CN107402069A - 无人机快拍式高光谱遥感系统及一致性辐射校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机快拍式高光谱遥感系统及一致性辐射校正方法，属于无人机低空遥感技术领域。无人机快拍式高光谱遥感系统包括无人机、一致性辐射校正子系统及搭载在无人机上的自稳云台与高光谱图像采集装置；高光谱图像采集装置包括搭载在自稳云台上的快拍式全幅成像高光谱相机，一致性辐射校正子系统包括辐射校正靶标及搭载在所述无人机上的照度计与GPS。本遥感系统成像速度快、质量好，且能在多变天气下实现高光谱图像的一致性校正。
Description
技术领域
本发明涉及无人机低空遥感技术领域，尤其是涉及一种带一致性辐射校正的无人机快拍式高光谱遥感系统及一致性辐射校正方法。
背景技术
无人机遥感凭借结构简单、成本低、灵活性高、图像时空分辨率高等优点，正逐步成为卫星遥感、有人机遥感和地面遥感的有效补充手段。
高光谱遥感技术能同时获取研究对象的光谱信息和空间信息，并能在更大范围获取研究对象的内外部信息，以更全面地对研究对象进行分析，是近代遥感的骨干技术，具有信息量大，探测敏感度高，探测内容丰富等优点，并能探测目标区域的微弱或隐性成分的踪迹。但目前应用于无人机低空遥感的高光谱成像系统均采用推扫式成像光谱仪，不仅遥感图像的质量受无人机飞行姿态的抖动影响较大，且不易于后期辐射校正。
此外，遥感侧重于提取地理空间的辐射信息，能获取地物各个波段反射率的真实度对后续遥感定量化研究至关重要。在实际的机载探测作业中，成像光谱仪收到的信号，主要是目标成分被阳光照射后辐射出的综合信号。然而，当作为光源的阳光会受到气候和时间的影响，产生强度和波长变化时，目标被照物的辐射光也会同步发生变化，因而导致探测数据的较大偏离，即，同一地物的遥感图像会受传感器标定、太阳方位角、大气条件等因素影响，在不同成像时间、成像高度地物的反射光谱存在差异，反映为图像亮度值误差，需经辐射校正以消除和减轻这种辐射失真，常用校正方法为单纯增加参考板或外加独立辐射计以获取校正参照，虽然简单，但存在校正精度差、自动化程度低及效率低等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种无人机快拍式高光谱遥感系统，在提高拍照稳定性的同时，便于后期辐射校正的处理；
本发明的另一目的是提供一种高光谱遥感图像的一致性辐射校正方法，以获取成像质量高的高光谱图像。
为了实现上述目的，本发明提供的无人机快拍式高光谱遥感系统包括无人机、一致性辐射校正子系统及搭载在无人机上的自稳云台与高光谱图像采集装置；高光谱图像采集装置包括搭载在自稳云台上的快拍式全幅成像高光谱相机，一致性辐射校正子系统包括辐射校正靶标及搭载在所述无人机上的照度计与GPS。
通过设置自稳云台，为快拍式全幅成像高光谱相机的拍摄过程提供稳定支撑，以提高拍照质量；采用快拍式全幅成像高光谱相机进行拍摄，可便于后续辐射校正处理；通过设置一致性辐射校正子系统，其包括用于间接获得高光谱图像各波段反射率的辐射校正靶标、用于辅助纠正不同时间下光照环境变化的照度计及用于获取拍摄高光谱图像时经纬度信息的GPS，以收集后期辐射校正所需数据，有效确保经后续辐射校正处理后，能获得高质量的高光谱图像。此外，使用全幅面阵成像方式获取高光谱图像，不仅成像速度快、质量好，且不易受无人机飞行姿态和云台抖动的影响。
具体的方案为快拍式全幅成像高光谱相机包括图像传感器、滤光片及镜头，滤光片以像素为单位地镶嵌在图像传感器上。有效实现不同波段图像信息的采集。
更具体的方案为图像传感器包括由25个像素点构成5×5阵列式的像素点单元，像素点单元中像素点上所镶嵌的滤光片的波段均不同。获取的图像由25波段组成，以很好地符合光谱分辨率和图像分辨率的共同要求。
另一个具体的方案为辐射校正靶标包括基板及涂布在基板上的白色底漆层与涂布在白色底漆层上的漫反射面漆层；辐射校正靶标的数量为四块，第一块上漫反射面漆层为黑面漆层且其反射率为10％，第二块上的漫反射面漆层为深灰面漆层且其反射率为30％，第三块上的漫反射面漆层为灰面漆层且其反射率为50％，第四块上的漫反射面漆层为浅灰面漆层且其反射率为65％。通过获取多块不同反射率靶标上的反射率与对应波段DN，以拟合出每个波段下的辐射校正参数，有利于提高拟合结果的正确性。
优选的方案为自稳云台包括安装座、陀螺仪传感器及驱动快拍式全幅成像高光谱相机分别绕三个相互正交的轴转动的致动单元；安装座与无人机固定连接，致动单元固设在安装座上，陀螺仪传感器与快拍式全幅成像高光谱相机同步运动地固设在致动单元上。
为了实现上述另一目的，本发明提供的高光谱遥感图像的一致性辐射校正方法包括以下步骤：用地面光谱仪采集平整铺设在预遥感拍摄地面区域上的辐射校正靶标的反射率，并测得当时的辐照度；根据GPS采集无人机在飞行过程中的经纬度位置信息及预定飞行计划，向高光谱相机发送拍摄指令以拍摄高光谱遥感图像；将高光谱相机拍摄的高光谱遥感图像、照度计采集的光照度信息及GPS采集的经纬度位置信息进行编号并匹配存储；获得整块预遥感拍摄地面区域的高光谱遥感图像后，以包含有辐射校正靶标的图像作为初始基准图像，依据航线信息及图像编号，对初始基准图像的相邻图像做辐射一致性校正；以经辐射一致性校正后的图像为基准图像，对相邻图像进行辐射一致性校正。
使用地物光谱仪测量参照物(校正靶标)的反射率光谱曲线，建立地物反射率与图像DN(digital number)值之间的线性关系，进而得到整幅图像各波段的反射率，并在辐射校正方法采用具有校正靶标的图像为初始基准图像，利用在地面上所获取反射率的准确性，提高校正的准确性，并依靠已校正图像为基准图像对相邻图像进行辐射一致性校正，不仅校正过程简单，且能有效地确保校正结果的准确性。
将地面辐射校正靶标、照度计的使用与图像匹配方法相结合，使得即使在光照度剧烈变化、拍摄角度不同等条件下，同一架次中的高光谱图像的物体反射率都是具有同步一致性的，且实现了辐射一致性校正的自动化，提高了辐射校正的效率，有利于今后遥感图像的在线辐射校正。
一个具体的方案为对相邻图像进行辐射一致性校正的步骤包括：利用图像匹配算法提取相邻像对重叠区域的特征点并匹配出同名点作为统计样本，根据相邻像对同名点的DN值建立线性校正模型；若待校正图像与基准图像同名点DN值在同一波段上的均方误差大于预设阈值，则对该待校正图像使用线性校正模型进行校正。
另一个具体的方案为对图像进行一致性校正的步骤包括：根据初始基准图像上的已知反射率和DN值，按线性公式计算辐射校正参数。
更具体的方案为辐射校正参数的计算公式为：Ref＝k×DN+b，其中，Ref为地物反射率，DN为相应的高光谱遥感图像的DN值，k为线性方程斜率参数，b为线性回归截距参数；在初始基准图像中，Ref为辐射校正靶标的反射率，DN为经过照度计的光照补偿后高光谱遥感图像中辐射校正靶标的DN值。将地面靶标、照度计的使用与图像匹配方法相结合，使得即使在光照度剧烈变化、拍摄角度不同等情况下，同一架次中的高光谱图像的物体反射率都是具有同步一致性的，能有效地提高了辐射校正的效率。
再一个具体的方案为对图像进行一致性校正的步骤包括利用辐射校正参数将所有高光谱遥感图像的经校正的DN值转化为反射率。在完成对所有高光谱图像的DN值进行校正后，再将图像的DN值转化成反射率，以提高图像的处理效率。
附图说明
图1为本发明实施例中无人机快拍式高光谱遥感系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中自稳云台的结构示意图；
图3为本发明实施例中快拍式高光谱相机的传感器的结构示意图；
图4为本发明实施例中一致性辐射校正方法的工作流程图。
其中：1、控制器，2、直流电源，3、照度计、4、GPS接收机，5、相机传感器，51、像素点单元，52、像素点，6、相机镜头，7、自稳云台，70、安装座，71、航向电机，72、横滚电机连接件，73、横滚电机，74、横滚俯仰电机连接件，75、俯仰电机，76、相机座。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明做进一步说明。
实施例
参见图1及图2，本无人机快拍式高光谱遥感系统包括无人机、一致性辐射校正子系统及搭载在该无人机上的自稳云台7与高光谱图像采集装置。
自稳云台7具有安装座70、致动单元及陀螺仪传感器，致动单元具有航向电机71、横滚电机连接件72、横滚电机73、横滚俯仰电机连接件74、俯仰电机75及相机座76；航向电机71的定子与安装座70固定连接，定子与横滚电机连接件72的一端固定连接；横滚电机73的定子与横滚电机连接件72的另一端固定连接，转子与横滚俯仰电机连接件74的一端固定连接；俯仰电机75的定子与横滚俯仰电机连接件74的另一端固定连接，转子与相机座76固定连接，相机安装在相机座76，陀螺仪传感器与相机同步运动地安装在相机座上，从而可检测出相机位置变化，通过三个电机产生相正交的三轴转动，以为相机拍摄过程提供稳定支撑，即致动单元用于驱动快拍式全幅成像高光谱相机分别绕三个相互正交的轴转动。
高光谱图像采集装置包括控制器1、直流电源2及搭载在自稳云台7上的快拍式全幅成像高光谱相机，快拍式全幅成像高光谱相机具有相机传感器5、滤光片及相机镜头6；相机传感器5的内部构造如图3所示，其是以像素点52为单位在相机传感器5上镶嵌不同波段的滤光片，如图中黑框部分所围区域为以25个像素点构建的像素点单元51，即在像素点单元51上镶嵌了25个波段各不相同的滤光片，在生成遥感图像时，将25个像素点所采集的图像合成遥感图像中的一个像素点，即一个像素点包含了25个波段下的DN值，因此可得到包含25个波段的目标区域的高光谱图像，在本实施例中波段包含可见近红外波段，波段范围在400纳米至1000纳米。
一致性辐射校正子系统包括整铺设在预遥感拍摄地面区域上的辐射校正靶标及搭载在无人机上的照度计3与GPS接收机4，其中，照度计3与GPS接收机4由直流电源2供电。照度计2为带有余弦矫正且对光源方向不敏感的光照度采集器，其设在无人机上部无遮挡位置处，以实时采集参考光信号，用于辅助纠正不同时间点间光照环境变化。GPS接收机4用于获取拍摄高光谱图像时的经纬度位置信息，即与每张遥感图像相对应的位置信息。辐射校正靶标由基板及涂布在该基板上的白色底漆层与涂布在白色底漆层上的漫反射面漆层构成，在本实施例中，基板为尺寸是1.2m×1.2m×1.2cm的复合木板，数量为四块，第一块上的漫反射面漆层为黑面漆层且其反射率为10％，第二块上的漫反射面漆层为深灰面漆层且其反射率为30％，第三块上的漫反射面漆层为灰面漆层且其反射率为50％，第四块上的漫反射面漆层为浅灰面漆层且其反射率为65％。
参见图4，使用上述无人机快拍式高光谱遥感系统采集一块田地的高光谱遥感图像并进行一致性辐射校正的方法包括预采集步骤S1、拍照存储步骤S2及一致性辐射校正步骤S3，被拍照田地构成本实施例中的预遥感拍摄地面区域。
预采集步骤S1，在无人机起飞前，将四块不同反射率的辐射校正靶标平行均布在田块之间的田垄上，并尽量使它们位于遥感区域的中间位置，并使用便携式地面光谱仪随机测量靶标，测量时，探头与地面垂直地位于靶标上方1m高处，每块靶标选择5个不同点进行测量，取其平均值作为靶标的反射率曲线，将地面光谱仪测得每个波段下不同靶标的反射率与对应波段下的平均DN值进行最小二乘线性拟合，以得到每个波段下的辐射校正系数。
拍照存储步骤S2，随无人机在低空按照地面站预定飞行计划做低空遥感飞行，实时向地面传输由GPS接收机4所获取的当前经纬度位置信息，地面站通过比对预定飞行计划，通过无人机数据传输链路向快拍式全幅成像高光谱相机发送拍摄指令。直流电源2给整个系统供电，控制器1通过PWM信号触发快拍式全幅成像高光谱相机采集一帧遥感数据，并结合照度计3采集得到当时环境中的辐照度信息及GPS接收机4接收到的高精度经纬度信息，匹配编号后存入高容量存储设备中。
一致性辐射校正步骤S3，获得整块所述预遥感拍摄地面区域的高光谱遥感图像后，以包含有所述辐射校正靶标的图像作为初始基准图像，依据航线信息及图像编号，对初始基准图像的相邻图像进行辐射一致性校正，以经辐射一致性校正后的图像为基准图像，对相邻图像进行辐射一致性校正。
(1)在无人机完成飞行计划并降落后，获得整块预遥感拍摄地面区域的高光谱遥感图像，在地面将存储在设备中的遥感数据导出，选择包含有已知反射率辐射校正靶标的图像作为初始基准图像，并输入飞行计划中的航线信息和图像的编号作为自动选取相邻图像的判断依据。
(2)对含有辐射校正靶标的初始基准图像的相邻图像做辐射一致性校正，利用Harris角点检测法提取相邻像对重叠区域的特征点并匹配出同名点作为统计样本，然后根据相邻像对同名点的DN值建立线性校正模型，即在匹配的同名点的灰度值间建立线性回归拟合模型，若待校正图像与基准图像同名点DN值在同一波段上的均方误差大于预设阈值，在本实施例中，预设阈值为15，则对该待校正图像使用线性校正模型进行校正。
根据含有靶标的初始基准图像上的已知反射率和DN值，按线性公式计算辐射校正参数；
在本实施例中，计算辐射校正参数的计算公式为：
Ref＝k×DN+b
其中，Ref为地物反射率，DN为相应的高光谱图像的DN值，k为线性方程斜率参数，b为线性回归截距参数。在初始基准图像中，Ref为靶标的反射率，DN为经过照度计的光照补偿后高光谱图像中靶标的DN值，以利用照度计获取的光照值进行光照补偿，以弥补地面测量靶标反射率与无人机获取靶标DN值无法同时进行所引起的差别，可以通过照度计用线性补偿系数a，将无人机获取的靶标DN值补偿到在地面获取反射率时的DN值。
(3)再将经校正后的图像作为基准图像，对相邻图像进行辐射一致性校正，直至完成对所有图像的校正。
在本一致性辐射校正步骤S3中，对图像进行辐射一致性校正过程中，可在完成对所有图像的DN值的校正后，再利用辐射校正参数将图像的DN值转化为反射率，以提高处理效率；也可在对图像进行DN值校正后，接着将这张图像的DN值转化成反射率，然后再对相邻图像进行DN值校正与反射率转化。
Claims (10)
1.一种无人机快拍式高光谱遥感系统，包括无人机、一致性辐射校正子系统及搭载在所述无人机上的自稳云台与高光谱图像采集装置；
其特征在于：
所述高光谱图像采集装置包括搭载在所述自稳云台上的快拍式全幅成像高光谱相机；
所述一致性辐射校正子系统包括辐射校正靶标及搭载在所述无人机上的照度计与GPS。
2.根据权利要求1所述的无人机快拍式高光谱遥感系统，其特征在于：
所述快拍式全幅成像高光谱相机包括图像传感器、滤光片及镜头，所述滤光片以像素为单位地镶嵌在所述图像传感器上。
3.根据权利要求2所述的无人机快拍式高光谱遥感系统，其特征在于：
所述图像传感器包括由25个像素点构成5×5阵列式的像素点单元，所述像素点单元中像素点上所镶嵌的滤光片的波段均不同。
4.根据权利要求1所述的无人机快拍式高光谱遥感系统，其特征在于：
所述辐射校正靶标包括基板及涂布在所述基板上的白色底漆层与涂布在所述白色底漆层上的漫反射面漆层；
所述辐射校正靶标的数量为四块，第一块上漫反射面漆层为黑面漆层且其反射率为10％，第二块上的漫反射面漆层为深灰面漆层且其反射率为30％，第三块上的漫反射面漆层为灰面漆层且其反射率为50％，第四块上的漫反射面漆层为浅灰面漆层且其反射率为65％。
5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的无人机快拍式高光谱遥感系统，其特征在于：
所述自稳云台包括安装座、陀螺仪传感器及驱动所述快拍式全幅成像高光谱相机分别绕三个相互正交的轴转动的致动单元；
所述安装座与所述无人机固定连接，所述致动单元固设在所述安装座上，所述陀螺仪传感器与所述快拍式全幅成像高光谱相机同步运动地固设在所述致动单元上。
6.一种高光谱遥感图像的一致性辐射校正方法，包括以下步骤：
用地面光谱仪采集平整铺设在预遥感拍摄地面区域上的辐射校正靶标的反射率，并测得当时的辐照度；
根据GPS采集无人机在飞行过程中的位置信息及预定飞行计划，高光谱相机拍摄高光谱遥感图像；
将高光谱相机拍摄的高光谱遥感图像、照度计采集的光照度信息及GPS采集的位置信息进行编号并匹配存储；
获得整块所述预遥感拍摄地面区域的高光谱遥感图像后，以包含有所述辐射校正靶标的图像作为初始基准图像，依据航线信息及图像编号，对初始基准图像的相邻图像进行辐射一致性校正；
以经辐射一致性校正后的图像为基准图像，对相邻图像进行辐射一致性校正。
7.根据权利要求6所述的一致性辐射校正方法，其特征在于，对相邻图像进行辐射一致性校正的步骤包括：
利用图像匹配算法提取相邻像对重叠区域的特征点并匹配出同名点作为统计样本，根据相邻像对同名点的DN值建立线性校正模型；
若待校正图像与基准图像同名点DN值在同一波段上的均方误差大于预设阈值，则对该待校正图像使用线性校正模型进行校正。
8.根据权利要求6所述的一致性辐射校正方法，其特征在于，对图像进行一致性校正的步骤包括：
根据初始基准图像上的已知反射率和DN值，按线性公式计算辐射校正参数。
9.根据权利要求8所述的一致性辐射校正方法，其特征在于，辐射校正参数的计算公式为：
Ref＝k×DN+b；
其中，Ref为地物反射率，DN为相应的高光谱遥感图像的DN值，k为线性方程斜率参数，b为线性回归截距参数；
在初始基准图像中，Ref为辐射校正靶标的反射率，DN为经过照度计的光照补偿后高光谱遥感图像中辐射校正靶标的DN值。
10.根据权利要求6所述的一致性辐射校正方法，其特征在于，对图像进行一致性校正的步骤包括：
利用辐射校正参数将所有高光谱遥感图像的经校正的DN值转化为反射率。
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