一、引言

高光譜遙感技術(shù)發(fā)展于20世紀80年代，其結(jié)合了傳統(tǒng)的光譜探測和攝影成像技術(shù)，可同時獲取目標的空間信息、光譜信息和輻射信息，形成圖譜合一的數(shù)據(jù)立方體。與多光譜遙感技術(shù)相比，高光譜遙感技術(shù)能夠在一個連續(xù)的光譜范圍內(nèi)進行窄帶成像，因此光譜分辨率更高、信息分辨能力更強，可以實現(xiàn)精確的目標分類和地物識別。

隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）、控制與導航系統(tǒng)及信息處理技術(shù)的發(fā)展，無人機（UAV）作為新型遙感平臺的條件逐漸成熟，同時大量微型化、高性能高光譜傳感器的研發(fā)也推動了無人機與高光譜遙感的結(jié)合。作為一種新興的遙感技術(shù)，無人機高光譜遙感可以克服云層的影響，快速、精確地向研究者提供高空間分辨率和時間分辨率的高光譜數(shù)據(jù)，有效地填補了低空高光譜遙感數(shù)據(jù)的空白。無人機高光譜遙感技術(shù)在自然資源調(diào)查領(lǐng)域有著巨大的技術(shù)與經(jīng)濟比較優(yōu)勢。

二、應用進展

2.1地質(zhì)礦產(chǎn)填圖

目前，無人機高光譜遙感技術(shù)在地質(zhì)礦產(chǎn)填圖方面的應用主要是將無人機高光譜數(shù)據(jù)與三維地質(zhì)模型相結(jié)合。2018年，KIRSCHM等使用搭載了高光譜成像儀的無人機對位于德國薩克森州弗萊堡礦區(qū)采石場的V型垂直露頭區(qū)進行勘探，對花崗巖中富含硫化物的熱液區(qū)開展地質(zhì)填圖，把波段范圍更廣的高光譜數(shù)據(jù)與數(shù)字地質(zhì)模型相結(jié)合，顯著提高了地質(zhì)勘探和采礦監(jiān)測過程的可靠性和安全性，為地球科學研究、礦產(chǎn)勘探、采礦和地質(zhì)災害監(jiān)測提供了重要的地質(zhì)信息來源。HUYNHHH等在韓國首爾東部含灰?guī)r和白云巖的碳酸鹽巖露頭，建立了基于SWIR高光譜技術(shù)和基于無人機的數(shù)字高程模型（DDEM）的一體化三維模型，使無人機系統(tǒng)采集的具有高空間分辨率的高光譜影像與數(shù)字表面模型相結(jié)合，重建地表幾何形狀的3D地質(zhì)模型（圖1）。此類3D地質(zhì)圖在地質(zhì)領(lǐng)域可以實現(xiàn)對現(xiàn)場環(huán)境高精度的可視化，精確地展示研究區(qū)巖性、礦物學和地質(zhì)構(gòu)造特征。

圖1基于無人機SWIR高光譜圖像和DEM的綜合3D地質(zhì)模型

在礦產(chǎn)資源調(diào)查方面，無人機高光譜遙感系統(tǒng)具有檢測周期短、資源敏感度高、可靈活部署等優(yōu)勢，非常適合應用于地質(zhì)礦產(chǎn)勘探。2020年，BOOYSENR等首次開展了使用輕型高光譜無人機對稀土元素含量進行直接檢測的工作，該團隊在納米比亞和芬蘭分別進行了無人機高光譜測量工作，發(fā)現(xiàn)無人機高光譜技術(shù)可直接識別和繪制碳酸鹽巖露頭中的稀土元素，為推進世界其他地區(qū)稀土元素沉積物的識別提供了新的調(diào)查方式。

2.2水體質(zhì)量檢測

水體質(zhì)量對人類的生活和繁衍具有重要意義，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類活動對水資源產(chǎn)生了一系列影響，為了實現(xiàn)水資源的可持續(xù)發(fā)展，對水體質(zhì)量進行持續(xù)監(jiān)測是一項必要且具有重要意義的工作。2019年，WEIL等以武漢巡司河為研究區(qū)，使用六旋翼無人機搭載高光譜成像儀進行數(shù)據(jù)采集，并通過機器學習算法完成了水體透明度的反演（圖2）。圖2中標注了32個現(xiàn)場采樣點的水體透明度值，最大值為59cm，最小值為39cm，反演結(jié)果的最大值為55.75cm，最小值為37.95cm，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果一致，且反演結(jié)果能更好地反映河流水體透明度的分布趨勢。該項研究的開展，充分表明無人機高光譜遙感技術(shù)在城市水體質(zhì)量監(jiān)測領(lǐng)域具有重大的發(fā)展?jié)摿?。WEIL等為了擺脫傳統(tǒng)水污染調(diào)查中單點調(diào)查的局限性，對于城市“黑水問題”使用無人機高光譜數(shù)據(jù)對城市水資源進行監(jiān)測并引用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)對其進行評價。CUIM等使用無人機高光譜技術(shù)獲取的水體高光譜數(shù)據(jù)，以人工控制實驗建立了一套渾濁度反演模型，對不同地域的河流進行渾濁度反演調(diào)查。

圖2無人機高光譜成像系統(tǒng)

對于水體質(zhì)量監(jiān)測來說，大型藻類群落分布是一個重要的調(diào)查項目，而藻類分布的調(diào)查必須以準確、高效和具有成本效益的環(huán)境數(shù)據(jù)收集為基礎(chǔ)。ROSSITERT等使用無人機高光譜成像系統(tǒng)，對愛爾蘭西部基爾基蘭灣中的潮間帶藻類棲息地進行了高光譜圖像數(shù)據(jù)采集，在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上完成了對潮間帶泡葉的分類實驗，總體準確率達到94.7%。該研究充分表明了無人機高光譜遙感技術(shù)具有對空間和光譜特征上存在混合的潮間帶大型藻類棲息地中的物種進行精細分類的潛力。

此外，無人機高光譜遙感技術(shù)在海洋水體塑料污染的治理中也發(fā)揮著巨大作用。BALSIM等在意大利撒丁島西北部進行了海灘塑料垃圾檢測研究，開發(fā)了一種自動識別海洋塑料的系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用無人機高光譜遙感系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，通過自行訓練的分類器完成了對聚乙烯塑料（PET）的實時識別。圖3顯示了系統(tǒng)工作過程中的數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)果，5個漂浮在海面上的物體清晰可見，其中2個聚乙烯塑料瓶已被正確識別（圖中以綠色標注）。

圖3Platamona海灘塑料物體識別結(jié)果

2.3森林資源調(diào)查

在森林資源調(diào)查方面，盡管傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)可以對森林資源進行大范圍調(diào)查，但是在局部區(qū)域精細定量分析方面仍面臨著影像分辨率低以及調(diào)查周期長等問題，而使用無人機高光譜系統(tǒng)對森林資源進行調(diào)查，則是一個相對廉價且高效的手段。2019年，鄭迪等使用由六旋翼無人機與高光譜成像儀構(gòu)成的無人機高光譜遙感系統(tǒng)，獲取了長白山闊葉紅松林的高光譜影像，并通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡、最大似然法和馬氏距離法三種分類方法，分別實現(xiàn)了研究區(qū)內(nèi)樹種的精細化分類（圖4）。其中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡方法可以充分利用高光譜遙感圖像的空間與光譜信息，因而總體精度達到了99.85%；而最大似然法和馬氏距離法只考慮了高光譜圖像的光譜特征，因此對不同樹種的分類存在較大差異，總體精度只有89.11%和79.65%。

圖4卷積神經(jīng)網(wǎng)絡分類圖（a）、最大似然法分類圖（b）、馬氏距離法分類圖（c）和優(yōu)勢樹種實際空間分布圖（d）

樹冠提取是森林資源調(diào)查中的重要研究主題，對森林疾病檢測和評估蟲害造成的損害程度具有重要意義。ZHANGN等基于無人機高光譜圖像，使用光譜-空間分類方法降低了高光譜維度對圖像分類精度的影響，實現(xiàn)了高精度的受損樹冠自動提取，為森林健康監(jiān)測和大規(guī)模森林害蟲和疾病評估提供了數(shù)據(jù)參考。對于森林資源的精細分析，一種新型的無人機三維高光譜技術(shù)值得關(guān)注。NEVALAINENO等研究開發(fā)了一種基于無人機高光譜和攝影測量的遙感方法，該研究使用了基于可調(diào)法布里-珀羅干涉儀的高光譜成像儀，對包含4151棵參考樹木的11個測試點進行了數(shù)據(jù)采集，并且對樹種進行精細分類評估。圖5展示了該技術(shù)在其中一個測試點的分類結(jié)果，源自高光譜圖像的光譜特征在樹種分類中產(chǎn)生了良好的效果，實現(xiàn)了松樹、云杉、樺樹、落葉松4類樹種的精確分類。

圖5樹種精細分類結(jié)果

2.4土壤質(zhì)量評估

在土壤質(zhì)量評估中，遙感技術(shù)主要應用于土壤污染調(diào)查和專題土地覆蓋分類，無人機高光譜技術(shù)在這方面的應用還剛剛起步，但是具有很大的發(fā)展前景。NATESANS等使用無人機高光譜遙感系統(tǒng)在加拿大的一片區(qū)域進行了基于對象的土壤覆蓋專題制圖。王丹陽等使用無人機高光譜遙感系統(tǒng)，基于相關(guān)性分析選擇相應的光譜分量，建立了鹽堿化反演模型，對山東省東營市墾利區(qū)裸土進行了鹽漬化研究。HUJ等對中國新疆西部一片試驗區(qū)中的裸地、植被稀疏區(qū)和植被茂密區(qū)地表進行了調(diào)查，使用高無人機光譜成像儀進行土壤鹽漬化研究，對于地表土壤鹽分的定量估算、干旱土地管理和鹽漬土復墾決策具有重要意義。圖6展示了基于無人機高光譜原始數(shù)據(jù)和GF-2多光譜數(shù)據(jù)的土壤鹽度反演結(jié)果，區(qū)域A和B（圖6（a）—圖6（b））清楚顯示出了土壤鹽堿度的空間變化模式，而在區(qū)域C（圖6（e）、圖6（f））由于GF-2衛(wèi)星受密集植被影響較大，導致反演結(jié)果難以識別該區(qū)域的鹽度空間分布模式，檢測精度顯著低于基于無人機高光譜數(shù)據(jù)的檢測結(jié)果。此外，GEX等使用無人機高光譜遙感系統(tǒng)在新疆維吾爾自治區(qū)阜康市進行了土壤含水量調(diào)查，指出相比于現(xiàn)場取樣和烘箱干燥技術(shù)等常規(guī)測量方法以及星載遙感，無人機具有更強的操控性和更高的分辨率，因此具有更高的應用價值。

三、未來發(fā)展趨勢

3.1 微小型化

在自然資源調(diào)查實踐中，對小型化、輕量化和自動化的高光譜遙感系統(tǒng)需求日益增加。當前無人機高光譜遙感系統(tǒng)集成度、一體化水平還較低，通用掛載平臺的缺乏以及高光譜成像儀和無人機之間的不匹配導致高光譜成像質(zhì)量的嚴重下降。未來，伴隨著無人機產(chǎn)業(yè)的成熟和高光譜成像儀性能的提升，無人機高光譜遙感系統(tǒng)的集成度和功能將進一步提升，為各類任務提供通用、高效的數(shù)據(jù)收集平臺。

圖6基于無人機高光譜數(shù)據(jù)（a、c、e）與GF-2多光譜數(shù)據(jù)（b、d、f）的土壤導電率反演結(jié)果

3.2 多波段集成

目前應用的無人機高光譜遙感系統(tǒng)以可見光-近紅外波段和短波紅外為主，可實現(xiàn)對水體、生態(tài)環(huán)境、礦產(chǎn)資源的高質(zhì)量探測。中波紅外和長波紅外傳感器難以實現(xiàn)輕量化與小型化，在無人機高光譜遙感系統(tǒng)中的應用較少，需要進一步加大研究力度。隨著材料技術(shù)的進步和傳感器技術(shù)的發(fā)展，預計這些高光譜傳感器將更輕、更小，成本更低，未來推進高光譜遙感系統(tǒng)向中波紅外和長波紅外擴展，能夠有效提高無人機高光譜遙感系統(tǒng)的應用范圍，提升對地物的精細識別能力，在自然資源調(diào)查中發(fā)揮更大的作用。

3.3 多源數(shù)據(jù)融合

由于無人機載荷能力、功率、空間等限制，無人機高光譜遙感系統(tǒng)載荷還比較單一，對一些復雜場景的應用，需要多次掛載不同的儀器以獲取多種數(shù)據(jù)，受限于光照、天氣的變化，數(shù)據(jù)之間的一致性較差。促進高光譜遙感設備與激光雷達、紅綠藍（RGB）等傳感器的數(shù)據(jù)融合，能夠為自然資源調(diào)查提供高效、一體化的解決方案。例如，激光雷達與高光譜遙感設備的融合，在獲取高光譜數(shù)據(jù)的同時創(chuàng)建精確的數(shù)字地表模型（DSM），可以獲得更好的正射校正效果；在森林測繪應用場景中，云杉與松樹存在光譜相似性，難以通過單一的高光譜數(shù)據(jù)實現(xiàn)高精度的樹種分類，而激光雷達可以提供樹種的高度、密度等結(jié)構(gòu)信息，能夠更全面地區(qū)分樹種類型、了解其分布特征；高光譜遙感數(shù)據(jù)與RGB傳感器數(shù)據(jù)的融合，則為實現(xiàn)高質(zhì)量的幾何重建提供了可能。

四、總論

（1）隨著高光譜成像技術(shù)的發(fā)展和進步，更多微型化的高光譜成像儀被研發(fā)出來，通過與無人機相結(jié)合，無人機高光譜遙感系統(tǒng)兼具高光譜特性和靈活機動的能力，使研究人員能夠及時、高效地獲取地物的空間信息與光譜信息，推動了低空高光譜遙感技術(shù)的應用發(fā)展。

（2）無人機高光譜遙感技術(shù)具有出色的地物識別能力，在地質(zhì)礦產(chǎn)填圖、水體質(zhì)量監(jiān)測、森林資源調(diào)查、土壤質(zhì)量評估等自然資源調(diào)查領(lǐng)域取得了較多的創(chuàng)新性成果，但目前無人機高光譜遙感系統(tǒng)一體化程度還較低，波長覆蓋范圍較窄，缺乏傳感器間的數(shù)據(jù)融合，均限制了無人機高光譜遙感技術(shù)的進一步應用。

（3）隨著“空-天-地-海-網(wǎng)”一體化監(jiān)測體系的建立以及多源、多尺度高光譜遙感數(shù)據(jù)的協(xié)同應用，未來，將實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的優(yōu)勢互補，為自然資源調(diào)查提供多要素、高頻率、高精度、多層次的解決方案。

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