基于彩虹無人機的高光譜遙感成像飛行演示
雙利合譜 趙靜遠 劉業林 黃智輝 周明好
2021年11月中國航天空氣動力技術研究院（航天十一院）航天彩虹無人機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（CH-4）的高光譜遙感成像飛行測試，任務取得圓滿成功。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載高光譜成像系統**實現長航時、大面積、高海拔、高溫差環境下（400nm~1700nm可見-近紅外）固定翼推掃飛行測試，相機核心指標得到充分印證。同時，對采集的航帶高光譜數據進行拼接、校正（大氣、反射率等）和分類識別等處理也同步達到預期目的。
此次飛行測試，合作雙方充分利用了各自優勢（包括搭載平臺的選擇、采集通訊控制的串聯以及數據處理等），為更好地服務于農業遙感、環境監測、地質勘探、地震救災等應用領域提供了基于高光譜成像的技術支撐。
圖1 彩虹無人機搭載平臺
圖2 我司與合作單位合影
圖3 云南省怒江傈僳族自治州蘭坪豐華機場工作人員合影
圖4 全波段高光譜成像系統（無人機/有人機均可作為掛載平臺）
高光譜遙感技術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的空間和頻譜數據。高光譜遙感的出現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，高光譜遙感技術的出現具有里程碑意義。
2.1、高光譜遙感的特點
（1）波段多且寬度窄能夠使高光譜遙感探測到其他寬波段無法探測到的物體。
（2）光譜響應范圍更廣和光譜分辨率高使得高光譜能夠更加精細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）數據量大且信息冗余多。由于高光譜數據的波段多，數據量大，相鄰波段之間的相關性比較高就使得信息冗余度增加。
（5）高光譜遙感的數據描述模型多，能夠分析的更靈活。經常使用的 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。因此，與RGB和多光譜成像相比較，高光譜成像有以下顯著優勢：
(1) 有著近似連續的地物光譜信息。高光譜影像在經過光譜反射率重建后，能獲取與被探測物近似的連續的光譜反射率曲線，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。高光譜數據能夠探測具有診斷性光譜吸收特征的物質，能準確地區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、神經網絡、支持向量機等的模式識別方法，也可以采用基于被探測物的光譜數據庫的光譜進行匹配的方法。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高光譜成像的應用領域
高光譜如今主要被應用在民用方面，例如地質調查、植被遙感、農業監測、大氣遙感、水環境保護、災害環境遙感、土壤調查、林業遙感以及城市環境遙感等。**方面主要利用高光譜圖像進行識別偽裝以及辨識固體、液體、氣體和其它化學物質；爭取更多更詳細地獲取戰場信息包括障礙物、地表特征和水下障礙等。
2.4 高光譜相機參數
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載高光譜相機詳細參數如表一所示。
表一 高光譜相機詳細參數
|
參數
|
可見/近紅外
|
近紅外
|
|
波長范圍
|
400-1000nm
|
900-1700nm
|
|
光譜分辨率
|
5.5nm
|
8nm
|
|
波段數
|
224
|
224
|
|
鏡頭焦距
|
23mm
|
17.5mm
|
|
探測器像元大小
|
9.97µm
|
15µm
|
|
探測器像素數
|
1024*448
|
1024*448
|
|
飛行高度
|
2000m
|
|
空間分辨率
|
0.8m
|
2.2m
|
圖5為江蘇雙利合譜科技有限公司的高光譜成像系統在2000米高空下獲取的地物成像高光譜數據,從中獲取地面的光譜信息并進行分析數據。
圖5 2021年11月7日高光譜相機拍攝數據
2.5數據與分析結果
（1）可見-近紅外400-1000nm波段高光譜相機數據處理結果，如圖6、圖7、圖8和圖9所示。
圖6 歸一化植被指數處理結果
圖7 紅邊歸一化植被指數處理結果
圖8 4 400-1000nm波段相機不同目標的光譜
圖9 400-1000nm波段相機分類識別結果
（2）近紅外900-1700nm波段高光譜相機數據處理結果，如圖10和圖11所示。（注：在1400nm附近是水汽吸收窗口）
圖10 900-1700nm波段相機不同目標的光譜
圖11 900-1700nm波段相機分類識別結果
江蘇雙利合譜科技有限公司將繼續秉承傳統優勢，更好地展示在高光譜技術領域的**和拼搏精神，努力從實踐中獲取更多、更全的寶貴經驗，為我們的生產生活、科學研究等領域提供全套的產品和技術服務工作，相信在2022年我們的技術和產品又會得到質地提升，市場會更加客觀地接受我們，繼續努力。
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設備及分析軟件，下面將一一展示。圖13為高光譜表型測試系統；圖14為全波段有人機載高光譜成像系統；圖15 GaiaSky-mini3無人機載高光譜成像系統；圖16 為高光譜激光雷達系統；圖17 顯微高光譜成像系統；圖18 為專業分析軟件。
圖12 高光譜成像系統
圖13 表型測試系統
圖14 全波段有人機載高光譜成像系統
圖15 GaiaSky-mini3無人機載高光譜成像系統
圖16 高光譜激光雷達系統
圖17 顯微高光譜成像系統
圖18 專業分析軟件
