摘要：無人機載高光譜成像設備因其機動靈活、操作簡單等優點，被應用于諸多研究領域，具有廣泛的發展前景。本文對當前無人機載高光譜成像設備的相關研究進展進行了系統的總結和評述。首先，基于高光譜成像儀的發展過程闡述了無人機載高光譜成像設備在數據獲取中的顯著優勢；其次，從成像方式和研究現狀方面指出了目前無人機載高光譜成像設備影像幅寬窄、成本高和國產化水平低的問題，并介紹了基于無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提出解決方案；最后，指出了無人機載高光譜成像設備的未來發展趨勢。本文可為無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 高光譜成像儀的發展

遙(yao)感(gan)(gan)(gan)技(ji)(ji)術出現之后, 在探(tan)測器(qi)技(ji)(ji)術提(ti)高(gao)(gao)的(de)(de)基礎上(shang)(shang)(shang), 首先(xian)在美(mei)國出現了(le)將影像(xiang)與(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)探(tan)測融(rong)合為(wei)(wei)一(yi)體的(de)(de)思路(lu)(lu)。20世紀(ji)80年(nian)代初(chu)期(qi), 童慶禧等與(yu)美(mei)國JPL專(zhuan)家安·卡爾的(de)(de)交流中了(le)解了(le)這(zhe)一(yi)思路(lu)(lu), 并與(yu)中國科學院上(shang)(shang)(shang)海技(ji)(ji)術物理研(yan)究所薛永祺研(yan)究了(le)這(zhe)一(yi)新型遙(yao)感(gan)(gan)(gan)技(ji)(ji)術實現的(de)(de)可(ke)能, 這(zhe)也是(shi)(shi)我國開(kai)展高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)遙(yao)感(gan)(gan)(gan)技(ji)(ji)術研(yan)究的(de)(de)起源, 相關(guan)研(yan)究工(gong)作(zuo)為(wei)(wei)我國后來開(kai)展的(de)(de)成(cheng)像(xiang)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)技(ji)(ji)術研(yan)究奠定(ding)了(le)重要基礎。高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)像(xiang)儀(yi)作(zuo)為(wei)(wei)新一(yi)代傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi), 能夠獲取連(lian)續(xu)窄(zhai)波(bo)(bo)段(duan)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)信息, 從而識別出具(ju)有診(zhen)斷(duan)性(xing)波(bo)(bo)譜(pu)(pu)的(de)(de)地物。現有的(de)(de)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)主要是(shi)(shi)航(hang)天高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)、航(hang)空(kong)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)、地面高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)像(xiang)儀(yi)及(ji)無(wu)人(ren)機(ji)載(zai)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)像(xiang)載(zai)荷, 搭(da)載(zai)在包括衛星、飛(fei)機(ji)、無(wu)人(ren)機(ji)和地面工(gong)作(zuo)平臺(tai)(tai)等不(bu)同高(gao)(gao)度的(de)(de)遙(yao)感(gan)(gan)(gan)平臺(tai)(tai)上(shang)(shang)(shang)。

自1980年(nian)(nian)以來, 航(hang)(hang)空高(gao)(gao)(gao)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)傳感器(qi)已經得(de)到(dao)很大(da)發展, 并(bing)且在水質(zhi)監測(ce)、葉面積指(zhi)數監測(ce)等研(yan)(yan)究(jiu)中進入(ru)(ru)實(shi)用(yong)(yong)階段(duan)(duan)。1988年(nian)(nian)文獻利用(yong)(yong)航(hang)(hang)空成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)AIS圖像(xiang)(xiang)數據進行(xing)(xing)礦物(wu)探(tan)測(ce)識別(bie)并(bing)制(zhi)圖, 該研(yan)(yan)究(jiu)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)果(guo)的(de)(de)發表代表著(zhu)利用(yong)(yong)遙感手段(duan)(duan)獲(huo)取(qu)地(di)物(wu)目標的(de)(de)連續光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)信息(xi)的(de)(de)開始。在AIS的(de)(de)基(ji)礎上發展起來的(de)(de)機(ji)載可見光-紅外成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)AVIRIS于1987年(nian)(nian)開始投入(ru)(ru)飛行(xing)(xing)使用(yong)(yong), 此(ci)(ci)后經過了(le)多次升級改造。與(yu)此(ci)(ci)同(tong)時(shi), 一些發達(da)國家也開始研(yan)(yan)制(zhi)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)。在AIS和AVIRIS的(de)(de)基(ji)礎上, 相關研(yan)(yan)究(jiu)人員研(yan)(yan)制(zhi)了(le)各式各樣的(de)(de)航(hang)(hang)空高(gao)(gao)(gao)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)(yi)(yi), 如加拿大(da)的(de)(de)CASI傳感器(qi)及澳大(da)利亞的(de)(de)機(ji)載成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)Hymap等。為了(le)推進我(wo)國成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)技(ji)術(shu)的(de)(de)發展, 2002年(nian)(nian)租(zu)用(yong)(yong)了(le)Hymap進行(xing)(xing)了(le)一系列包括儀(yi)(yi)(yi)(yi)器(qi)飛行(xing)(xing)、數據獲(huo)取(qu)處理(li)及應用(yong)(yong)研(yan)(yan)究(jiu)的(de)(de)工作。我(wo)國在成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)方面也取(qu)得(de)較大(da)進展, 20世紀80年(nian)(nian)代后期研(yan)(yan)制(zhi)和發展了(le)航(hang)(hang)空成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)MAIS, 此(ci)(ci)后上海技(ji)術(shu)物(wu)理(li)研(yan)(yan)究(jiu)所又自行(xing)(xing)研(yan)(yan)制(zhi)了(le)推帚式成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)PHI系列及實(shi)用(yong)(yong)型(xing)模(mo)塊化(hua)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)OMIS。長春光機(ji)所研(yan)(yan)制(zhi)了(le)高(gao)(gao)(gao)分辨率成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)(yi)C-HRIS, 并(bing)于2011年(nian)(nian)研(yan)(yan)制(zhi)無人機(ji)載高(gao)(gao)(gao)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)(pu)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)(yi)(yi), 目前已投入(ru)(ru)實(shi)際應用(yong)(yong)。

航天(tian)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)技術是(shi)在(zai)機(ji)載(zai)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)技術的(de)基礎上發展起來的(de)[18], 機(ji)載(zai)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)的(de)應用(yong)實踐為(wei)(wei)航天(tian)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)的(de)研制工作奠(dian)定了(le)基礎。20世紀90年代, 航天(tian)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)的(de)發展已經成(cheng)為(wei)(wei)一個熱門課(ke)題, 受到(dao)國(guo)際的(de)廣(guang)泛關注。美(mei)(mei)國(guo)的(de)中分(fen)辨率成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)(yi)MODIS、Hyperion成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀(yi)(yi)、超光(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)試(shi)驗(yan)相機(ji)FTHSI, 歐洲環境衛(wei)星(xing)(xing)(xing)上搭載(zai)的(de)MERIS及CHRIS衛(wei)星(xing)(xing)(xing)相繼發射(she)升空, 宣(xuan)告航天(tian)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)時代的(de)到(dao)來。其中2000年美(mei)(mei)國(guo)成(cheng)功(gong)發射(she)的(de)Hyperion成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)為(wei)(wei)高(gao)(gao)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)遙感研究獲取了(le)大量珍貴(gui)的(de)數(shu)據(ju), 具(ju)有里程碑意義。我(wo)國(guo)于2008年發射(she)了(le)HJ-1A衛(wei)星(xing)(xing)(xing), 這是(shi)一顆高光譜(pu)儀成(cheng)像衛(wei)星(xing)(xing)(xing)。2011年長春光機(ji)所和上海技術物(wu)理所共同研(yan)(yan)制的(de)高光譜(pu)成(cheng)像儀搭載(zai)(zai)于“天宮(gong)一號”目(mu)標飛(fei)行器升空(kong)。長春光機(ji)所目(mu)前開展(zhan)我(wo)(wo)國(guo)“高光譜(pu)與高空(kong)間分辨率CO2探(tan)(tan)測(ce)(ce)儀”的(de)研(yan)(yan)制工作, 該項(xiang)目(mu)的(de)研(yan)(yan)制將填補我(wo)(wo)國(guo)星(xing)(xing)(xing)載(zai)(zai)高光譜(pu)溫(wen)室氣體探(tan)(tan)測(ce)(ce)儀的(de)空(kong)白。2018年5月發(fa)射的(de)“高分5號”衛(wei)星(xing)(xing)(xing)是(shi)首顆實現對(dui)大(da)氣和陸(lu)地(di)綜合觀(guan)測(ce)(ce)的(de)全譜(pu)段高光譜(pu)衛(wei)星(xing)(xing)(xing)。

近年來, 隨著無(wu)人機的發展, 基于無(wu)人機的高(gao)光(guang)譜(pu)成像載荷(he)也得(de)到快速發展, 出現了一(yi)系列無(wu)人機載高(gao)光(guang)譜(pu)成像儀, 這些成像設(she)備一(yi)般(ban)可(ke)應用于地(di)面試驗研(yan)究。此外, 利用非成像光(guang)譜(pu)儀在(zai)野外或(huo)實驗室測(ce)量各種地(di)物的光(guang)譜(pu)反射(she)率(lv)、透射(she)率(lv)及其(qi)他輻射(she)率(lv), 可(ke)幫助理(li)解各種地(di)物的光(guang)譜(pu)特性(xing), 提高(gao)不同種類遙感數據的分析應用精(jing)度, 還可(ke)以模擬和定標一(yi)切成像光(guang)譜(pu)儀在(zai)升空之前的工作性(xing)能, 如確定傳(chuan)感器測(ce)量光(guang)譜(pu)范圍、波(bo)段設(she)置和評(ping)價遙感數據等。

基于(yu)不同(tong)遙感平臺的(de)(de)高(gao)光譜(pu)成像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)各(ge)有優(you)(you)缺(que)點(dian), 總(zong)體而(er)(er)言, 航空(kong)光譜(pu)儀(yi)(yi)相較于(yu)衛星(xing)遙感成本(ben)高(gao); 航天光譜(pu)成像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)的(de)(de)幅寬大(da), 覆蓋(gai)面(mian)積廣, 但空(kong)間分辨率較低, 時(shi)效性差, 可使(shi)用(yong)的(de)(de)高(gao)光譜(pu)衛星(xing)數據很少(shao), 不能(neng)滿(man)足當(dang)前的(de)(de)研究(jiu)需(xu)求; 地面(mian)光譜(pu)成像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)雖(sui)然成本(ben)較低, 但是靈活性也(ye)低, 在野外(wai)試驗過程(cheng)中(zhong)會造成人力(li)物力(li)浪費。而(er)(er)無人機(ji)載高(gao)光譜(pu)成像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)因其(qi)機(ji)動靈活、時(shi)效性高(gao)等優(you)(you)點(dian)得(de)到大(da)力(li)發(fa)展。高(gao)光譜(pu)成像(xiang)(xiang)儀(yi)(yi)的(de)(de)發(fa)展過程(cheng)及各(ge)階(jie)段的(de)(de)特(te)點(dian)如圖 1所示(shi)。

圖 1 高光譜成像儀的發(fa)展

2 無人機載高光譜成像設備

2.1 成像方式

目前無(wu)人機載(zai)高光譜成像(xiang)設備的成像(xiang)方式(shi)主要有(you)推(tui)掃(sao)式(shi)掃(sao)描成像(xiang)、內(nei)置推(tui)掃(sao)式(shi)掃(sao)描成像(xiang)及畫(hua)幅式(shi)成像(xiang)。

無(wu)人機(ji)載高(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)(cheng)像方式主要為推(tui)掃(sao)(sao)式掃(sao)(sao)描。推(tui)掃(sao)(sao)式掃(sao)(sao)描系(xi)統利用飛行器(qi)的向前運動, 借助于(yu)與飛行方向垂直的掃(sao)(sao)描線記錄而構(gou)成(cheng)(cheng)二維圖像。具體地(di)說, 就(jiu)是(shi)通過(guo)儀器(qi)中(zhong)的廣角(jiao)光(guang)學(xue)系(xi)統平面(mian)反(fan)(fan)射(she)鏡采集地(di)面(mian)輻射(she)能, 并將之反(fan)(fan)射(she)到反(fan)(fan)射(she)鏡組(zu), 再通過(guo)聚焦投射(she)到焦平面(mian)的陣列探測元件上。這些光(guang)電轉換(huan)元件同時感應(ying)地(di)面(mian)響(xiang)應(ying), 同時采光(guang), 同時轉換(huan)為電信號(hao), 同時成(cheng)(cheng)像。

在推(tui)掃(sao)式(shi)掃(sao)描的(de)(de)基礎上, 四(si)川雙利(li)合譜(pu)科技有限公司針對小型(xing)旋(xuan)翼無(wu)人(ren)機(ji)開(kai)發(fa)了(le)內置推(tui)掃(sao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像系(xi)(xi)統和增穩(wen)系(xi)(xi)統, 固定(ding)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像位置, 減輕了(le)整(zheng)機(ji)重量并降低了(le)能(neng)耗。美國(guo)SOC公司也研(yan)制出內置平移推(tui)掃(sao)的(de)(de)無(wu)人(ren)機(ji)載高(gao)光譜(pu)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像儀。內置推(tui)掃(sao)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像方式(shi)的(de)(de)出現, 進(jin)一步促(cu)進(jin)了(le)輕小型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)高(gao)光譜(pu)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)像設備的(de)(de)應(ying)用和發(fa)展。

德國Cubert公司研制了Cubert S185機載(zai)成(cheng)(cheng)像光(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀。該成(cheng)(cheng)像光(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀利用畫(hua)幅式同步成(cheng)(cheng)像技術(shu), 無(wu)需任何移動部件, 即可(ke)(ke)實現快速光(guang)譜(pu)(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像而(er)不需要掃描成(cheng)(cheng)像(如推(tui)掃技術(shu)), 可(ke)(ke)在0.001 s內獲(huo)取整個高光(guang)譜(pu)(pu)(pu)圖像立方體。畫(hua)幅式成(cheng)(cheng)像光(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀可(ke)(ke)以獲(huo)得瞬間的連續二維空間光(guang)譜(pu)(pu)(pu)數據, 主要用于(yu)動態(tai)運動的非穩定的無(wu)人機遙感平臺(tai)或地(di)面(mian)人工測(ce)量。

推掃式(shi)(shi)(shi)掃描成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)由(you)于具有容(rong)易(yi)實現、高(gao)分(fen)辨率和(he)高(gao)系統靈敏度(du)、體積(ji)小、重量(liang)輕(qing)等優點而成(cheng)為無人機載高(gao)光譜成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備設計(ji)的成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方(fang)式(shi)(shi)(shi)。但是(shi)(shi)該成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方(fang)式(shi)(shi)(shi)受到像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方(fang)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)系統和(he)探(tan)測(ce)器大小的限(xian)制, 總視場一般在(zai)20°~30°之間, 并(bing)且存在(zai)影像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)幾何(he)變形大、校正難度(du)大的問題(ti)。內置推掃式(shi)(shi)(shi)掃描成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)是(shi)(shi)在(zai)推掃式(shi)(shi)(shi)掃描基(ji)礎(chu)上的升級改進, 其(qi)結構(gou)和(he)體積(ji)更小, 但是(shi)(shi)需(xu)要在(zai)空(kong)中停頓, 效率低(di)。畫幅式(shi)(shi)(shi)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方(fang)式(shi)(shi)(shi)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)速度(du)快, 但當無人機載成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)光譜儀進行(xing)大范圍數(shu)據獲(huo)取時(shi), 存在(zai)數(shu)據量(liang)大的問題(ti), 并(bing)且其(qi)空(kong)間分(fen)辨率低(di)、譜段(duan)少。此外, 3種(zhong)成(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方(fang)式(shi)(shi)(shi)普遍存在(zai)著影像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)幅寬(kuan)窄的問題(ti), 當觀測(ce)范圍較大時(shi)需(xu)要進行(xing)圖像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)拼接, 增(zeng)大了處理難度(du)和(he)工(gong)作(zuo)量(liang)。

2.2 成像設備的研究現狀

國內進行(xing)無(wu)人(ren)機(ji)載高光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像設備(bei)研制的(de)機(ji)構主要有長春光(guang)(guang)(guang)(guang)機(ji)所(suo)和上海(hai)技物所(suo)。其中前者于(yu)(yu)2011年成(cheng)功(gong)研制完(wan)成(cheng)了基于(yu)(yu)Offner凸(tu)光(guang)(guang)(guang)(guang)柵分光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)方式的(de)無(wu)人(ren)機(ji)載高光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像儀(yi), 目前已(yi)經投入到(dao)實際應用中。上海(hai)技物所(suo)徐永琪院士團隊(dui)致力于(yu)(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像儀(yi)的(de)研究, 于(yu)(yu)2012年成(cheng)功(gong)研制出短波紅外波段的(de)地面成(cheng)像光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)系統進而(er)于(yu)(yu)2013年成(cheng)功(gong)研發小型航空成(cheng)像光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)系統, 并進行(xing)試(shi)飛。

國(guo)內(nei)自(zi)主(zhu)(zhu)研(yan)制(zhi)無(wu)人(ren)機(ji)載高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)設備(bei)(bei)的(de)公司(si)較(jiao)少。北京歐普特(te)公司(si)在美國(guo)Headwall公司(si)機(ji)載成(cheng)像(xiang)(xiang)光(guang)譜(pu)儀的(de)基(ji)礎(chu)上開發(fa)了機(ji)載高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)系統,。此外, 四川雙(shuang)利(li)合譜(pu)科技有(you)限(xian)公司(si)研(yan)制(zhi)的(de)GaiaSky-mini高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)系統是針對小型旋(xuan)翼無(wu)人(ren)機(ji)開發(fa)的(de)高(gao)(gao)性價比機(ji)載高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)(xiang)系統。目(mu)前國(guo)內(nei)產(chan)(chan)品(pin)主(zhu)(zhu)要是由國(guo)內(nei)公司(si)代(dai)理國(guo)外產(chan)(chan)品(pin), 設備(bei)(bei)國(guo)產(chan)(chan)化水(shui)平低(di), 并且產(chan)(chan)品(pin)平均價格在50萬元(yuan)左右, 高(gao)(gao)性能的(de)成(cheng)像(xiang)(xiang)設備(bei)(bei)價位則(ze)更高(gao)(gao)。在具體應(ying)用(yong)中, 需要將成(cheng)像(xiang)(xiang)儀與無(wu)人(ren)機(ji)飛行平臺(tai)、增穩云臺(tai)、數據處理系統等結合成(cheng)一套系統使用(yong), 開展應(ying)用(yong)研(yan)究的(de)成(cheng)本十分高(gao)(gao)昂。

國外進行無人機(ji)載高光譜成像(xiang)設備研制的機(ji)構則較多(duo), 主要有歐洲微(wei)電子中心, 美國SOC公(gong)(gong)司(si)、Resonon公(gong)(gong)司(si)、BaySpec公(gong)(gong)司(si)、OKSI公(gong)(gong)司(si), 德國Cubert公(gong)(gong)司(si), 挪威NEO公(gong)(gong)司(si), 芬蘭SPECIM公(gong)(gong)司(si)等, 具體見表 1。

3 無人機載高光譜成像設備的主要應用領域

(1)地(di)質礦(kuang)(kuang)(kuang)產。區域地(di)質制圖和(he)(he)礦(kuang)(kuang)(kuang)產勘探是(shi)高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)技術在(zai)眾多應用領域中最為成功的(de)領域之(zhi)一(yi)。礦(kuang)(kuang)(kuang)產資源勘探、巖石礦(kuang)(kuang)(kuang)物識別和(he)(he)填(tian)圖等一(yi)直是(shi)高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)技術發展和(he)(he)應用的(de)主要方向。文獻(xian)通過無人機獲取(qu)多光(guang)譜(pu)長波(bo)紅(hong)外和(he)(he)高(gao)(gao)光(guang)譜(pu)短波(bo)紅(hong)外圖像, 根據礦(kuang)(kuang)(kuang)物在(zai)紅(hong)外波(bo)段發射率的(de)差異(yi), 實現了索科(ke)洛(luo)夫褐(he)煤露天礦(kuang)(kuang)(kuang)的(de)礦(kuang)(kuang)(kuang)物分類。

(2)植(zhi)被(bei)和(he)生(sheng)(sheng)態研究。高(gao)光(guang)譜遙(yao)感(gan)憑借(jie)其(qi)高(gao)光(guang)譜分辨率的(de)(de)(de)優勢在植(zhi)被(bei)研究中的(de)(de)(de)應用已從植(zhi)被(bei)遙(yao)感(gan)擴大(da)到生(sheng)(sheng)態意義(yi)方(fang)面(mian)[23]。當前的(de)(de)(de)相關研究主要是(shi)利用高(gao)光(guang)譜數(shu)(shu)據獲得(de)紅(hong)邊和(he)植(zhi)被(bei)指數(shu)(shu)等(deng)信(xin)息(xi), 從而對植(zhi)被(bei)長(chang)勢、植(zhi)被(bei)生(sheng)(sheng)物量(liang)進行(xing)定(ding)向定(ding)量(liang)的(de)(de)(de)評價(jia), 或(huo)進行(xing)產量(liang)估算。文(wen)獻[24]對通(tong)過(guo)無人(ren)機獲取的(de)(de)(de)高(gao)光(guang)譜數(shu)(shu)據進行(xing)偏最小二乘回歸法和(he)植(zhi)被(bei)指數(shu)(shu)計算, 研究了草(cao)地結構和(he)生(sheng)(sheng)化特征。文(wen)獻[25]提出了用于植(zhi)被(bei)監測的(de)(de)(de)高(gao)光(guang)譜數(shu)(shu)字表面(mian)模(mo)型, 該(gai)模(mo)型將三維表面(mian)的(de)(de)(de)表示與無人(ren)機獲得(de)目標物的(de)(de)(de)反射與發射信(xin)息(xi)相結合。此外, 無人(ren)機高(gao)光(guang)譜遙(yao)感(gan)技術還可用于對樹(shu)木(mu)(mu)種類的(de)(de)(de)識別和(he)樹(shu)木(mu)(mu)疾病的(de)(de)(de)監測等(deng)研究[26]。

(3)農(nong)業(ye) 。高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)技(ji)(ji)術在(zai)精準(zhun)農(nong)業(ye)方面為(wei)(wei)農(nong)業(ye)發展(zhan)(zhan)提供(gong)了(le)(le)技(ji)(ji)術保障及數(shu)(shu)(shu)據來源, 發揮著重要作用(yong)。具體(ti)表(biao)現為(wei)(wei)能夠(gou)根據高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)技(ji)(ji)術快速獲得的(de)精確作物(wu)生長狀態及環境(jing)脅迫(po)的(de)各種信(xin)息, 相(xiang)應(ying)調整投入物(wu)資(zi)的(de)投入量(liang)(liang), 達到減少浪費(fei)、增加產量(liang)(liang)、保護(hu)農(nong)業(ye)資(zi)源和環境(jing)質量(liang)(liang)的(de)目的(de)。近幾年(nian), 國(guo)外(wai)陸續(xu)出現了(le)(le)無人(ren)機(ji)(ji)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)的(de)農(nong)業(ye)研究。文(wen)(wen)(wen)獻(xian)[27]研究了(le)(le)輕小(xiao)型(xing)無人(ren)機(ji)(ji)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像系統在(zai)精準(zhun)農(nong)業(ye)方面的(de)應(ying)用(yong), 對高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)反射特征生物(wu)量(liang)(liang)估算過程(cheng)展(zhan)(zhan)開了(le)(le)研究。文(wen)(wen)(wen)獻(xian)[28]將無人(ren)機(ji)(ji)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)數(shu)(shu)(shu)據和地面數(shu)(shu)(shu)據結(jie)合(he)對冬小(xiao)麥(mai)葉面積指(zhi)數(shu)(shu)(shu)進行了(le)(le)研究, 從無人(ren)機(ji)(ji)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)精細光(guang)(guang)譜(pu)特征信(xin)息角度詳細論(lun)(lun)證(zheng)了(le)(le)基于(yu)無人(ren)機(ji)(ji)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)估測(ce)冬小(xiao)麥(mai)葉面積指(zhi)數(shu)(shu)(shu)的(de)價值。文(wen)(wen)(wen)獻(xian)[29]利(li)用(yong)無人(ren)機(ji)(ji)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)遙(yao)(yao)感(gan)平臺(tai)獲取了(le)(le)東北(bei)粳稻的(de)高(gao)(gao)(gao)光(guang)(guang)譜(pu)信(xin)息, 進行相(xiang)關處理后的(de)結(jie)果表(biao)明能夠(gou)為(wei)(wei)掌握水(shui)稻的(de)生長信(xin)息、科學施(shi)肥(fei)提供(gong)一定的(de)理論(lun)(lun)基礎和技(ji)(ji)術支撐。

(4)水(shui)質監(jian)測。無(wu)人(ren)機(ji)(ji)載高(gao)光(guang)譜(pu)遙感(gan)技術因其靈活(huo)機(ji)(ji)動的(de)(de)特點(dian)在近(jin)(jin)海及小范圍(wei)的(de)(de)水(shui)質監(jian)測中發揮(hui)了重要作用(yong), 水(shui)質監(jian)測近(jin)(jin)些年(nian)成為(wei)無(wu)人(ren)機(ji)(ji)高(gao)光(guang)譜(pu)成像設備的(de)(de)應用(yong)研(yan)究(jiu)熱點(dian)領域之一(yi)。文獻[30]利用(yong)無(wu)人(ren)機(ji)(ji)對河水(shui)中的(de)(de)淹(yan)沒水(shui)生(sheng)植(zhi)(zhi)物進行監(jian)測, 結果(guo)表明無(wu)人(ren)機(ji)(ji)光(guang)學遙感(gan)技術能夠有效監(jian)測低濁度和(he)(he)(he)良(liang)好光(guang)學傳輸的(de)(de)淺水(shui)河中的(de)(de)藻類和(he)(he)(he)淹(yan)沒水(shui)生(sheng)植(zhi)(zhi)被(bei)。文獻[31]利用(yong)機(ji)(ji)載高(gao)光(guang)譜(pu)數據評(ping)估淺水(shui)和(he)(he)(he)渾濁湖泊中的(de)(de)懸浮顆粒物和(he)(he)(he)水(shui)生(sheng)植(zhi)(zhi)被(bei)。文獻[32]提出了一(yi)種基于無(wu)人(ren)機(ji)(ji)影(ying)像的(de)(de)逐像元匹配算法研(yan)究(jiu)水(shui)質監(jian)測經驗(yan)模型(xing)。文獻[33]使用(yong)基于輕型(xing)無(wu)人(ren)機(ji)(ji)的(de)(de)光(guang)譜(pu)儀系統測量環(huan)境變量對水(shui)反射率的(de)(de)影(ying)響(xiang), 該(gai)研(yan)究(jiu)方法和(he)(he)(he)結果(guo)有助(zhu)于更(geng)好地(di)理解采用(yong)遙感(gan)技術獲取水(shui)體(ti)的(de)(de)反射率, 并(bing)可應用(yong)于基于無(wu)人(ren)機(ji)(ji)的(de)(de)水(shui)質評(ping)估或幫助(zhu)驗(yan)證更(geng)高(gao)海拔的(de)(de)圖像。

(5)作(zuo)物(wu)(wu)病(bing)蟲(chong)(chong)害監(jian)測。近(jin)年來, 作(zuo)物(wu)(wu)病(bing)蟲(chong)(chong)害常態化發生逐年加(jia)重(zhong), 部(bu)分(fen)地區病(bing)蟲(chong)(chong)害已成為農(nong)(nong)業(ye)生產的第一大災害, 給農(nong)(nong)業(ye)生產造成重(zhong)大損失。中科院遙(yao)感(gan)所(suo)黃文江研究員及(ji)其團隊致力于(yu)作(zuo)物(wu)(wu)長勢及(ji)病(bing)蟲(chong)(chong)害監(jian)測研究, 建立了葉片、冠層尺度的小麥(mai)、水稻、玉米等作(zuo)物(wu)(wu)主(zhu)要病(bing)蟲(chong)(chong)害的高光(guang)(guang)譜遙(yao)感(gan)監(jian)測模型和相關監(jian)測系統(tong), 在(zai)作(zuo)物(wu)(wu)病(bing)蟲(chong)(chong)害遙(yao)感(gan)監(jian)測與損失評(ping)估方面做出了重(zhong)要貢獻。文獻[34]提出了一種基于(yu)無人機高光(guang)(guang)譜和空間數據提高葡萄園(yuan)和農(nong)(nong)作(zuo)物(wu)(wu)植物(wu)(wu)病(bing)蟲(chong)(chong)害監(jian)測的新方法, 結果表(biao)明高光(guang)(guang)譜圖像有可能在(zai)視(shi)覺檢(jian)(jian)查之前檢(jian)(jian)測葡萄根瘤蚜。

(6)城市氣體泄漏。機載長(chang)波(bo)紅外(wai)(wai)輻射高光(guang)譜數據已經用(yong)于(yu)檢(jian)測工業(ye)化學氣體, 但受尺寸和重量(liang)限制, 現有的(de)長(chang)波(bo)紅外(wai)(wai)輻射傳感器(qi)很少搭載在無(wu)人機上。長(chang)波(bo)紅外(wai)(wai)輻射高光(guang)譜傳感器(qi)的(de)最(zui)小化和與無(wu)人機的(de)集成在城市應用(yong)中有很好(hao)的(de)發展前(qian)景[35]。

4 解決方案

針對當前無人機載高光(guang)譜(pu)成像(xiang)設備在(zai)研(yan)制和應用中存(cun)在(zai)的問(wen)題(ti), 筆者提(ti)出(chu)了(le)一種新型滾動(dong)式(shi)掃描成像(xiang)方式(shi)。

滾動(dong)式掃描成像設備(bei)的(de)基本原(yuan)理(li)為:將(jiang)(jiang)高(gao)光(guang)譜(pu)相(xiang)機(ji)固定在(zai)(zai)滾筒(tong)(tong)表面, 為了維持滾筒(tong)(tong)在(zai)(zai)轉(zhuan)動(dong)過(guo)程中的(de)重量平(ping)衡(heng), 將(jiang)(jiang)彩色相(xiang)機(ji)固定在(zai)(zai)滾筒(tong)(tong)表面另一側, 即高(gao)光(guang)譜(pu)相(xiang)機(ji)與彩色相(xiang)機(ji)以滾筒(tong)(tong)的(de)中心軸(zhou)為對稱(cheng)軸(zhou)對稱(cheng)設置在(zai)(zai)滾筒(tong)(tong)的(de)表面, 高(gao)光(guang)譜(pu)相(xiang)機(ji)能夠(gou)在(zai)(zai)滾動(dong)過(guo)程中實現數(shu)據的(de)獲(huo)取。其連(lian)接關系如(ru)圖 2所示。

同(tong)時為(wei)靈(ling)活(huo)(huo)控制(zhi)成(cheng)像范圍、降(jiang)(jiang)低數(shu)據(ju)存(cun)儲量(liang)并減少(shao)強烈的(de)太陽(yang)光(guang)照和(he)雨水等外(wai)界(jie)環境(jing)因(yin)素(su)對相機鏡頭的(de)損(sun)傷影響, 在(zai)滾筒(tong)外(wai)側(ce)裝有遮(zhe)擋罩。每(mei)次飛(fei)行(xing)前該遮(zhe)擋罩可根(gen)據(ju)飛(fei)行(xing)任務進(jin)行(xing)調整, 掃(sao)描視(shi)場角可根(gen)據(ju)飛(fei)行(xing)任務改(gai)變, 使其掃(sao)描成(cheng)像范圍靈(ling)活(huo)(huo)可控, 對于遮(zhe)擋區(qu)域的(de)影像不進(jin)行(xing)成(cheng)像存(cun)儲, 降(jiang)(jiang)低數(shu)據(ju)存(cun)儲量(liang)。圖 3為(wei)基于滾動式(shi)掃(sao)描的(de)高光(guang)譜成(cheng)像裝置的(de)結構(gou)示意(yi)圖。

圖 3 裝置(zhi)結構

該滾(gun)(gun)動(dong)式(shi)掃(sao)描(miao)成(cheng)像設(she)(she)(she)備(bei)在(zai)工作(zuo)時, 成(cheng)像設(she)(she)(she)備(bei)搭載在(zai)飛行(xing)(xing)(xing)(xing)平(ping)臺上, 飛行(xing)(xing)(xing)(xing)平(ping)臺以速度v1沿前進方向(xiang)飛行(xing)(xing)(xing)(xing)。滾(gun)(gun)動(dong)式(shi)掃(sao)描(miao)成(cheng)像系統(tong)中(zhong), 轉動(dong)軸在(zai)馬達驅(qu)動(dong)下帶動(dong)滾(gun)(gun)筒(tong)及(ji)滾(gun)(gun)筒(tong)表面的相機以速度v2進行(xing)(xing)(xing)(xing)360°旋(xuan)轉滾(gun)(gun)動(dong), 在(zai)滾(gun)(gun)動(dong)過程中(zhong)獲取影(ying)像, 滾(gun)(gun)筒(tong)的滾(gun)(gun)動(dong)旋(xuan)轉方向(xiang)垂(chui)直飛行(xing)(xing)(xing)(xing)平(ping)臺前進方向(xiang)。圖(tu) 4為滾(gun)(gun)動(dong)式(shi)掃(sao)描(miao)成(cheng)像設(she)(she)(she)備(bei)的成(cheng)像原(yuan)理圖(tu)。

5 結語

本文對當前(qian)無人(ren)機(ji)載(zai)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)及應(ying)(ying)用進(jin)展(zhan)進(jin)行(xing)了(le)探索, 詳細論述了(le)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)儀(yi)的(de)(de)(de)(de)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)過程(cheng)及其優缺(que)點; 對現有的(de)(de)(de)(de)無人(ren)機(ji)載(zai)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方式進(jin)行(xing)分析(xi), 指(zhi)出了(le)獲取影像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)幅寬窄的(de)(de)(de)(de)問(wen)題; 介(jie)紹了(le)基于無人(ren)機(ji)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用研究(jiu)成(cheng)(cheng)果, 并提出了(le)滾動式掃(sao)描成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)新型成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)方式; 對無人(ren)機(ji)載(zai)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)未來發(fa)(fa)(fa)展(zhan)趨勢進(jin)行(xing)了(le)分析(xi)和預測。影像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)幅寬窄和成(cheng)(cheng)本高是制約(yue)當前(qian)無人(ren)機(ji)載(zai)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)發(fa)(fa)(fa)展(zhan)和開展(zhan)應(ying)(ying)用研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)重要(yao)(yao)問(wen)題。提高無人(ren)機(ji)載(zai)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)的(de)(de)(de)(de)國(guo)產化水(shui)平會(hui)(hui)在一定程(cheng)度上降低成(cheng)(cheng)本, 也是我國(guo)相關技術(shu)人(ren)員(yuan)需(xu)要(yao)(yao)攻克的(de)(de)(de)(de)難(nan)點問(wen)題。未來, 無人(ren)機(ji)載(zai)高光(guang)譜(pu)(pu)成(cheng)(cheng)像(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)設備(bei)會(hui)(hui)向低成(cheng)(cheng)本、大幅寬及高國(guo)產化等方向發(fa)(fa)(fa)展(zhan), 這將會(hui)(hui)為諸多領(ling)域的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)用研究(jiu)帶(dai)來新的(de)(de)(de)(de)突(tu)破。

來源：李月, 楊燦(can)坤, 周春平(ping), 等. 無人機(ji)載高(gao)光譜(pu)成(cheng)像設備研究及應(ying)用進展(zhan)[J]. 測繪通報，2019(9)：1-6,17.