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无人机机载高光谱水体测量光谱仪

近年来,高光谱遥感技术已经越来越多的用到农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域,形成了一个从地面到空中,乃至空间,从信息数据收集、处理到判读分析和应用,对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系,成为获取地球资源与环境信息的重要手段。

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近年来,高光谱遥感技术已经越来越多的用到农业、林业、地质、海洋、气象、水文、军事、环保等领域,形成了一个从地面到空中,乃至空间,从信息数据收集、处理到判读分析和应用,对全球进行探测和监测的多层次、多视角、多领域的观测体系,成为获取地球资源与环境信息的重要手段。 目前常用的航天或航空遥感,虽然其可以实现大面积同步观测,时效性强,获取信息受条件限制少,但 是其数据获取成本较高,数据精细程度不足的缺点不可忽视。而近地遥感时间灵活,可以进行小范围细节探测,提供精细的分析数据,但同时它的缺点同样存在,如大面积数据的获取速度较慢,有一些地区自然条件恶劣不适合人为采集,所以目前近地遥感仍局限于基础研究和数学建模当中,在一些实际应用中仍然受到限制。

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针对这一情况,莱森光学(Lisen Optics)公司实现了无人机搭载高光谱地物光谱仪测试系统。该系统 在实现了较大面积检测,受限条件小的同时,可以快速,精细的获取数据,很好的结合了航空遥感和近地遥 感的优点,避免了两者的缺点。 

该系统无人机需人为操控,双通道或三通到高光谱采集系统由微型处理器控制自动记录 GPS 信息,采 集天空和地面的光谱数据,如天空总辐照度,水体的离水辐亮度,地物的反射光谱等参数。


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蓝色方形图片.jpg海洋、湖泊水色遥感研究

蓝色方形图片.jpg卫星数据地面验证

蓝色方形图片.jpg水体剖面测量

蓝色方形图片.jpg水质分析(叶绿素、悬浮物、CDOM)

蓝色方形图片.jpg海岸带研究


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通过无人机机载双通道或三通道高光谱遥感光谱仪,用于自动化采集水体反射光谱信息,进一步得到 水体遥感探测需要获取的光谱信息:离水辐亮度 Lw、归一化离水辐亮度 LwN,遥感反射率 Rrs。

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水体遥感探测需要获取的光谱信息:离水辐亮度Lw、归一化离水辐亮度LwN,遥感反射率Rrs和刚好处于水面以下0-的辐照度比R。可按照如下的计算公式得到,

Lw = Lsw - rLsky

LwN = LwF0/ Ed (0+)

Rrs = Lw/ Ed (0+) = LwN/ F0

R (0-) = Eu (0-) / Ed (0-)

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其中需要测量的参数有

蓝色方形图片.jpg水面辐亮度Lsw:通过向下一通道光谱仪测量“水面辐亮度”

蓝色方形图片.jpg天空散射光辐亮度Lsky:通过向上一通道光谱仪测量“天空散射光辐亮度”

蓝色方形图片.jpg水面入射总辐照度Ed(0+):现场测量(此方法需要三通道):

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其中F0为平均的大气层外辐照度。通过向上一个通道光谱仪测量“入射总辐照度”。

遥感反演(此方法适用于双通道测量):

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其中t(λ,θ_0 )为大气透过率;ρ(θ_0 )为气水界面Fresnel反射率;R为地球到太阳之间的平均距离;r为测量是太阳到地球的距离。

无人机机载双通道高光谱遥感光谱仪开发项目主要分为两大部分:无人机和双通道或三通道高光谱光谱仪。


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其主要技术参数如下:

蓝色方形图片.jpg飞行速度 :110km/h=30.5m/s

蓝色方形图片.jpg续航时间:大于3小时

蓝色方形图片.jpg平稳度:左右摇摆可以控制在3度范围内,前后俯仰可以控制在5度范围内

蓝色方形图片.jpg飞行高度:400-1100m

蓝色方形图片.jpg舱内温度:和外界温度相同

蓝色方形图片.jpg舱内空间:20cm×14cm,高度不限

蓝色方形图片.jpg载重:1.5kg~2kg

同时,无人机舱顶和舱腹可以按要求(尺寸和位置)设计观察孔。另外不需考虑防水罩问题。


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高光谱光谱仪部分由光学平台、光纤探头、控制模块、供电模块、数据存储模块等部分组成,本项目对光谱仪的要求如下:

蓝色方形图片.jpg采用双通道或三通道高光谱光谱仪,采集参数为水面辐亮度和天空总辐照度、天空散射光辐亮度等

蓝色方形图片.jpg光谱仪能够实现自动采集

蓝色方形图片.jpg探头视场角度可更换调整

蓝色方形图片.jpg固定在无人机探头固定件设计需要可调

蓝色方形图片.jpg探头测量角度可调

蓝色方形图片.jpg可保存GPS信息

蓝色方形图片.jpg光谱仪应含有供电系统,续航时间应大于3小时

蓝色方形图片.jpg整套光谱仪系统重量不应超过4-5kg

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备注:图例为UAV为我司定制无人机载高光谱测试数据和GER地面高光谱数据对比


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