彩虹無人機(jī)搭載雙利高光譜成像系統(tǒng)飛行演示

彩虹無人機(jī)搭載雙利高光譜成像系統(tǒng)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月中國航天空氣動力技術(shù)研究院（航天十一院）航天彩虹無人機(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人機(jī)（CH-4）的高光譜遙感成像飛行測試，任務(wù)取得圓滿成功。借助航天十一院的飛行平臺，江蘇雙利合譜科技有限公司的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)首次實現(xiàn)長航時、大面積、高海拔、高溫差環(huán)境下（400nm~1700nm可見-近紅外）固定翼推掃飛行測試，相機(jī)核心指標(biāo)得到充分印證。同時，對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）和分類識別等處理也同步達(dá)到預(yù)期目的。

此次飛行測試，合作雙方充分利用了各自優(yōu)勢（包括搭載平臺的選擇、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、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 彩虹無人機(jī)搭載平臺

圖3 云南省怒江傈僳族自治州蘭坪豐華機(jī)場工作人員合影

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

• 高光譜遙感介紹

高光譜遙感技術(shù)是通過高光譜傳感器探測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法探查到的物體，更加容易被傳感器探測捕捉得到，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)地探測到被探測物的微小特征。 

（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

隨著高光譜成像光譜分辨率的提高，其探測能力也有所增強(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：

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

(2) 對于地表覆蓋的探測和識別能力極大提高。高光譜數(shù)據(jù)能夠探測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、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等的模式識別方法，也可以采用基于被探測物的光譜數(shù)據(jù)庫的光譜進(jìn)行匹配的方法。分類識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別將成為可能。在高光譜影像中能估計出多種被探測物的狀態(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、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。軍用方面主要利用高光譜圖像進(jìn)行識別偽裝以及辨識固體、液體、氣體和其它化學(xué)物質(zhì)；爭取更多更詳細(xì)地獲取戰(zhàn)場信息包括障礙物、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-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，更好地展示在高光譜技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新和拼搏精神，努力從實踐中獲取更多、更全的寶貴經(jīng)驗，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)品又會得到質(zhì)地提升，市場會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