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無人機平臺支持的高光譜遙感技術(shù):全球視角下的技術(shù)演進與農(nóng)林應(yīng)用

時間:2025/7/4閱讀:31
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無人機平臺支持的高光譜遙感技術(shù):全球視角下的技術(shù)演進與農(nóng)林應(yīng)用
摘要

本研究從全球視角系統(tǒng)探討無人機平臺支持的高光譜遙感技術(shù),通過深入剖析高光譜傳感器、數(shù)據(jù)處理技術(shù)及在農(nóng)業(yè)與林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實踐,揭示其技術(shù)優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿?。研究表明,高光譜數(shù)據(jù)憑借的光譜分辨率與信息承載能力,在物質(zhì)成分識別與生物特性分析中展現(xiàn)出傳統(tǒng) RGB 與多光譜影像的優(yōu)勢。無人機與高光譜傳感器的深度融合,構(gòu)建了靈活、經(jīng)濟且可擴展的數(shù)據(jù)獲取體系。飛行前的參數(shù)優(yōu)化與飛行后的輻射校正、幾何精糾正等預(yù)處理流程,是保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多樣化的高光譜數(shù)據(jù)處理工具箱,顯著降低了技術(shù)應(yīng)用門檻。該技術(shù)在農(nóng)林領(lǐng)域的作物表型分析、森林生態(tài)監(jiān)測等方面具有廣闊應(yīng)用前景,為精準農(nóng)業(yè)與智慧林業(yè)發(fā)展提供了創(chuàng)新技術(shù)路徑。

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一、引言

在遙感技術(shù)快速發(fā)展的背景下,高光譜遙感以其連續(xù)、精細的光譜信息獲取能力,成為地球科學(xué)與資源監(jiān)測領(lǐng)域的前沿技術(shù)。無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)作為新興數(shù)據(jù)采集平臺,具有低空靈活作業(yè)、高時間分辨率、低成本等特性,與高光譜傳感器的結(jié)合,突破了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感與有人機遙感的時空限制,為高光譜數(shù)據(jù)獲取開辟了新途徑。本文從全球視角出發(fā),系統(tǒng)綜述無人機高光譜遙感技術(shù)體系,涵蓋技術(shù)原理、數(shù)據(jù)處理流程及農(nóng)林領(lǐng)域典型應(yīng)用,旨在為該技術(shù)的進一步發(fā)展與推廣提供理論支撐與實踐參考。

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二、高光譜數(shù)據(jù)的技術(shù)優(yōu)勢
相較于 RGB 圖像和多光譜數(shù)據(jù),高光譜數(shù)據(jù)具備顯著的技術(shù)優(yōu)勢。高光譜遙感能夠在數(shù)百個連續(xù)光譜波段獲取地物信息,其光譜分辨率可達納米級,這種高光譜分辨率使得地物的光譜特征得以精細化表達,能夠捕捉到傳統(tǒng)遙感影像難以分辨的物質(zhì)成分差異。根據(jù)比爾 - 朗伯定律,不同物質(zhì)在特定光譜波段具有的吸收與反射特性,高光譜數(shù)據(jù)可通過光譜解混技術(shù),反演地物的化學(xué)組成與物理結(jié)構(gòu)。例如,植被的葉綠素、葉黃素等色素含量變化,可在高光譜數(shù)據(jù)的紅邊、近紅外波段形成特征光譜響應(yīng),從而實現(xiàn)對植被生理狀態(tài)的精準監(jiān)測,而這是僅包含有限波段的 RGB 與多光譜數(shù)據(jù)難以達成的。

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三、高光譜獲取設(shè)備與無人機平臺集成
3.1 傳感器類型
高光譜傳感器按工作原理可分為推掃式、擺掃式和凝視型。推掃式傳感器通過線陣探測器與平臺運動的協(xié)同,實現(xiàn)二維影像數(shù)據(jù)的獲取,具有較高的空間分辨率與數(shù)據(jù)獲取效率;擺掃式傳感器通過機械掃描裝置擴大視場范圍,但存在掃描速度限制與幾何畸變問題;凝視型傳感器基于面陣探測器,可實現(xiàn)瞬時成像,適用于動態(tài)場景監(jiān)測。在無人機應(yīng)用場景中,微型推掃式高光譜傳感器因體積小、重量輕、功耗低等特點,成為主流選擇,如 Headwall Photonics 公司的 Micro - Hyperspec 系列傳感器,光譜范圍覆蓋 400 - 2500nm,可滿足多種地物光譜信息采集需求。
3.2 獲取模式
無人機高光譜數(shù)據(jù)獲取模式主要包括條帶式、拼圖式和定點式。條帶式獲取適用于大面積區(qū)域的連續(xù)覆蓋,通過設(shè)定飛行航線與重疊率,可實現(xiàn)無縫拼接;拼圖式獲取則針對復(fù)雜地形或不規(guī)則區(qū)域,采用分塊采集策略,后期通過圖像鑲嵌技術(shù)合成完整影像;定點式獲取常用于目標區(qū)域的高精度監(jiān)測,無人機懸停于特定位置進行多角度、多時間序列的數(shù)據(jù)采集。
3.3 無人機兼容傳感器
目前市場上已涌現(xiàn)出眾多無人機兼容高光譜傳感器,如 Resonon 公司的 Pika 系列傳感器,重量不足 1kg,可適配多旋翼與固定翼無人機平臺,其光譜分辨率可達 2.8nm,為高光譜數(shù)據(jù)的精細分析提供了硬件保障。此外,國內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)高性能無人機高光譜傳感器,推動技術(shù)國產(chǎn)化進程。

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四、高光譜數(shù)據(jù)處理流程
4.1 飛行前操作
飛行前的參數(shù)設(shè)置與設(shè)備校準是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。需根據(jù)研究目標與區(qū)域特征,合理規(guī)劃飛行高度、速度、航線與重疊率。飛行高度直接影響空間分辨率與覆蓋范圍,通常低空飛行(50 - 200m)可獲取高空間分辨率數(shù)據(jù),但需考慮無人機續(xù)航與安全性。同時,對高光譜傳感器進行輻射定標與幾何校準,通過標準反射率參考板(如 Spectralon 漫反射板)建立傳感器響應(yīng)與實際地物反射率之間的定量關(guān)系,消除儀器誤差對數(shù)據(jù)的影響。
4.2 飛行后預(yù)處理
飛行后預(yù)處理是高光譜數(shù)據(jù)可用化的關(guān)鍵環(huán)節(jié),主要包括輻射校正、幾何精糾正、大氣校正與噪聲去除。輻射校正用于消除傳感器自身的輻射響應(yīng)差異;幾何精糾正通過地面控制點(Ground Control Points, GCPs)或數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model, DEM),糾正因無人機姿態(tài)變化與地形起伏引起的幾何畸變;大氣校正采用 MODTRAN、6S 等輻射傳輸模型,去除大氣分子與氣溶膠對光譜信息的干擾;噪聲去除則通過小波變換、主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)等算法,抑制數(shù)據(jù)中的隨機噪聲與條帶噪聲。
4.3 數(shù)據(jù)處理工具箱
為降低高光譜數(shù)據(jù)處理的技術(shù)門檻,學(xué)界與企業(yè)開發(fā)了多種實用工具箱。ENVI - Hyperspectral Analyst 模塊集成了光譜解混、異常檢測、目標識別等功能;MATLAB 中的 Spectral Processing Toolbox 提供了豐富的光譜分析算法;Python 生態(tài)中的 Hyperspy 庫支持高光譜數(shù)據(jù)的交互式可視化與定量分析。這些工具箱通過圖形化界面與封裝算法,使非專業(yè)用戶也能便捷地開展高光譜數(shù)據(jù)分析。
五、無人機高光譜在農(nóng)業(yè)與林業(yè)的應(yīng)用
5.1 農(nóng)業(yè)應(yīng)用
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,無人機高光譜遙感技術(shù)在作物健康監(jiān)測、產(chǎn)量預(yù)估與精準施肥等方面展現(xiàn)出巨大潛力。通過分析作物在可見光 - 近紅外波段的光譜反射特征,可反演葉綠素含量、葉面積指數(shù)(Leaf Area Index, LAI)等生理參數(shù),實現(xiàn)作物病蟲害早期診斷與營養(yǎng)狀況評估。例如,利用高光譜數(shù)據(jù)的紅邊位置偏移量,可有效識別作物的氮素缺乏程度,為變量施肥提供決策依據(jù)。此外,基于高光譜影像的作物表型分析,能夠快速篩選優(yōu)良品種,加速育種進程。
5.2 林業(yè)應(yīng)用
在林業(yè)領(lǐng)域,無人機高光譜遙感可用于森林病蟲害檢測、森林覆蓋變化監(jiān)測與生物量估算。不同病蟲害侵染下的樹木,其葉片光譜特征會發(fā)生顯著變化,通過光譜匹配與分類算法,可精準定位受害區(qū)域。同時,高光譜數(shù)據(jù)在森林物種識別方面具有優(yōu)勢,基于光譜庫的光譜特征匹配,可區(qū)分不同樹種,為森林資源清查與生態(tài)保護提供數(shù)據(jù)支持。此外,結(jié)合 LiDAR 數(shù)據(jù),可實現(xiàn)森林三維結(jié)構(gòu)參數(shù)與生物量的高精度反演。
六、結(jié)論

無人機平臺支持的高光譜遙感技術(shù)融合了高光譜數(shù)據(jù)的精細光譜信息與無人機的靈活作業(yè)優(yōu)勢,在全球范圍內(nèi)展現(xiàn)出強勁的發(fā)展態(tài)勢與廣闊的應(yīng)用前景。高光譜數(shù)據(jù)的高分辨率光譜信息為地物成分識別與狀態(tài)監(jiān)測提供了新視角,無人機平臺的引入則顯著提升了數(shù)據(jù)獲取的時效性與經(jīng)濟性。完善的飛行前規(guī)劃與飛行后預(yù)處理流程,保障了數(shù)據(jù)的可靠性與可用性,而多樣化的數(shù)據(jù)處理工具箱進一步推動了技術(shù)的普及應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)與林業(yè)領(lǐng)域,該技術(shù)已取得諸多創(chuàng)新性成果,為資源精準管理與可持續(xù)發(fā)展提供了有效技術(shù)手段。未來,隨著傳感器技術(shù)的不斷進步、數(shù)據(jù)處理算法的持續(xù)優(yōu)化以及多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的深入發(fā)展,無人機高光譜遙感技術(shù)有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,為全球生態(tài)環(huán)境保護與資源合理利用貢獻更大價值。

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以象科技作為一家由西安光機所光學(xué)博士團隊、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團隊以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè),在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強勁的實力,正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團隊成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實踐經(jīng)驗,構(gòu)建起了一座堅實的技術(shù)堡壘。西安光機所光學(xué)博士團隊深入鉆研光學(xué)核心原理,在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力,致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場領(lǐng)航員,他們憑借對行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準把握以及對市場需求變化的前瞻性洞察,為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向,確保每一款產(chǎn)品都能精準對接市場痛點,在激烈的市場競爭中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個實際領(lǐng)域的落地應(yīng)用,他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場景下的潛在用途,從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造,從環(huán)境監(jiān)測到農(nóng)業(yè)科技,不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界,讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會的各個角落。

在產(chǎn)品層面,以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機,無疑是其技術(shù)實力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價比更高的光學(xué)設(shè)備選擇,還在一定程度上推動了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進程,提升了我國在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價值鏈中的地位。

此外,公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品,也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果,在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手;激光散斑血流成像儀能夠精準地監(jiān)測微循環(huán)血流變化,為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù);光譜儀則憑借其對物質(zhì)光譜特性的精確分析能力,在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測以及食品安全檢測等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運營模式,展現(xiàn)出了強大的綜合實力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市,依托當?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢,持續(xù)不斷地投入大量資源進行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新,為公司的產(chǎn)品迭代升級和技術(shù)突破提供了源源不斷的動力源泉。

與此同時,公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng),全面覆蓋全國各個地區(qū),確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機構(gòu)則像是一位貼心的守護者,隨時為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障,讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂,進一步增強了客戶對公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團隊、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運營模式,在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行,未來有望在國內(nèi)乃至全球市場上取得更為輝煌的成就,為推動光學(xué)科技的進步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻。

以象科技由西安光機所光學(xué)博士團隊,行業(yè)資深專家,光譜軟件算法團隊,光學(xué)應(yīng)用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司,目前投產(chǎn)市場可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機,實現(xiàn)國產(chǎn)化,突破進口技術(shù)壁壘,打破進口短波紅外高光譜相機的技術(shù)限制。

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