無(wú)人機(jī)低空高光譜系統(tǒng)及應(yīng)用研究

劉洪成，葉發(fā)旺，譚宏婕，2，魯納川，張川

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院 遙感信息與圖像分析技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083）

成像光譜儀基于譜段分光可以將被測(cè)目標(biāo)光譜輻射值轉(zhuǎn)換成光譜曲線，根據(jù)目標(biāo)的輻射特性實(shí)現(xiàn)對(duì)地物目標(biāo)的識(shí)別［1］。在地質(zhì)勘查領(lǐng)域，由于巖石在紅外波段范圍內(nèi)陽(yáng)離子電子躍遷和陰離子團(tuán)震動(dòng)顯示出診斷光譜特征，根據(jù)巖石的細(xì)致光譜信息可以揭示巖石礦物類(lèi)型，從而有助于分析礦床成因及有關(guān)的地質(zhì)信息，從而全面了解區(qū)域地質(zhì)及蝕變帶的空間分布，不僅可以滿(mǎn)足地質(zhì)普查和詳查等不同空間尺度地質(zhì)填圖的要求，而且通過(guò)構(gòu)建找礦預(yù)測(cè)模型還可實(shí)現(xiàn)對(duì)斷裂構(gòu)造、巖石類(lèi)型和蝕變等控礦要素的有效識(shí)別［2-6］。

近年來(lái)，我國(guó)航空高光譜遙感技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，在識(shí)別與成礦密切相關(guān)的蝕變帶、巖性和構(gòu)造等成礦要素方面發(fā)揮了重要作用。孫雨［7］等用甘肅省敦煌市小金窩地區(qū)的CASI/SASI 航空高光譜數(shù)據(jù)建立了“整體譜形，特征參量協(xié)同”的蝕變礦物信息提取流程，成功提取了褐鐵礦、綠簾石、綠泥石和云母等蝕變礦物。在新疆雪米斯坦地區(qū)，葉發(fā)旺等利用航空高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行蝕變礦物填圖［8-10］，經(jīng)過(guò)野外實(shí)地查證，礦物識(shí)別準(zhǔn)確度較高。

目前應(yīng)用于地質(zhì)勘查的高光譜傳感器體積和重量均偏大，只能搭載到有人飛機(jī)上，受到空域申請(qǐng)等因素制約，飛行成本高、靈活性差，機(jī)上操作過(guò)程繁瑣，使得高光譜技術(shù)的推廣和應(yīng)用受到很大限制。近幾年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，低空高光譜遙感技術(shù)平臺(tái)研發(fā)取得了很大進(jìn)展，小型無(wú)人飛行器為礦產(chǎn)資源勘查提供了新的成熟平臺(tái)支持，適用于無(wú)人機(jī)搭載的輕小型高光譜成像設(shè)備成為研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于低空無(wú)人機(jī)高光譜遙感技術(shù)的研究局限于可見(jiàn)光-近紅外波段，但是與地質(zhì)勘查相關(guān)的礦物光譜特征均在短波紅外波段［11］。本文重點(diǎn)介紹無(wú)人機(jī)載短波紅外高光譜成像系統(tǒng)的研制過(guò)程，在新疆雪米斯坦地區(qū)開(kāi)展了試驗(yàn)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果。

1 輕小型短波紅外成像光譜儀成像系統(tǒng)

1.1 短波紅外成像光譜儀物鏡光學(xué)設(shè)計(jì)

短波紅外成像光譜儀光路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，成像物鏡采用透射式鏡組結(jié)構(gòu)，工作光譜范圍介于1 000～2 500 nm 之間，短波紅外波段區(qū)間采用像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)。前置鏡頭部分包含光闌、望遠(yuǎn)物鏡和狹縫三個(gè)組件。望遠(yuǎn)物鏡屬于短焦距、寬譜段和相對(duì)孔徑較大的系統(tǒng)，需要校正包括球差、像散和色差等在內(nèi)的七種像差。主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

表1 成像物鏡技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical parameter table of imaging objective lens

圖1 成像物鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Optical structure diagram of imaging objective lens

1.2 短波紅外成像光譜儀分光系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)載重有限，短波紅外成像光譜儀分光模塊采用棱鏡-光柵型分光組件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕小型化的目的。光路示意圖如圖2 所示，該設(shè)計(jì)通光效率高、機(jī)械結(jié)構(gòu)體積小的特點(diǎn)，其獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)，保證了分光系統(tǒng)為同軸系統(tǒng)，有利于光校和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 分光系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)表Table 2 Technical parameter table of splitting module

圖2 分光系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Splitting module of the optical system

系統(tǒng)在1 000～2 500 nm 波長(zhǎng)區(qū)間的全局點(diǎn)列圖如圖3 所示，色散系統(tǒng)的譜線彎曲和非線性校正效果優(yōu)秀。

圖3 分光系統(tǒng)全局點(diǎn)列圖Fig. 3 The global spot diagram of the splitting optical system

系統(tǒng)在1.0、1.75 和2.5 μm 處的單色點(diǎn)列圖如圖4 所示，彌散斑RMS 半徑均小于15 μm，滿(mǎn)足小于光譜分辨率要求。

圖4 分光系統(tǒng)單色點(diǎn)列圖Fig. 4 The spot diagram of the splitting optical system

1.3 短波紅外成像光譜儀系統(tǒng)裝調(diào)

短波紅外成像光譜儀裝調(diào)測(cè)試過(guò)程是對(duì)光譜儀光學(xué)系統(tǒng)主要模組，包括：短波紅外物鏡、分光模塊和紅外焦平面陣列的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量和檢驗(yàn)，以此為基礎(chǔ)完成儀器光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)，并開(kāi)展整機(jī)的性能檢測(cè)及光譜定標(biāo)工作。

首先，對(duì)短波紅外探測(cè)器的像元響應(yīng)均勻性和盲元數(shù)量及位置進(jìn)行測(cè)試，為儀器光譜定標(biāo)工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

其次，對(duì)成像物鏡的焦距、視場(chǎng)角及焦面位置進(jìn)行測(cè)量，為后續(xù)的系統(tǒng)裝調(diào)工作提供基礎(chǔ)。完成紅外焦平面陣列、光譜成像模塊和成像物鏡間的安裝及調(diào)整，通過(guò)調(diào)整各模塊相對(duì)位置關(guān)系，保證像面位置準(zhǔn)確，系統(tǒng)光譜維和空間維成像質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

最后，通過(guò)測(cè)定色散圖中光譜維坐標(biāo)與色散波長(zhǎng)絕對(duì)值間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成儀器波長(zhǎng)位置的定標(biāo)，測(cè)定儀器在工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜響應(yīng)曲線，完成輻射定標(biāo)。

1.4 光學(xué)成像系統(tǒng)室內(nèi)測(cè)試

采用蒙特卡羅法分析光學(xué)成像系統(tǒng)像元在各項(xiàng)光學(xué)元件制造和光機(jī)結(jié)構(gòu)裝調(diào)過(guò)程中的誤差，分析結(jié)果表明：標(biāo)準(zhǔn)值和90 %統(tǒng)計(jì)值像元彌散斑半徑均方根小于1/2 像元，短波紅外成像光譜儀空間頻率16.67 line/mm 處的MTF 值均高于0.85。

2 無(wú)人機(jī)低空高光譜系統(tǒng)集成

2.1 無(wú)人機(jī)低空高光譜系統(tǒng)組成

無(wú)人機(jī)低空高光譜系統(tǒng)集成采用供電電源、穩(wěn)定平臺(tái)等與固定翼垂直起降無(wú)人機(jī)的集成測(cè)試基礎(chǔ)上，通過(guò)固定翼垂直起降無(wú)人機(jī)開(kāi)展搭載電源、高精度慣導(dǎo)、智能飛行控制系統(tǒng)的飛行測(cè)試，無(wú)人機(jī)載高光譜成像儀系統(tǒng)組成及使用主要設(shè)備如圖5 所示。

圖5 無(wú)人機(jī)低空高光譜系統(tǒng)組成及使用主要設(shè)備Fig. 5 The system components and major equipment of UAV hyperspectral imager

2.2 無(wú)人機(jī)低空高光譜安裝機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了避免無(wú)人機(jī)起降過(guò)程和發(fā)生意外情況下對(duì)設(shè)備的損傷，本次使用的CY20G 型無(wú)人機(jī)載荷倉(cāng)采用內(nèi)置設(shè)備放置方式，如圖6 所示，光譜儀鏡頭部分置于載荷倉(cāng)下面，高光譜成像儀則內(nèi)置于固定在載荷倉(cāng)的穩(wěn)定平臺(tái)上。穩(wěn)定平臺(tái)如圖6 上圖具備角度自動(dòng)補(bǔ)償功能，可以完成±5°范圍的角度補(bǔ)償。

圖6 無(wú)人機(jī)低空高光譜掛載示意圖Fig. 6 Schematic diagram of UAV mounting

3 研究區(qū)地質(zhì)概況

3.1 研究區(qū)選擇

研究區(qū)及其鄰區(qū)是我國(guó)重要火山巖成礦帶，各種成礦地質(zhì)要素（控礦構(gòu)造、火山機(jī)構(gòu)和熱液蝕變等）較發(fā)育，鈾（鈹）及多金屬成礦帶找礦潛力大。主要發(fā)育一套以華力西中、晚期為主，由輝長(zhǎng)巖、輝綠巖—閃長(zhǎng)巖—二長(zhǎng)花崗巖一正長(zhǎng)花崗巖序列組成。以富堿、鋁弱過(guò)飽和為特征的同熔型巖體為主體的侵入巖，晚期巖體為造山期后A 型花崗巖，常與晚石炭世—早二疊世潛火山巖體伴生［12］。研究區(qū)是一個(gè)以鈾、鈹為主，伴有鉬等礦化的共生成礦帶（圖7）。

圖7 雪米斯坦火山巖帶侵入巖體分布圖（底圖據(jù)參考文獻(xiàn)［12］）Fig. 7 Geological sketch of the Xuemisitan volcanic belt（modified after reference［12］）

3.2 研究區(qū)航空高光譜礦物填圖

前人航空高光譜礦物填圖結(jié)果如圖8 所示，雪米斯坦地區(qū)及周?chē)饕l(fā)育低鋁絹云母、中鋁絹云母、高鋁絹云母、綠泥石/綠簾石和碳酸鹽等多種蝕變礦物［13-15］。其中，高鋁絹云母與中鋁絹云母在空間上重疊較多，但中鋁絹云母分布范圍更廣，這兩種礦物主要分布在礦點(diǎn)的北側(cè)及其北東部的較大范圍；低鋁絹云母與其他礦物重疊較少，主要分布在礦點(diǎn)的西南地區(qū)；在礦點(diǎn)東南部，可見(jiàn)碳酸鹽與低鋁絹云母重疊，周?chē)l(fā)育綠簾石/綠泥石，它們總體均呈NE 向展布。雪米斯坦地區(qū)鈾礦點(diǎn)空間分布在以低鋁絹云母為主的西部與以中鋁、高鋁為主的東部的接觸帶的疊加地段。

圖8 新疆雪米斯坦地區(qū)航空高光譜礦物填圖Fig. 8 Mineral mapping of airborne hyperspectral data in Xuemisitan area

4 無(wú)人機(jī)低空高光譜數(shù)據(jù)處理獲取及處理

4.1 初始參數(shù)設(shè)置

高光譜成像儀需要配置的參數(shù)為積分時(shí)間和幀頻，無(wú)人機(jī)需要配置的參數(shù)為飛行高度和飛行速度并規(guī)劃航線。

高光譜成像儀幀頻理論上可以自由設(shè)置，它與無(wú)人機(jī)飛行的速高比有關(guān)，如公式（1）所示：

式（1）中：v/h—速高比；IFov—瞬時(shí)視場(chǎng)角，毫弧度；f—高光譜成像儀幀頻，Hz；ρ—重疊率，%。

無(wú)人機(jī)飛行高度與高光譜成像儀的空間分辨率和視場(chǎng)寬度緊密相關(guān)，如式（2）和（3）所示：

式（2）和（3）中：R—空間分辨率，mi；L—線視場(chǎng)寬度，行數(shù)；h—飛行高度，m；IFov—瞬時(shí)視場(chǎng)角，毫弧度；Fov—總視場(chǎng)角，毫弧度。

由于瞬時(shí)視場(chǎng)角和總視場(chǎng)角由鏡頭和高光譜成像儀參數(shù)決定，可認(rèn)為是定值，那么飛行高度越高，空間分辨率越低，線視場(chǎng)越寬。因此，在能夠保證空間分辨率滿(mǎn)足要求的情況下，飛行高度越高越好。在確定飛行高度之后可以利用式（1）確定飛行速度。

無(wú)人機(jī)航跡規(guī)劃時(shí)需要根據(jù)作業(yè)范圍進(jìn)行設(shè)計(jì)，航帶之間保留一定的重疊率為后續(xù)航帶拼接預(yù)留空間。飛行高度確定后線視場(chǎng)寬度可以確定，考慮重疊率后可以確定航帶間距。

光譜儀拍照間隔與其總視場(chǎng)、重疊率和飛行高度、飛行速度有關(guān)，如式（4）所示：

式（4）中：T—拍照間隔，s；h—飛行高度，m；v—飛行速度，m·s-1；Fov—總視場(chǎng)角，毫弧度；ρ—重疊率，%。

4.2 飛行作業(yè)

基站布設(shè)在無(wú)建筑物遮擋、周?chē)容^空曠的區(qū)域。定標(biāo)場(chǎng)應(yīng)分別選擇物質(zhì)成分單一、地形平坦、光譜特性差異較大且無(wú)交叉、面積不小于 10×10 個(gè)像元的兩類(lèi)地物作為明暗地物。

本文采用ASD 地面光譜儀，對(duì)設(shè)置的反射特性均勻、面積不小于 5×5 個(gè)像元的黑布、白布進(jìn)行了同步光譜測(cè)量，用于后期的光譜重建計(jì)算，如圖9 所示。

圖9 飛行作業(yè)及定標(biāo)黑白布布設(shè)實(shí)景圖Fig. 9 Scene graph of flight operation and calibration target

4.3 光譜重建

采用基于“白布+均勻地物”的經(jīng)驗(yàn)線性法對(duì)獲取的無(wú)人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜重建，完成反射率的計(jì)算。光譜重建后定標(biāo)黑白布光譜曲線和ASD 地面光譜儀實(shí)測(cè)黑白布光譜曲線對(duì)比圖如圖10 所示。典型特征吸收峰位置偏差為±2.0 nm，均小于光譜分辨率。

圖10 光譜重建前后黑白布光譜曲線圖Fig. 10 Reconstructed spectral curves after calibration with target

4.4 幾何校正

無(wú)人機(jī)載成像光譜測(cè)量數(shù)據(jù)幾何校正處理算法根據(jù)透視成像中物點(diǎn)-投影中心-像點(diǎn)之間共線條件方程，利用慣導(dǎo)精確測(cè)量成像瞬間透視中心的外方位元素，即探測(cè)器焦平面推掃單元中心的位置以及成像儀瞬間的姿態(tài)和位置信息，將慣導(dǎo)系統(tǒng)提供姿態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)成像時(shí)間插值得到的每個(gè)線陣的姿態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至內(nèi)方位元素的姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)直接地理校正，從而校正像元的幾何畸變，使其能夠表達(dá)地表當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐恼鎸?shí)地理幾何信息。經(jīng)過(guò)幾何校正后檢查點(diǎn)定位中誤差檢測(cè)記錄如表3 所示，幾何校正效果圖如圖11 所示，每個(gè)像元的空間分辨率為0.2 m，檢查點(diǎn)中誤差≤2個(gè)像元。

表3 幾何校正中誤差記錄表Table 3 Error detection record table after geometric correction

5 礦物識(shí)別和填圖

5.1 典型礦物光譜曲線特征

不同類(lèi)型巖礦短波紅外波段光譜特征曲線具有系列光譜特征，且光譜吸收峰位置和深度與巖礦物質(zhì)組成有密切關(guān)系，例如：高嶺石的診斷吸收特征位于2 165 和2 210 nm，在2 320 和2 350 nm 處也出現(xiàn)吸收特征。綠簾石主吸收峰位于2 250 nm，次吸收特征位于2 350 nm。碳酸鹽類(lèi)吸收特征位于2 300～2 340 nm 之間。根據(jù)不同礦物吸收位置的不同就可以對(duì)礦物進(jìn)行分類(lèi)。

5.2 端元波譜分析

基于短波紅外影像像元光譜曲線與地面非成像光譜儀實(shí)際測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)巖石樣品的光譜曲線對(duì)比，計(jì)算像元光譜曲線和實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)巖石樣品光譜的相似性，識(shí)別主要診斷特征峰位置和組合，提取無(wú)人機(jī)高光譜影像中不同礦物的端元光譜，如圖12 所示。

圖12 典型礦物精細(xì)化識(shí)別端元光譜曲線Fig. 12 Fine identification image and corresponding spectral curve of typical minerals

5.3 礦物信息識(shí)別

礦物信息識(shí)別是將高光譜影像像元光譜曲線與實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)礦物的光譜曲線作對(duì)比，從而提取礦物信息。比較航空高光譜SASI 礦物填圖，無(wú)人機(jī)獲取高光譜數(shù)據(jù)對(duì)于光譜特征相近，或地表發(fā)育規(guī)模較小的地物分類(lèi)效果更好，礦物信息識(shí)別結(jié)果如圖13 所示。

圖13 典型礦物高光譜數(shù)據(jù)填圖Fig. 13 Typical mineral mapping of hyperspectral data

6 結(jié) 論

1）利用透射式光柵研制短波紅外光譜儀全視場(chǎng)彌散斑半徑均方根均小于1/2 像元，利用單色儀在室內(nèi)進(jìn)行成像測(cè)試，MTF 值大于0.85，成像效果好。經(jīng)過(guò)輻射校正后，在地面布設(shè)靶標(biāo)，典型光譜特征吸收峰位置偏差為2.0 nm，均小于光譜分辨率。

2）無(wú)人機(jī)低空高光譜礦物填圖與同一地區(qū)航空高光譜礦物填圖結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明：兩種高光譜數(shù)據(jù)提取的礦物在空間分布上一致性較好，無(wú)人機(jī)低空高光譜影像空間分辨率較高，不僅可以識(shí)別航空高光譜識(shí)別出的所有礦物，還可以識(shí)別出伊利石、明礬石等典型礦物，識(shí)別出的礦物種類(lèi)更加豐富，且根據(jù)蝕變礦物特征吸收峰位置的細(xì)微差別，可以將一些礦物更進(jìn)一步細(xì)分，從而實(shí)現(xiàn)圍巖蝕變等成礦要素信息的精準(zhǔn)、高效識(shí)別。

利用衛(wèi)星和航空遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍普查，再通過(guò)無(wú)人機(jī)低空高光譜實(shí)現(xiàn)詳查，對(duì)于人跡罕至的找礦空白區(qū)、交通不便地區(qū)地質(zhì)勘查工作具有重要的意義。無(wú)人機(jī)低空高光譜遙感技術(shù)可以為地質(zhì)勘查提供更豐富的信息資源，是新形勢(shì)下生態(tài)環(huán)境保護(hù)和鈾資源勘查互融共生、互促共進(jìn)的全新創(chuàng)新模式，值得大力推廣到自然資源普查、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)害應(yīng)急監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。