無(wú)人機(jī)高光譜臨安山分析案例

1．什么是高光譜

成像光譜技術(shù)由分光計(jì)發(fā)展而來(lái)，它是一項(xiàng)新技術(shù)，又名高光譜成像技術(shù)，傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)只能做局部平均光譜分析，而高光譜能夠做到整幅圖的各個(gè)點(diǎn)光譜分析。成像光譜有凝視成像型、推帚型、擺掃型。它能夠在生成一副圖像的同時(shí)獲取這副圖像每個(gè)像素點(diǎn)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)“圖譜合一”。高光譜獲取的光譜信息能夠包括圖像中任何一個(gè)像素點(diǎn)的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測(cè)試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數(shù)據(jù)能夠跟準(zhǔn)確、精細(xì)地去分析被測(cè)地物。它的出現(xiàn)標(biāo)志著光學(xué)遙感進(jìn)入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數(shù)據(jù)反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動(dòng)態(tài)變化。

1.1無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)

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(guò)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)（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ，ＭＥＭＳ）、控制與導(dǎo)航系統(tǒng)及信息處理技術(shù)的發(fā)展，無(wú)人機(jī)（ＵnｍａｎｎｅｄＡｅｒｉａｌＶｅｈｉｃｌｅ，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(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查領(lǐng)域有著巨大的技術(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)月到幾年不等，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(wú)法進(jìn)行有效的實(shí)地調(diào)查。使用無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)， 能夠有效解決以上問(wèn)題，為研究人員提供多時(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。

2.1典型地物光譜特征

大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類型，獲取地物性質(zhì)的最基本也是最有效的方法，因?yàn)椴煌愋偷牡匚锞哂胁煌卣鞯奈兆V線。表2-1列出了波段范圍內(nèi)的一些顯著的地物光譜特征。

表2-1 不同波段區(qū)間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內(nèi)響應(yīng)都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見光范圍內(nèi)的光譜反射率隨著波長(zhǎng)增加而增加；各種類型的植被光譜反射率曲線在不同波段都有以下幾種特點(diǎn)：在可見光區(qū)內(nèi)植物光譜反射率會(huì)有一個(gè)極大值和一個(gè)最小值，分別在550到560nm之間和650到680nm之間，而且在近紅外（730-1000nm）光譜區(qū)有一段較平緩和比較高的反射率；本次測(cè)量將會(huì)測(cè)量幾種不同的植被，并且根據(jù)獲取的光譜信息對(duì)植被進(jìn)行不同的分析。

2.2植被光譜特征

用地物光譜儀獲取的光譜反射率可以表現(xiàn)出不同植物類型的光譜特征，又能通過(guò)光譜特征去研究反演出植被的組織結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件、元素含量。一般來(lái)說(shuō)，健康的綠色植物的光譜曲線總是會(huì)呈現(xiàn)很明顯的“高反射峰”和“低反射谷”。如圖2-1植被的反射光譜特征和其他地光譜特征不一樣。

圖2-1植被反射光譜特征

經(jīng)過(guò)對(duì)圖2.1的分析，可以得知健康綠色植被光譜曲線主要有以下的特點(diǎn):(1)在可見光波段(400-760nm)有一個(gè)小的反射峰,兩側(cè)有兩個(gè)吸收帶,即在450nm和670nm 波段為反射低谷，這是由于葉綠素對(duì)藍(lán)光和紅光吸收作用強(qiáng)，而對(duì)綠光反射作用強(qiáng)的原因。(2)植被的最獨(dú)特的特征就是在700-800nm有一個(gè)斜率很大、變化很大的反射曲線，在1100nm處到達(dá)峰值。(3)由于葉子內(nèi)部的含水量的強(qiáng)烈吸收作用，除了在970nm有一個(gè)小的吸收段外，在1400nm，1900nm和2700nm處有三個(gè)顯而易見的低反射谷。(4)此外在1600nm和2200nm處也有兩個(gè)反射峰。

2.3 植被光譜的特征參數(shù)

為了更好地研究植被的反射率光譜，人們提出了一系列的植被系數(shù)來(lái)研究植被的光譜特征，這些參數(shù)能夠更好地反映植被本身的生長(zhǎng)情況、葉綠素含量等參數(shù)，可以更好地幫助人們研究植被本身生長(zhǎng)狀況、生長(zhǎng)趨勢(shì)等等。表2-2列出了常用的植被光譜特征參數(shù)。

表2-2 常用植被光譜特征參數(shù)

3.1無(wú)人機(jī)高光譜采集流程及注意事項(xiàng)

3.1.1注意事項(xiàng)

①天氣選擇：晴朗無(wú)風(fēng)

? 高光譜數(shù)據(jù)采集禁止在雨天、冰雹、大風(fēng)天及其他極端天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

? 溫度過(guò)高（南方夏天零上 35℃以上）或者過(guò)低（北方冬天零下 10℃以下）需考慮無(wú)人機(jī)電池電量問(wèn)題；

? 多云、強(qiáng)風(fēng)的天氣采集數(shù)據(jù)會(huì)極大的影響的數(shù)據(jù)質(zhì)量；建議 3-4 風(fēng)力等級(jí)以下；

? 6 旋翼（例如 M600）無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)等級(jí)相對(duì)較高；

? 4 旋翼（例如 M300）無(wú)人機(jī)的抗風(fēng)等級(jí)相對(duì)較低；

②采集時(shí)間選擇：10：00-14：00（北京時(shí)間）

? 高光譜的數(shù)據(jù)采集盡量選擇在陽(yáng)光正射被測(cè)物的時(shí)間，可根據(jù)自己的地理（經(jīng)緯度）位置選擇數(shù)據(jù)采集時(shí)間段；

③飛行場(chǎng)地選擇：地勢(shì)平坦且無(wú)障礙物

? 山地飛行建議通過(guò)衛(wèi)星圖或者實(shí)際測(cè)高圖觀測(cè)附近山體高度后再規(guī)劃無(wú)人機(jī)航帶；

? 城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場(chǎng)地起飛。（保證無(wú)人機(jī)不會(huì)在電磁復(fù)雜環(huán)境或者遮擋視線的建筑物附近起飛）；

? 水面飛行需考慮水面上面的風(fēng)力等級(jí)以及數(shù)據(jù)拼接時(shí)有無(wú)靶標(biāo)物識(shí)別等；

3.1.2數(shù)據(jù)采集流程

①環(huán)境考察：數(shù)據(jù)采集前要了解數(shù)據(jù)采集場(chǎng)地的周邊環(huán)境以及準(zhǔn)備采集時(shí)間的天氣狀況，必要時(shí)需要提前到現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)；

②出行清單確認(rèn)；

③儀器電量確認(rèn)；

④采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝：無(wú)人機(jī)-遙控器連接；無(wú)人機(jī)-地面工作站-地面控制終端連接；數(shù)據(jù)采集軟件起飛前調(diào)試；

⑤無(wú)人機(jī)系統(tǒng)起飛調(diào)試：參數(shù)設(shè)置；航帶規(guī)劃；

⑥數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

本次測(cè)試使用iSpecHyper-VM100無(wú)人機(jī)高光譜（圖4-1），其光譜范圍400-1000nm，光譜通道數(shù)260，空間通道數(shù)348（4像元合并），探測(cè)器為高靈敏度CCD，成像鏡頭35mm，視場(chǎng)角為14.4°@f=35mm以及10%標(biāo)準(zhǔn)反射率板。（本次未使用地物光譜儀iSpecField-HH，其光譜范圍300-1100，波長(zhǎng)精度±1nm，分辨率≤3nm，光譜通道數(shù)1600，探測(cè)器2048像素）

圖4-1 iSpecHyper-VM100無(wú)人機(jī)高光譜

圖4-2 航帶規(guī)劃圖

4.2數(shù)據(jù)處理

高光譜數(shù)據(jù)測(cè)量自帶幾何校正及拼接，整體做反射率轉(zhuǎn)換，再截出部分?jǐn)?shù)據(jù)做NDVI、DVI等植被系數(shù)反演。

圖4-3高光譜數(shù)據(jù)拼接圖

圖4-4 高光譜掃描圖部分截圖

通過(guò)反射率反演出以下五組圖。

NDVI反演圖                                 DVI反演圖

NDWI反演圖                               RVI反演圖

本次測(cè)試能直觀體現(xiàn)臨安山植被的生長(zhǎng)狀況，但僅為高空遙感測(cè)試，還需用地物光譜儀（圖4-5）同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)采樣，將采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行模型選擇、模型構(gòu)建后，再與高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以獲得更加完善、準(zhǔn)確的反演圖。用無(wú)人機(jī)高光譜測(cè)量可實(shí)現(xiàn)大范圍檢測(cè)，可以更加高效地研究地球表面物體的分類、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動(dòng)態(tài)變化。

圖4-5 便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR