CN104635241A - 一种艇载多光谱高光谱对地观测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，利用高光谱多光谱成像单元获取地面高光谱多光谱图像，并通过惯性导航单元授时给图象存储单元的秒脉冲信号，记录存储每帧图象的位姿信息，以方便后期数据的离线处理；上位机单元负责惯性测量单元的对准、多光谱成像高光谱成像单元参数的设置及图像的采集，图像的离线校正工作；减震单元减少震动对获取图像的影响。本发明克服了传统只利用一种多光谱或高光谱设备进行图象信息获取，校正无参考的弊端。本装置即可满足牧场状况监测与变化检测、生态环境与生态灾害监测、数字化城市、水文环境综合等多个侧面动态监测的需求，又可满足对样品的成分含量、存在状态、空间分布及动态变化进行检测的要求。

Description

一种艇载多光谱高光谱对地观测装置
技术领域
本发明涉及高光谱遥感技术领域，具体涉及一种艇载多光谱高光谱对地观测装置。
背景技术
高光谱是目前遥感技术发展的一个前沿，在许多领域的应用中取得了巨大的成功。传统的用于艇载的光谱对地观测装置有两种：一种是由高光谱传感器和位姿传感器构成，只有一个高光谱像机配合位姿传感器；另一种是由单独几个多光谱像机构成。其中高光谱像机的形式是通过实时记录每帧线扫描图象的空间位置，利用共基线方程、重采样、平差等几步生成高光谱影像。校正后的影像在飞行非常平稳的情况下，变形较小，如果飞行过程中局部气流较大，图象校正后将有较大的变形，因此需要其它辅助手段进行进一步的校正；另一种是由几个相机并配有滤波片组成，然后通过序列图象的配准生成大面积多光谱图象，这种方式光谱单一，无法满足有特殊要求如水质检测、牧草的病虫害检测、牧草的营养成分检测、牧草的长势检测等的要求。因此本发明充分考虑上述两者的优缺点，将其结合起来集成带到一起，即可以解决高光谱像机经处理之后的变形问题，又可以利用多光谱像机的光谱对高光谱相机采集的部分光谱进行验证，装置在诸多领域具有广阔的应用前景。
本发明涉及一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，采用配准的多光谱图象对经利用共基线校正、重采样、平差的高光谱图象进行再次校正，从而很好地解决航空高光谱遥感图像几何校正后仍有变形的难题。该技术可满足牧场状况监测与变化检测、生态环境与生态灾害监测、数字化城市、水文环境、人居环境等多个侧面动态监测的需求，属于对地观测领域。
发明内容
本发明的目的在于：解决了传统艇载设备无法用于牧场状况监测与变化检测、生态环境与生态灾害监测、水文环境等多个侧面动态监测的难题，提出一种艇载多光谱高光谱对地观测装置。
本发明的技术方案：一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，该装置包括：减震单元、高光谱成像单元、多光谱成像单元、惯性测量单元、图像存储单元、供电转换单元和上位机单元；其中：
所述减振单元是整个装置的对外连接和各单元的安装平台，包括带有用来安装除上位机单元外其它单元的安装底板、为降低因驱动***振动而影响图像质量的减振器和承重底板；
所述的高光谱成像单元能够同时获得视场内800谱段的图像，包括高光谱像机固定架、高光谱像机和高光谱镜头；
所述多光谱成像单元主要负责地面多光谱图像的获取，包括用来固定四个多光谱图象传感器的固定架、多光谱图象传感器和多光谱镜头；
所述惯性测量单元的负责位姿信息和PPS秒脉冲的提供，并通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议数据传导给图像存储单元，修正图像存储单元内部时钟，包括IMU时钟、GPS天线时钟；
所述图象存储单元为同时可以接收6路多光谱高光谱图象的无压缩存储器，并通过接收PPS秒脉冲，记录每帧图象的位姿信息；
所述供电转换单元，是给整个对地观测装置的用电模块供电，全部是DC/DC模块；供电转换单元通过不同接口给高光谱成像单元、多光谱成像单元、惯性测量单元、图像存储单元、上位机单元供电；
所述上位机单元通过串口接收惯性测量单元姿态数据，并控制惯性测量单元和图象存储单元进行数据的采集和调试。
进一步的，所述的减震单元中，安装底板由硬铝加工而成，并在其上加工了很多孔，用来安装除上位机单元外的其它单元；减振器是钢丝绳减振器，在其上有四个螺栓孔，对外安装的螺纹孔间距是168mm，钢丝绳的直径是5mm，高度是60mm；承重底板由硬铝加工而成，四个对角的八个沉孔用来安装减振器，一个大方孔是四个多光谱像机的镜头出口，一个大圆口用于高光谱像机的镜头出口。
进一步的，所述的高光谱成像单元中，高光谱像机固定架由硬铝加工而成，整体形状为直角形状，并有加强筋，以免变形，在短的直角边四个孔，用来和安装底板安装到一起，另一个直角边上的孔用来固定高光谱像机；高光谱相机光谱范围400-1000nm，光谱分辨率2-3nm，高光谱相机的探测元件线阵CCD，像元数1392X1040，接口CAMlink，高光谱镜头为高光谱前置镜头，高光谱前置镜头为OLE22，焦距22.5；光谱范围：400-1000nm，线阵CCD长度最大12.8mm；镜头孔径F/2.4；最小对焦距离30cm。
进一步的，所述的多光谱成像单元中，多光谱图象传感器为日立公司的KP-F120CL黑白图象传感器，分辨率为：1392*1040，CCD靶面2/3英寸，帧频30帧；多光谱镜头为腾龙镜头，定焦镜头，镜头结构C口，滤镜口径，M30.5P＝0.5mm，最大光圈22，最小光圈1，焦距16mm；Midwest滤镜，共有BP365-30.5，BP465-30.5，BP550-30.5，BP650-30.5。
进一步的，所述的惯性测量单中，IMU是SPAN-CPT；一体式封装的GPS+INS***，内置NovAtel高性能GPS板卡和IMU，IMU由光纤陀螺(FOG)和微机电***MEMS加速度计组成；SPAN-CPT可用的定位模式包括单点、SBAS、L-band(OmniSTAR和CDGPS)和RTK方式；支持零速修正ZUPT，可选多种定位模式(SBAS、L-band、RTK)，100Hz数据更新率，MTBF>10，000小时；接口一个串口，一个PPS秒脉冲接口；GPS天线为是一款双频双***天线，型号为ANT-42GNSSA-TW，可接收GPS L1/L2/L5/L-band及GLONASS L1/L2，航空743标准，白色，TNC连接器。
进一步的，所述的图象存储单元是一种并行的6路图像存储***，存储器的大小2048G，有6个CAMlink接口，一个授时接口，一个ESATA接口，存储的图象可以通过ESATA导出。
进一步的，所述的供电转换单元输入DC24V，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A；一路DC7.2V，2A。
进一步的，所述的上位机单元为至少具有一个串口或是USB接口，1个ESATA接口，***内存大于2GB，显卡内存大于256M，支持Windows XP操作***的笔记本电脑，电脑中至少安装有惯性测量导航软件。
进一步的，所述的上位机单元软件实现过程如下：
1)首先将所述装置放在室外开阔的地方，放置时光轴平行于地面，进行传感器参数的调节；
2)给整个所述装置供电，打开MAstar软件，调节图像传感器直至图像清晰为止，调节办法：通过硬件调节传感器的方式调节图象，使图象最清晰，如果这种方式图象清晰不能满足要求，则在保证前面调整结果的基础上，打开调整传感器图象的软件，做进一步的调整，直至图象清晰为止，对图像的镜头进行固定，以保证调整后镜头的焦距和光圈不变；
3)将所述装置固定在飞艇或飞机载体上，固定时保证传感器光轴尽量垂直地面，以获取被测地面的数据；
4)所述装置重新供电，打开惯性测量软件，看惯性测量单元是否快速对准成功，如果对准成功，再将GPS天线与惯性测量单元原点的偏移的数值输入到软件的对应位置；
5)根据测试要求，设置运动载体的飞行路径，获取被测区域的多光谱、高光谱图像；
6)上位机单元软件对高光谱图象进行空间校正和重采样，校正采用共基线方程，对采集的多光谱图像配准，配准的方法利用SITF中已有的算法；
7)对高光谱图象空间校正后的仍有变形的问题，采用同一位置配准后的多光谱图象进行校正。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明克服了传统只利用一种多光谱或高光谱设备进行图象信息获取，校正无参考的弊端。装置即可满足牧场状况监测与变化检测、生态环境与生态灾害监测、数字化城市、水文环境综合等多个侧面动态监测的需求，又可满足对样品的成分含量、存在状态、空间分布及动态变化进行检测的要求。
附图说明
图1为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置的***结构图；
其中，图1中附图标记含义为：1-减振单元，2-高光谱成像单元，3-多光谱成像单元，4-惯性测量单元，5-图像存储单元，6-供电转换单元，7-上位机单元，8-安装底板，9-减振器，10-承重底板，11-高光谱像机固定架，12-高光谱像机，13-高光谱镜头，14-多光谱图象传感器的固定架，15-多光谱图象传感器，16-多光谱镜头，17-IMU，18-GPS天线。
图2为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置传感器初始调节时装置的放置方式。
图3为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置野外工作时的艇载放置状态。
图4为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置获取的高光谱原始图象。
图5为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置获高光谱图象校正、重采样、平差结果。
图6为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置获取的多光谱原始图象配准结果。
图7为本发明一种艇载多光谱高光谱对地观测装置利用配准的多光谱图象校正图3后的结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，该装置包括：减震单元1、高光谱成像单元2、多成光谱像单元3、惯性测量单元4、图像存储单元5、供电转换单元6和上位机单元7，其中：
减振单元1是整个装置的对外连接和各单元的安装平台，包括带有用来安装除上位机单元外其它单元的安装底板8、为降低因驱动***振动而影响图像质量的减振器9和承重底板10。安装底板8由的硬铝加工而成，并在其上加工了很多安装孔。减振器9是钢丝绳减振器，在其上有四个螺栓孔，对外安装的螺纹孔间距是168mm，钢丝绳的直径是5mm，高度是60mm。承重底板10由硬铝加工而成，四个对角的八个沉孔用来安装减振器。
所述的高光谱成像单元2能够同时获得视场内800谱段的图像，包括高光谱像机固定架11、高光谱像机12和高光谱镜头13。高光谱像机固定架11由硬铝加工而成，整体形状为直角形状，并有加强筋，以免变形，在短的直角边四个孔，用来和安装底板安装到一起，另一个直角边上的孔用来固定高光谱像机12。高光谱相机光谱范围400-1000nm，光谱分辨率2-3nm，探测元件CCD，像元数1392X1040，接口CAMlink。高光谱镜头13为高光谱前置镜头，高光谱前置镜头为OLE22，焦距22.5；光谱范围：400-1000nm，线阵CCD长度最大12.8mm；探元尺寸；无畸变；镜头孔径F/2.4；最小对焦距离30cm。
多光谱成像单元3主要进行地面多光谱图像的获取，包括用来固定四个多光谱图象传感器的固定架14、多光谱图象传感器15和多光谱镜头16。多光谱镜头为带有滤波片的多光谱镜头。多光谱图象传感器的固定架14由硬铝加工而成，四周有16个长孔，圆弧的直径是5mm，用来固定多光谱图象传感器15，底面有12个直径4.5的孔，用来将四个多光谱图象传感器的固定架固定在安装底板上。多光谱图象传感器为日立公司的KP-F120CL黑白图象传感器，分辨率为：1392*1040，CCD靶面2/3英寸，帧频30帧。多光谱镜头16为腾龙镜头，定焦镜头，镜头结构C口，滤镜口径，M30.5P＝0.5mm，最大光圈22，最小光圈14，焦距16mm。Midwest滤镜，共有BP365-30.5，BP465-30.5，BP550-30.5，BP650-30.5。
惯性测量单元4的主要负责位姿信息和PPS秒脉冲的提供，并通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议数据传导给图像存储单元和高清相机触发单元，修正图像存储单元内部时钟。内部时钟包括GPS天线18时钟和IMU17时钟。GPS天线18为是一款双频双***天线，型号为ANT-42GNSSA-TW，可接收GPS L1/L2/L5/L-band及GLONASS L1/L2，航空743标准，白色，TNC连接器。IMU 17是SPAN-CPT。一体式封装的GPS+INS***，内置NovAtel高性能GPS板卡和IMU，IMU由光纤陀螺(FOG)和微机电***MEMS加速度计组成。SPAN-CPT可用的定位模式包括单点、SBAS、L-band(OmniSTAR和CDGPS)和RTK方式。支持零速修正ZUPT，可选多种定位模式(SBAS、L-band、RTK)，100Hz数据更新率，MTBF>10，000小时。接口一个串口，一个PPS秒脉冲接口。
图象存储单元5为同时可以接收4路多光谱图象的无压缩存储器，并通过接收PPS秒脉冲，记录每帧图象的位姿信息。图象存储单元是一种并行的四路图像存储***，存储器的大小2048G，有四个CAMlink接口，授时接口。
供电转换单元6，是给整个对地观测装置的用电模块供电，全部是DC/DC模块；供电单元通过不同接口给多光谱成像、高清成像单元、高清相机触发单元、惯性测量单元、图像存储单元、上位机单元供电。供单元输入DC24V，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A；一路DC7.2V，2A。
上位机单元7通过串口接收惯性测量单元的姿态数据，并控制惯性测量单元和图象存储单元进行数据的采集和调试。上位机为至少具有一个串口或是USB接口，3个ESATA接口，***内存大于2GB，显卡内存大于256M，支持Windows XP操作***的笔记本电脑。电脑中至少安装有惯性测量导航软件。
整个装置具体工作过程如下：
1)首先将所述装置放在室外开阔的地方，放置时光轴平行于地面，进行传感器参数的调节。
2)给整个所述装置供电，打开MAstar软件，调节图像传感器直至图像清晰为止。调节办法：通过硬件调节传感器的方式调节图象，使图象最清晰，如果这种方式图象清晰不能满足要求，则在保证前面调整结果的基础上，打开调整传感器图象的软件，做进一步的调整，直至图象清晰为止，对图像的镜头进行固定，以保证调整后镜头的焦距和光圈不变。
3)将所述装置固定在飞艇或飞机载体上，见附图3，固定时保证传感器光轴尽量垂直地面，以获取被测地面的数据。
4)所述装置重新供电，打开惯性测量软件，看惯性测量单元4是否快速对准成功，如果对准成功，再将GPS天线与惯性测量单元原点的偏移的数值输入到软件的对应位置。
5)根据测试要求，设置运动载体的飞行路径，获取被测区域的多光谱、高光谱图像。
6)上位机单元7软件对高光谱图象进行空间校正和重采样，校正采用共基线方程。对采集的多光谱图像配准，配准的方法利用SITF中已有的算法；
7)对高光谱图象空间校正后的仍有变形的问题，采用同一位置配准后的多光谱图象进行校正。
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (9)

1.一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：该装置包括：减震单元(1)、高光谱成像单元(2)、多光谱成像单元(3)、惯性测量单元(4)、图像存储单元(5)、供电转换单元(6)和上位机单元(7)；其中：
所述减振单元(1)是整个装置的对外连接和各单元的安装平台，包括带有用来安装除上位机单元外其它单元的安装底板(8)、为降低因驱动***振动而影响图像质量的减振器(9)和承重底板(10)；
所述的高光谱成像单元(2)能够同时获得视场内800谱段的图像，包括高光谱像机固定架(11)、高光谱像机(12)和高光谱镜头(13)；
所述多光谱成像单元(3)主要负责地面多光谱图像的获取，包括用来固定四个多光谱图象传感器的固定架(14)、多光谱图象传感器(15)和多光谱镜头(16)；
所述惯性测量单元的(4)主要负责位姿信息和PPS秒脉冲的提供，并通过输出PPS脉冲信号和NMEA协议数据传导给图像存储单元(5)，修正图像存储单元(5)内部时钟，包括IMU(17)时钟、GPS天线(18)时钟；
所述图象存储单元(5)为同时可以接收6路多光谱高光谱图象的无压缩存储器，并通过接收PPS秒脉冲，记录每帧图象的位姿信息；
所述供电转换单元(6)，是给整个对地观测装置的用电模块供电，全部是DC/DC模块；供电转换单元(6)通过不同接口给高光谱成像单元(2)、多光谱成像单元(3)、惯性测量单元(4)、图像存储单元(5)、上位机单元(7)供电；
所述上位机单元(7)通过串口接收惯性测量单元(4)姿态数据，并控制惯性测量单元(4)和图象存储单元(5)进行数据的采集和调试。
2.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的减震单元(1)中，安装底板(8)由硬铝加工而成，并在其上加工了很多孔，用来安装除上位机单元外的其它单元；减振器(9)是钢丝绳减振器，在其上有四个螺栓孔，对外安装的螺纹孔间距是168mm，钢丝绳的直径是5mm，高度是60mm；承重底板(10)由硬铝加工而成，四个对角的八个沉孔用来安装减振器，一个大方孔是四个多光谱像机的镜头出口，一个大圆口用于高光谱像机的镜头出口。
3.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的高光谱成像单元(2)中，高光谱像机固定架(11)由硬铝加工而成，整体形状为直角形状，并有加强筋，以免变形，在短的直角边四个孔，用来和安装底板安装到一起，另一个直角边上的孔用来固定高光谱像机；高光谱相机(12)光谱范围400-1000nm，光谱分辨率2-3nm，高光谱相机(12)的探测元件线阵CCD，像元数1392X1040，接口CAMlink，高光谱镜头(13)为高光谱前置镜头，高光谱前置镜头为OLE22，焦距22.5；光谱范围：400-1000nm，线阵CCD长度最大12.8mm；镜头孔径F/2.4；最小对焦距离30cm。
4.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的多光谱成像单元(3)中，多光谱图象传感器(15)为日立公司的KP-F120CL黑白图象传感器，分辨率为：1392*1040，CCD靶面2/3英寸，帧频30帧；多光谱镜头(16)为腾龙镜头，定焦镜头，镜头结构C口，滤镜口径，M30.5P＝0.5mm，最大光圈22，最小光圈1，焦距16mm；Midwest滤镜，共有BP365-30.5，BP465-30.5，BP550-30.5，BP650-30.5。
5.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的惯性测量单元(4)中，IMU(17)是SPAN-CPT；一体式封装的GPS+INS***，内置NovAtel高性能GPS板卡和IMU，IMU由光纤陀螺(FOG)和微机电***MEMS加速度计组成；SPAN-CPT可用的定位模式包括单点、SBAS、L-band(OmniSTAR和CDGPS)和RTK方式；支持零速修正ZUPT，可选多种定位模式(SBAS、L-band、RTK)，100Hz数据更新率，MTBF>10，000小时；接口一个串口，一个PPS秒脉冲接口；GPS天线(18)为是一款双频双***天线，型号为ANT-42GNSSA-TW，可接收GPS L1/L2/L5/L-band及GLONASS L1/L2，航空743标准，白色，TNC连接器。
6.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的图象存储单元(5)是一种并行的6路图像存储***，存储器的大小2048G，有6个CAMlink接口，一个授时接口，一个ESATA接口，存储的图象可以通过ESATA导出。
7.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的供电转换单元(6)输入DC24V，输出一路DC19V，5A；5路DC12V，2A；一路DC7.2V，2A。
8.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的上位机单元(7)为至少具有一个串口或是USB接口，1个ESATA接口，***内存大于2GB，显卡内存大于256M，支持Windows XP操作***的笔记本电脑，电脑中至少安装有惯性测量导航软件。
9.根据权利要求1所述的一种艇载多光谱高光谱对地观测装置，其特征在于：所述的上位机单元(7)软件实现过程如下：
1)首先将所述装置放在室外开阔的地方，放置时光轴平行于地面，进行传感器参数的调节；
2)给整个所述装置供电，打开MAstar软件，调节图像传感器直至图像清晰为止，调节办法：通过硬件调节传感器的方式调节图象，使图象最清晰，如果这种方式图象清晰不能满足要求，则在保证前面调整结果的基础上，打开调整传感器图象的软件，做进一步的调整，直至图象清晰为止，对图像的镜头进行固定，以保证调整后镜头的焦距和光圈不变；
3)将所述装置固定在飞艇或飞机载体上，固定时保证传感器光轴尽量垂直地面，以获取被测地面的数据；
4)所述装置重新供电，打开惯性测量软件，看惯性测量单元(4)是否快速对准成功，如果对准成功，再将GPS天线与惯性测量单元原点的偏移的数值输入到软件的对应位置；
5)根据测试要求，设置运动载体的飞行路径，获取被测区域的多光谱、高光谱图像；
6)上位机单元(7)软件对高光谱图象进行空间校正和重采样，校正采用共基线方程，对采集的多光谱图像配准，配准的方法利用SITF中已有的算法；
7)对高光谱图象空间校正后的仍有变形的问题，采用同一位置配准后的多光谱图象进行校正。
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