摘要：無(wú)人機載高光譜成像設備因其機動(dòng)靈活、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被應用于諸多研究領(lǐng)域，具有廣泛的發(fā)展前景。本文對當前無(wú)人機載高光譜成像設備的相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了系統的總結和評述。首先，基于高光譜成像儀的發(fā)展過(guò)程闡述了無(wú)人機載高光譜成像設備在數據獲取中的顯著(zhù)優(yōu)勢；其次，從成像方式和研究現狀方面指出了目前無(wú)人機載高光譜成像設備影像幅寬窄、成本高和國產(chǎn)化水平低的問(wèn)題，并介紹了基于無(wú)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(diǎn)提出解決方案；最后，指出了無(wú)人機載高光譜成像設備的未來(lái)發(fā)展趨勢。本文可為無(wú)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(wú)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(shù)出現之后, 在探測器技術(shù)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(zhuān)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)現的可能, 這也是我國開(kāi)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(lái)開(kāi)展的成像光譜技術(shù)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(wú)人機載高光譜成像載荷, 搭載在包括衛星、飛機、無(wú)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(lái), 航空高光譜傳感器已經(jīng)得到很大發(fā)展, 并且在水質(zhì)監測、葉面積指數監測等研究中進(jìn)入實(shí)用階段。1988年文獻利用航空成像光譜儀AIS圖像數據進(jìn)行礦物探測識別并制圖, 該研究成果的發(fā)表代表著(zhù)利用遙感手段獲取地物目標的連續光譜信息的開(kāi)始。在A(yíng)IS的基礎上發(fā)展起來(lái)的機載可見(jiàn)光-紅外成像光譜儀AVIRIS于1987年開(kāi)始投入飛行使用, 此后經(jīng)過(guò)了多次升級改造。與此同時(shí), 一些發(fā)達國家也開(kāi)始研制成像光譜儀。在A(yíng)IS和AVIRIS的基礎上, 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(jìn)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(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(cháng)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(wú)人機載高光譜成像儀, 目前已投入實(shí)際應用。

航天高光譜成像技術(shù)是在機載成像光譜技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的[18], 機載高光譜成像儀的應用實(shí)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(jīng)成為一個(gè)熱門(mén)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、超光譜成像儀試驗相機FTHSI, 歐洲環(huán)境衛星上搭載的MERIS及CHRIS衛星相繼發(fā)射升空, 宣告航天高光譜時(shí)代的到來(lái)。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衛星, 這是一顆高光譜儀成像衛星。2011年長(cháng)春光機所和上海技術(shù)物理所共同研制的高光譜成像儀搭載于“天宮一號”目標飛行器升空。長(cháng)春光機所目前開(kāi)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”衛星是首顆實(shí)現對大氣和陸地綜合觀(guān)測的全譜段高光譜衛星。

近年來(lái), 隨著(zhù)無(wú)人機的發(fā)展, 基于無(wú)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(wú)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(shí)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(lèi)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(jià)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(diǎn), 總體而言, 航空光譜儀相較于衛星遙感成本高; 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, 可使用的高光譜衛星數據很少, 不能滿(mǎn)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(guò)程中會(huì )造成人力物力浪費。而無(wú)人機載高光譜成像儀因其機動(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(guò)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(wú)人機載高光譜成像設備

2.1 成像方式

目前無(wú)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(huà)幅式成像。

無(wú)人機載高光譜成像方式主要為推掃式掃描。推掃式掃描系統利用飛行器的向前運動(dòng), 借助于與飛行方向垂直的掃描線(xiàn)記錄而構成二維圖像。具體地說(shuō), 就是通過(guò)儀器中的廣角光學(xué)系統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(guò)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(shí)感應地面響應, 同時(shí)采光, 同時(shí)轉換為電信號, 同時(shí)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(wú)人機開(kāi)發(fā)了內置推掃成像系統和增穩系統, 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(wú)人機載高光譜成像儀。內置推掃成像方式的出現, 進(jìn)一步促進(jìn)了輕小型無(wú)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(huà)幅式同步成像技術(shù), 無(wú)需任何移動(dòng)部件, 即可實(shí)現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內獲取整個(gè)高光譜圖像立方體。畫(huà)幅式成像光譜儀可以獲得瞬間的連續二維空間光譜數據, 主要用于動(dòng)態(tài)運動(dòng)的非穩定的無(wú)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(shí)現、高分辨率和高系統靈敏度、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)而成為無(wú)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和探測器大小的限制, 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(wèn)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(jìn), 其結構和體積更小, 但是需要在空中停頓, 效率低。畫(huà)幅式成像方式成像速度快, 但當無(wú)人機載成像光譜儀進(jìn)行大范圍數據獲取時(shí), 存在數據量大的問(wèn)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(zhù)影像幅寬窄的問(wèn)題, 當觀(guān)測范圍較大時(shí)需要進(jìn)行圖像拼接, 增大了處理難度和工作量。

2.2 成像設備的研究現狀

國內進(jìn)行無(wú)人機載高光譜成像設備研制的機構主要有長(cháng)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(wú)人機載高光譜成像儀, 目前已經(jīng)投入到實(shí)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進(jìn)而于2013年成功研發(fā)小型航空成像光譜系統, 并進(jìn)行試飛。

國內自主研制無(wú)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(kāi)發(fā)了機載高光譜成像系統,。此外, 四川雙利合譜科技有限公司研制的GaiaSky-mini高光譜成像系統是針對小型旋翼無(wú)人機開(kāi)發(fā)的高性?xún)r(jià)比機載高光譜成像系統。目前國內產(chǎn)品主要是由國內公司代理國外產(chǎn)品, 設備國產(chǎn)化水平低, 并且產(chǎn)品平均價(jià)格在50萬(wàn)元左右, 高性能的成像設備價(jià)位則更高。在具體應用中, 需要將成像儀與無(wú)人機飛行平臺、增穩云臺、數據處理系統等結合成一套系統使用, 開(kāi)展應用研究的成本十分高昂。

國外進(jìn)行無(wú)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(jiàn)表 1。

3 無(wú)人機載高光譜成像設備的主要應用領(lǐng)域

(1)地質(zhì)礦產(chǎn)。區域地質(zhì)制圖和礦產(chǎn)勘探是高光譜技術(shù)在眾多應用領(lǐng)域中最為成功的領(lǐng)域之一。礦產(chǎn)資源勘探、巖石礦物識別和填圖等一直是高光譜技術(shù)發(fā)展和應用的主要方向。文獻通過(guò)無(wú)人機獲取多光譜長(cháng)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(shí)現了索科洛夫褐煤露天礦的礦物分類(lèi)。

(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(guān)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(cháng)勢、植被生物量進(jìn)行定向定量的評價(jià), 或進(jìn)行產(chǎn)量估算。文獻[24]對通過(guò)無(wú)人機獲取的高光譜數據進(jìn)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]提出了用于植被監測的高光譜數字表面模型, 該模型將三維表面的表示與無(wú)人機獲得目標物的反射與發(fā)射信息相結合。此外, 無(wú)人機高光譜遙感技術(shù)還可用于對樹(shù)木種類(lèi)的識別和樹(shù)木疾病的監測等研究[26]。

(3)農業(yè) 。高光譜遙感技術(shù)在精準農業(yè)方面為農業(yè)發(fā)展提供了技術(shù)保障及數據來(lái)源, 發(fā)揮著(zhù)重要作用。具體表現為能夠根據高光譜遙感技術(shù)快速獲得的精確作物生長(cháng)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(chǎn)量、保護農業(yè)資源和環(huán)境質(zhì)量的目的。近幾年, 國外陸續出現了無(wú)人機高光譜遙感的農業(yè)研究。文獻[27]研究了輕小型無(wú)人機高光譜成像系統在精準農業(yè)方面的應用, 對高光譜反射特征生物量估算過(guò)程展開(kāi)了研究。文獻[28]將無(wú)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(jìn)行了研究, 從無(wú)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(wú)人機高光譜遙感估測冬小麥葉面積指數的價(jià)值。文獻[29]利用無(wú)人機高光譜遙感平臺獲取了東北粳稻的高光譜信息, 進(jìn)行相關(guān)處理后的結果表明能夠為掌握水稻的生長(cháng)信息、科學(xué)施肥提供一定的理論基礎和技術(shù)支撐。

(4)水質(zhì)監測。無(wú)人機載高光譜遙感技術(shù)因其靈活機動(dòng)的特點(diǎn)在近海及小范圍的水質(zhì)監測中發(fā)揮了重要作用, 水質(zhì)監測近些年成為無(wú)人機高光譜成像設備的應用研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。文獻[30]利用無(wú)人機對河水中的淹沒(méi)水生植物進(jìn)行監測, 結果表明無(wú)人機光學(xué)遙感技術(shù)能夠有效監測低濁度和良好光學(xué)傳輸的淺水河中的藻類(lèi)和淹沒(méi)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(wú)人機影像的逐像元匹配算法研究水質(zhì)監測經(jīng)驗模型。文獻[33]使用基于輕型無(wú)人機的光譜儀系統測量環(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(shù)獲取水體的反射率, 并可應用于基于無(wú)人機的水質(zhì)評估或幫助驗證更高海拔的圖像。

(5)作物病蟲(chóng)害監測。近年來(lái), 作物病蟲(chóng)害常態(tài)化發(fā)生逐年加重, 部分地區病蟲(chóng)害已成為農業(yè)生產(chǎn)的第一大災害, 給農業(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隊致力于作物長(cháng)勢及病蟲(chóng)害監測研究, 建立了葉片、冠層尺度的小麥、水稻、玉米等作物主要病蟲(chóng)害的高光譜遙感監測模型和相關(guān)監測系統, 在作物病蟲(chóng)害遙感監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(wú)人機高光譜和空間數據提高葡萄園和農作物植物病蟲(chóng)害監測的新方法, 結果表明高光譜圖像有可能在視覺(jué)檢查之前檢測葡萄根瘤蚜。

(6)城市氣體泄漏。機載長(cháng)波紅外輻射高光譜數據已經(jīng)用于檢測工業(yè)化學(xué)氣體, 但受尺寸和重量限制, 現有的長(cháng)波紅外輻射傳感器很少搭載在無(wú)人機上。長(cháng)波紅外輻射高光譜傳感器的最小化和與無(wú)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(wú)人機載高光譜成像設備在研制和應用中存在的問(wèn)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(dòng)過(guò)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(chēng)軸對稱(chēng)設置在滾筒的表面, 高光譜相機能夠在滾動(dòng)過(guò)程中實(shí)現數據的獲取。其連接關(guān)系如圖 2所示。

同時(shí)為靈活控制成像范圍、降低數據存儲量并減少強烈的太陽(yáng)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(wù)進(jìn)行調整, 掃描視場(chǎng)角可根據飛行任務(wù)改變, 使其掃描成像范圍靈活可控, 對于遮擋區域的影像不進(jìn)行成像存儲, 降低數據存儲量。圖 3為基于滾動(dòng)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(dòng)式掃描成像設備在工作時(shí), 成像設備搭載在飛行平臺上, 飛行平臺以速度v1沿前進(jìn)方向飛行。滾動(dòng)式掃描成像系統中, 轉動(dòng)軸在馬達驅動(dòng)下帶動(dòng)滾筒及滾筒表面的相機以速度v2進(jìn)行360°旋轉滾動(dòng), 在滾動(dòng)過(guò)程中獲取影像, 滾筒的滾動(dòng)旋轉方向垂直飛行平臺前進(jìn)方向。圖 4為滾動(dòng)式掃描成像設備的成像原理圖。

5 結語(yǔ)

本文對當前無(wú)人機載高光譜成像設備的研究及應用進(jìn)展進(jìn)行了探索, 詳細論述了高光譜成像儀的發(fā)展過(guò)程及其優(yōu)缺點(diǎn); 對現有的無(wú)人機載高光譜成像設備的成像方式進(jìn)行分析, 指出了獲取影像幅寬窄的問(wèn)題; 介紹了基于無(wú)人機高光譜成像設備的應用研究成果, 并提出了滾動(dòng)式掃描成像的新型成像方式; 對無(wú)人機載高光譜成像設備的未來(lái)發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析和預測。影像幅寬窄和成本高是制約當前無(wú)人機載高光譜成像設備發(fā)展和開(kāi)展應用研究的重要問(wèn)題。提高無(wú)人機載高光譜成像設備的國產(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(wèn)題。未來(lái), 無(wú)人機載高光譜成像設備會(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)域的應用研究帶來(lái)新的突破。

來(lái)源：李月, 楊燦坤, 周春平, 等. 無(wú)人機載高光譜成像設備研究及應用進(jìn)展[J]. 測繪通報，2019(9)：1-6,17.