航空高光譜數(shù)據(jù)收錄導(dǎo)航子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘" 要：目前已有的航空高光譜系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件存在系統(tǒng)兼容性差、自動化程度低等問題，為快速精確地采集航空高光譜數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)航空高光譜數(shù)據(jù)收錄導(dǎo)航子系統(tǒng)——AeroNavi，重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。通過在揚(yáng)州高郵湖地區(qū)生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證系統(tǒng)無人值守自動收錄、導(dǎo)航監(jiān)控等功能的實(shí)用性，充分展現(xiàn)AeroNavi軟件在航空高光譜數(shù)據(jù)采集方面的高兼容性、高智能化、高飛行效率和低風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：航空高光譜；導(dǎo)航監(jiān)控；航線規(guī)劃；無人值守；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號：P237" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0142-04

Abstract： At present， the existing data acquisition software for aerial hyperspectral system has problems such as poor system compatibility and low degree of automation. In order to collect airborne hyperspectral data quickly and accurately， an airborne hyperspectral data integration and navigation subsystem （AeroNavi） is designed. The functions of the system are introduced in detail. Through the practical application in the ecological geological environment remote sensing survey project of Gaoyou Lake in Yangzhou， the practicability of the system's functions such as automatic collection and navigation monitoring is verified. This fully demonstrates the characteristics of AeroNavi software in aviation hyperspectral data acquisition， such as high compatibility， high intelligence， high flight efficiency and low risk.

Keywords： airborne hyperspectral; navigation monitoring; route planning; unattended operation; systems design

隨著20世紀(jì)80年代成像光譜技術(shù)的出現(xiàn)，光學(xué)遙感進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段——高光譜遙感（Hyperspectral Remote Sensing）階段。高光譜遙感技術(shù)作為對地觀測技術(shù)的重大突破，其發(fā)展?jié)摿薮螅渲泻娇崭吖庾V遙感正日益顯示出重要的實(shí)用價(jià)值[1]。目前，航空高光譜遙感在地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查、水體與土壤污染評價(jià)、植被監(jiān)測，以及城市遙感等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-5]。

近年來，許多國家競相投入到高光譜成像系統(tǒng)的研制和應(yīng)用中來。其中，國際上具有代表性的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)有加拿大ITRES公司的CASI系列、澳大利亞ISPL公司的HyMap等[6-7]；國內(nèi)具有代表性的有中科院上海技術(shù)物理研究所研制的OMIS系統(tǒng)和PHI系統(tǒng)[8-9]。然而，這些已投入使用的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)配套的數(shù)據(jù)采集軟件均只適用于其系統(tǒng)本身，數(shù)據(jù)采集軟件存在系統(tǒng)兼容性差、自動化程度低等缺點(diǎn)，且不具備導(dǎo)航監(jiān)控功能、航線規(guī)劃等功能。自2013年起，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院開始航空高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用的研究，通過一系列系統(tǒng)集成研發(fā)試驗(yàn)，成功研制出搭載國產(chǎn)高光譜成像儀的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)[10]。為了進(jìn)一步完善航空高光譜系統(tǒng)工作流程，快速精確采集航空高光譜數(shù)據(jù)，技術(shù)團(tuán)隊(duì)研發(fā)設(shè)計(jì)了航空高光譜數(shù)據(jù)采集導(dǎo)航子系統(tǒng)（AeroNavi）。

1 系統(tǒng)研發(fā)

1.1 研發(fā)環(huán)境

軟件的研發(fā)環(huán)境為Windows XP及以上版本的操作系統(tǒng)、Visual C++軟件開發(fā)工具及Visual C++語言。

1.2" 系統(tǒng)框架

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工作需求，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在自主研發(fā)的高度集成的航空高光譜數(shù)據(jù)收錄軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了導(dǎo)航子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)收錄軟件系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)，各個(gè)子系統(tǒng)部署在幾臺不同的電腦上，除導(dǎo)航子系統(tǒng)，其他子系統(tǒng)均做成操作系統(tǒng)的服務(wù)進(jìn)程，隨操作系統(tǒng)自動啟動，無須人工啟動和關(guān)閉。

2" 系統(tǒng)功能

AeroNavi導(dǎo)航子系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)管理、設(shè)計(jì)測線管理、航線規(guī)劃和導(dǎo)航監(jiān)控4個(gè)模塊，為實(shí)現(xiàn)航空高光譜數(shù)據(jù)的快速精確采集提供了可靠保障，如圖1所示。

AeroNavi軟件主界面主要有菜單欄、工程管理窗口、視圖管理窗口、視圖快捷按鈕、飛行參數(shù)窗口和狀態(tài)欄等組成，如圖2所示。工作區(qū)管理窗口主要進(jìn)行工區(qū)的數(shù)據(jù)管理和設(shè)計(jì)測線管理，視圖管理窗口主要顯示飛行參數(shù)信息、工區(qū)邊界范圍和設(shè)計(jì)測線信息等，可用于航線規(guī)劃和導(dǎo)航監(jiān)控。

2.1" 數(shù)據(jù)管理

2.1.1" 工程管理

AeroNavi軟件是以工程方式管理和組織各類數(shù)據(jù)文件，將航空高光譜測量數(shù)據(jù)采集過程中涉及的各類數(shù)據(jù)文件放到一個(gè)工程中集中進(jìn)行管理。工程管理功能主要有新建工程、打開工程、保存工程、另存工程、關(guān)閉工程和最近工程等。

2.1.2" 投影參數(shù)設(shè)置

在新建或者導(dǎo)入工區(qū)之前，軟件會要求用戶先進(jìn)行投影參數(shù)設(shè)置，軟件提供多種坐標(biāo)系和橢球體供用戶選擇，中央經(jīng)線可選擇使用標(biāo)準(zhǔn)帶號或者自定義，用戶可根據(jù)自身需要選擇。

2.1.3" 工區(qū)管理

工區(qū)管理主要功能有工區(qū)的新建、刪除、重命名、編輯、導(dǎo)出和導(dǎo)入等功能。一個(gè)工程中可包含多個(gè)工區(qū)。軟件允許用戶輸入工區(qū)角點(diǎn)坐標(biāo)的格式有地理坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)，工區(qū)角點(diǎn)坐標(biāo)可以單點(diǎn)輸入也可從文件導(dǎo)入。

2.2" 設(shè)計(jì)測線管理

設(shè)計(jì)測線管理主要功能有設(shè)定測線基本參數(shù)、生成檢校線、設(shè)計(jì)測線的新建、刪除、重命名、編輯、陣列復(fù)制、導(dǎo)出和導(dǎo)入等。

2.2.1" 設(shè)定基本參數(shù)

在軟件中可設(shè)定測線飛行的基本參數(shù)，如：測線飛高、航向和測線間距等。由于高光譜遙感數(shù)據(jù)豐富的光譜與地物信息使得影像的數(shù)據(jù)量相比傳統(tǒng)遙感方式要大得多，其采集頻率與采集波段數(shù)大幅度增加，數(shù)據(jù)量高達(dá)上百M(fèi)B/s，給原始數(shù)據(jù)的存儲帶來了一定的壓力，為節(jié)約存儲空間和避免航線裁剪等工作，用戶可設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)容限（垂直方向和水平方向），確保飛機(jī)只有在測線端點(diǎn)坐標(biāo)有效距離內(nèi)才會觸發(fā)數(shù)據(jù)采集。

2.2.2" 生成檢校線

航空高光譜測量數(shù)據(jù)采集的檢校線飛行是為了檢驗(yàn)穩(wěn)定云臺的安裝誤差是否在允許誤差范圍內(nèi)。檢校線通常由2組相互垂直的飛行線組成，飛行線的飛行方向?yàn)闁|西向和南北向，而每組飛行線又由2條正反向飛行線構(gòu)成，因此檢校線共有4條飛行線構(gòu)成，如圖3所示。檢校線的中心位置必須位于由4條飛行線所形成的光譜條帶重疊區(qū)域的中心處，在AeroNavi軟件中只需輸入檢校線的中心點(diǎn)位置坐標(biāo)，即可自動生成檢校線。

2.2.3" 設(shè)計(jì)測線

設(shè)計(jì)測線主要功能有測線的新建、刪除、重命名、編輯、導(dǎo)出和導(dǎo)入等功能。新建單條測線時(shí)軟件允許用戶輸入測線端點(diǎn)坐標(biāo)的格式有地理坐標(biāo)和平面直角坐標(biāo)，測線端點(diǎn)坐標(biāo)可以單點(diǎn)輸入也可從文件導(dǎo)入。

2.3" 航線規(guī)劃

2.3.1" 測線任務(wù)管理

在測線任務(wù)管理模塊，用戶可根據(jù)需要對目標(biāo)測線進(jìn)行規(guī)劃和管理。如：將工區(qū)已飛測線進(jìn)行隱藏，將本架次飛行測線設(shè)為任務(wù)測線。

2.3.2" 數(shù)據(jù)傳輸

測線任務(wù)規(guī)劃完成后，需將本地電腦與服務(wù)器連接，將已規(guī)劃好航線的工程文件上傳至服務(wù)器。為確保工程文件數(shù)據(jù)不出錯(cuò)，用戶可將目標(biāo)工程文件下載至本地電腦中，并對目標(biāo)工程進(jìn)行檢查確認(rèn)。

2.4nbsp; 導(dǎo)航監(jiān)控

2.4.1" 飛行導(dǎo)航

為了更高效地完成航空高光譜數(shù)據(jù)采集工作，AeroNavi軟件為飛行員提供了飛行導(dǎo)航功能。將機(jī)艙駕駛室的平板電腦用網(wǎng)線將其與服務(wù)器連接，即可在平板電腦端AeroNavi軟件視圖管理窗口實(shí)時(shí)顯示待飛行測線、儀器設(shè)備狀態(tài)及各項(xiàng)飛行參數(shù)。導(dǎo)航界面還提供一定的交互功能，飛行員可停止或啟動某條測線的航拍作業(yè)。

2.4.2" 地面監(jiān)控

為適應(yīng)航空高光譜數(shù)據(jù)采集無人值守作業(yè)和遠(yuǎn)程監(jiān)測的發(fā)展趨勢，本系統(tǒng)具有地面監(jiān)控功能。地面監(jiān)測人員通過數(shù)傳系統(tǒng)可監(jiān)測和了解當(dāng)前作業(yè)進(jìn)度及儀器工作狀態(tài)，隨時(shí)與飛行員保持聯(lián)系，如果遇到儀器不正常情況則通知飛行員返航。

2.4.3" 模擬航拍

導(dǎo)航子系統(tǒng)創(chuàng)新性地加入了模擬航拍模塊，將飛行模擬器模擬的POS數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制子系統(tǒng)，主控制子系統(tǒng)再發(fā)送命令給相機(jī)收錄子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)的收錄，從而實(shí)現(xiàn)模擬航拍。與在飛機(jī)上測試相比，可以減少飛機(jī)租用次數(shù)，而且模擬航拍不須要申請空域也不受航空管制，大大降低測試時(shí)間和測試成本。

3" 實(shí)際應(yīng)用

自2016年研發(fā)AeroNavi軟件以來，先后在江蘇、安徽、浙江等地的多個(gè)航空高光譜調(diào)查項(xiàng)目中得到了實(shí)際應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的航線數(shù)據(jù)與導(dǎo)航監(jiān)控滿足了航空高光譜數(shù)據(jù)采集的飛行要求。下面以2020年高郵湖及周邊區(qū)域山水林田湖草生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查項(xiàng)目為例，對軟件的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

3.1" 項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目工區(qū)位于揚(yáng)州市高郵湖區(qū)域，采用航空高光譜遙感技術(shù)對高郵湖及周邊區(qū)域山水林田湖草進(jìn)行生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查，快速識別、提取工作區(qū)中的各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)和影響因子，為工作區(qū)的生態(tài)地質(zhì)環(huán)境評價(jià)提供評價(jià)因子。項(xiàng)目采用江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院自主集成的機(jī)載航空高光譜遙感系統(tǒng)進(jìn)行對地觀測和成像，主要儀器設(shè)備包括國產(chǎn)可見光與短波紅外高光譜成像儀、組合導(dǎo)航定位設(shè)備、穩(wěn)定平臺，飛行有效測線2 643 km，獲得了面積為907 km2的航空高光譜原始數(shù)據(jù)。

3.2" 航線設(shè)計(jì)

在AeroNavi軟件中進(jìn)行工區(qū)航線設(shè)計(jì)，根據(jù)目標(biāo)任務(wù)要求設(shè)定飛行參數(shù)如下：飛行航高為800 m，觸發(fā)點(diǎn)容限設(shè)置為垂直±50 m、水平±50 m，測線方向?yàn)檎龞|西向（90～270°），航線間隔Dy為350 m，旁向重疊率Px為25%。由AeroNavi軟件設(shè)計(jì)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)測線在視圖管理窗口上的位置如圖4所示。

3.3" 效果分析

在航空高光譜外業(yè)數(shù)據(jù)采集工作中，技術(shù)人員根據(jù)飛行窗口和任務(wù)計(jì)劃，在架次飛行前根據(jù)模擬飛行結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整規(guī)劃，制定最優(yōu)飛行航線。下面以2020年9月4日的架次數(shù)據(jù)為例，對軟件的使用效果進(jìn)行分析。該架次設(shè)計(jì)測線與飛行航跡對比圖如圖5所示，粗線為設(shè)計(jì)測線，細(xì)線為光譜數(shù)據(jù)采集的飛行航跡，底圖由采集的可見光影像拼接而成。

本架次飛行時(shí)長為3.55 h，測線飛行時(shí)長為2.88 h，16條測線的總長度為444 km，平均飛行速度154 km/h，平均飛行高度802 m，平均偏航距為4 m，采集高光譜原始數(shù)據(jù)共587 GB。地面監(jiān)控人員實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)飛行質(zhì)量，與飛行員保持溝通，對飛行質(zhì)量有問題的測線及時(shí)進(jìn)行重復(fù)飛行。若不使用AeroNavi軟件，高光譜設(shè)備需要從飛機(jī)起飛前到降落后一直采集數(shù)據(jù)，采集的原始數(shù)據(jù)至少723 GB，增加了23.2%的無效數(shù)據(jù)，且隨著起降坪離飛行測線越遠(yuǎn)，采集的無效數(shù)據(jù)占比就越高，占用系統(tǒng)存儲空間。此外，本次獲取的高光譜數(shù)據(jù)不存在無效數(shù)據(jù)（進(jìn)測線前和出測線后），無需進(jìn)行裁剪，提高了工作效率。

4" 結(jié)論

2016年至今，航空高光譜數(shù)據(jù)采集導(dǎo)航子系統(tǒng)經(jīng)過持續(xù)不斷改進(jìn)，目前已經(jīng)升級到第三代，實(shí)現(xiàn)了無人值守自動收錄、模擬航拍和地面監(jiān)控等功能，為快速精確采集航空高光譜數(shù)據(jù)提供了技術(shù)支撐。與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有系統(tǒng)兼容性強(qiáng)、航線規(guī)劃簡便、自動化程度高和飛行成本低等優(yōu)勢。

團(tuán)隊(duì)的下一步研究重點(diǎn)：將機(jī)載激光雷達(dá)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集顯控集成到導(dǎo)航子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)航空遙感數(shù)據(jù)快速精確采集。

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