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无人机平台支持的高光谱遥感技术:全球视角下的技术演进与农林应用

更新时间:2025-07-04      点击次数:15
无人机平台支持的高光谱遥感技术:全球视角下的技术演进与农林应用
摘要

本研究从全球视角系统探讨无人机平台支持的高光谱遥感技术,通过深入剖析高光谱传感器、数据处理技术及在农业与林业领域的应用实践,揭示其技术优势与发展潜力。研究表明,高光谱数据凭借的光谱分辨率与信息承载能力,在物质成分识别与生物特性分析中展现出传统 RGB 与多光谱影像的优势。无人机与高光谱传感器的深度融合,构建了灵活、经济且可扩展的数据获取体系。飞行前的参数优化与飞行后的辐射校正、几何精纠正等预处理流程,是保障数据质量的关键环节。多样化的高光谱数据处理工具箱,显著降低了技术应用门槛。该技术在农林领域的作物表型分析、森林生态监测等方面具有广阔应用前景,为精准农业与智慧林业发展提供了创新技术路径。

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一、引言

在遥感技术快速发展的背景下,高光谱遥感以其连续、精细的光谱信息获取能力,成为地球科学与资源监测领域的前沿技术。无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)作为新兴数据采集平台,具有低空灵活作业、高时间分辨率、低成本等特性,与高光谱传感器的结合,突破了传统卫星遥感与有人机遥感的时空限制,为高光谱数据获取开辟了新途径。本文从全球视角出发,系统综述无人机高光谱遥感技术体系,涵盖技术原理、数据处理流程及农林领域典型应用,旨在为该技术的进一步发展与推广提供理论支撑与实践参考。

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二、高光谱数据的技术优势
相较于 RGB 图像和多光谱数据,高光谱数据具备显著的技术优势。高光谱遥感能够在数百个连续光谱波段获取地物信息,其光谱分辨率可达纳米级,这种高光谱分辨率使得地物的光谱特征得以精细化表达,能够捕捉到传统遥感影像难以分辨的物质成分差异。根据比尔 - 朗伯定律,不同物质在特定光谱波段具有的吸收与反射特性,高光谱数据可通过光谱解混技术,反演地物的化学组成与物理结构。例如,植被的叶绿素、叶黄素等色素含量变化,可在高光谱数据的红边、近红外波段形成特征光谱响应,从而实现对植被生理状态的精准监测,而这是仅包含有限波段的 RGB 与多光谱数据难以达成的。

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三、高光谱获取设备与无人机平台集成
3.1 传感器类型
高光谱传感器按工作原理可分为推扫式、摆扫式和凝视型。推扫式传感器通过线阵探测器与平台运动的协同,实现二维影像数据的获取,具有较高的空间分辨率与数据获取效率;摆扫式传感器通过机械扫描装置扩大视场范围,但存在扫描速度限制与几何畸变问题;凝视型传感器基于面阵探测器,可实现瞬时成像,适用于动态场景监测。在无人机应用场景中,微型推扫式高光谱传感器因体积小、重量轻、功耗低等特点,成为主流选择,如 Headwall Photonics 公司的 Micro - Hyperspec 系列传感器,光谱范围覆盖 400 - 2500nm,可满足多种地物光谱信息采集需求。
3.2 获取模式
无人机高光谱数据获取模式主要包括条带式、拼图式和定点式。条带式获取适用于大面积区域的连续覆盖,通过设定飞行航线与重叠率,可实现无缝拼接;拼图式获取则针对复杂地形或不规则区域,采用分块采集策略,后期通过图像镶嵌技术合成完整影像;定点式获取常用于目标区域的高精度监测,无人机悬停于特定位置进行多角度、多时间序列的数据采集。
3.3 无人机兼容传感器
目前市场上已涌现出众多无人机兼容高光谱传感器,如 Resonon 公司的 Pika 系列传感器,重量不足 1kg,可适配多旋翼与固定翼无人机平台,其光谱分辨率可达 2.8nm,为高光谱数据的精细分析提供了硬件保障。此外,国内企业也在积极研发高性能无人机高光谱传感器,推动技术国产化进程。

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四、高光谱数据处理流程
4.1 飞行前操作
飞行前的参数设置与设备校准是确保数据质量的基础。需根据研究目标与区域特征,合理规划飞行高度、速度、航线与重叠率。飞行高度直接影响空间分辨率与覆盖范围,通常低空飞行(50 - 200m)可获取高空间分辨率数据,但需考虑无人机续航与安全性。同时,对高光谱传感器进行辐射定标与几何校准,通过标准反射率参考板(如 Spectralon 漫反射板)建立传感器响应与实际地物反射率之间的定量关系,消除仪器误差对数据的影响。
4.2 飞行后预处理
飞行后预处理是高光谱数据可用化的关键环节,主要包括辐射校正、几何精纠正、大气校正与噪声去除。辐射校正用于消除传感器自身的辐射响应差异;几何精纠正通过地面控制点(Ground Control Points, GCPs)或数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM),纠正因无人机姿态变化与地形起伏引起的几何畸变;大气校正采用 MODTRAN、6S 等辐射传输模型,去除大气分子与气溶胶对光谱信息的干扰;噪声去除则通过小波变换、主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)等算法,抑制数据中的随机噪声与条带噪声。
4.3 数据处理工具箱
为降低高光谱数据处理的技术门槛,学界与企业开发了多种实用工具箱。ENVI - Hyperspectral Analyst 模块集成了光谱解混、异常检测、目标识别等功能;MATLAB 中的 Spectral Processing Toolbox 提供了丰富的光谱分析算法;Python 生态中的 Hyperspy 库支持高光谱数据的交互式可视化与定量分析。这些工具箱通过图形化界面与封装算法,使非专业用户也能便捷地开展高光谱数据分析。
五、无人机高光谱在农业与林业的应用
5.1 农业应用
在农业领域,无人机高光谱遥感技术在作物健康监测、产量预估与精准施肥等方面展现出巨大潜力。通过分析作物在可见光 - 近红外波段的光谱反射特征,可反演叶绿素含量、叶面积指数(Leaf Area Index, LAI)等生理参数,实现作物病虫害早期诊断与营养状况评估。例如,利用高光谱数据的红边位置偏移量,可有效识别作物的氮素缺乏程度,为变量施肥提供决策依据。此外,基于高光谱影像的作物表型分析,能够快速筛选优良品种,加速育种进程。
5.2 林业应用
在林业领域,无人机高光谱遥感可用于森林病虫害检测、森林覆盖变化监测与生物量估算。不同病虫害侵染下的树木,其叶片光谱特征会发生显著变化,通过光谱匹配与分类算法,可精准定位受害区域。同时,高光谱数据在森林物种识别方面具有优势,基于光谱库的光谱特征匹配,可区分不同树种,为森林资源清查与生态保护提供数据支持。此外,结合 LiDAR 数据,可实现森林三维结构参数与生物量的高精度反演。
六、结论

无人机平台支持的高光谱遥感技术融合了高光谱数据的精细光谱信息与无人机的灵活作业优势,在全球范围内展现出强劲的发展态势与广阔的应用前景。高光谱数据的高分辨率光谱信息为地物成分识别与状态监测提供了新视角,无人机平台的引入则显著提升了数据获取的时效性与经济性。完善的飞行前规划与飞行后预处理流程,保障了数据的可靠性与可用性,而多样化的数据处理工具箱进一步推动了技术的普及应用。在农业与林业领域,该技术已取得诸多创新性成果,为资源精准管理与可持续发展提供了有效技术手段。未来,随着传感器技术的不断进步、数据处理算法的持续优化以及多源数据融合技术的深入发展,无人机高光谱遥感技术有望在更多领域发挥重要作用,为全球生态环境保护与资源合理利用贡献更大价值。

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以象科技作为一家由西安光机所光学博士团队、行业资深专家、光谱软件算法团队以及光学应用博士等多元专业力量共同发起创立的科技型企业,在光学技术领域展现出了非凡的潜力与强劲的实力,正逐步成为行业内的一颗璀璨新星。

其团队成员凭借深厚的学术造诣与丰富的实践经验,构建起了一座坚实的技术堡垒。西安光机所光学博士团队深入钻研光学核心原理,在光学系统的设计、优化以及创新方面持续发力,致力于打造出具有性能与高精度的光学基础架构。行业资深专家则犹如敏锐的市场领航员,他们凭借对行业发展脉络的精准把握以及对市场需求变化的前瞻性洞察,为公司的产品战略布局指明方向,确保每一款产品都能精准对接市场痛点,在激烈的市场竞争中脱颖而出。光学应用博士则专注于探索光学技术在各个实际领域的落地应用,他们深入挖掘产品在不同场景下的潜在用途,从生物医学到工业制造,从环境监测到农业科技,不断拓展产品的应用边界,让光学技术真正造福于人类社会的各个角落。

在产品层面,以象科技目前已成功投产并推向市场的可见光、近红外、短波中红外高光谱相机,无疑是其技术实力的集中体现。这不仅为国内相关行业提供了更为可靠、性价比更高的光学设备选择,还在一定程度上推动了我国光学技术自主创新的进程,提升了我国在全球光学产业价值链中的地位。

此外,公司经营的激光共聚焦、激光散斑血流成像仪、光谱仪等光学产品,也均在各自的领域内展现出了的优势与性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果,在生物医学微观成像领域成为科研人员探索生命奥秘的得力助手;激光散斑血流成像仪能够精准地监测微循环血流变化,为医学临床诊断和疾病研究提供了重要的参考依据;光谱仪则凭借其对物质光谱特性的精确分析能力,在材料成分分析、环境污染物监测以及食品安全检测等领域发挥着作用。

以象科技秉持着集研发、生产、销售于一体的全产业链运营模式,展现出了强大的综合实力与协同效应。其研发中心坐落于西安这充满科技活力与创新氛围的城市,依托当地丰富的科研资源与人才优势,持续不断地投入大量资源进行技术研发与创新,为公司的产品迭代升级和技术突破提供了源源不断的动力源泉。

与此同时,公司精心构建的销售网络如同一张紧密交织的大网,全面覆盖全国各个地区,确保了产品能够快速、高效地触达每一位客户手中。而完善的售后服务机构则像是一位贴心的守护者,随时为客户提供多层次的技术支持与售后服务保障,让客户在使用产品的过程中无后顾之忧,进一步增强了客户对公司品牌的信任度与忠诚度。

以象科技凭借其团队、创新的产品以及完善的运营模式,在光学技术领域正稳步前行,未来有望在国内乃至全球市场上取得更为辉煌的成就,为推动光学科技的进步与应用普及做出更多的贡献。

以象科技由西安光机所光学博士团队,行业资深专家,光谱软件算法团队,光学应用博士等相关人员共同发起成立的科技型公司,目前投产市场可见光、近红外、短波中红外高光谱相机,实现国产化,突破进口技术壁垒,打破进口短波红外高光谱相机的技术限制。

以象科技是一家集研发、生产、销售于一体的科技型公司。目前经营产品有激光共聚焦,激光散斑血流成像仪,光谱仪,高光谱相机等光学产品。研发中心设立于西安,销售网络、完善售后服务机构设立覆盖全国。

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