復雜及單一水面的無人機多光譜反射率對時空變化的響應

王迎飛，肖敏，周爽爽，黃應平，靳專，熊彪，4

（1.三峽大學計算機與信息學院，宜昌 443002；2.三峽大學水利與環(huán)境學院，宜昌 443002；3.湖北省農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測工程技術(shù)研究中心（三峽大學），宜昌 443002；4.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心（三峽大學），宜昌 443002）

0 引言

無人機具有靈活性強、航拍影像空間分辨率高、尺寸小、成本低、圖像傳輸實時性好、在特定區(qū)域可用性好等優(yōu)點，可在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自然災害監(jiān)測數(shù)據(jù)實時采集等方面發(fā)揮重要作用。無人機已成為獲取高分辨率航空數(shù)據(jù)的重要工具，為地面觀測和衛(wèi)星遙感提供了有力的補充。此外，在飛行半徑幾公里的范圍內(nèi)，無人機可以飛到難以到達的地方，提供目標實時、高分辨率的圖像。與傳統(tǒng)的測量方法相比，無人機結(jié)合實測數(shù)據(jù)的反演方法在水質(zhì)監(jiān)測中具有更大的優(yōu)勢。遙感尺度包括空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率和輻射分辨率［1］。確定無人機最優(yōu)尺度，是無人機遙感監(jiān)測有效提取影像的波段光譜特征信息的重要基礎(chǔ)［2］。

目前有關(guān)遙感尺度的研究主要集中在遙感影像的空間尺度中，例如：對結(jié)合了光譜信息及紋理信息的遙感影像的尺度效應分析方法的研究［3］，不同空間分辨率對馬鈴薯生物量估算的影響［4］，降低尺度效應對葉面積指數(shù)反演的影響研究［5］，利用多尺度圖像的紋理特征確定土壤類型［6］，研究無人機對河流生態(tài)環(huán)境評估的最佳飛行高度［7］，無人機飛行高度對油棕生物量提取的影響［8］，等。雖然遙感影像空間分辨率是影響光譜信息的重要因素［9］，但遙感影像的光譜信息同時還受到太陽輻射強度的影響，而遙感影像成像質(zhì)量受太陽高度角的影響，它對時間尺度的變化較為敏感［10］。

太陽高度角變化的影響在衛(wèi)星圖像中已進行了廣泛的討論，例如：從粒度分布、太陽天頂角和散射角分析Himawari-8 衛(wèi)星的氣溶膠模型［11］，研究了模擬情況下的太陽高度角對衛(wèi)星遙感影像的影響［12］，季節(jié)性和太陽高度角對熱帶草原植物表面反射率和植被指數(shù)的影響［13］。雖然在無人機遙感圖像中有部分與飛行時間相關(guān)的研究［14-15］，但是缺乏對時間和飛行高度兩者同時對無人機遙感圖像影響的研究。因此十分有必要對無人機遙感的最佳飛行時間和飛行高度同時進行分析，確定適當?shù)娘w行計劃［16-17］。

本文結(jié)合空間尺度和時間尺度分析復雜及單一水面對無人機多光譜遙感數(shù)據(jù)光譜信息的影響，實驗將在多種時間條件和空間尺度下對無人機水面多光譜影像定量分析，通過對比選擇出較為合適的飛行時間和飛行高度。為多光譜遙感定量遙感的時間選擇和空間分辨率選擇提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)域概述

本文以三峽大學校內(nèi)的求索溪作為研究區(qū)域（圖1）。求索溪是典型的校園河道［18］，全長2.1 km，寬約8 m，水深約0.8 m，途徑校園內(nèi)多處重要的建筑。受不同來源的污染物影響，水質(zhì)情況較差，富營養(yǎng)化嚴重，偶有水體藻華。本文截取求索溪中三段水域：J樓（S1），圖書館（S2）和體育館（S3）。這一部分河道從上游（S1）至下游（S3）水面呈階梯下降，也就形成了不同水質(zhì)復雜度的水域。

圖1 研究區(qū)域位置

1.2 研究數(shù)據(jù)

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

無人機采用的是大疆公司生產(chǎn)的精靈4 RTK，搭載了包括1 個可見光傳感器和5 個多光譜單色傳感器。多光譜傳感器可捕獲藍色波段、綠色波段、紅色波段、紅邊波段、近紅外波段5 個波段信息，多光譜鏡頭部分參數(shù)見表1所示。無人機影像采集采用定點手動飛行的方式，在上述3個水域范圍內(nèi)，在晴朗、無云的天氣情況下，分別在12:00 和15:00，高度為100 m、125 m、150 m、175 m、200 m、225 m 和250 m 獲取無人機影像。將傳感器設(shè)置為連續(xù)拍攝模式，數(shù)據(jù)保存到SD卡上，根據(jù)光強設(shè)置固定的曝光時間。

表1 多光譜鏡頭部分參數(shù)

采集無人機影像時，在10:00～11:00 之間收集求索溪三處水域的水樣，用取水器采集后盛放在樣瓶中帶回實驗室，并在24 h內(nèi)測定總氮（TN）和總磷（TP），TN和TP參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》測定［19］。

1.2.2 遙感數(shù)據(jù)輻射校正

由于無人機影像飛行高度較低受大氣影像微弱，因而可以忽略［20］。本文參照大疆提供的多光譜影像處理方法，采用圖像信號值（digital num?ber，DN）和多光譜光強傳感器信號值（light sen?sor，LS）轉(zhuǎn)換為地表反射率的方法進行輻射校正，計算過程為：

其中，Xref為X波段的地表反射率，XDN為多光譜影像X波段的DN值，XLS為光強傳感器信號值，ρx是使得X波段的DN值和LS值互相轉(zhuǎn)化的參數(shù)。

由于不同波段的相機和不同波段的多光譜光強傳感器即使在相同光源條件下會得到不同的信號值，為了消除這種差異，需要對每個波段的相機和傳感器做感度校準。以NIR 波段為標準，對其他波段的相機參照NIR波段的相機做感度校準，計算過程為：

其中，pDNx和pLSx分別為X波段參照于NIR 波段相機的感度校準參數(shù)和多光譜光強傳感器感度校準參數(shù)，上述參數(shù)都可以從影像頭文件中獲取。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜特征分析

如圖2 所示為無人機多光譜影像一個斷面光譜變化曲線圖，左邊為無人機拍攝的5 個通道的無人機遙感影像，右邊虛線框標記曲線為對應左邊虛線框標記部分水體的光譜變化曲線圖。從多光譜圖像可以看出，水體部分的光譜反射率與其他地物類型的反射率有明顯差異，即水體光譜反射率較低且光譜變化幅度小，符合地物光譜特征曲線的一般規(guī)律；相同截面的光譜反射率由大到小依次是B、G、R、RE 和NIR，即隨著波長增加光譜反射率逐漸降低。

圖2 多光譜無人機遙感影像的水體光譜變化曲線

2.2 時間對水面光譜反射率的影響

為了探究時間對水面光譜反射率的影響，本文分別在12:00 和15:00 進行無人機多光譜圖像采集，分析時間對多光譜影像不同通道光譜反射率的影響，實驗結(jié)果如表2所示。

從表2 可以看出，當無人機圖像采集時間為15:00時各個通道的光譜反射率均小于12:00時對應通道的光譜反射率，這可能是由于中午12:00，太陽直射，此時太陽光的輻射亮度較大，因而多光譜相機捕獲到的光輻射量較大［21］。從表3 中可以看出，12:00時各個通道的光譜反射率的標準差均大于同一地點15:00時對應通道的光譜反射率，表明在12:00時水體光譜反射率隨高度的變化幅度要大于15:00 時水體光譜反射率的變化，即12:00 時采集的多光譜影像包含的波譜信息更豐富。

表2 不同通道光譜反射率隨高度、時間的變化

表3 各通道光譜反射率在不同時間下的標準差

2.3 不同空間分辨率對水面光譜反射率的影響

目前，無人機遙感定量研究的飛行高度為5～500 m［22-24］，對應的空間分辨率為1～25 cm。影像的最優(yōu)空間分辨率，是能清晰表示影像中最小地物類別的最大尺度［25］。在本文中，空間分辨率指的是地面采樣距離，已有研究證明改變飛行高度是改變地面采樣距離的有效方法［26］，可通過表1 中無人機參數(shù)計算獲得，無人機飛行高度與空間分辨率的關(guān)系見表4。

表4 無人機飛行高度與空間分辨率的對應關(guān)系

圖3—圖7 顯示了三個水域12:00 時各個通道光譜反射率隨飛行高度的變化，可以看出，B、G、R 通道的光譜反射率與RE、NIR 通道的光譜反射率變化情況不同。B、G、R 通道光譜反射率隨著飛行高度的升高呈現(xiàn)出減小趨勢，并且當飛行高度大于200 m 時，光譜反射率的變化趨于平穩(wěn)；RE和NIR 通道光譜反射率隨著高度的升高呈現(xiàn)出增加趨勢。從表3 中可以看出，近紅和紅外波段在標準差變化較大，可能是由于水中的藻類在中午生長旺盛，紅-紅外波段對植被葉綠素的敏感性較高［27］。

圖3 B通道光譜反射率隨飛行高度的變化

圖4 G通道光譜反射率度隨飛行高度的變化

圖5 R通道光譜反射率隨飛行高度的變化

圖6 RE通道光譜反射率隨飛行高度的變化

圖7 NIR通道光譜反射率隨飛行高度的變化

2.4 不同水體復雜程度對光譜特征分析

為了探究水體復雜程度對光譜特征的影響，分別測定試驗區(qū)域內(nèi)三處水體的總氮和總磷并分析三處水體的復雜程度，從表5 中可以看出，求索溪上的三處研究水域，從上游（S1）到下游（S3）的TP、TN 濃度依次降低，這與前人的研究結(jié)論相符［28］，因此可以得出結(jié)論，研究水域的水體復雜度由大到小依次是S1、S2和S3。

表5 研究水域的TP、TN濃度

對比了三處研究水域在相同高度下的多個通道反射率的標準差，結(jié)果如圖8 所示。從實驗結(jié)果可以看出，水體情況越復雜，光譜反射率的變化也就越大，這與實際情況相符。此外，隨著飛行高度的升高，整體上多個通道光譜反射率的標準差降低，即多個通道的光譜反射率之間的差異隨著飛行高度的升高而趨于平穩(wěn)，尤其是當高度大于200 m時這種變化更加明顯。

圖8 不同高度下5個通道的光譜反射率的標準差

3 結(jié)語

本文研究了在不同時間條件和不同空間分辨率條件下對無人機多光譜反射率的影響。在本實驗條件下，得出以下結(jié)論：無人機航拍宜在12:00時進行，此時太陽光輻射亮度最大，得到的影像光譜輻射信息更豐富，但需要注意水面鏡面反射對光譜輻射率的影響；B、G和R通道光譜反射率隨著飛行高度的升高而降低，在飛行高度大于200 m 時趨于穩(wěn)定，RE 和NIR 通道的光譜反射率受到植被葉綠素影響較大，因此較難確定最優(yōu)飛行高度；研究水域越復雜，光譜影像包含的信息越多，光譜反射率的變化越劇烈。本文結(jié)論可為水質(zhì)反演模型構(gòu)建提供理論支持。