地質(zhì)高光譜測試

1．什么是高光譜

成像光譜技術(shù)由分光計(jì)發(fā)展而來，它是一項(xiàng)新技術(shù)，又名高光譜成像技術(shù)，傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)只能做局部平均光譜分析，而高光譜能夠做到整幅圖的各個點(diǎn)光譜分析。成像光譜有凝視成像型、推帚型、擺掃型。它能夠在生成一副圖像的同時(shí)獲取這副圖像每個像素點(diǎn)的光譜信息，實(shí)現(xiàn)“圖譜合一”。高光譜獲取的光譜信息能夠包括圖像中任何一個像素點(diǎn)的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數(shù)據(jù)能夠跟準(zhǔn)確、精細(xì)地去分析被測地物。它的出現(xiàn)標(biāo)志著光學(xué)遙感進(jìn)入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數(shù)據(jù)反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類、物質(zhì)的成分、含量、存在狀態(tài)、空間分布及動態(tài)變化。

2.高光譜遙感技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)

• 水質(zhì)監(jiān)測

傳統(tǒng)的河流、湖泊水質(zhì)監(jiān)測主要是采用實(shí)地采樣和實(shí)驗(yàn)室分析等方法，這種監(jiān)測方法需要在河流、湖泊內(nèi)定點(diǎn)、定剖面進(jìn)行，通過常年累月的監(jiān)測、記錄和實(shí)驗(yàn)室分析，雖然能夠達(dá)到一定的數(shù)據(jù)精度，但是不能反映河流、湖泊水質(zhì)的總體時(shí)空狀況，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、監(jiān)測區(qū)域有限，只具有局部和典型的代表意義，不能滿足實(shí)時(shí)、快速、大尺度的監(jiān)測和評價(jià)要求。

遙感技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步為河流、湖泊水體的監(jiān)測和研究開辟了新的途徑。遙感水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)具有高動態(tài)、低成本和宏觀性等顯著特點(diǎn)，在河流、湖泊水質(zhì)污染研究方面有著常規(guī)檢測不可替代的優(yōu)點(diǎn)。它既可以滿足大范圍水質(zhì)監(jiān)測的需要，也可以反映水質(zhì)在空間和時(shí)間上的分布和變化情況，彌補(bǔ)了單一采用水面采樣的不足。高光譜遙感由于其高精度、多波段、信息量大等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于遙感水質(zhì)監(jiān)測，大大提高了水質(zhì)參數(shù)的估測精度。

• 植被監(jiān)測

高光譜遙感數(shù)據(jù)包含了農(nóng)作物的空間信息、波譜信息和輻射信息，其“圖譜合一”的特性使其可以對農(nóng)作物進(jìn)行氮素、葉綠素以及病蟲害等監(jiān)測。農(nóng)作物的空間信息主要體現(xiàn)在不同作物類別之間，不同農(nóng)作物對光的吸收和反射不同使其在遙感圖像上呈現(xiàn)出不同的特征。

高光譜分辨率的植被圖像數(shù)據(jù)大大提高植被指數(shù)所能反演的信息量，使人們可以直接獲取諸如植被葉面積指數(shù)、生物量、光合有效吸收系數(shù)等植被生物物理參量。植被遙感是一種重要的地理信息獲取手段，通過使用高光譜分辨率的植被圖像數(shù)據(jù)，我們可以獲得更加真實(shí)和詳細(xì)的地物光譜信息，能全面地反映自然界各種植被所固有的光譜特性以及其間的細(xì)節(jié)差異性，從而大大提高了植被遙感分類的精細(xì)程度和準(zhǔn)確性。

高光譜成像還能應(yīng)用于植被生物多樣性監(jiān)測、植被和土地覆蓋精細(xì)制圖、土地利用動態(tài)監(jiān)測、植被覆蓋度和生物量調(diào)查、地質(zhì)災(zāi)害評估等。

• 土壤監(jiān)測

隨著高光譜遙感技術(shù)的不斷成熟，其空間和光譜分辨率不斷地提高，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣。由于近年來土壤重金屬污染日益嚴(yán)重，對生態(tài)環(huán)境安全和人類健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，而高光譜遙感技術(shù)具有快速、宏觀地獲取地物信息的能力，為快速高效獲取土壤重金屬含量開展污染防治提供了科學(xué)手段。高光譜在土壤研究中的應(yīng)用歷史可以追溯到19世紀(jì)20—30年代。剛開始，人們利用反射光譜研究土壤含水量、土壤組分、粒徑及有機(jī)質(zhì)含量，之后，大量的研究表明，高光譜遙感技術(shù)被廣泛地用于反演土壤中有機(jī)質(zhì)含量、含水量、重金屬及土壤質(zhì)地等方面的研究應(yīng)用。

3.無人機(jī)高光譜采集流程及注意事項(xiàng)

3.1注意事項(xiàng)

①天氣選擇：晴朗無風(fēng)

? 高光譜數(shù)據(jù)采集禁止在雨天、冰雹、大風(fēng)天及其他極端天氣進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

? 溫度過高（南方夏天零上 35℃以上）或者過低（北方冬天零下 10℃以下）需考慮無人機(jī)電池電量問題；

? 多云、強(qiáng)風(fēng)的天氣采集數(shù)據(jù)會極大的影響的數(shù)據(jù)質(zhì)量；建議 3-4 風(fēng)力等級以下；

? 6 旋翼（例如 M600）無人機(jī)的抗風(fēng)等級相對較高；

? 4 旋翼（例如 M300）無人機(jī)的抗風(fēng)等級相對較低；

②采集時(shí)間選擇：10：00-14：00（北京時(shí)間）

? 高光譜的數(shù)據(jù)采集盡量選擇在陽光正射被測物的時(shí)間，可根據(jù)自己的地理（經(jīng)緯度）位置選擇數(shù)據(jù)采集時(shí)間段；

③飛行場地選擇：地勢平坦且無障礙物

? 山地飛行建議通過衛(wèi)星圖或者實(shí)際測高圖觀測附近山體高度后再規(guī)劃無人機(jī)航帶；

? 城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場地起飛。（保證無人機(jī)不會在電磁復(fù)雜環(huán)境或者遮擋視線的建筑物附近起飛）；

? 水面飛行需考慮水面上面的風(fēng)力等級以及數(shù)據(jù)拼接時(shí)有無靶標(biāo)物識別等；

3.2數(shù)據(jù)采集流程

①環(huán)境考察：數(shù)據(jù)采集前要了解數(shù)據(jù)采集場地的周邊環(huán)境以及準(zhǔn)備采集時(shí)間的天氣狀況，必要時(shí)需要提前到現(xiàn)場觀測；

②出行清單確認(rèn)；

③儀器電量確認(rèn)；

④采集現(xiàn)場設(shè)備安裝：無人機(jī)-遙控器連接；無人機(jī)-地面工作站-地面控制終端連接；數(shù)據(jù)采集軟件起飛前調(diào)試；

⑤無人機(jī)系統(tǒng)起飛調(diào)試：參數(shù)設(shè)置；航帶規(guī)劃；

⑥數(shù)據(jù)導(dǎo)出；

4.數(shù)據(jù)獲取及處理

4.1數(shù)據(jù)獲取

本次測試使用iSpecHyper-VM100無人機(jī)高光譜（圖4-1），其光譜范圍400-1000nm，光譜通道數(shù)260，空間通道數(shù)348（4像元合并），探測器為高靈敏度CCD，成像鏡頭35mm，視場角為14.4°@f=35mm以及10%標(biāo)準(zhǔn)反射率板。（本次未使用地物光譜儀iSpecField-HH，其光譜范圍300-1100，波長精度±1nm，分辨率≤3nm，光譜通道數(shù)1600，探測器2048像素）。

圖4-1 iSpecHyper-VM100無人機(jī)高光譜

圖4-2 高清相機(jī)可見光俯視圖片

4.2數(shù)據(jù)處理流程

圖1-1無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)處理流程圖

4.3數(shù)據(jù)結(jié)果

高光譜數(shù)據(jù)測量自帶幾何校正及拼接，只需將所測光譜原始數(shù)據(jù)根據(jù)所放置的標(biāo)準(zhǔn)反射率板轉(zhuǎn)換為反射率，再用各波段反射率大小反演得到NDVI、DVI、NDWI等。