無(wú)人飛艇低空高光譜遙感數(shù)據(jù)采集和處理初探

任文藝，伍丹，秦林

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，陜西楊凌712100；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治研究中心，重慶408100）

無(wú)人飛艇低空高光譜遙感數(shù)據(jù)采集和處理初探

任文藝1，2，伍丹1，秦林2

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院，陜西楊凌712100；2.長(zhǎng)江師范學(xué)院三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害防治研究中心，重慶408100）

報(bào)道了無(wú)人飛艇低空高光譜遙感數(shù)據(jù)采集和處理的初步研究結(jié)果，闡述了該遙感系統(tǒng)的構(gòu)成和數(shù)據(jù)采集原理，集中討論了輻射校正、正射矯正、地表反射率計(jì)算和歸一化植被指數(shù)反演等數(shù)據(jù)處理過(guò)程和初步結(jié)果，為無(wú)人飛艇低空高光譜遙感技術(shù)在三峽庫(kù)區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

無(wú)人飛艇；低空遙感；高光譜遙感；數(shù)據(jù)處理

高光譜遙感技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種可以同時(shí)獲取目標(biāo)圖像和光譜信息的高新技術(shù)[1]，具有高光譜分辨率、圖譜合一、波段多等優(yōu)點(diǎn)，在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品檢測(cè)、礦藏探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、大氣探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值[2-4]。

以衛(wèi)星和航天飛機(jī)等航天飛行器為平臺(tái)的遙感探測(cè)[5、6]能夠獲得大尺度空間目標(biāo)的遙感圖像，但是投入成本高、空間分辨率低、觀察受天氣情況影響嚴(yán)重[7、8]。為了克服這些缺點(diǎn)，人們致力于研究以飛機(jī)、氣球、飛艇等為平臺(tái)的低空遙感探測(cè)。近年來(lái)，以無(wú)人飛行器（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）為平臺(tái)的低空遙感探測(cè)深受關(guān)注且發(fā)展迅速。它具有高分辨率、高精度、低成本、低重量、低噪聲、低風(fēng)險(xiǎn)、低飛行高度和低速度等突出特點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用于科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展、以及國(guó)防軍事等多個(gè)領(lǐng)域，如數(shù)字城市建設(shè)、國(guó)土資源調(diào)查、石油勘探、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、礦山監(jiān)測(cè)、環(huán)境變化監(jiān)測(cè)、工程設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、商業(yè)廣告、電影制作和救災(zāi)等[9-23]。

目前低空遙感平臺(tái)主要是無(wú)人固定翼飛機(jī)或無(wú)人直升機(jī)，搭載的成像器件以數(shù)碼相機(jī)和多光譜成像系統(tǒng)為主[17-23]。應(yīng)用無(wú)人飛艇搭載高光譜成像光譜儀進(jìn)行低空遙感探測(cè)，尚在起步階段。如表1所示，無(wú)人飛艇相比無(wú)人固定翼飛機(jī)和無(wú)人直升機(jī)具有突出的優(yōu)勢(shì)[18]。

表1 不同飛行器作為環(huán)境監(jiān)測(cè)研究時(shí)的性能比較[19]Table 1 Technical specifications of flight vehicles used in environmental monitoring

無(wú)人飛艇低空高光譜遙感系統(tǒng)，由無(wú)人飛艇、自動(dòng)舵系統(tǒng)和地面控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。自動(dòng)舵系統(tǒng)由GPS接收器、計(jì)算機(jī)和陀螺儀組成，任務(wù)設(shè)備由三軸平臺(tái)和高光譜成像光譜儀組成。GPS接收器用于定位，陀螺儀用于導(dǎo)航，高光譜成像光譜儀用于成像。

圖1 無(wú)人飛艇低空高光譜遙感系統(tǒng)示意圖Fig.1 The hyperspectral remote sensing system based on low altitude auto-airship

三峽大壩是我國(guó)乃至世界最為宏大的水利工程之一，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)具有重要的影響，為我國(guó)生態(tài)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)合作，以重慶市長(zhǎng)江師范學(xué)院為基地，開展三峽生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)害防治研究，目的在于監(jiān)測(cè)和解析各種相互耦合的生態(tài)環(huán)境過(guò)程，支持和推動(dòng)三峽庫(kù)區(qū)資源的可持續(xù)利用。特點(diǎn)是采用無(wú)人飛艇高光譜觀察，能夠?qū)Υ竺娣e范圍內(nèi)的多種生態(tài)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行高空間和高光譜分辨率的同時(shí)測(cè)量，進(jìn)而研究三峽庫(kù)區(qū)的地面環(huán)境和水環(huán)境的狀態(tài)和動(dòng)力學(xué)過(guò)程。這一獲取地面信息的重要技術(shù)手段在全面運(yùn)行后，可以轉(zhuǎn)化為實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，為監(jiān)測(cè)三峽生態(tài)環(huán)境提供獨(dú)特的數(shù)據(jù)服務(wù)[24]。

1 數(shù)據(jù)采集

低空遙感高光譜數(shù)據(jù)是通過(guò)HyperspecTMVNIRI高光譜相機(jī)（圖2a）和HyperspecTMExtended VNIR高光譜相機(jī)（圖2b）獲取。HyperspecTMVNIRI高光譜相機(jī)光譜范圍為420～1 000 nm，325個(gè)波段，探測(cè)器為EMCCD，像元數(shù)為1 004×1 002，像元尺寸8 μm；HyperspecTMExtended VNIR高光譜相機(jī)光譜范圍為600～1 600 nm，166個(gè)波段，探測(cè)器為VIS-InGaAs，像元數(shù)為320×256，像元尺寸30 μm。二者均為色散型高光譜成像光譜儀，其工作方式如圖2c所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集原理圖Fig.2 Hyperspectral spectrometers of Hyperspec VNIRI（a）and Hyperspec Extended VNIR（b）and the principle of their data acquisition（c）

將HyperspecTMVNIRI高光譜相機(jī)搭載在無(wú)人飛艇上，對(duì)于涪陵區(qū)永勝林場(chǎng)冒合寨管護(hù)區(qū)的部分松樹林區(qū)進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)，獲得了原始高光譜數(shù)據(jù)。如圖3所示，獲得一個(gè)具有二維空間信息、一維光譜信息的數(shù)據(jù)立方體，即獲取了地面目標(biāo)（如土壤和松林等）的圖像信息和光譜信息。

圖3 低空遙感系統(tǒng)采集的原始高光譜數(shù)據(jù)Fig.3 Raw hyperspectral data（data cubic）collected from the spectrometer on the low altitude auto-airship system

2 輻射校正和正射校正

原始的高光譜圖像數(shù)據(jù)（Digital Numbers，DN）需通過(guò)類似下式轉(zhuǎn)化為光譜輻射值[26]。

（1）式中：Lλ為波長(zhǎng)λ時(shí)的光譜輻射值，為HyperspecTMVNIR相機(jī)獲取的原始高光譜數(shù)據(jù)，gain和bias均為地面獲取的儀器定標(biāo)參數(shù)。HyperspecTMVNIR相機(jī)自帶輻射校正和正射校正軟件和功能，采取其自帶軟件（Compact Hyperspectral Data Processing Unit）進(jìn)行輻射校正以及正射校正。圖4a和圖4b分別為獲取的僅進(jìn)行輻射校正、同時(shí)進(jìn)行輻射校正和正射校正的處理結(jié)果。

圖4 校正后的效果圖Fig.4 The hyperspectral data subjected to radiation correction alone（a）and to both radiation correction and orthorectification（b）

3 地表反射率

得到光譜輻射數(shù)據(jù)后，可以通過(guò)式（2）計(jì)算地表反射率[26]。

（2）式中：Rλ為表觀反射率；d為日地距離，單位為天文單位，可以通過(guò)觀察時(shí)間和測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度信息計(jì)算得到；Esun，λ為標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)光譜，單位為mw·sr-1μm-1cm-2；θ為太陽(yáng)天頂角，可以依據(jù)年積日以及經(jīng)緯度信息計(jì)算得到。圖5所示為依據(jù)式（2）得到的第190波段（波長(zhǎng)750.222 nm）的地表反射率，且給出了2個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的反射率曲線，對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)分別為土壤和松樹。

圖5 第190波段地表反射率及反射率曲線Fig.5 The retrieved surface reflectance at the 190th waveband（wavelength 750.222nm）（left）and different reflective spectra of soil（right-top）and pine（right-bottom）

4 歸一化植被指數(shù)

在獲取了反射率數(shù)據(jù)以后，便可以進(jìn)行后續(xù)和反射率相關(guān)的其他參數(shù)的反演，如歸一化植被指數(shù)（NDVI）。在中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）中，NDVI采用波段1（620～670 nm）的紅光波段和波段2（841～876 nm）的近紅外波段進(jìn)行反演，反演公式為[26]

（3）式中：R、NIR分別為紅光和近紅外波段的反射率。

類比MODIS的方案[27]，我們將HyperspecTMVNIR中620～670 nm（對(duì)應(yīng)第120到第147波段）的反射率平均值作為紅光波段反射率，將841～876 nm（對(duì)應(yīng)第239到第258波段）的反射率平均值作為近紅外波段反射率，依據(jù)式便可得到NDVI，如圖6a所示。依據(jù)圖6a所得的NDVI值，我們可以對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類，如圖6b所示。

圖6 NDVI和地面目標(biāo)分類結(jié)果圖Fig.6 The retrieved NDVI（a）and classification of vegetation types（b）with pine in green,grass-vert in olive,and soil in yellow

5 結(jié)論

本文敘述了在三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用無(wú)人飛艇低空高光譜遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)采集和處理數(shù)據(jù)的初步研究結(jié)果。輻射校正和正射校正是基于HyperspecTMVNIR相機(jī)自帶軟件進(jìn)行處理，地表反射率依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以得到。在得到地表反射率的基礎(chǔ)上，類比MODIS的NDVI反演得到了地面目標(biāo)的NDVI圖像，并依據(jù)NDVI進(jìn)行了初步的分類，得到了良好的結(jié)果。這些研究為后續(xù)工作開展圖像分類、條帶噪聲去除、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的研究奠定了基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：肖紅艷]

Preliminary Study on Data Collecting and Processing of Unmanned Airship Low Altitude Hyperspectral Remote Sensing

REN Wen-yi1，2，WU Dan2，QIN Lin2

（1.School of Science,Northwest A&F University,Yangling,712100,China;2.Research Center for Eco-Environmental Monitoring, Hazard Prevention and Mitigation of Three Gorges Reservoir,Yangtze Normal University,Chongqing,408100,China）

The initial results of data collecting and processing for low altitude hyperspectral remote sensing based on unmanned airship was presented in this paper.The construction of the system and the principle of its data acquisition and analysis are described,particularly focusing on the radiation correction,orthorectification,retrival of surface reflectance and NDVI(Normolized Differential Vegetation Index).The results set up a significant and fundamental basis for the remote sensing technology implemented to monitor the environmental issues in the region of Three Gorges Dam.

unmanned airship;low altitude remote sensing;hyperspectral remote sensing;data processing

S127

A

2096-2347（2016）02-0052-06

10.19478/j.cnki.2096-2347.2016.02.08

2016-04-09

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（11504297）；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（61673314）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新計(jì)劃—重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新鏈—工業(yè)領(lǐng)域（2016KTZDGY05-02）西北農(nóng)林科技大學(xué)第二批基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（2452015225）；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（Z109021504）；重慶市科委社會(huì)民生專項(xiàng)項(xiàng)目（cstc2015shmszx20010）；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（KJ131315、KJ1401205）；涪陵區(qū)科委科研項(xiàng)目（FLKJ2015ABB1097）；長(zhǎng)江師范學(xué)院科研項(xiàng)目（2014XJTD02）。

任文藝（1984—），男，陜西淳化人，博士，講師，主要從事光譜偏振成像、高光譜遙感圖像數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用研究。E-mail：renovel@nwsuaf.edu.cn