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1、什么是高光譜

成像光譜技術由分光計發展而來，它是一項新技術，又名高光譜成像技術，傳統的光譜分析技術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獲取這副圖像每個像素點的光譜信息，實現“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據能夠跟準確、精細地去分析被測地物。它的出現標志著光學遙感進入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數據反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類、物質的成分、含量、存在狀態、空間分布及動態變化。

1.1 原理知識

高光譜遙感技術發展于20世紀80年代，其結合了傳統的光譜探測和攝影成像技術，可同時獲取目標的空間信息、光譜信息和輻射信息，形成圖譜合一的數據立方體。與多光譜遙感技術相比，高光譜遙感技術能夠在一個連續的光譜范圍內進行窄帶成像，因此光譜分辨率更高、信息分辨能力更強，可以實現精確的目標分類和地物識別。目前，高光譜遙感系統已經歷了從航空平臺到航天平臺的發展過程，隨著遙感技術的不斷發展，研究者發現星載高光譜儀器雖然可以提供長時間、大尺度的數據，但受衛星重訪周期的限制，空間分辨率和時 間分辨率較差；航空高光譜儀器雖然空間分辨率較高，但對氣象條件和使用環境有苛刻要求，且需要有專業支持團隊，成本高昂，靈活性較差。

隨著微機電系統、控制與導航系統及信息處理技術的發展，無人機作為新型遙感平臺的條件逐漸成熟，同時大量微型化、高性能高光譜傳感器的研發也推動了無人機與高光譜遙感的結合。作為一種新興的遙感技術，無人機高光譜遙感可以克服云層的影響，快速、精確地向研究者提供高空間分辨率和時間分辨率的高光譜數據，有效地填補了低空高光譜遙感數據的空白。無人機高光譜遙感技術在自然資源調查領域有著巨大的技術與經濟比較優勢。首先，航空、航天平臺的高光譜數據獲取周期從幾個月到幾年不等，難以對一些短期的變化現象進行觀測和研究。其次，一些地形陡峭、植被密集的區域，調查人員難以涉足，無法進行有效的實地調查。使用無人機高光譜遙感技術， 能夠有效解決以上問題，為研究人員提供多時態、高分辨率的高光譜數據，有效降低了高光譜遙感技術的實施成本，極大簡化了自然資源調查的流程。

2、原理

2.1 典型地物光譜特征

大量的光譜波段提供了不同且極其豐富的地物遙感信息，直接基于地物的吸收譜線的分析，是辨別地物類型，獲取地物性質的最基本也是最有效的方法，因為不同類型的地物具有不同特征的吸收譜線。表2-1列出了波段范圍內的一些顯著的地物光譜特征。

表2-1不同波段區間的光譜吸收特征

不同的地物在不同的波段內響應都不同，瀝青、水泥地以及其他的一些人工地物在可見光范圍內的光譜反射率隨著波長增加而增加；各種類型的植被光譜反射率曲線在不同波段都有以下幾種特點：在可見光區內植物光譜反射率會有一個極大值和一個最小值，分別在550到560nm之間和650到680nm之間，而且在近紅外（730-1000nm）光譜區有一段較平緩和比較高的反射率；本次測量將會測量幾種不同的植被，并且根據獲取的光譜信息對植被進行不同的分析。

2.2植被光譜特征

用地物光譜儀獲取的光譜反射率可以表現出不同植物類型的光譜特征，又能通過光譜特征去研究反演出植被的組織結構、環境條件、元素含量。一般來說，健康的綠色植物的光譜曲線總是會呈現很明顯的“高反射峰”和“低反射谷”。如圖2-1植被的反射光譜特征和其他地光譜特征不一樣。

圖2-1植被反射光譜特征

經過對圖2.1的分析，可以得知健康綠色植被光譜曲線主要有以下的特點:(1)在可見光波段(400-760nm)有一個小的反射峰,兩側有兩個吸收帶,即在450nm和670nm 波段為反射低谷，這是由于葉綠素對藍光和紅光吸收作用強，而對綠光反射作用強的原因。(2)植被的最獨特的特征就是在700-800nm有一個斜率很大、變化很大的反射曲線，在1100nm處到達峰值。(3)由于葉子內部的含水量的強烈吸收作用，除了在970nm有一個小的吸收段外，在1400nm，1900nm和2700nm處有三個顯而易見的低反射谷。(4)此外在1600nm和2200nm處也有兩個反射峰。

3、原理

3.1 注意事項

①天氣選擇：晴朗無風

?高光譜數據采集禁止在雨天、冰雹、大風天及其他極端天氣進行數據采集；

?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）需考慮無人機電池電量問題；

?多云、強風的天氣采集數據會極大的影響的數據質量；建議 3-4 風力等級以下；

? 6 旋翼（例如 M600）無人機的抗風等級相對較高；

? 4 旋翼（例如 M300）無人機的抗風等級相對較低；

②采集時間選擇：10：00-14：00（北京時間）

?高光譜的數據采集盡量選擇在陽光正射被測物的時間，可根據自己的地理（經緯度）位置選擇數據采集時間段；

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星圖或者實際測高圖觀測附近山體高度后再規劃無人機航帶；

?城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場地起飛。（保證無人機不會在電磁復雜環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力等級以及數據拼接時有無靶標物識別等；

3.2 數據采集流程

①環境考察：數據采集前要了解數據采集場地的周邊環境以及準備采集時間的天氣狀況，必要時需要提前到現場觀測；

②出行清單確認；

③儀器電量確認；

④采集現場設備安裝：無人機-遙控器連接；無人機-地面工作站-地面控制終端連接；數據采集軟件起飛前調試；

⑤無人機系統起飛調試：參數設置；航帶規劃；

⑥數據導出；

4、數據獲取及處理

4.1 數據獲取

①實驗儀器：本次測試使用iSpecHyper-VM100無人機高光譜（圖4-1），其光譜范圍400-1000nm，光譜通道數260，空間通道數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%標準反射率板。（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1600，探測器2048像素）

②實驗時間地點人物天氣：2023年2月22日，安徽合肥中科大先進研究院，王海東，陳培杰，天氣晴朗。圖4-2為高光譜掃描圖。

圖4-1iSpecHyper-VM100無人機高光譜

圖4-2高光譜掃描效果圖

4.2 數據處理

將高光譜數據做反射率轉換，以下為不同地物的反射率。

草地

湖底

綠色植被

淺灘

無人機高光譜遙感技術具有出色的地物識別能力，在地質礦產填圖、水體質量監測、森林資源調查、土壤質量評估等自然資源調查領域取得了較多的創新性成果，隨著“空－天－地－海－網”一體化監測體系的建立以及多源、多尺度高光譜遙感數據的協同應用，未來，將實現不同數據的優勢互補，為自然資源調查提供多要素、高頻率、高精度、多層次的解決方案。

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