一种无人机高光谱成像数据智能采集装置及采集方法与流程

本发明属于无人机，具体涉及一种无人机高光谱成像数据智能采集装置及采集方法。

背景技术：

1、光谱成像技术可以同时获取地物目标的光谱和空间信息，近几年来，随着3s技术、微型计算机、通讯设备等技术的迅速发展，使得无人机高光谱遥感信息获取与传输成为可能，并得到了迅速发展。无人机载高光谱遥感技术具有平台构建容易、运行和维护成本低、体积小、质量轻、操作简单、灵活性高、作业周期短等特点，可弥补现有航天、航空遥感和地面高光谱遥感系统的不足，完善天空地深一体化高光谱遥感监测技术体系。

2、高光谱成像仪集光谱测量和光学成像于一体，同时具备了实时、定性、定量、定位光谱测量的优势。由于目前高光谱成像仪采用推扫式成像模式，影像根据行数依次进行记录，受到成像时间不同、观测角度不一致、天气条件变化、地形起伏较大等因素影响，成像光谱仪探测器采集到的各波长响应数值是经过光源(太阳光)经过色散器件和透镜等元件衰减后的结果，探测器对某波长λ1的响应高于另一波长λ2，不一定能够说明待测物对λ1的反射率高于对λ2的反射率，因此，无人机高光谱数据同名地物光谱曲线不一致问题突出，辐射归一化很难实现，导致图像镶嵌色差不均一，严重制约像元光谱非线性变化纠正精度的提高。

3、目前，商品级的高光谱成像仪并未对实时辐射校正技术进行针对性的研究和设计。鉴于辐射校正技术对高光谱成像仪性能的重要性，为了最大限度的发挥高光谱成像仪的性能，需要实时测量太阳辐射强度并进行智能化辐射校正。传统的无人机高光谱数据采集过程中，主要依赖无人机的飞行控制系统进行数据采集，在预处理阶段根据影像的偏航角度手工裁切航带影像，本发明通过开发高光谱数据智能采集软件，实现数据采集智能化航带划分。因此，开发一种适用于无人机高光谱数据采集过程中的智能采集技术方法对于提高无人机高光谱影像数据获取的精度和效率具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的针对现有技术不足，发明一种无人机高光谱成像数据智能采集装置及采集方法，实现数据采集过程中太阳辐射强度高精度实时获取、高精度辐射校正光谱影像数据采集，为基于无人机高光谱的智能化制图提供高精度数据基础。

2、本发明的技术方案是：

3、一种无人机高光谱成像数据智能采集装置，包括红外镜头、后端成像系统、太阳同步辐射测量模块、汇聚系统及反射镜；其中红外镜头与后端成像系统正对排列，所述反射镜设于包括红外镜头与后端成像系统光路之间下方位置，所述汇聚系统设于反射镜下方，所述太阳同步辐射测量模块设于汇聚系统下方。

4、所述太阳同步辐射测量模块包括余弦矫正器、光纤和耦合光学系统；

5、光纤的两端分别设置有余弦矫正器和耦合光学系统；

6、所述光纤数值孔径为0.22，太阳辐射经过光纤后呈发散状出射；

7、所述耦合光学系统为像方远心光路、f数为2.6、后截距大于20mm、光谱范围与成像光谱仪响应光谱范围一致、通光口径小于5mm。

8、所述后端成像系统包括后端成像板、地物光谱及太阳光谱。

9、一种无人机高光谱成像数据智能采集方法，其实现基于上述的一种无人机高光谱成像数据智能采集装置，通过高光谱成像数据智能采集装置采集后，通过高光谱成像仪数据采集软件、智能飞行信号处理软件进行计算处理，其中，高光谱成像仪数据采集软件用于高光谱数据获取，智能飞行信号处理软件实现硬件数据接收和解析，触发高光谱成像仪数据采集软件采集。

10、包括以下步骤：

11、步骤一、红外镜头将采集到的太阳光谱耦合至红外镜头中由焦平面探测器实时、同步接收后端成像系统，能够使光谱仪能够同时获取某一时刻的太阳光谱和地物光谱；

12、步骤二、太阳光经过太阳同步辐射测量模块后呈发散状出射，经过汇聚系统至高光谱成像仪狭缝处，在微小空间内设置反射镜对太阳光路进行转折；

13、步骤三、余弦矫正器和光纤组成辐射探头，能够收集照射在余弦矫正器端面上的太阳辐射；余弦矫正器收集的太阳辐射经过光纤传导至末端的耦合光学系统中；

14、步骤四、红外镜头收集的地物光谱耦合进入后端成像板，地物光谱和太阳光谱耦合分别照亮狭缝不同区域，成像于探测器不同位置，实现逐行同步采集；

15、步骤五、基于探测器采集的太阳光谱和该时刻地物光谱开发辐射校正算法实现反射率精确计算，从而在数据采集过程中逐行同步获取像元反射率信息。

16、所述智能飞行控制软件是通过编写单片机智能飞行信号处理程序接收pos/imu、太阳同步辐射测量传感器等系统硬件发送的数据包，通过对数据包进行解析，并进行逻辑判断之后，向高光谱成像仪数据智能采集软件发送采集状态布尔变量，高光谱成像仪数据智能采集软件接收采集状态指令，控制无人机载高光谱成像仪和太阳同步辐射测量装置自动采集数据并进行实时辐射校正处理；

17、包括以下步骤：

18、(1)pos/imu定位定姿系统和太阳同步辐射测量装置发送数据包。

19、(2)单片机接收pos/imu、太阳同步辐射测量传感器等系统硬件发送的数据包。

20、(3)智能飞行信号处理软件接收系统硬件发送的数据包，通过数据协议解析数据包提取主要参数：飞行高度、飞行速度、经度、纬度、时间、外方位角元素。通过解析数据进行逻辑判断，输出布尔变量判断是否触发采集，采用共享变量方式向高光谱成像仪数据采集软件发送采集状态布尔变量。

21、(4)高光谱成像数据智能采集软件接收采集状态指令：若采集状态为真，则开始采集；若采集状态为假，则停止采集。

22、(5)高光谱成像仪数据智能采集软件控制高光谱成像仪自动采集数据并存储。

23、所述高光谱数据智能采集软件的数据处理方法包括以下步骤：

24、(1)通过解析硬件数据包获取飞行高度、飞行速度，用于判断无人机是否到达航线；经度、纬度：用于判断无人机是否直线飞行；时间：用于编写飞行日志；太阳同步辐射测量值：用于实时辐射校正处理。

25、(2)假设无人机进入航线的正常高度为h设，速度为v设，标准斜率为k标。根据此时的飞行高度h和飞行速度v，判断飞机是否到达航线，判断条件为：h≈h设&&v＝v设(微小误差范围内)。

26、当高度和速度符合正常航线条件时，再根据经、纬度判断无人机是否直线飞行。

27、完成高光谱数据智能采集软件的数据处理后采取以下方法计算，包括以下步骤：

28、(1)读取此时无人机所在的经度x1、纬度y1，再读取下一时刻的经度x2、纬度y2，计算其斜率k1，计算斜率k的公式为公式(1)：

29、

30、(2)再读取下一时刻经度x3、纬度y3，计算其斜率k2；计算斜率差sd1＝k2-k1；以此类推，计算至k4，若sd2＝sd3＝sd4＝0(误差范围内)，则判定无人机已进入航线，即向高光谱成像仪数据采集软件发送“采集状态为真”的信号，并计算标准斜率k标；计算公式如公式(2)：

31、

32、(4)若当中某一k值差值较大，则前面数据视为无效数据，从下组数据开始重新取经、纬度值计算k值。

33、(5)继续解析后续得到的经、纬度值，计算kn；若kn≈k标(误差范围内)，则继续采集，若kn不在k标的误差范围内，则向高光谱成像仪数据采集软件发送“采集状态为假”的信号。

34、(6)继续解析后续得到的经纬度值，如果kn≈k标(误差范围内)，则向高光谱成像仪数据采集软件发送“采集状态为真”的信号。重复执行(5)、(6)步骤。

35、本发明的有益效果是：

36、1.本发明通过无人机高光谱智能数据采集方法实现了数据过程中积分时间的自动调节，从而避免天气条件影响导致的辐射亮度值误差较大的问题，极大地提高了光谱数据的辐射校正精度；

37、2.实现数据采集过程中太阳辐射强度高精度实时获取，并自动调整积分时间；

38、3.实现高精度辐射校正光谱影像数据采集，同时能够获取单航带高光谱影像，为基于无人机高光谱的全自动填图提供高精度数据基础。