CN113296528A - 对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法，包括步骤：主飞行器根据航线飞行；所述主飞行器搭载有朝向地面的所述成像光谱仪；主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行；所述第二飞行器具有光谱反射材料；所述主飞行器的所述成像光谱仪根据所述第二飞行器的所述光谱反射材料校准。由上，实现了飞行器在飞行过程中，对所搭载的成像光谱仪的图像数据进行校准。

Description

对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法及系统

技术领域

本发明涉及无人机以及光谱采集领域，具体涉及一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法及系统。

背景技术

成像技术和光谱技术是传统的光学技术的两个重要方向，成像技术能够获得物体的影像，得到其空间信息；光谱技术能够得到物体的光谱辐射信息，进而研究其物质属性。

随着无人机技术的日益成熟，基于无人飞行器平台的新型遥感技术飞速发展，飞行器上搭载成像光谱仪广泛用于农业、环境、林业、矿产、考古、通信等领域。但是，成像光谱仪所获取的数据需要进行校准，否则采集的图像数据难以定量化应用。

而无人机在飞行过程中，如何对所搭载的成像光谱仪进行校准，是有待解决的技术问题。

发明内容

基于背景技术所述的有待解决的技术问题，本发明提供一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法及系统，实现对所搭载的成像光谱仪图像数据进行校准。

本申请提供的一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法，包括步骤：

主飞行器根据航线飞行；所述主飞行器搭载有朝向地面的所述成像光谱仪；

主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行；所述第二飞行器具有光谱反射材料；

所述主飞行器的所述成像光谱仪根据所述第二飞行器的所述光谱反射材料校准。

由上，实现了主飞行器在飞行过程中，对所搭载的成像光谱仪图像数据进行校准。该校准过程，可用于飞行中的实时校准和飞行后的延时校准，确保采集的地面光谱数据的准确性。

可选的，所述主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行包括：

所述第二飞行器采用跟随所述主飞行器的方式，第二飞行器在主飞行器搭载的成像光谱仪的视场范围内、位于所述主飞行器下方飞行。

由上，由于跟随飞行器处于主飞行器下方，飞行时保持在主飞行器搭载的成像光谱仪的视场范围内，使主飞行器上搭载的成像光谱仪可实时采集到跟随飞行器上的光谱反射材料的光谱图像，可用于飞行中的实时校准和飞行后的延时校准，确保采集的地面光谱数据的准确性。

可选的，所述跟随飞行器与所述主飞行器预先接收相同的航线。

由上，便于跟随飞行器的跟随飞行的控制。

可选的，所述主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行包括：

所述主飞行器飞入所述第二飞行器触发范围时，所述第二飞行器起飞悬停，以使所述主飞行器经过时，所述第二飞行器位于所述主飞行器下方。

由上，采用响应的方式，可以配置不需与主飞行器相同航行里程所需电池、所需动力的第二飞行器。

可选的，还包括：所述主飞行器飞离所述第二飞行器触发范围时，所述第二飞行器降落。

由上，可有效降低第二飞行器的电力需求。

可选的，所述主飞行器预先接收航线；所述第二飞行器位于所述航线范围内。

由上，可根据需要配置多个第二飞行器，在不同的位置进行成像光谱仪图像数据的校准。

可选的，还包括：预先配置所述触发范围、所述悬停的时间、悬停的高度。

由上，可以根据地形和任务需求选择模式，可设置更多参数，更有灵活性。

可选的，还包括：根据所要采集的地面光谱信息的区域，生成所述航线。

由上，可以控制飞行器飞行路径，避开危险区域，更加高效作业，保证图像采集质量。

可选的，所述第二飞行器具有光谱反射材料包括：

所述第二飞行器顶部装配有板状的所述光谱反射材料，或

所述第二飞行器表面覆盖有所述光谱反射率材料。

由上，可灵活设置光谱反射材料。当采用板状的所述光谱反射材料，如漫反射板，安装灵活，且便于更换漫反射板；也可采用表面覆盖方式，如涂覆。

本申请还提供了一种对飞行器搭载的成像光谱仪图像数据的校准系统，包括：

主飞行器，用于根据航线飞行；所述主飞行器搭载有朝向地面的所述成像光谱仪；

第二飞行器，用于在主飞行器飞行过程中，位于所述主飞行器下方飞行；所述第二飞行器具有光谱反射材料；

所述主飞行器的所述成像光谱仪的图像数据根据所述第二飞行器的所述光谱反射材料校准。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1a为跟随模式下对飞行器搭载的成像光谱仪图像数据的校准方法的示意图；

图1b为响应模式下对飞行器搭载的成像光谱仪图像数据的校准方法的示意图；

图2为对飞行器搭载的成像光谱仪图像数据的校准方法的流程图。

具体实施方式

说明书和权利要求书中的词语“第一、第二、第三等”或模块A、模块B、模块C等类似用语，仅用于区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本申请实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。

在以下的描述中，所涉及的表示步骤的标号，如S110、S120……等，并不表示一定会按此步骤执行，在允许的情况下可以互换前后步骤的顺序，或同时执行。

说明书和权利要求书中使用的术语“包括”不应解释为限制于其后列出的内容；它不排除其它的元件或步骤。因此，其应当诠释为指定所提到的所述特征、整体、步骤或部件的存在，但并不排除存在或添加一个或更多其它特征、整体、步骤或部件及其组群。因此，表述“包括装置A和B的设备”不应局限为仅由部件A和B组成的设备。

本说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意味着与该实施例结合描述的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现的用语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例，但可以指同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，能够以任何适当的方式组合各特定特征、结构或特性，如从本公开对本领域的普通技术人员显而易见的那样。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。如有不一致，以本说明书中所说明的含义或者根据本说明书中记载的内容得出的含义为准。另外，本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。

下面，首先对本申请涉及的各个设备进行介绍。本申请涉及的设备包括：

控制终端，或称为地面站，具有人机交互界面，可以加载本地存储的或网络侧存储的地图数据，显示给用户，并根据用户的选择生成航线(也可以是读取预先存储的航线)。控制终端具有无线通信单元，可以实现与飞行器进行信息交互，如发送控制飞行器的控制指令(如起飞指令、自检指令、返航指令等)、发送航线，或获取飞行器的状态信息(如飞行数据、轨迹、飞行器状态信息)，或获取飞行器采集的高光谱数据等。

飞行器，从用途上区分，可以包括主飞行器10、跟随飞行器20、响应飞行器30。

其中，主飞行器10上搭载有成像光谱仪，如高光谱采集设备50，高光谱采集设备50可以采用吊装的方式安装于主飞行器10机腹位置，采用下方的跟随飞行器20或响应飞行器30的光谱反射材料40的光谱图像，对采集到的下方地面光谱图像数据实现飞行中的实时校准和飞行后的延时校准。

其中，跟随飞行器20与响应飞行器30搭载有用于校准用的标准光谱反射材料40，可以为水平板状的漫反射材料，设置于跟随飞行器与响应飞行器顶部，或采用标准反射率材料膜、布或涂料方式覆盖于跟随飞行器与响应飞行器的机体表面。

当主飞行器10位于跟随飞行器20与响应飞行器30上空时，可通过标准光谱反射材料40对成像光谱仪图像数据，如高光谱采集设备50获取数据进行校准。

主飞行器10、跟随飞行器20、响应飞行器30均可以为任一种类的无人机，如图1a中主飞行器10、跟随飞行器20实例性的采用侧翼式无人机40，其具备续航时间长的优点，如图1b中响应飞行器30实例性的采用多旋翼固定翼无人机，其具备可垂直升降和高速巡航的优点。

其中，飞行器具有无线通信单元，实现与控制终端通信，或实现飞行器之间的通信，还具有传感器，如空速器、电子罗盘、卫星定位器、高度计、摄像头等，以实现飞行中的定位、巡航、航姿控制等。还可以预设一些触发规则，例如数据信号丢失自动返航、风速超过设定风力立即返航、低电压自动返航、高度偏离预期超过设定自动开伞、固定翼姿态超限启动多旋翼保护、固定翼失速启动多旋翼保护等，以保证飞行器的安全。另外，飞行器飞行过程中的飞行状态信息，如航高、空速、电池状态、位置、飞行时长，飞行距离、飞行速度、航姿等也可以发送该控制终端，以使得用户了解飞行器状态，以进行相应的控制。

下面，参见图1a、图1b及图2，对本申请提供的对飞行器搭载的成像光谱仪图像数据的校准方法进行说明，包括以下步骤：

S110：用户通过控制终端提供的交互界面导入地图信息，并选择需要进行光谱采集的区域。

其中，地图信息可以是控制终端本地存储的，也可以是从网络侧服务器下载到本地。用户在导入地图后，通过人机交互界面显示对应的地图，并可进行地图的缩放、移动等，便于用户查看地图以选择区域。

S120：用户通过控制终端设定采集所需要的光谱成像设备采集分辨率的大小，生成能够覆盖设定分辨率采集范围的飞行器的折返路线，或通过直接设定检查点(即主飞行器要飞过的位置)来生成飞行器的飞行路线。

其中可根据所述分辨率大小计算出航线高度、根据要检测区域或检查点生成飞行路线(即航线)，其中，生成航线时，还涉及航带宽度、航向重叠度、旁向重叠度、航线优化(长度、角度)、航带延长、盘旋半径、航程、航线间距、拍照间距、航线数量等，具体航线涉及非本申请关注技术，且航线设计可以采用现有技术，故对此不再赘述。

当生成飞行路线后，控制终端与主飞行器通信，将飞行路线，即航线传输至主飞行器的飞控系统中，主飞行器做好起飞准备。

其中，主飞行器起飞前，可以启动自检程序，并将自检结果传输给控制终端，该自检程序包括检测空速计、检测电子罗盘、检测卫星定位器、检测高度计、检测摄像头等、多旋翼电机测试、电池自检等。

S130：用户通过控制终端选择校准过程中的模式，是跟随模式、响应模式，或同时使用两种模式。

其中，当为响应模式时，还需要配置航线路径中需要使用的响应飞行器的信息，包括要使用的响应飞行器，响应半径、悬停时间、悬停高度、响应点个数等。所设置的要使用的响应飞行器会接收控制终端通信的上述配置信息。

当用户选择跟随模式时，执行下述步骤S210-S250。当用户选择响应模式时，执行下述步骤S310-S360。当用户选择了两种模式，则并行执行下述步骤S210-S250和步骤S310-S360。

S210：当用户选择跟随模式时，控制终端将航线传输至跟随飞行器。

控制终端与跟随飞行器通信，将飞行路线，即航线传输至跟随飞行器的飞控系统中，跟随飞行器做好起飞准备。包括启动自检程序，自检程序可参见主飞行器的自检程序，不再赘述。

S220：主飞行器起飞，达到预定高度后悬停，以等待跟随飞行器。

S230：跟随飞行器起飞，并在主飞行器下方预定高度悬停一段时间，如10秒。在悬停过程中，通过摄像头视觉定位、超宽带(UWB)定位技术等高精度定位完成主飞行器与跟随飞行器的位置对接，以使得飞行途中跟随飞行器在主飞行器光谱采集设备下方，在主飞行器搭载的成像光谱仪的视场范围内，且两飞行器之间距离保持在安全距离之外。

S240：主飞行器按航线飞行，并通过成像光谱仪进行地面光谱数据的采集；跟随飞行器同样按所述航线飞行，并与主飞行器定位，于主飞行器下方，在主飞行器搭载的成像光谱仪的视场范围内。

S250：飞行途中，主飞行器上的成像光谱仪，如高光谱采集设备的图像数据可以根据跟随飞行器上的光谱反射材料进行校准。

S260：地面光谱图像数据获取完毕后，即预定航行完成后，主飞行器与跟随飞行器启动自动返航程序，分别返航并自动降落，至此，本次地面光谱图像数据的采集任务完毕。

S310：当用户选择响应模式时，还需要在控制终端中选择航线路径中需要响应的响应飞行器。

其中，这些响应飞行器可预先分布设置在采集区域内或航线上，并可为每个响应飞行器配置无线充电装置和自动起降系统。

S320：主飞行器起飞，按照设置的航线飞行。

另一方面，所设置的要使用的响应飞行器会接收控制终端通信的配置信息，做好起飞准备，包括启动自检程序，自检程序可参见主飞行器的自检程序，不再赘述。

S330：主飞行器飞行至某响应飞行器触发半径范围内，该响应飞行器起飞，到达高度悬停。

其中，主飞行器的实时定位信息可以获取，而各响应飞行器的位置信息也可以获取，因此可以通过响应飞行器的位置信息、触发半径，以及主飞行器的实时定位信息判断主飞行器是否飞入该响应飞行器触发半径范围内，该判断过程可以是由响应飞行器判断(主飞行器的实时定位信息可以直接发送给响应飞行器，或通过控制终端转发给响应飞行器)，也可以由控制终端侧判断。

S340：主飞行器飞行到该响应飞行器上方时，通过摄像头视觉定位、超宽带(UWB)定位技术等高精度定位完成主飞行器与响应飞行器的位置对接，即实现主飞行器与该响应飞行器上下位置的匹配，然后主飞行器上的高光谱采集设备图像数据可以根据响应飞行器上的光谱反射材料进行校准。

S350：主飞行器飞离过该响应飞行器的触发半径范围，该响应飞行器降落。

如上步骤S330-350，主飞行器可以依次触发航线范围内各个响应飞行器。

S360：当主飞行器对地面光谱数据采集完毕后，启动自动返航程序，返航并自动降落，至此，本次地面光谱数据的采集任务完毕。另一方面，各个响应飞行器可待命进行下一次采集任务，也可对各个响应飞行器进行回收，如人工回收，或通过控制终端控制各个响应飞行器飞到设定的回收地点。

本申请还提供了一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准系统，包括：

主飞行器10，用于根据航线飞行；所述主飞行器10搭载有朝向地面的所述成像光谱仪；

第二飞行器，用于在主飞行器10飞行过程中，位于所述主飞行器10下方飞行；所述第二飞行器具有光谱反射材料40；所述第二飞行器可以为跟随飞行器20或响应飞行器30；

所述主飞行器10的所述成像光谱仪被配置为根据所述第二飞行器的所述光谱反射材料校准。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准方法，其特征在于，包括步骤：

主飞行器根据航线飞行；所述主飞行器搭载有朝向地面的所述成像光谱仪；

主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行；所述第二飞行器具有光谱反射材料；

所述主飞行器的所述成像光谱仪的图像数据根据所述第二飞行器的所述光谱反射材料校准。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行包括：

所述第二飞行器采用跟随所述主飞行器的方式，在主飞行器搭载的成像光谱仪的视场范围内、位于所述主飞行器下方飞行。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述跟随飞行器与所述主飞行器预先接收相同的航线。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主飞行器飞行过程中，第二飞行器位于所述主飞行器下方飞行包括：

所述主飞行器飞入所述第二飞行器触发范围时，所述第二飞行器起飞悬停，以使所述主飞行器经过时，所述第二飞行器位于所述主飞行器下方。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：所述主飞行器飞离所述第二飞行器触发范围时，所述第二飞行器降落。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述主飞行器预先接收航线；所述第二飞行器位于所述航线范围内。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：预先配置所述触发范围、所述悬停的时间、悬停的高度。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：根据所要采集的地面光谱信息的区域，生成所述航线。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二飞行器具有光谱反射材料包括：

所述第二飞行器顶部装配有板状的所述光谱反射材料，或

所述第二飞行器表面覆盖有所述光谱反射率材料。

10.一种对飞行器搭载的成像光谱仪的图像数据校准系统，其特征在于，包括：

主飞行器，用于根据航线飞行；所述主飞行器搭载有朝向地面的所述成像光谱仪；

第二飞行器，用于在主飞行器飞行过程中，位于所述主飞行器下方飞行；所述第二飞行器具有光谱反射材料；

所述主飞行器的所述成像光谱仪被配置为所述图像数据根据所述第二飞行器的所述光谱反射材料校准。

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