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無人機(jī)平臺(tái)支持的高光譜遙感技術(shù)：全球視角下的技術(shù)演進(jìn)與農(nóng)林應(yīng)用

更新時(shí)間：2025-07-04 點(diǎn)擊次數(shù)：323

摘要

本研究從全球視角系統(tǒng)探討無人機(jī)平臺(tái)支持的高光譜遙感技術(shù)，通過深入剖析高光譜傳感器、數(shù)據(jù)處理技術(shù)及在農(nóng)業(yè)與林業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，揭示其技術(shù)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展?jié)摿ΑＱ芯勘砻鳎吖庾V數(shù)據(jù)憑借的光譜分辨率與信息承載能力，在物質(zhì)成分識(shí)別與生物特性分析中展現(xiàn)出傳統(tǒng) RGB 與多光譜影像的優(yōu)勢(shì)。無人機(jī)與高光譜傳感器的深度融合，構(gòu)建了靈活、經(jīng)濟(jì)且可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)獲取體系。飛行前的參數(shù)優(yōu)化與飛行后的輻射校正、幾何精糾正等預(yù)處理流程，是保障數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多樣化的高光譜數(shù)據(jù)處理工具箱，顯著降低了技術(shù)應(yīng)用門檻。該技術(shù)在農(nóng)林領(lǐng)域的作物表型分析、森林生態(tài)監(jiān)測(cè)等方面具有廣闊應(yīng)用前景，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與智慧林業(yè)發(fā)展提供了創(chuàng)新技術(shù)路徑。

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一、引言

在遙感技術(shù)快速發(fā)展的背景下，高光譜遙感以其連續(xù)、精細(xì)的光譜信息獲取能力，成為地球科學(xué)與資源監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)。無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）作為新興數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，具有低空靈活作業(yè)、高時(shí)間分辨率、低成本等特性，與高光譜傳感器的結(jié)合，突破了傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感與有人機(jī)遙感的時(shí)空限制，為高光譜數(shù)據(jù)獲取開辟了新途徑。本文從全球視角出發(fā)，系統(tǒng)綜述無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)體系，涵蓋技術(shù)原理、數(shù)據(jù)處理流程及農(nóng)林領(lǐng)域典型應(yīng)用，旨在為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與推廣提供理論支撐與實(shí)踐參考。

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二、高光譜數(shù)據(jù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

相較于 RGB 圖像和多光譜數(shù)據(jù)，高光譜數(shù)據(jù)具備顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。高光譜遙感能夠在數(shù)百個(gè)連續(xù)光譜波段獲取地物信息，其光譜分辨率可達(dá)納米級(jí)，這種高光譜分辨率使得地物的光譜特征得以精細(xì)化表達(dá)，能夠捕捉到傳統(tǒng)遙感影像難以分辨的物質(zhì)成分差異。根據(jù)比爾 - 朗伯定律，不同物質(zhì)在特定光譜波段具有的吸收與反射特性，高光譜數(shù)據(jù)可通過光譜解混技術(shù)，反演地物的化學(xué)組成與物理結(jié)構(gòu)。例如，植被的葉綠素、葉黃素等色素含量變化，可在高光譜數(shù)據(jù)的紅邊、近紅外波段形成特征光譜響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)植被生理狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，而這是僅包含有限波段的 RGB 與多光譜數(shù)據(jù)難以達(dá)成的。

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三、高光譜獲取設(shè)備與無人機(jī)平臺(tái)集成

3.1 傳感器類型

高光譜傳感器按工作原理可分為推掃式、擺掃式和凝視型。推掃式傳感器通過線陣探測(cè)器與平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)二維影像數(shù)據(jù)的獲取，具有較高的空間分辨率與數(shù)據(jù)獲取效率；擺掃式傳感器通過機(jī)械掃描裝置擴(kuò)大視場(chǎng)范圍，但存在掃描速度限制與幾何畸變問題；凝視型傳感器基于面陣探測(cè)器，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)成像，適用于動(dòng)態(tài)場(chǎng)景監(jiān)測(cè)。在無人機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景中，微型推掃式高光譜傳感器因體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，成為主流選擇，如 Headwall Photonics 公司的 Micro - Hyperspec 系列傳感器，光譜范圍覆蓋 400 - 2500nm，可滿足多種地物光譜信息采集需求。

3.2 獲取模式

無人機(jī)高光譜數(shù)據(jù)獲取模式主要包括條帶式、拼圖式和定點(diǎn)式。條帶式獲取適用于大面積區(qū)域的連續(xù)覆蓋，通過設(shè)定飛行航線與重疊率，可實(shí)現(xiàn)無縫拼接；拼圖式獲取則針對(duì)復(fù)雜地形或不規(guī)則區(qū)域，采用分塊采集策略，后期通過圖像鑲嵌技術(shù)合成完整影像；定點(diǎn)式獲取常用于目標(biāo)區(qū)域的高精度監(jiān)測(cè)，無人機(jī)懸停于特定位置進(jìn)行多角度、多時(shí)間序列的數(shù)據(jù)采集。

3.3 無人機(jī)兼容傳感器

目前市場(chǎng)上已涌現(xiàn)出眾多無人機(jī)兼容高光譜傳感器，如 Resonon 公司的 Pika 系列傳感器，重量不足 1kg，可適配多旋翼與固定翼無人機(jī)平臺(tái)，其光譜分辨率可達(dá) 2.8nm，為高光譜數(shù)據(jù)的精細(xì)分析提供了硬件保障。此外，國內(nèi)企業(yè)也在積極研發(fā)高性能無人機(jī)高光譜傳感器，推動(dòng)技術(shù)國產(chǎn)化進(jìn)程。

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四、高光譜數(shù)據(jù)處理流程

4.1 飛行前操作

飛行前的參數(shù)設(shè)置與設(shè)備校準(zhǔn)是確保數(shù)據(jù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。需根據(jù)研究目標(biāo)與區(qū)域特征，合理規(guī)劃飛行高度、速度、航線與重疊率。飛行高度直接影響空間分辨率與覆蓋范圍，通常低空飛行（50 - 200m）可獲取高空間分辨率數(shù)據(jù)，但需考慮無人機(jī)續(xù)航與安全性。同時(shí)，對(duì)高光譜傳感器進(jìn)行輻射定標(biāo)與幾何校準(zhǔn)，通過標(biāo)準(zhǔn)反射率參考板（如 Spectralon 漫反射板）建立傳感器響應(yīng)與實(shí)際地物反射率之間的定量關(guān)系，消除儀器誤差對(duì)數(shù)據(jù)的影響。

4.2 飛行后預(yù)處理

飛行后預(yù)處理是高光譜數(shù)據(jù)可用化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括輻射校正、幾何精糾正、大氣校正與噪聲去除。輻射校正用于消除傳感器自身的輻射響應(yīng)差異；幾何精糾正通過地面控制點(diǎn)（Ground Control Points, GCPs）或數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model, DEM），糾正因無人機(jī)姿態(tài)變化與地形起伏引起的幾何畸變；大氣校正采用 MODTRAN、6S 等輻射傳輸模型，去除大氣分子與氣溶膠對(duì)光譜信息的干擾；噪聲去除則通過小波變換、主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）等算法，抑制數(shù)據(jù)中的隨機(jī)噪聲與條帶噪聲。

4.3 數(shù)據(jù)處理工具箱

為降低高光譜數(shù)據(jù)處理的技術(shù)門檻，學(xué)界與企業(yè)開發(fā)了多種實(shí)用工具箱。ENVI - Hyperspectral Analyst 模塊集成了光譜解混、異常檢測(cè)、目標(biāo)識(shí)別等功能；MATLAB 中的 Spectral Processing Toolbox 提供了豐富的光譜分析算法；Python 生態(tài)中的 Hyperspy 庫支持高光譜數(shù)據(jù)的交互式可視化與定量分析。這些工具箱通過圖形化界面與封裝算法，使非專業(yè)用戶也能便捷地開展高光譜數(shù)據(jù)分析。

五、無人機(jī)高光譜在農(nóng)業(yè)與林業(yè)的應(yīng)用

5.1 農(nóng)業(yè)應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)在作物健康監(jiān)測(cè)、產(chǎn)量預(yù)估與精準(zhǔn)施肥等方面展現(xiàn)出巨大潛力。通過分析作物在可見光 - 近紅外波段的光譜反射特征，可反演葉綠素含量、葉面積指數(shù)（Leaf Area Index, LAI）等生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)作物病蟲害早期診斷與營養(yǎng)狀況評(píng)估。例如，利用高光譜數(shù)據(jù)的紅邊位置偏移量，可有效識(shí)別作物的氮素缺乏程度，為變量施肥提供決策依據(jù)。此外，基于高光譜影像的作物表型分析，能夠快速篩選優(yōu)良品種，加速育種進(jìn)程。

5.2 林業(yè)應(yīng)用

在林業(yè)領(lǐng)域，無人機(jī)高光譜遙感可用于森林病蟲害檢測(cè)、森林覆蓋變化監(jiān)測(cè)與生物量估算。不同病蟲害侵染下的樹木，其葉片光譜特征會(huì)發(fā)生顯著變化，通過光譜匹配與分類算法，可精準(zhǔn)定位受害區(qū)域。同時(shí)，高光譜數(shù)據(jù)在森林物種識(shí)別方面具有優(yōu)勢(shì)，基于光譜庫的光譜特征匹配，可區(qū)分不同樹種，為森林資源清查與生態(tài)保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。此外，結(jié)合 LiDAR 數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)森林三維結(jié)構(gòu)參數(shù)與生物量的高精度反演。

六、結(jié)論

無人機(jī)平臺(tái)支持的高光譜遙感技術(shù)融合了高光譜數(shù)據(jù)的精細(xì)光譜信息與無人機(jī)的靈活作業(yè)優(yōu)勢(shì)，在全球范圍內(nèi)展現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展態(tài)勢(shì)與廣闊的應(yīng)用前景。高光譜數(shù)據(jù)的高分辨率光譜信息為地物成分識(shí)別與狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了新視角，無人機(jī)平臺(tái)的引入則顯著提升了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性與經(jīng)濟(jì)性。完善的飛行前規(guī)劃與飛行后預(yù)處理流程，保障了數(shù)據(jù)的可靠性與可用性，而多樣化的數(shù)據(jù)處理工具箱進(jìn)一步推動(dòng)了技術(shù)的普及應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)與林業(yè)領(lǐng)域，該技術(shù)已取得諸多創(chuàng)新性成果，為資源精準(zhǔn)管理與可持續(xù)發(fā)展提供了有效技術(shù)手段。未來，隨著傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步、數(shù)據(jù)處理算法的持續(xù)優(yōu)化以及多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)的深入發(fā)展，無人機(jī)高光譜遙感技術(shù)有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為全球生態(tài)環(huán)境保護(hù)與資源合理利用貢獻(xiàn)更大價(jià)值。

以象科技作為一家由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)、行業(yè)資深專家、光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)以及光學(xué)應(yīng)用博士等多元專業(yè)力量共同發(fā)起創(chuàng)立的科技型企業(yè)，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)出了非凡的潛力與強(qiáng)勁的實(shí)力，正逐步成為行業(yè)內(nèi)的一顆璀璨新星。

其團(tuán)隊(duì)成員憑借深厚的學(xué)術(shù)造詣與豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建起了一座堅(jiān)實(shí)的技術(shù)堡壘。西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)深入鉆研光學(xué)核心原理，在光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化以及創(chuàng)新方面持續(xù)發(fā)力，致力于打造出具有性能與高精度的光學(xué)基礎(chǔ)架構(gòu)。行業(yè)資深專家則猶如敏銳的市場(chǎng)領(lǐng)航員，他們憑借對(duì)行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的精準(zhǔn)把握以及對(duì)市場(chǎng)需求變化的前瞻性洞察，為公司的產(chǎn)品戰(zhàn)略布局指明方向，確保每一款產(chǎn)品都能精準(zhǔn)對(duì)接市場(chǎng)痛點(diǎn)，在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。光學(xué)應(yīng)用博士則專注于探索光學(xué)技術(shù)在各個(gè)實(shí)際領(lǐng)域的落地應(yīng)用，他們深入挖掘產(chǎn)品在不同場(chǎng)景下的潛在用途，從生物醫(yī)學(xué)到工業(yè)制造，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到農(nóng)業(yè)科技，不斷拓展產(chǎn)品的應(yīng)用邊界，讓光學(xué)技術(shù)真正造福于人類社會(huì)的各個(gè)角落。

在產(chǎn)品層面，以象科技目前已成功投產(chǎn)并推向市場(chǎng)的可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，無疑是其技術(shù)實(shí)力的集中體現(xiàn)。這不僅為國內(nèi)相關(guān)行業(yè)提供了更為可靠、性價(jià)比更高的光學(xué)設(shè)備選擇，還在一定程度上推動(dòng)了我國光學(xué)技術(shù)自主創(chuàng)新的進(jìn)程，提升了我國在全球光學(xué)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈中的地位。

此外，公司經(jīng)營的激光共聚焦、激光散斑血流成像儀、光譜儀等光學(xué)產(chǎn)品，也均在各自的領(lǐng)域內(nèi)展現(xiàn)出了的優(yōu)勢(shì)與性能。激光共聚焦以其超高的分辨率和清晰的成像效果，在生物醫(yī)學(xué)微觀成像領(lǐng)域成為科研人員探索生命奧秘的得力助手；激光散斑血流成像儀能夠精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)微循環(huán)血流變化，為醫(yī)學(xué)臨床診斷和疾病研究提供了重要的參考依據(jù)；光譜儀則憑借其對(duì)物質(zhì)光譜特性的精確分析能力，在材料成分分析、環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)以及食品安全檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著作用。

以象科技秉持著集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的全產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)營模式，展現(xiàn)出了強(qiáng)大的綜合實(shí)力與協(xié)同效應(yīng)。其研發(fā)中心坐落于西安這充滿科技活力與創(chuàng)新氛圍的城市，依托當(dāng)?shù)刎S富的科研資源與人才優(yōu)勢(shì)，持續(xù)不斷地投入大量資源進(jìn)行技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，為公司的產(chǎn)品迭代升級(jí)和技術(shù)突破提供了源源不斷的動(dòng)力源泉。

與此同時(shí)，公司精心構(gòu)建的銷售網(wǎng)絡(luò)如同一張緊密交織的大網(wǎng)，全面覆蓋全國各個(gè)地區(qū)，確保了產(chǎn)品能夠快速、高效地觸達(dá)每一位客戶手中。而完善的售后服務(wù)機(jī)構(gòu)則像是一位貼心的守護(hù)者，隨時(shí)為客戶提供多層次的技術(shù)支持與售后服務(wù)保障，讓客戶在使用產(chǎn)品的過程中無后顧之憂，進(jìn)一步增強(qiáng)了客戶對(duì)公司品牌的信任度與忠誠度。

以象科技憑借其團(tuán)隊(duì)、創(chuàng)新的產(chǎn)品以及完善的運(yùn)營模式，在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正穩(wěn)步前行，未來有望在國內(nèi)乃至全球市場(chǎng)上取得更為輝煌的成就，為推動(dòng)光學(xué)科技的進(jìn)步與應(yīng)用普及做出更多的貢獻(xiàn)。

以象科技由西安光機(jī)所光學(xué)博士團(tuán)隊(duì)，行業(yè)資深專家，光譜軟件算法團(tuán)隊(duì)，光學(xué)應(yīng)用博士等相關(guān)人員共同發(fā)起成立的科技型公司，目前投產(chǎn)市場(chǎng)可見光、近紅外、短波中紅外高光譜相機(jī)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，突破進(jìn)口技術(shù)壁壘，打破進(jìn)口短波紅外高光譜相機(jī)的技術(shù)限制。

以象科技是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的科技型公司。目前經(jīng)營產(chǎn)品有激光共聚焦，激光散斑血流成像儀，光譜儀，高光譜相機(jī)等光學(xué)產(chǎn)品。研發(fā)中心設(shè)立于西安，銷售網(wǎng)絡(luò)、完善售后服務(wù)機(jī)構(gòu)設(shè)立覆蓋全國。