CN109073467A - 光谱照相机控制装置、光谱照相机控制程序、光谱照相机控制系统、搭载有该系统的飞行体及光谱图像拍摄方法 - Google Patents

Abstract

提供一种能够分别任意设定光谱图像的拍摄时的空间分辨率和曝光时间并且抑制光谱图像的空间上的歪斜、偏离的光谱照相机控制装置、光谱照相机控制程序、光谱照相机控制系统、搭载有该系统的飞行体及光谱图像拍摄方法。与具备液晶波长可变滤光器（33）的光谱照相机（3）一同搭载于能够静止飞行的飞行体（1），在前述飞行体（1）的静止飞行中，在切换前述液晶波长可变滤光器（33）的透过波长时使前述光谱照相机（3）以快照方式拍摄。

Description

光谱照相机控制装置、光谱照相机控制程序、光谱照相机控制 系统、搭载有该系统的飞行体及光谱图像拍摄方法

技术领域

本发明涉及用于借助搭载于能够静止飞行的飞行体的光谱照相机拍摄光谱图像的光谱照相机控制装置、光谱照相机控制程序、光谱照相机控制系统、搭载有该系统的飞行体及光谱图像拍摄方法。

背景技术

光谱图像通过借助光谱照相机拍摄可视光及红外线范围等来得到。该光谱图像例如能够把握拍摄对象的蛋白质量等，所以能够把握农作物的结实状况，能够把握收获率较好收割场所、收割顺序。

此外，光谱图像除了能够把握农作物的生育、病害虫・土壤的状态，在判断树木的种类，把握碳固定速度(成长速度)，探查矿物资源，推定渔场，把握盐害、污染地域等方面，能够提供高精度的信息。

特别地，基于飞机拍摄来自上空的光谱图像，还包括人难以通过勘查触及的森林、海上、险要的山间地区、污染地域等，能够压倒性地将广阔的范围以短时间调查，所以其应用范围极广。

但是，以往，在拍摄波长宽度为约20nm以下的具有窄波长分辨率的数十频带（バンド）以上的光谱图像时，将具备衍射格栅的称作超光谱传感器的光学装置搭载于固定翼的飞机，使用被称作推式的拍摄方式。该推式是指，利用设定成相对于飞机的进行方向呈直角的方向的一维空间视野通过一次曝光将整频带(整波长频带)同时记录，将该记录以移动相当一个像素的时间间隔连续进行，由此沿进行方向扫描得到二维空间的光谱图像的方式。

例如，在日本特开2011−169896号公报中，公开了涉及具备推式传感器的超光谱显像系统的发明 (专利文献1)。

专利文献1 : 日本特开2011−169896号公报。

然而，包括记载于专利文献1的发明，在基于使用飞机的推式的拍摄光谱图像的情况下，若拍摄中飞机受到干扰，则如图16所示，既定的曝光时所得到的视野与其前后曝光时所得到的视野在空间上偏差，产生合成的二维的光谱图像在空间上的歪斜、偏离的问题。

此外，有推式的空间分辨率的下限值不能任意选择，曝光时间的允许范围也较窄的问题。即，若将飞机的对地速度设为V，将曝光时间设为T，则相对于进行方向的空间分辨率X为X＝V×T。这里，固定翼的飞机中能够安全飞行的最低速度被基于机体能力确定。此外，曝光时间T是为了基于拍摄对象的亮度确保充分的SN比(信号・噪音比)而自身确定的数值。由此，空间分辨率的下限值为由既定的飞机的最低速度和根据光谱照相机的能力自动确定的曝光时间确定的恒定值，不能任意选择。此外，拍摄中由于天气变化等而亮度变化的情况下，有需要预先延迟曝光时间而不能选择最佳的曝光时间的问题。

发明内容

本发明是为了解决以上那样的问题而做出的，其目的在于提供能够分别任意地设定光谱图像的拍摄时的空间分辨率和曝光时间并且能够抑制光谱图像的空间上的歪斜、偏离的光谱照相机控制装置、光谱照相机控制程序、光谱照相机控制系统、搭载有该系统的飞行体及光谱图像拍摄方法。

本发明的光谱照相机控制装置及光谱照相机控制程序与具备液晶波长可变滤光器的光谱照相机一同搭载于能够静止飞行的飞行体，在前述飞行体的静止飞行中，每次切换前述液晶波长可变滤光器的透过波长时，使前述光谱照相机以快照方式拍摄。

此外，作为本发明的一技术方案，也可以是，在前述光谱照相机的每个曝光时间的前述光谱照相机的姿势变化量或位置变化量的至少某个超过基于前述光谱照相机的空间分辨率的既定的阈值的情况下，将前述光谱照相机的曝光时间设定成比现曝光时间短的时间。

进而，作为本发明的一技术方案，也可以是，从姿势传感器取得前述光谱照相机的角速度，根据下述式(1)计算前述曝光时间，

T＜X/(H×Ω) ・・・式(1)

其中各符号表示如下，

T：曝光时间(sec)

X：空间分辨率(m)

H：飞行体的高度(m)

Ω：光谱照相机的角速度(rad/sec)。

此外，作为本发明的一技术方案，也可以是，在拍摄的光谱图像的SN比不足既定的阈值的情况下，以相同的透过波长连续拍摄多张光谱图像。

进而，作为本发明的一技术方案，也可以是，根据下述式(2)计算以相同的透过波长连续拍摄的光谱图像的张数，

N＞(SNt/SN1) ² ・・・式(2)

其中各符号表示如下

N：拍摄的光谱图像的张数

SN1：最初的第一张光谱图像的SN比

SNt：SN比阈值。

此外，本发明的光谱照相机控制系统具备前述光谱照相机控制装置、被该光谱照相机控制装置控制的光谱照相机。

进而，本发明的能够静止飞行的飞行体搭载有前述光谱照相机控制系统。

此外，本发明的光谱图像拍摄方法使用与具备液晶波长可变滤光器的光谱照相机一同搭载于能够静止飞行的飞行体的前述光谱照相机控制装置，在前述飞行体的静止飞行中在切换前述液晶波长可变滤光器的透过波长时，使前述光谱照相机以快照方式拍摄。

根据本发明，能够分别任意地设定光谱图像的拍摄时的空间分辨率和曝光时间，并且能够抑制光谱图像的空间上的歪斜、偏离。

附图说明

图1是表示搭载有本发明的光谱照相机控制系统的飞行体的一实施方式的主视图。

图2是表示图1的本实施方式的飞行体的俯视图。

图3是表示本实施方式的光谱照相机控制系统的框图。

图4是表示本实施方式的光谱照相机控制装置的框图。

图5是说明在本实施方式中在光谱图像产生模糊的原因的图。

图6是在本实施方式中表示切换液晶波长可变滤光器的透过波长的时机和进行基于图像传感器的拍摄的时机的关系的图。

图7是在本实施方式中表示切换连续取得相同的透过波长的多个光谱图像的情况的透过波长的时机和进行拍摄的时机的关系的示意图。

图8是表示本实施方式的光谱照相机控制装置的处理动作的流程图。

图9是表示本实施方式的光谱照相机控制装置的最佳曝光时间设定部的处理动作的流程图。

图10是表示本实施例1的光谱图像的拍摄状况的示意图。

图11是将基于根据本实施例1取得的光谱图像计算的标准化植被指数用颜色的浓淡来表示的颜色表。

图12是在本实施例2中将曝光时间设为20ms的情况下所得到的光谱图像。

图13是在本实施例2中将曝光时间设为50ms的情况下所得到的光谱图像。

图14是在本实施例3中将曝光时间设为10ms、将透过波长设为650nm的情况下所得到的光谱图像。

图15是在本实施例3中将包括图14所示的光谱图像的连续拍摄的三张光谱图像重合所得到的光谱图像。

图16是表示基于以往的使用飞机的推式的光谱图像的拍摄的问题的示意图。

具体实施方式

以下，利用附图，对本发明的光谱照相机控制装置、光谱照相机控制程序、光谱照相机控制系统、搭载有该系统的飞行体及光谱图像拍摄方法的一实施方式进行说明。

本实施方式的飞行体1构成为能够静止飞行，如图1所示，搭载有具有光谱照相机控制装置6、被该光谱照相机控制装置6控制的光谱照相机3的光谱照相机控制系统2。以下，详细说明各结构。

飞行体1是具有在空中静止飞行的功能、即所谓的悬停功能的飞行体，在本实施方式中，如图1及图2所示，由具有多个旋转翼的多旋翼型的无人机(无人飞机)构成。此外，本实施方式的飞行体1具有在预先指定的飞行路径自主飞行的功能及通过来自通信装置等的远程操作飞行的功能。进而，虽无图示，飞行体1具有用于检测飞行中本机的位置(纬度・经度)及高度的环球定位系统 (GPS，Global Positioning System)接收机、检测飞行中的本机的姿势的姿势传感器。

另外，在本实施方式中，飞行体1虽使用多旋翼型的无人机，但不限于此，只要是能够静止飞行的飞行体即可，例如也可以从直升机、飞艇、气球等适当选择。

接着，光谱照相机控制系统2如图3所示，主要具有具备液晶波长可变滤光器33(LCTF：Liquid Crystal Tunable Filter)的光谱照相机3、检测该光谱照相机3的姿势及位置的信息的姿势位置检测器4、控制前述光谱照相机3的液晶波长可变滤光器33的液晶波长可变滤光器控制回路5、控制前述光谱照相机3的光谱照相机控制装置6、向这些各个设备供电的电池7。

光谱照相机3用于以快照方式拍摄光谱图像，如图3所示，主要具有透镜组31、用于使偏光变为非偏光的偏光消除板32、能够任意选择透过波长的液晶波长可变滤光器33、拍摄二维的光谱图像的图像传感器34。

并且，光谱照相机3如图1及图3所示，在飞行体1静止飞行中，以地表面为拍摄对象的方式朝向铅垂下方地搭载着飞行体1。在本发明中，快照方式是指，通过相对于图像传感器34的一次曝光，关于既定的单一波长，将针对二维视野内的位置坐标的光谱强度全部同时地作为图像取得的方式。

透镜组31利用光的折射使来自拍摄对象的光透过液晶波长可变滤光器33，并且使透过后的光汇聚于图像传感器34。本实施方式的透镜组31如图3所示，由将拍摄对象的光汇聚使其进入液晶波长可变滤光器33的入光透镜311、仅将透过前述液晶波长可变滤光器33后的透过波长的光汇聚于图像传感器34的聚光透镜312构成。另外，各透镜的种类、个数未被特别限定，可以根据光谱照相机3的性能等适当选择。

偏光消除板32用于将偏光消除来使其非偏光。在本实施方式中，偏光消除板32设置于液晶波长可变滤光器33的入光侧，消除透过液晶波长可变滤光器33前的光的偏光，减少偏光特性。

液晶波长可变滤光器33是能够从预先设定的波长范围内任意地选择透过波长的光学滤光器。液晶波长可变滤光器33虽未图示，但具有将板状的液晶元件和板状的偏光元件交替地重合多个的结构。各液晶元件由从液晶波长可变滤光器控制回路5供给的施加电压被取向状态独立地控制。因此，液晶波长可变滤光器33通过前述液晶元件的取向状态和前述偏光元件的组合，使任意波长的光透过。

另外，在本实施方式中，液晶波长可变滤光器33的透过波长的宽度为约20nm以下，能够针对1nm设定透过中心波长，波长切换时间是10ms〜数100ms左右。

图像传感器34以快照方式拍摄光谱图像。在本实施方式中，图像传感器34由CMOS图像传感器、CCD图像传感器等能够在视野内以相同的时机拍摄的二维图像传感器构成。此外，图像传感器34如图3所示，基于从光谱照相机控制装置6传送的拍摄指令信号执行拍摄。

姿势位置检测器4是检测光谱照相机3的姿势及位置的状态的设备。本实施方式的姿势位置检测器4具有检测光谱照相机3的位置信息及高度信息的环球定位系统接收机41和检测前述光谱照相机3的姿势信息的姿势传感器42。

环球定位系统接收机41通过补充多个人造卫星的位置来取得当前的位置信息及高度信息。本实施方式的环球定位系统接收机41取得经度信息及纬度信息作为位置信息，并且取得标高的信息作为高度信息。另外，位置信息及高度信息不限于借助环球定位系统接收机41取得，也可以根据其他方法取得。例如，也可以借助确定基准点来使用激光、声响的反射的距离测量器等作为距前述基准点的距离、高度信息来取得。

姿势传感器42检测光谱照相机3的倾斜角度、角速度及加速度的姿势信息。本实施方式的姿势传感器42虽无图示，但由利用回转特性的回转传感器和加速度传感器构成，作为姿势信息取得倾斜角度、角速度及3轴方向的加速度。

另外，在本实施方式中，从作为光谱照相机控制系统2具备的姿势位置检测器4取得位置信息及姿势信息，但不限于该结构。例如，也可以从飞行体1已具备的环球定位系统接收机及姿势传感器取得位置信息及姿势信息。

液晶波长可变滤光器控制回路5控制液晶波长可变滤光器33。在本实施方式中，液晶波长可变滤光器控制回路5如图3所示，若接收从光谱照相机控制装置6传送的波长特定信号，则将与该波长特定信号对应的施加电压向液晶波长可变滤光器33的液晶元件供给。此外，波长特定信号中包括借助液晶波长可变滤光器33透过的透过波长的信息，在液晶波长可变滤光器控制回路5中，基于前述透过波长的信息判断对哪个液晶元件供给施加电压，对被特定的液晶元件供给施加电压。

另外，本实施方式的液晶波长可变滤光器控制回路5从光谱照相机控制装置6等其他结构独立地构成，但不限于此，例如，也可以具备光谱照相机控制装置6或光谱照相机3。

接着，对本实施方式的光谱照相机控制装置6进行说明。

光谱照相机控制装置6控制基于光谱照相机3的光谱图像的拍摄，如图4所示，主要由储存光谱照相机控制程序6a、各种数据等的储存机构61、从该储存机构61等取得各种数据来运算处理的运算处理机构62构成。此外，本实施方式的光谱照相机控制装置6具备用于能够与外部的通信装置等无线通信的无线通信机构63。

储存机构61由只读存储器、随机存储器、硬盘、闪存盘等构成，储存各种数据，并且作为在运算处理机构62执行运算时的工作区域发挥功能。本实施方式的储存机构61主要具有储存光谱照相机控制程序6a的程序储存部611、储存借助光谱照相机3拍摄光谱图像的开始条件的拍摄开始条件储存部612、储存拍摄光谱图像的曝光时间等拍摄条件的拍摄条件储存部613、储存各种阈值的阈值储存部614、储存由光谱照相机3拍摄的光谱图像和拍摄时刻等的光谱图像储存部615。

在程序储存部611安装有本实施方式的光谱照相机控制程序6a。并且，运算处理机构62执行前述光谱照相机控制程序6a，作为后述的各结构部发挥功能，由此使计算机作为光谱照相机控制装置6发挥功能。

另外，光谱照相机控制程序6a的利用方式不限于上述结构。例如可以像光盘只读存储器、闪存盘等那样预先将光谱照相机控制程序6a储存于能够由计算机读取的非暂时的记录媒介，从该记录媒介直接读出来执行。此外，也可以以从外部服务器等云计算方式、应用服务提供商(ASP，application service provider)方式等利用。

在拍摄开始条件储存部612储存有光谱照相机3的拍摄开始条件相关的信息。在本实施方式中，作为拍摄开始条件，如图4所示，储存有光谱照相机3拍摄光谱图像的开始的时刻即拍摄开始时刻、拍摄前述光谱图像的开始的经度信息及纬度信息即位置条件及拍摄前述光谱图像的开始的高度信息即高度条件。

这里，高度条件根据所希望的光谱照相机3的空间分辨率设定。具体地，以快照方式拍摄的光谱图像的空间分辨率X若将图像传感器34的1像素的大小设为d，将光谱照相机3的焦点距离设为f，将进行拍摄的高度设为H，则表示为X＝H×d/f。这里，d/f是由光谱照相机3的规格确定的恒定值。由此，光谱照相机3的空间分辨率X是光谱照相机3的高度H的函数。换言之，本实施方式的空间分辨率能够与光谱照相机3的曝光时间无关地，基于作为拍摄开始条件的高度条件任意设定。

拍摄条件储存部613储存拍摄光谱图像时的各种拍摄条件。在本实施方式中，在拍摄条件储存部613如图4所示地存储有被初始设定的曝光时间、通过后述处理最佳化或再设定的曝光时间、及作为光谱图像拍摄所必要的特定的透过波长。在前述拍摄条件储存部613储存的特定的透过波长仅选择必要的特定的透过波长储存。这里，被储存的特定的透过波长可以是将既定的波长范围以恒定的波长间隔特定的透过波长，也可以是以不等间隔特定的透过波长。

接着，在阈值储存部614储存有用于控制光谱照相机3的各种阈值。在本实施方式的阈值储存部614如图4所示地储存有图像传感器34能够处理可能的明度的极限值即饱和极限值、拍摄的光谱图像中产生模糊的光谱照相机3的角速度的极限值即角速度阈值、从拍摄的光谱图像取得农作物的生育等各种信息所必要的SN比(信号・噪音比)的极限值即SN比阈值。另外，在后说明饱和极限值、产生模糊的角速度及SN比相关的详细信息。

在光谱图像储存部615储存由光谱照相机3拍摄的光谱图像等。在本实施方式的光谱图像储存部615中如图4所示地与前述光谱图像一同储存拍摄时刻、拍摄时的光谱照相机3的位置信息、高度信息及姿势信息。另外，本实施方式的光谱图像储存部615设置于光谱照相机控制装置6的储存机构61，但不限于此，也可以在能够与光谱照相机3或者前述光谱照相机控制装置6无线通信的储存装置侧具备。

接着，说明运算处理机构62。光谱照相机控制装置6的运算处理机构62由中央处理器 (CPU，Central Processing Unit)等构成，执行安装于储存机构61的光谱照相机控制程序6a，由此如图4所示，使作为光谱照相机控制装置6的计算机作为拍摄开始条件判断部621、最佳曝光时间设定部622、姿势位置信息取得部623、姿势位置变化判断部624、曝光时间再设定部625、光谱图像取得部626、SN比判断部627、连续拍摄张数计算部628、追加光谱图像取得部629、拍摄结束判断部630、波长特定信号传送部631发挥功能。以下，对各结构部详细地说明。

拍摄开始条件判断部621发挥功能，使得判断光谱照相机3的拍摄开始条件。具体地，拍摄开始条件判断部621执行判断当前时刻、由姿势位置检测器4检测的光谱照相机3的位置信息及高度信息是否满足储存于拍摄开始条件储存部612的拍摄开始时刻、位置条件及高度条件的判断处理。并且，在满足拍摄开始条件的情况下，拍摄开始条件判断部621使光谱照相机3的拍摄处理开始。

最佳曝光时间设定部622发挥功能，使得自动设定光谱照相机3的最佳曝光时间。具体地，最佳曝光时间设定部622首先以初始设定于拍摄条件储存部613的曝光时间拍摄一张光谱图像，取得该光谱图像中的最大像素值。接着，最佳曝光时间设定部622判断前述最大像素值是否不足储存于阈值储存部614的饱和极限值。

并且，判断的结果为前述最大像素值不足前述饱和极限值的情况下，最佳曝光时间设定部622将初始设定的曝光时间设定成最佳曝光时间。另一方面，前述最大像素值为前述饱和极限值以上的情况下，最佳曝光时间设定部622使曝光时间变短，再次拍摄光谱图像，重复上述处理直至最大像素值不足前述饱和极限值。并且，将最大像素值不足前述饱和极限值时的曝光时间作为最佳曝光时间设定于拍摄条件储存部613。

这里，说明最佳曝光时间设定部622的上述处理的意义。在光谱照相机3的图像传感器34中，将从拍摄对象放射的光作为模拟的电气信号检测，将该模拟的电气信号数字化来设为图像信息。因此，从拍摄对象放射的光较暗，相对地噪音变大。由此，需要延长曝光时间来接受充分的光。但是，图像传感器34在接受到比能够处理的极限更亮的光的情况下，前述模拟的电气信号饱和而不能取得准确的值的信号。由此，最佳曝光时间设定部622将得到在模拟的电气信号不饱和的范围尽量亮的图像的曝光时间设定为最佳曝光时间。

另外，一般地，曝光时间基于拍摄对象的明度、即分光放射亮度(W/m ²/sr/nm)确定。该分光放射亮度I(λ)和被取得的光谱图像相对于各像素的像素值D呈I(λ)＝C(λ)×D/T的关系。这里，C(λ)是波长λ的校正系数，是通过使用已知的光源的实验得到的值。由此，最佳曝光时间设定部622基于与拍摄对象的明度存在比例关系的像素值设定曝光时间。

这样，本实施方式的光谱照相机控制装置6构成为，能够与空间分辨率另外独立地设定光谱照相机3的曝光时间。

接着，姿势位置信息取得部623发挥功能，使得从姿势位置检测器4取得每个光谱照相机3的曝光时间的光谱照相机3的姿势变化量或位置变化量。本实施方式的姿势位置信息取得部623从姿势传感器42取得光谱照相机3的角速度。

姿势位置变化判断部624判断飞行体1的姿势及静止位置是否变化成在光谱图像产生模糊的程度。在本实施方式中，姿势位置变化判断部624发挥功能，使得判断由姿势位置信息取得部623取得的光谱照相机3的每个曝光时间的光谱照相机3的姿势变化量或位置变化量中的至少某个是否是基于前述光谱照相机3的空间分辨率的既定的阈值以内。

这里，说明在光谱图像产生模糊的要因等。在本实施方式中，在光谱图像的拍摄被在飞行体1的静止飞行中进行。但是，在静止飞行中，若飞行体1受到疾风等外界要因影响，则发生如图5(a)所示那样的飞行体1的姿势变化、图5(b)所示那样的静止飞行的位置变化。并且，由于前述飞行体1的姿势变化或位置变化而曝光时间内拍摄对象的正下方的点的变化量(图5的从A点向B点的变化量)为超过光谱照相机3的空间分辨率的动作时，在被拍摄的光谱图像中产生模糊。

此外，光谱照相机3由于从至拍摄对象的距离较长的高处拍摄，所以在曝光时间内拍摄对象的正下方的点的变化量与高度呈比例地增大。因此，若将曝光时间设为T，将空间分辨率设为X，将拍摄光谱图像时的光谱照相机3的高度设为H，则每个曝光时间T的角度变化比X/H大时，即飞行体1的角速度为X/(H×T)以上时，在被拍摄的光谱图像中产生模糊。

基于以上说明，本实施方式的姿势位置变化判断部624发挥功能，使得将由姿势位置信息取得部623取得的光谱照相机3的角速度和储存于阈值储存部614的既定的角速度阈值比较，判断前述角速度是否超过前述角速度阈值。

另外，在本实施方式的姿势位置变化判断部624中，基于光谱照相机3的角速度进行在光谱图像中是否产生模糊的判断，但不限于此，如图5(b)所示，也产生位置变化的模糊，所以也可以基于从姿势传感器42的加速度传感器取得的位置变化率或从环球定位系统接收机41取得的位置的变化量判断是否产生光谱图像的模糊。

接着，曝光时间再设定部625发挥功能，使得以在光谱图像中不产生模糊的方式再次设定光谱照相机3的曝光时间。具体地，曝光时间再设定部625在由姿势位置变化判断部624判断成角速度超过角速度阈值的情况下，将比当前设定的现曝光时间短的时间设为新的曝光时间对拍摄条件储存部613再次设定。

本实施方式的曝光时间再设定部625从作为光谱照相机3的姿势变化量检测角速度的姿势传感器42取得前述光谱照相机3的角速度，根据下述式(1)计算新的曝光时间，并且作为前述光谱照相机3的曝光时间储存于拍摄条件储存部613来再次设定。

T＜X/(H×Ω) ・・・式(1)

其中各符号表示如下。

T：曝光时间(sec)

X：空间分辨率(m)

H：飞行体的高度(m)

Ω：光谱照相机的角速度(rad/sec)。

另外，飞行体1的高度H从拍摄开始条件储存部612取得，空间分辨率X如上所述地基于前述高度H计算。

光谱图像取得部626发挥功能，使得将使图像传感器34拍摄的拍摄指令信号向前述光谱照相机3传送，取得以快照方式拍摄的光谱图像。在本实施方式中，光谱图像取得部626如图6所示，在借助液晶波长可变滤光器控制回路5切换液晶波长可变滤光器33的透过波长时，拍摄一次光谱图像来保存于光谱图像储存部615。

SN比判断部627发挥功能，使得为了确认取得的光谱图像是否确保取得各种信息所必要的画质，判断SN比是否不足既定的SN比阈值。并且，仅在判断的结果为前述SN比不足前述SN比阈值的情况下，以与光谱图像取得部626相同的透过波长连续拍摄多张光谱图像。

这里，SN比是将信号等级(信号)除以杂音等级(噪音)的数值。其中，杂音等级在相同的光谱照相机3、相同的液晶波长可变滤光器33、相同的透镜构成、相同的设定条件及相同的拍摄环境下表示大致恒定值，所以能够预先测量。由此，光谱图像的SN比若仅计算基于像素值的信号等级则能够求出。

因此，在本实施方式中，SN比判断部627根据通过拍摄取得的光谱图像计算信号等级，将其除以预先测量的杂音等级来计算SN比。并且，比较前述SN比和储存于阈值储存部614的SN比阈值。

连续拍摄张数计算部628为了提高光谱图像的画质而计算应追加拍摄的光谱图像的拍摄张数。即使是SN比较低的光谱图像，也期待通过图像处理将多张相同的透过波长的光谱图像重合由此所得到的光谱图像的SN比提高。因此，连续拍摄张数计算部628发挥功能，使得在判断成通过SN比判断部627的判断处理取得的光谱图像的SN比不足SN比阈值的情况下，计算若使几张图像重合就会使该光谱图像的SN比比前述SN比阈值大。

具体地，与将N张图像重合的情况的信号等级为N倍相对，噪音等级一般具有为倍的性质。因此，将N张图像重合的情况的SN比为(N/ )倍，即为最初的第一张光谱图像的SN比的倍。由此，连续拍摄张数计算部628将满足下述式(2)的整数值计算成应连续取得的光谱图像的张数N。

N＞(SNt/SN1) ² ・・・式(2)

其中各符号表示如下。

N：拍摄的光谱图像的张数

SN1：最初的第一张光谱图像的SN比

SNt：SN比阈值。

另外，连续取得的光谱图像的张数不限于由上述式(2)计算的方法，也可以设为预先确定的张数。

追加光谱图像取得部629为了提高光谱图像的画质来追加取得光谱图像。在本实施方式中，追加光谱图像取得部629借助SN比判断部627判断成取得的光谱图像的SN比不足SN比阈值的情况下，将从由连续拍摄张数计算部628计算的张数N减去最初的第1张的N−1张量的拍摄指令信号向光谱照相机3传送，连续地取得相同的透过波长的光谱图像。

具体地，如图7所示，追加光谱图像取得部629借助液晶波长可变滤光器控制回路5切换液晶波长可变滤光器33的透过波长前，继续光谱图像取得部626的拍摄指令信号，将第N−1次的量的拍摄指令信号向前述光谱照相机3传送，将相同的透过波长的光谱图像以快照方式连续取得。

拍摄结束判断部630发挥功能，使得判断光谱图像的拍摄是否结束。在本实施方式中，拍摄结束判断部630比较储存于拍摄条件储存部613的透过波长范围和已拍摄的光谱图像，在关于全部波长拍摄光谱图像时判定成拍摄结束。

波长特定信号传送部631向液晶波长可变滤光器控制回路5传送波长特定信号，用于切换液晶波长可变滤光器33的透过波长。在本实施方式中，波长特定信号传送部631发挥功能，使得只要拍摄未结束，就向液晶波长可变滤光器控制回路5顺次传送波长特定信号。具体地，波长特定信号传送部631将储存于拍摄条件储存部613的特定的透过波长中的与还未拍摄的特定的透过波长对应的波长特定信号按照预先设定的顺序向液晶波长可变滤光器控制回路5传送。前述波长特定信号的传送根据各透过波长拍摄而在取得光谱图像时被重复执行，若取得所有的特定的透过波长的光谱图像则拍摄结束。

无线通信机构63用于与通信装置进行无线通信。无线通信机构63是用于通过移动电话通信网、无线局域网、无线网络、蓝牙(注册商标)等任意无线通信方式进行无线通信的接收发送机。无线通信机构63经由无线通信能够进行光谱照相机控制装置6的远程操作、各种设定、及光谱图像等数据的接收发送。

电池7向各设备供给电源，在本实施方式中，如图3所示，与姿势位置检测器4、光谱照相机控制装置6、液晶波长可变滤光器控制回路5及光谱照相机3的图像传感器34分布连续来供给电源。另外，本实施方式的图像传感器34的电池7与光谱照相机控制装置6等共通使用，但不限于此，光谱照相机3也可以装备单独的电池。

接着，对本实施方式的光谱照相机控制装置6、光谱照相机控制程序6a、光谱照相机控制系统2、搭载有该系统的飞行体1及光谱图像拍摄方法的作用进行说明。

首先，本实施方式的飞行体1通过飞行体1的控制程序沿预先指定的飞行路径进行自主飞行，飞行至既定的位置及既定的高度的拍摄地点，在前述拍摄地点进行静止飞行。此时，光谱图像的空间分辨率与飞行体1的高度具有比例关系，所以能够借助前述高度控制成任意的值。

接着，光谱照相机控制装置6如图8所示，借助拍摄开始条件判断部621执行光谱照相机3拍摄开始条件是否充足的判断处理 (步骤S1)。具体地，从拍摄开始条件储存部612取得拍摄开始时刻、位置条件及高度条件作为拍摄开始条件，并且从环球定位系统接收机41取得光谱照相机3的位置信息及高度信息，判断是否满足前述拍摄开始条件。该判断重复执行至光谱照相机3的状态满足所以拍摄开始条件 (步骤S1：否)。

接着，在判断成拍摄开始条件判断部621满足所有的拍摄开始条件的情况下 (步骤S1：是)，最佳曝光时间设定部622自动设定光谱照相机3的最佳曝光时间 (步骤S2)。具体地，如图9所示，首先，最佳曝光时间设定部622相对于光谱照相机3以初始设定的曝光时间拍摄一张光谱图像 (步骤S21)，取得该光谱图像中的最大像素值 (步骤S22)。

接着，最佳曝光时间设定部622判断前述最大像素值是否不足储存于阈值储存部614的饱和极限值 (步骤S23)。判断的结果为判断成前述最大像素值为前述饱和极限值以上的情况下(步骤S23：否)，最佳曝光时间设定部622将曝光时间设定成比初始设定的曝光时间短的时间，再次使光谱照相机3拍摄一张光谱图像 (步骤S24)。并且，重复从步骤S22开始的处理，在判断成最大像素值不足前述饱和极限值的情况下(S23：是)，最佳曝光时间设定部622将此时间点设定的曝光时间设定成光谱照相机3的最佳曝光时间。由此，即使在由于飞行中太阳高度、云量的变化而亮度变化那样的情况下，也能够进行最佳曝光时间的拍摄。

接着，姿势位置信息取得部623若从姿势传感器42取得角速度(步骤S3)，则姿势位置变化判断部624将前述角速度与储存于阈值储存部614的角速度阈值比较，判断前述角速度是否超过前述角速度阈值(步骤S4)。判断的结果为判断成光谱照相机3的角速度为角速度阈值以下的情况下(步骤S4：否)，飞行体1稳定地静止飞行，不进行曝光时间的再设定，将借助最佳曝光时间设定部622设定的曝光时间设为前述光谱照相机3的曝光时间。

另一方面，姿势位置变化判断部624判断成光谱照相机3的角速度超过角速度阈值的情况下(步骤S4：是)，曝光时间再设定部625将前述光谱照相机3的曝光时间再次设定成由比现曝光时间短的时间构成的新的曝光时间(步骤S5)。由此，以在光谱图像不产生模糊的程度自动地调整曝光时间，所以抑制空间分辨率下降。

如上所述，在本实施方式的光谱照相机控制装置6中，能够将曝光时间和空间分辨率独立地设定。因此，在确保高空间分辨率的同时，根据光谱照相机3的姿势变化量、位置变化量实时调整前述曝光时间，抑制光谱图像的模糊。

接着，光谱图像取得部626向光谱照相机3传送拍摄指令信号，取得光谱图像(步骤S6)。此时，取得的光谱图像将拍摄时刻、位置信息、高度信息及姿势信息一同储存于光谱图像储存部615。因此，用于最终使视野一致的几何校正等图像处理变得容易。

接着，SN比判断部627判定取得的光谱图像的SN比是否不足SN比阈值(步骤S7)。由此，即使由最佳曝光时间设定部622设定的最佳曝光时间之后在与光谱照相机3的姿势变化量、位置变化量对应地被再次设定的情况下，也能够判定SN比是否合适。

上述判断的结果为判断成取得的光谱图像的SN比不足既定的SN比阈值的情况下(步骤S7：是)，连续拍摄张数计算部628基于上述式(2)计算应重合的光谱图像的拍摄张数(步骤S8)。

并且，追加光谱图像取得部629基于由连续拍摄张数计算部628计算的拍摄张数传送拍摄指令信号，如图7所示，连续地取得相同的透过波长的光谱图像(步骤S9)。由此，在单个光谱图像中，即使在不能确保既定的SN比的拍摄条件下，也通过重合来取得能确保前述SN比的张数的光谱图像。

另一方面，SN比判断部627在判断成取得的光谱图像的SN比为前述SN比阈值以上的情况下，(步骤S7：否)，在不追加地取得光谱图像的情况下进入接下来的处理(步骤S10)。

若取得必要数量的光谱图像，则拍摄结束判断部630判定光谱图像的拍摄是否结束(步骤S10)。并且，在判断的结果为判断成光谱图像的拍摄不结束的情况下(步骤S10：否)，波长特定信号传送部631将未拍摄的波长特定信号向液晶波长可变滤光器控制回路5传送(步骤S11)。

由此，液晶波长可变滤光器控制回路5将与接收的波长特定信号对应的施加电压向光谱照相机3的液晶波长可变滤光器33供给。并且，在前述液晶波长可变滤光器33中，与施加电压对应地控制液晶元件的取向状态，进行向由波长特定信号特定的透过波长的切换。

并且，若传送波长特定信号(步骤S11)，则返回上述步骤S3，在取得各透过波长的光谱图像时重复执行。由此，根据目的仅取得必要最小限度的透过波长的光谱图像，由此能够大幅缩短拍摄一系列的光谱图像的时间，飞行体1的能够移动范围也变大。并且，若取得所有的透过波长的光谱图像，则拍摄结束 (步骤S10：是)。

光谱照相机3的拍摄结束后，飞行体1从静止飞行状态变成自主飞行，飞行至下个拍摄地点。光谱照相机控制装置6在下个拍摄地点拍摄与目前为止在拍摄地点拍摄的透过波长相同的透过波长或不同的透过波长的光谱图像。并且，飞行体1在所有拍摄地点的拍摄结束后，向既定的场所返回或着陆。

根据以上那样的本实施方式，能够得到以下的效果。

1.将具备液晶波长可变滤光器33的光谱照相机3搭载于能够静止飞行的飞行体1来使其以快照方式拍摄，所以能够将光谱图像的空间分辨率对应拍摄高度地任意地设定。

2.光谱照相机3的曝光时间能够相对于光谱照相机3的空间分辨率独立地设定，基于光谱照相机3的姿势变化量或位置变化量实时地再次设定，所以能够抑制光谱图像的空间上的歪斜、模糊。

3.空间分辨率的控制功能和基于飞行体1的抑制模糊的功能能够独立地控制，所以能够拍摄空间分辨率较高的光谱图像。

4.在作为光谱图像设置拍摄对象的所有波长中，能够确保既定的SN比。

5.能够自动计算为了确保既定的SN比所必要的拍摄张数。

6.快照方式的图像传感器34、液晶波长可变滤光器33比较轻量且廉价，能够搭载于市售的能够静止飞行的飞行体1，所以能够抑制制造成本，一般也能够较广地普及。

7.通过将快照方式的液晶波长可变滤光器33搭载于能够静止飞行的飞行体1，能够在指定时刻在指定位置自动拍摄光谱图像。

接着，对本发明的光谱照相机控制装置6、光谱照相机控制程序6a、光谱照相机控制系统2、搭载有该系统的飞行体1及光谱图像拍摄方法的具体的实施例进行说明。另外，本发明的技术范围不被以下实施例所示的特征限定。

实施例 1

实施例1中，将具备液晶波长可变滤光器的光谱照相机搭载于多旋翼型的无人机来拍摄光谱图像。

光谱照相机如图10所示，具备对角视野角为约90度的透镜。图像传感器是CCD图像传感器，具有659×494的像素数。飞行体在高度约120m处静止飞行。此时，投影于地上的视野的大小为192m×144m。此外，图像传感器的1像素的一边相对于约0.22m。即，本实施例1的光谱照相机的空间分辨率为约0.22m。

本实施例1的拍摄从460nm至780nm以10nm间隔相对于33透过波长进行。拍摄的各种规格如下述表1所示。

(表1)

CCD像素数	659×494像素
		每个像素的曝光时间	10ms
正下方点处的一个像素的大小（空间分辨率）	约0.22m
		SN比（@750nm）	70
透过波长	460nm~780nm的33个透过波长
		透过波长的频带宽度	5.8nm~23.2nm（中心波长）
MTF（奈奎斯特）	12%

接着，作为拍摄的光谱图像的应用例，从取得的33个透过波长的光谱图像中的两个透过波长的光谱图像计算标准化植被指数(NDVI)。图11是用颜色的浓淡表示标准化植被指数的数值的颜色表。在该图11中，指数的值越接近1 (颜色的浓淡越白)，表示植被越浓。这样，根据光谱图像，能够定量地评价植被的育成状态。

如上所述，根据本实施例1，通过从约100m的高度拍摄光谱图像，表示所得到的约20cm的空间分辨率的详细的光谱信息。

实施例 2

在实施例2中，根据本发明，进行确认抑制光谱图像的模糊的实验。具体地，将曝光时间设定成20ms和50ms来拍摄光谱图像，并且借助姿势传感器进行光谱照相机的角速度的测定。其他拍摄的各种规格与实施例1相同。

图12是将曝光时间设为20ms的情况下所得到的光谱图像。如该图12所示，在取得的光谱图像，能够清楚地目测确认拍摄于中央、左侧的建筑物及繁茂的植物。

另一方面，图13是将曝光时间设为50ms的情况下所得到的光谱图像，但与图12不同，可以看到建筑物及植物模糊，产生光谱图像的模糊。

因此，基于各曝光时间，关于不产生模糊地确保空间分辨率的角速度进行计算。具体地，将曝光时间设为T，将空间分辨率设为X，将拍摄光谱图像时的光谱照相机的高度设为H，计算角速度Ω＝X/(H×T)。结果，曝光时间20ms时不产生模糊的角速度Ω为， Ω＝0.22/(120×0.02)＝0.092rad/sec。同样，曝光时间50ms时不产生模糊的角速度Ω为，Ω＝0.22/(120×0.05)＝0.037rad/sec。

另一方面，由姿势传感器测量的光谱照相机的角速度由于风的影响为约0.087rad/sec。

即，光谱照相机的角速度约0.087rad/sec比曝光时间20ms时不产生模糊的角速度Ω＝0.092rad/sec还慢。由此，在以曝光时间20ms拍摄的光谱图像不产生模糊。

与此相对，光谱照相机的角速度约0.087rad/sec比曝光时间50ms时不产生模糊的角速度Ω＝0.037rad/sec还快。由此，认为在以曝光时间50ms拍摄的光谱图像产生模糊。

以上，根据本实施例2，表示了光谱图像的模糊及为了抑制光谱图像的模糊而基于光谱照相机的角速度以不产生模糊的方式设定曝光时间来控制光谱照相机是有效的。

实施例 3

在实施例3中，进行如下实验：在拍摄的光谱图像的SN比不足既定的SN比阈值的情况下，以相同的透过波长连续拍摄多张光谱图像，通过将这些光谱图像重合来确认得到前述SN比阈值以上的SN比的光谱图像。

光谱图像由搭载于实施例1中使用的多旋翼型的无人机的光谱照相机拍摄。此时，拍摄时的曝光时间为10ms，液晶波长可变滤光器的透过波长为 650nm。

图14是将根据上述条件拍摄的第一张光谱图像的部分放大的图。该第一张光谱图像的SN比为SN1＝27.3。因此，将SN比阈值设为SNt＝40，利用上述式(2)计算以相同的透过波长连续拍摄的光谱图像的张数。结果，式(2)为N＞2.2，计算出必要的光谱图像的张数为3张。

因此，进行包括第一张光谱图像地连续拍摄的3张光谱图像的重合。图15是使连续的3张光谱图像重合的光谱图像。

图14的光谱图像整体上看起来粗糙。另一方面，图15的光谱图像的粗糙减少，对比度看起来更清楚，可知噪音变少。此外，图15所示的光谱图像的SN比为40.5，通过使连续3张光谱图像重合能够得到超过SN比阈值40的SN比的光谱图像。

以上，以相同的透过波长连续拍摄多张光谱图像，通过使这些光谱图像重合，能够使光谱图像的SN比提高。此外，上述式(2)表示了，作为计算为了从最初的第一张光谱图像的SN比得到超过SN比阈值的SN比的光谱图像所必要的拍摄张数的方法是有效的。

另外，本发明不限于前述实施方式，能够适当改变。例如，在曝光时间再设定部625，根据式(1)计算时使用的飞行体的高度值可以使用由位置姿势检测器实际测量的值。此外，各种阈值的设定、各信号的传送等也可以从通信装置经由无线通信机构63进行。

附图标记说明

1 飞行体

2 光谱照相机控制系统

3 光谱照相机

4 姿势位置检测器

5 液晶波长可变滤光器控制回路

6 光谱照相机控制装置

6a 光谱照相机控制程序

7 电池

31 透镜组

32 偏光消除板

33 液晶波长可变滤光器

34 图像传感器

41 环球定位系统接收机

42 姿势传感器

61 储存机构

62 运算处理机构

63 无线通信机构

311 入光透镜

312 聚光透镜

611 程序储存部

612 拍摄开始条件储存部

613 拍摄条件储存部

614 阈值储存部

615 光谱图像储存部

621 拍摄开始条件判断部

622 最佳曝光时间设定部

623 姿势位置信息取得部

624 姿势位置变化判断部

625 曝光时间再设定部

626 光谱图像取得部

627 SN比判断部

628 连续拍摄张数计算部

629 追加光谱图像取得部

630 拍摄结束判断部

631 波长特定信号传送部。

Claims (13)

1.一种光谱照相机控制装置，其特征在于，

前述光谱照相机控制装置与具备液晶波长可变滤光器的光谱照相机一同搭载于能够静止飞行的飞行体，在前述飞行体的静止飞行中，在切换前述液晶波长可变滤光器的透过波长时使前述光谱照相机以快照方式拍摄。

2.如权利要求1所述的光谱照相机控制装置，其特征在于，

在前述光谱照相机的每个曝光时间的前述光谱照相机的姿势变化量或位置变化量的至少某个超过基于前述光谱照相机的空间分辨率的既定的阈值的情况下，将前述光谱照相机的曝光时间设定成比现曝光时间短的时间。

3.如权利要求2所述的光谱照相机控制装置，其特征在于，

从姿势传感器取得前述光谱照相机的角速度，根据下述式(1)计算前述曝光时间，

T＜X/(H×Ω) ・・・式(1)

其中各符号表示如下，

T：曝光时间(sec)

X：空间分辨率(m)

H：飞行体的高度(m)

Ω：光谱照相机的角速度(rad/sec)。

4.如权利要求1至3中任一项所述的光谱照相机控制装置，其特征在于，

在拍摄的光谱图像的SN比不足既定的阈值的情况下，以相同的透过波长连续拍摄多张光谱图像。

5.如权利要求4所述的光谱照相机控制装置，其特征在于，

根据下述式(2)计算以相同的透过波长连续拍摄的光谱图像的张数，

N＞(SNt/SN1) ² ・・・式(2)

其中各符号表示如下，

N：拍摄的光谱图像的张数

SN1：最初的第一张光谱图像的SN比

SNt：SN比阈值。

6.一种光谱照相机控制系统，其特征在于，

具备权利要求1至5中任一项所述的光谱照相机控制装置、被该光谱照相机控制装置控制的光谱照相机。

7.一种飞行体，其特征在于，

搭载有权利要求6所述的光谱照相机控制系统，能够静止飞行。

8.一种光谱照相机控制程序，其特征在于，

使计算机作为光谱照相机控制装置发挥功能，前述光谱照相机控制装置与具备液晶波长可变滤光器的光谱照相机一同搭载于能够静止飞行的飞行体，在前述飞行体的静止飞行中，在切换前述液晶波长可变滤光器的透过波长时使前述光谱照相机以快照方式拍摄。

9.如权利要求8所述的光谱照相机控制程序，其特征在于，

使计算机作为光谱照相机控制装置发挥功能，前述光谱照相机控制装置在前述光谱照相机的每个曝光时间的前述光谱照相机的姿势变化量或位置变化量的至少某个超过基于前述光谱照相机的空间分辨率的既定的阈值的情况下，将前述光谱照相机的曝光时间设定成比现曝光时间短的时间。

10.如权利要求9所述的光谱照相机控制程序，其特征在于，

使计算机作为光谱照相机控制装置发挥功能，前述光谱照相机控制装置从姿势传感器取得前述光谱照相机的角速度，根据下述式(1)计算前述曝光时间，

T＜X/(H×Ω) ・・・式(1)

其中各符号表示如下，

T：曝光时间(sec)

X：空间分辨率(m)

H：飞行体的高度(m)

Ω：光谱照相机的角速度(rad/sec) 。

11.如权利要求8至10中任一项所述的光谱照相机控制程序，其特征在于，

使计算机作为光谱照相机控制装置发挥功能，前述光谱照相机控制装置在被拍摄的光谱图像的SN比不足既定的阈值的情况下，以相同的透过波长连续拍摄多张光谱图像。

12.如权利要求11所述的光谱照相机控制程序，其特征在于，

使计算机作为光谱照相机控制装置发挥功能，前述光谱照相机控制装置根据下述式(2)计算以相同的透过波长连续拍摄的光谱图像的张数，

N＞(SNt/SN1) ² ・・・式(2)

其中各符号表示如下，

N：拍摄的光谱图像的张数

SN1：最初的第一张光谱图像的SN比

SNt：SN比阈值。

13.一种光谱图像拍摄方法，其特征在于，

使用与具备液晶波长可变滤光器的光谱照相机一同搭载于能够静止飞行的飞行体的光谱照相机控制装置，在前述飞行体的静止飞行中，在切换前述液晶波长可变滤光器的透过波长时使前述光谱照相机以快照方式拍摄。