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地質高光譜測試

1．什么是高光譜

成像光譜技術由分光計發展而來，它是一項新技術，又名高光譜成像技術，傳統的光譜分析技術只能做局部平均光譜分析，而高光譜能夠做到整幅圖的各個點光譜分析。成像光譜有凝視成像型、推帚型、擺掃型。它能夠在生成一副圖像的同時獲取這副圖像每個像素點的光譜信息，實現“圖譜合一”。高光譜獲取的光譜信息能夠包括圖像中任何一個像素點的光譜，而普通的地物光譜儀只能獲取測試地物的平均光譜，所以高光譜獲取的數據能夠跟準確、精細地去分析被測地物。它的出現標志著光學遙感進入了高光譜遙感階段，利用從高光譜數據反演的地物反射光譜特征，能研究地球表面物體的分類、物質的成分、含量、存在狀態、空間分布及動態變化。

2.高光譜遙感技術的優勢特點

• 水質監測

傳統的河流、湖泊水質監測主要是采用實地采樣和實驗室分析等方法，這種監測方法需要在河流、湖泊內定點、定剖面進行，通過常年累月的監測、記錄和實驗室分析，雖然能夠達到一定的數據精度，但是不能反映河流、湖泊水質的總體時空狀況，且費時費力、監測區域有限，只具有局部和典型的代表意義，不能滿足實時、快速、大尺度的監測和評價要求。

遙感技術的發展與進步為河流、湖泊水體的監測和研究開辟了新的途徑。遙感水質監測技術具有高動態、低成本和宏觀性等顯著特點，在河流、湖泊水質污染研究方面有著常規檢測不可替代的優點。它既可以滿足大范圍水質監測的需要，也可以反映水質在空間和時間上的分布和變化情況，彌補了單一采用水面采樣的不足。高光譜遙感由于其高精度、多波段、信息量大等特點被廣泛應用于遙感水質監測，大大提高了水質參數的估測精度。

• 植被監測

高光譜遙感數據包含了農作物的空間信息、波譜信息和輻射信息，其“圖譜合一”的特性使其可以對農作物進行氮素、葉綠素以及病蟲害等監測。農作物的空間信息主要體現在不同作物類別之間，不同農作物對光的吸收和反射不同使其在遙感圖像上呈現出不同的特征。

高光譜分辨率的植被圖像數據大大提高植被指數所能反演的信息量，使人們可以直接獲取諸如植被葉面積指數、生物量、光合有效吸收系數等植被生物物理參量。植被遙感是一種重要的地理信息獲取手段，通過使用高光譜分辨率的植被圖像數據，我們可以獲得更加真實和詳細的地物光譜信息，能全面地反映自然界各種植被所固有的光譜特性以及其間的細節差異性，從而大大提高了植被遙感分類的精細程度和準確性。

高光譜成像還能應用于植被生物多樣性監測、植被和土地覆蓋精細制圖、土地利用動態監測、植被覆蓋度和生物量調查、地質災害評估等。

• 土壤監測

隨著高光譜遙感技術的不斷成熟，其空間和光譜分辨率不斷地提高，應用領域也越來越廣。由于近年來土壤重金屬污染日益嚴重，對生態環境安全和人類健康構成了嚴重威脅，而高光譜遙感技術具有快速、宏觀地獲取地物信息的能力，為快速高效獲取土壤重金屬含量開展污染防治提供了科學手段。高光譜在土壤研究中的應用歷史可以追溯到19世紀20—30年代。剛開始，人們利用反射光譜研究土壤含水量、土壤組分、粒徑及有機質含量，之后，大量的研究表明，高光譜遙感技術被廣泛地用于反演土壤中有機質含量、含水量、重金屬及土壤質地等方面的研究應用。

3.無人機高光譜采集流程及注意事項

3.1注意事項

①天氣選擇：晴朗無風

? 高光譜數據采集禁止在雨天、冰雹、大風天及其他極端天氣進行數據采集；

? 溫度過高（南方夏天零上 35℃以上）或者過低（北方冬天零下 10℃以下）需考慮無人機電池電量問題；

? 多云、強風的天氣采集數據會極大的影響的數據質量；建議 3-4 風力等級以下；

? 6 旋翼（例如 M600）無人機的抗風等級相對較高；

? 4 旋翼（例如 M300）無人機的抗風等級相對較低；

②采集時間選擇：10：00-14：00（北京時間）

? 高光譜的數據采集盡量選擇在陽光正射被測物的時間，可根據自己的地理（經緯度）位置選擇數據采集時間段；

③飛行場地選擇：地勢平坦且無障礙物

? 山地飛行建議通過衛星圖或者實際測高圖觀測附近山體高度后再規劃無人機航帶；

? 城市飛行需考慮城市建筑物高度，需在空曠的場地起飛。（保證無人機不會在電磁復雜環境或者遮擋視線的建筑物附近起飛）；

? 水面飛行需考慮水面上面的風力等級以及數據拼接時有無靶標物識別等；

3.2數據采集流程

①環境考察：數據采集前要了解數據采集場地的周邊環境以及準備采集時間的天氣狀況，必要時需要提前到現場觀測；

②出行清單確認；

③儀器電量確認；

④采集現場設備安裝：無人機-遙控器連接；無人機-地面工作站-地面控制終端連接；數據采集軟件起飛前調試；

⑤無人機系統起飛調試：參數設置；航帶規劃；

⑥數據導出；

4.數據獲取及處理

4.1數據獲取

本次測試使用iSpecHyper-VM100無人機高光譜（圖4-1），其光譜范圍400-1000nm，光譜通道數260，空間通道數348（4像元合并），探測器為高靈敏度CCD，成像鏡頭35mm，視場角為14.4°@f=35mm以及10%標準反射率板。（本次未使用地物光譜儀iSpecField-HH，其光譜范圍300-1100，波長精度±1nm，分辨率≤3nm，光譜通道數1600，探測器2048像素）。

圖4-1 iSpecHyper-VM100無人機高光譜

圖4-2 高清相機可見光俯視圖片

4.2數據處理流程

圖1-1無人機高光譜數據處理流程圖

4.3數據結果

高光譜數據測量自帶幾何校正及拼接，只需將所測光譜原始數據根據所放置的標準反射率板轉換為反射率，再用各波段反射率大小反演得到NDVI、DVI、NDWI等。