无人机高光谱数据收集：如何从无人机获取高光谱图像数据
出版日期：2025 年 8 月 26 日
作者：Petri Nygrén，Spectral Mapping Services（SMAPS）
本文提供了清晰且可操作的最佳实践和指南概述，有助于提高基于无人机的高光谱成像工作流程的准确性、一致性和可靠性。
在本文中，我们讨论的主题包括：
- 系统选择和集成：选择最适合无人机数据收集的高光谱成像 (HSI) 解决方案时需要考虑的关键因素，包括技术规格、有效载荷兼容性和各种环境下的性能。
- 确保从无人机获取最佳 HSI 数据的最佳实践，涵盖飞行计划、传感器校准、数据质量管理和操作考虑，以最大限度地提高数据的准确性和可靠性。
典型的机载高光谱成像应用:
精准农业
农作物健康地图
农作物成长阶段
入侵物种检测
执法
麻醉植物检测；保护膜
环境监测
水体评估
海洋污染
森林资源清查
地质学
绘制矿物和矿石地图
国防和安全
绘制模仿自然环境颜色的伪装材料
植被
测量植物水分含量等特性来监测植被的健康状况
图1：Specim AFX 高光谱相机与 Skyfront Parameter 8 无人机集成，用于精准农业数据收集。图片由 Alchemy Analytics 提供
图 2：基于无人机的高光谱测绘葡萄健康和生长阶段。图片由 Alchemy Analytics 提供
图3：用于环境监测的机载VNIR光谱范围成像。数据由SpecTIR提供
如何使用无人机安装的Specim AFX获取 HSI 数据
在本节中，我们将更深入地探讨在无人机系统上使用Specim AFX 飞行的实用性，涵盖无人机选择和安装、飞行计划以及使用 Specim AFX 传感器飞行的工作流程等主题。
无人机选择和安装 Specim AFX 传感器
选择用于 HSI 成像的无人机
使用任何能够承载 4-6 公斤有效载荷并能够按照预定路线飞行的无人机。
Specim AFX 传感器的有效载荷重量约为 2-3 公斤；然而，选择一架只能勉强达到所需有效载荷的无人机绝不是明智之举。我们建议至少将有效载荷要求翻倍，甚至翻三倍，以备冗余之需。这也能减轻无人机系统的负担，并在发生任何电机故障时提高其可控性。
如今，大多数无人机系统都具备按预定路线飞行的功能，即使不是标配，也可以通过软件升级获得。由于 Specim AFX 系统会根据位置启动和停止数据收集，因此必须合理准确地命中某些航路点。自动路线飞行功能更容易做到这一点。
选择六旋翼飞行器或八旋翼飞行器而不是四旋翼飞行器。
说到多旋翼飞行器，建议使用六旋翼或八旋翼飞行器（即六到八个发动机的无人机）进行高光谱成像飞行。由于冗余问题，不建议使用四旋翼飞行器（即四个发动机的无人机）。实际上，四旋翼飞行器失去一个发动机就意味着失去两个发动机，而剩下的两个发动机通常不足以维持有效载荷在空中飞行，甚至不足以保持系统可控。因此，六旋翼和八旋翼飞行器是高光谱成像的最佳选择。
为您的操作员提供专门的培训。
空气是高光谱成像中最具挑战性的环境。切勿低估无人机操作员的专注和培训的重要性。这远比您选择的无人机品牌重要得多。
遵守当地空域、地面风险和登记规则。
从当地 CAA（民航局）获取有关您飞行的国家/地区的当地空域、地面风险和注册要求的信息。
增强信心——先空飞或使用假重量飞行！
最重要的是，在将宝贵的传感器装上飞机之前，要通过大量的飞行来建立信心。空机飞行或使用假重量飞行，以了解你的系统、它的工作原理以及存在的问题。
安装系统的优缺点
固定安装
固定式支架系统重量轻、成本低，但缺点是比陀螺稳定支架更容易模糊。固定式支架无法在飞行过程中校正平台倾斜。这些倾斜和偏航无法得到校正，这意味着您需要在项目规划中增加侧向重叠（>30%）。侧向重叠的增加意味着您需要更长的飞行时间才能覆盖一定区域。
如果使用固定支架，我们建议使用 DAMPERZEN 支架，因为其弹簧具有可调节性，可以根据特定无人机的振动水平改变支架的刚度。
图 4：将Damperzen支架固定在带有Specim AFX 摄像机的无人机上。
陀螺稳定万向架安装
陀螺稳定云台支架可提供最佳的地面采样距离 (GSD) / 空间分辨率，并且通常是最佳的减震选择。它们能够提供最佳的天底调平和偏航及倾斜校正，这意味着您可以降低侧向重叠要求。
陀螺稳定装置的缺点是它们会增加重量、成本和复杂性。您需要学习如何使用和调整它们，选择多种不同的模式，并检查重心。增加的重量会缩短飞行时间。它们会导致天线杆臂波动，并可能增加IMU漂移。
图 5：陀螺稳定万向架安装
飞行计划
Specim AFX规划航班的基本注意事项
优先考虑 SNR 而不是分辨率——不要“最大化”传感器！
虽然这听起来可能违反直觉，但请记住，使用高光谱传感器时，我们首先追求的是光谱分辨率，而不是空间分辨率。这就是为什么您应该优先考虑信噪比 (SNR) 而不是分辨率。高光谱分辨率意味着有时会缺乏自然光照。如果信噪比不足，在噪声中分离精细的光谱特征会变得困难。因此，我们建议优先考虑信噪比，而不是通过不必要地提高帧率或降低像素合并率来最大化传感器的性能。
根据安装选择，计划至少 25-50% 的侧搭
根据您的安装系统规划侧搭接。侧搭接取决于多种因素，例如风力，如下图所示（图6）。对于固定式安装系统，任何倾斜和偏航都可能导致航线之间出现缝隙。
图6：风对侧向重叠的影响。如左图所示，强烈的侧风会减小航迹宽度，从而减小侧向重叠。左图展示了倾斜和侧偏对航线的影响。
如果可能的话，规划南北走向
如果可能的话，您应该规划南北向的飞行路线，原因如下。
首先，我们来考虑一下太阳窗口和线路方向。太阳窗口指的是一天中可以收集数据的时间，这与太阳角度（即太阳与地平线的夹角）息息相关。从大气校正的角度来看，一个合适的最小值是 40°。虽然可以将其降低到 30°，但这已经会大幅降低照明度——这个问题在北纬和南纬极纬地区尤为明显。
南北飞行的一个原因与 BRDF（双向反射分布函数）有关。简而言之，这意味着条带左侧和右侧的照明度存在差异。理想情况下，在收集 HSI 数据时，您希望将线路朝向与照明方向对齐。由于这并不总是可行的，因此最好的平均值是南北对齐，使线路朝向的照明度指向中午。无论你做什么，都要尽量避免照明度垂直于航线的情况。这种情况如下图右侧（图 7）所示，将使 BDRF 问题达到最大值，使条带中心左侧和右侧的光谱反照率差异很大。特别是在拼接时，除非通过算法进行校正，否则这种情况会非常明显，而算法校正只能在一定程度上进行。
图 7：太阳能窗和航线方向。避免右侧照明垂直于航线的情况。
将航线南北对齐的另一个原因与文件大小有关。非南北航线航向会使文件大小成倍增加，如下图所示（图 8）。
图 8：航线南北对齐（左）和其他航向对齐（右）时图像大小对比。非南北航线的文件大小比南北航线大得多。
飞行计划工作流程
Specim AFX10设置飞行的kml
两个独立的kml ：首先是无人机飞行路径，其次是Specim AFX10 的记录线（起始和终止）。无人机飞行路径kml会被输入到无人机自动驾驶仪中，用于自动航线跟踪飞行。Specim AFX10 kml会被输入到 Specim AFX 网页界面中，当您到达起点时，它会打开传感器，当您到达终点时，它会关闭传感器。创建飞行路径时，您应该始终沿着与 Specim AFX 开关kml相同的方向飞行。
图 9：设置Specim AFX10 飞行的kml 。蓝色箭头表示无人机飞行路径kml 。红色箭头表示 Specim AFX10 开启/关闭kml 。绿色圆圈表示记录起始点，黄色圆圈表示记录终止点。请按照绘制的方向飞行。
下面，您可以看到飞行路径在实际中可能呈现的样子的示例（图 10）。
图 10：这是使用Specim传感器飞行的典型瞄准线十字线。左侧是三条飞行路线，形成一个十字。右侧是无人机的实际飞行路径。自动驾驶仪使用的飞行路径精确地绘制在飞行路线上方。自动驾驶仪正在按路线飞行，AFX根据需要启动和停止传感器，与无人机自动驾驶仪分开运行。
飞行计划工作流程分步说明
- 决定区域划分。
- 检查空中风险、地面风险和现场便利情况。
- 使用路径工具在 Google Earth 中绘制线条。
- 将飞行路径绘制到单独的kml ，以实现自动航线飞行。
a. 给飞行线一些引入/引出空间 – 不要在收集飞行线的末端来回转弯！
b. 避免在连续的航线之间朝同一方向转弯。 - 使用飞行计划电子表格来计算传感器参数。
a. Binning
b. 帧率 - 检查周围地形高程、障碍物以及进行 IMU 对准运行的位置。
开始飞行操作
在本节中，我们将更详细地介绍实际的飞行操作。首先，我们先来谈谈一些需要考虑的事项。
最低速度
5 米/秒是使用单天线接收器维持 IMU 对准的最低速度。
Specim AFX 配备单天线 GNSS/IMU。IMU 需要借助 GNSS 进行对准。GNSS 要求最低 5 米/秒的速度才能获得良好的航向。因此，每次飞行都应以一定速度开始对准，有时也应以一定速度结束对准。此外，整个飞行过程的地速至少应为 5 米/秒。较低的速度会导致 IMU 航向对准效果开始变差。这意味着，帧速率存在最大值，高度存在最小值，具体取决于飞行的地形类型。
最小飞行高度
Specim AFX10 在中等反射地形上的最小实际飞行高度约为 50 米（75Hz）。除非放宽方形像素和/或完整数据立方体的要求，否则绝对最小飞行高度为 37 米（100Hz）。
Boresight任务
下图演示了Boresight任务的组成部分（图 11）。起飞并达到选定高度后，首先要做的是进行 IMU 对准运行。这可以手动或自动飞行。对准运行的方法是，沿选定方向以小于 10 米/秒的最大加速度飞行，持续小于 10 秒，然后进行最大制动，然后继续沿来时方向反向飞行，速度同样小于 10 米/秒，持续小于 10 秒。
对准IMU后，即可开始自动飞行路线跟踪。此时，无人机将自动导航至第一条AFX航线，Specim AFX将从该航线开始收集，并在您预先指定的点开始和停止。请注意，此处的转弯方向不同，第一次转弯是左转，然后是右转，再左转。无论您有多少条航线，此过程都会持续到任务结束。在本例中，由于这是Boresight的示例，因此我们设置了三条航线。收集完成后，您可以返回基地。
但是，如果您有 PPK 处理工作流程，则也应在飞行结束时进行 IMU 对准运行。PPK 是最精确的定位方法之一，因为它可以正向和反向处理，如果反向处理，也需要从对准运行开始。在这种情况下，在完成最终对准运行后，您就可以返回基地了。
图 11：Boresight任务的组成部分
标准（非Boresight）任务
标准（非Boresight飞行任务）的组成部分（例如区域覆盖飞行或航道规划勘测）相同（图 12）。起飞后，首先进行对准运行，然后自动飞行航线。如果您有 PPK 处理工作流程，则最后需要进行另一次 IMU 对准，然后返回基地。
图 12：标准任务的组成部分
为什么 IMU 对准很重要？
下图展示了由于对准运行不正确而导致 IMU 对准不良的示例。通过在飞行开始时正确对准 IMU 可以避免这些问题，如果使用PPK 方法，则在飞行结束时也应进行对准。值得注意的是，由于 IMU 采样率可翻倍，PPK 方法的帮助非常大。
图 13：基础图像是经过地理校正的Google Earth 图像。中间部分可以看到一条 AFX 航线，其 IMU 校准不佳，导致车道与实际路线不对齐。图中的白线表示计划的航线，飞行情况相当良好。然而，由于校准速度太慢，IMU 校准不正确。
图 14：在此图像中，您可以看到错误对齐的结果以及额外的摆动。
用于遥感的Specim AFX系列
Specim 的AFX 产品线提供两种紧凑型一体化高光谱成像解决方案，可用于涵盖 VNIR 和 NIR 光谱范围的机载应用：
- 适用于无人机的紧凑型一体化高光谱成像解决方案
- 400 – 1000 纳米（可见近红外）
- 适用于无人机的紧凑型一体化高光谱成像解决方案
- 900 – 1700 纳米（近红外）
观看网络研讨会
要了解如何通过实用技巧和技术优化基于无人机的高光谱成像 (HSI) 数据收集的更多有价值的见解，请观看网络研讨会如何从无人机获取 HSI 数据。
无论您是想完善现有技能还是首次进入基于无人机的高光谱成像 (HSI) 领域，本次与Specim首席应用专家 Mathieu Marmion 和来自光谱测绘服务 (SMAPS) 的 HSI 无人机经验丰富的专业人士 Petri Nygrén 的会议都旨在拓宽您的理解并增强您的实践。
如果您有任何疑问或想要索取报价，请联系我们。
关于作者
Petri Nygrén，光谱测绘服务 SMAPS Oy
Petri Nygrén 是一位专攻高光谱成像的通才。他在 LiDAR 技术和中大型测绘相机领域拥有丰富的经验。Petri 拥有数十年在 40 个国家开展测绘项目的专业知识，对该领域有着深刻的理解。此前，他曾担任Specim 机载高光谱产品线经理，参与研发、生产、试飞、支持、市场营销和销售工作。他丰富的职业生涯涵盖服务提供商和传感器制造商，这赋予了他独特的视角和对客户需求的深刻理解。
