(gè)聚乙烯塑料瓶已被正確識(shí)別（圖中以綠色標(biāo)注）。

3.3 森林資源調(diào)查

在森林資源調(diào)查方面，盡管傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)可以對(duì)森林資源進(jìn)行大范圍調(diào)查，但是在局部區(qū)域精細(xì)定量分析方面仍面臨著影像分辨率低以及調(diào)查時(shí)間周期長(zhǎng)等問題，而使用無人機(jī)高光譜系統(tǒng)對(duì)森林資源進(jìn)行調(diào)查，則是一個(gè)相對(duì)廉價(jià)且高效的手段。2019 年，鄭迪等使用六旋翼無人機(jī)與高光譜成像儀構(gòu)成的無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)，獲取了長(zhǎng)白山闊葉紅松林的高光譜影像，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、最大似然法和 馬氏距離法三種分類方法，分別實(shí)現(xiàn)了研究區(qū)內(nèi)樹種的精細(xì)化分類（圖 4）。其中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法可以充分利用高光譜遙感圖像的空間與光譜信息，因而總體精度達(dá)到了99.85%；而最大似然法和馬氏距離法只考慮了高光譜圖像的光譜特征，因此對(duì)不同樹種的分類存在較大差異，總體精度只有89.11%和79.65%。

圖 4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類圖（a）、最大似然法分類圖（b）、馬氏距離法分類圖（c）和優(yōu)勢(shì)樹種實(shí)際空間分布 圖（d）

樹冠提取是森林資源調(diào)查中的重要研究主題，對(duì)森林疾病檢測(cè)和評(píng)估蟲害造成的損害程度具有重要意義。傳統(tǒng)的星載高光譜遙感易受云霧干擾且空間分辨率較低，無法完全滿足對(duì)森林進(jìn)行及時(shí)、精確***的要求，而基于無人機(jī)的高光譜遙感系統(tǒng)能夠進(jìn)行快速、重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)查。ZHANG N等基于無人機(jī)高光譜圖像，使用光譜-空間分類方法降低了高光譜維度對(duì)圖像分類精度的影響，實(shí)現(xiàn)了高精度的受損樹冠自動(dòng)提取，為森林健康監(jiān)測(cè)和大規(guī)模森林害蟲和疾病評(píng)估提供了數(shù)據(jù)參考。對(duì)于森林資源的精細(xì)分析，一種新型的無人機(jī)三維高光譜技術(shù)值得關(guān)注。NEVALAINEN O等研究開發(fā)了一種基于無人機(jī)高光譜和攝影測(cè)量的遙感方法，該研究使用了基于可調(diào)法布里-珀羅干涉儀（FPI）的高光譜成像儀，對(duì)包含 4151 棵參考樹木的11個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集，并且對(duì)樹種進(jìn)行精細(xì)分類評(píng)估。圖 5 展示了該技術(shù)在其中一個(gè)測(cè)試點(diǎn)的分類結(jié)果，源自高光譜圖像的光譜特征在樹種分類中產(chǎn)生了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了松樹、云杉、樺樹、落葉松 4 類樹種的精確分類。

圖 5 樹種精細(xì)分類結(jié)果

3.4 土壤質(zhì)量評(píng)估

在土壤質(zhì)量評(píng)估中，遙感技術(shù)主要應(yīng)用于土壤污染調(diào)查和專題土地覆蓋分類，而無人機(jī)高光譜技術(shù)在這方面的應(yīng)用還剛剛起步，但是具有很大的發(fā)展前景。NATESAN S等使用無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)在加拿大的一片區(qū)域進(jìn)行了基于對(duì)象的土壤覆蓋專題制圖。王丹陽等使用無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)，基于相關(guān)性分析選擇相應(yīng)的光譜分量，建立了鹽堿化反演模型，對(duì)山東省東營(yíng)市墾利區(qū)裸土進(jìn)行了鹽漬化研究。HU J等對(duì)中國(guó)***西部一片試驗(yàn)區(qū)中的裸地、植被稀疏區(qū)和植被茂密區(qū)地表進(jìn)行了調(diào)查，使用電磁感應(yīng)設(shè)備和搭載高光譜成像儀的無人機(jī)平臺(tái)進(jìn)行土壤鹽漬化研究，對(duì)于地表土壤鹽分的定量估算、干旱土地管理和鹽漬土復(fù)墾決策具有重要意義。圖6展示了基于無人機(jī)高光譜原始數(shù)據(jù)和GF-2多光譜數(shù)據(jù)的土壤鹽度反演結(jié)果，區(qū)域 A 和 B 清楚顯示出了土壤鹽堿度的空間變化模式， 而在C區(qū)域（圖 6e，f））由于GF-2衛(wèi)星受密集植被影響較大，導(dǎo)致反演結(jié)果難以識(shí)別該區(qū)域的鹽度空間分布模式，檢測(cè)精度顯著低于基于無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)的檢測(cè)結(jié)果。此外，GE X 等使用無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)在***維吾爾自治區(qū)阜康市進(jìn)行了土壤含水量調(diào)查，指出相比于現(xiàn)場(chǎng)取樣和烘箱干燥技術(shù)等常規(guī)測(cè)量方法以及星載遙感，無人機(jī)具有更強(qiáng)的操控性和更高的分辨率，因此具有更高的應(yīng)用價(jià)值。目前，高光譜成像系統(tǒng)性能的提升和數(shù)據(jù)處理方法的創(chuàng)新推動(dòng)了無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)快速發(fā)展，為地質(zhì)礦產(chǎn)填圖、水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)、森林資源調(diào)查、土壤質(zhì)量評(píng)估的實(shí)施提供了強(qiáng)大的調(diào)查手段，有效提高了自然資源監(jiān)測(cè)質(zhì)量。相較于傳統(tǒng)的星載和有人機(jī)載高光譜遙感技術(shù)，無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)靈活性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單，能夠快速高效地覆蓋調(diào)查區(qū)域，獲得難以通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查得到的數(shù)據(jù)；高空間分辨率和時(shí)間分辨率的特點(diǎn)也為各類調(diào)查應(yīng)用提供了良 好的數(shù)據(jù)支撐，使得精細(xì)尺度下的礦產(chǎn)填圖、狹窄河流水質(zhì)監(jiān)測(cè)、單棵樹種分類以及蟲害實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、土壤鹽堿度與含水量動(dòng)態(tài)估計(jì)成為可能。

高光譜推掃式壓縮成像

（1）隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，更多微型化的高光譜成像儀被研發(fā)出來，通過與無人機(jī)相結(jié)合，無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)兼具高光譜特性和靈活機(jī)動(dòng)的能力，使研究人員能夠及時(shí)、高效地獲取地物的空間信息與光譜信息，推動(dòng)了低空高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。

（2）無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)具有出色的地物識(shí)別能力，在地質(zhì)礦產(chǎn)填圖、水體質(zhì)量監(jiān)測(cè)、森林資源調(diào)查、土壤質(zhì)量評(píng)估等自然資源調(diào)查領(lǐng)域取得了較多的創(chuàng)新性成果，但目前無人機(jī)高光譜遙感系統(tǒng)一體化程度還較低，波長(zhǎng)覆蓋范圍較窄，缺乏傳感器間的數(shù)據(jù)融合，均限制了無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

（3）隨著“空-天-地-海-網(wǎng)”一體化監(jiān)測(cè)體系的建立以及多源、多尺度高光譜遙感數(shù) 據(jù)的協(xié)同應(yīng)用，未來，將實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，為自然資源調(diào)查提供多要素、高頻率、 高精度、多層次的解決方案。

審核編輯：湯梓紅