航空高光譜數據收錄導航子系統設計與應用

摘" 要：目前已有的航空高光譜系統數據采集軟件存在系統兼容性差、自動化程度低等問題，為快速精確地采集航空高光譜數據，設計航空高光譜數據收錄導航子系統——AeroNavi，重點介紹系統的各項功能。通過在揚州高郵湖地區生態地質環境遙感調查項目中的實際應用，驗證系統無人值守自動收錄、導航監控等功能的實用性，充分展現AeroNavi軟件在航空高光譜數據采集方面的高兼容性、高智能化、高飛行效率和低風險等特點。

關鍵詞：航空高光譜；導航監控；航線規劃；無人值守；系統設計

中圖分類號：P237" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）31-0142-04

Abstract： At present， the existing data acquisition software for aerial hyperspectral system has problems such as poor system compatibility and low degree of automation. In order to collect airborne hyperspectral data quickly and accurately， an airborne hyperspectral data integration and navigation subsystem （AeroNavi） is designed. The functions of the system are introduced in detail. Through the practical application in the ecological geological environment remote sensing survey project of Gaoyou Lake in Yangzhou， the practicability of the system's functions such as automatic collection and navigation monitoring is verified. This fully demonstrates the characteristics of AeroNavi software in aviation hyperspectral data acquisition， such as high compatibility， high intelligence， high flight efficiency and low risk.

Keywords： airborne hyperspectral; navigation monitoring; route planning; unattended operation; systems design

隨著20世紀80年代成像光譜技術的出現，光學遙感進入一個嶄新的階段——高光譜遙感（Hyperspectral Remote Sensing）階段。高光譜遙感技術作為對地觀測技術的重大突破，其發展潛力巨大，其中航空高光譜遙感正日益顯示出重要的實用價值[1]。目前，航空高光譜遙感在地質礦產調查、水體與土壤污染評價、植被監測，以及城市遙感等諸多領域得到了廣泛的應用[2-5]。

近年來，許多國家競相投入到高光譜成像系統的研制和應用中來。其中，國際上具有代表性的機載高光譜成像系統有加拿大ITRES公司的CASI系列、澳大利亞ISPL公司的HyMap等[6-7]；國內具有代表性的有中科院上海技術物理研究所研制的OMIS系統和PHI系統[8-9]。然而，這些已投入使用的機載高光譜成像系統配套的數據采集軟件均只適用于其系統本身，數據采集軟件存在系統兼容性差、自動化程度低等缺點，且不具備導航監控功能、航線規劃等功能。自2013年起，江蘇省地質勘查技術院開始航空高光譜遙感技術應用的研究，通過一系列系統集成研發試驗，成功研制出搭載國產高光譜成像儀的機載高光譜成像系統[10]。為了進一步完善航空高光譜系統工作流程，快速精確采集航空高光譜數據，技術團隊研發設計了航空高光譜數據采集導航子系統（AeroNavi）。

1 系統研發

1.1 研發環境

軟件的研發環境為Windows XP及以上版本的操作系統、Visual C++軟件開發工具及Visual C++語言。

1.2" 系統框架

根據實際生產工作需求，技術團隊在自主研發的高度集成的航空高光譜數據收錄軟件系統基礎上，設計研發了導航子系統。數據收錄軟件系統采用C/S（客戶端/服務器）結構，各個子系統部署在幾臺不同的電腦上，除導航子系統，其他子系統均做成操作系統的服務進程，隨操作系統自動啟動，無須人工啟動和關閉。

2" 系統功能

AeroNavi導航子系統具有數據管理、設計測線管理、航線規劃和導航監控4個模塊，為實現航空高光譜數據的快速精確采集提供了可靠保障，如圖1所示。

AeroNavi軟件主界面主要有菜單欄、工程管理窗口、視圖管理窗口、視圖快捷按鈕、飛行參數窗口和狀態欄等組成，如圖2所示。工作區管理窗口主要進行工區的數據管理和設計測線管理，視圖管理窗口主要顯示飛行參數信息、工區邊界范圍和設計測線信息等，可用于航線規劃和導航監控。

2.1" 數據管理

2.1.1" 工程管理

AeroNavi軟件是以工程方式管理和組織各類數據文件，將航空高光譜測量數據采集過程中涉及的各類數據文件放到一個工程中集中進行管理。工程管理功能主要有新建工程、打開工程、保存工程、另存工程、關閉工程和最近工程等。

2.1.2" 投影參數設置

在新建或者導入工區之前，軟件會要求用戶先進行投影參數設置，軟件提供多種坐標系和橢球體供用戶選擇，中央經線可選擇使用標準帶號或者自定義，用戶可根據自身需要選擇。

2.1.3" 工區管理

工區管理主要功能有工區的新建、刪除、重命名、編輯、導出和導入等功能。一個工程中可包含多個工區。軟件允許用戶輸入工區角點坐標的格式有地理坐標和平面直角坐標，工區角點坐標可以單點輸入也可從文件導入。

2.2" 設計測線管理

設計測線管理主要功能有設定測線基本參數、生成檢校線、設計測線的新建、刪除、重命名、編輯、陣列復制、導出和導入等。

2.2.1" 設定基本參數

在軟件中可設定測線飛行的基本參數，如：測線飛高、航向和測線間距等。由于高光譜遙感數據豐富的光譜與地物信息使得影像的數據量相比傳統遙感方式要大得多，其采集頻率與采集波段數大幅度增加，數據量高達上百MB/s，給原始數據的存儲帶來了一定的壓力，為節約存儲空間和避免航線裁剪等工作，用戶可設定觸發點容限（垂直方向和水平方向），確保飛機只有在測線端點坐標有效距離內才會觸發數據采集。

2.2.2" 生成檢校線

航空高光譜測量數據采集的檢校線飛行是為了檢驗穩定云臺的安裝誤差是否在允許誤差范圍內。檢校線通常由2組相互垂直的飛行線組成，飛行線的飛行方向為東西向和南北向，而每組飛行線又由2條正反向飛行線構成，因此檢校線共有4條飛行線構成，如圖3所示。檢校線的中心位置必須位于由4條飛行線所形成的光譜條帶重疊區域的中心處，在AeroNavi軟件中只需輸入檢校線的中心點位置坐標，即可自動生成檢校線。

2.2.3" 設計測線

設計測線主要功能有測線的新建、刪除、重命名、編輯、導出和導入等功能。新建單條測線時軟件允許用戶輸入測線端點坐標的格式有地理坐標和平面直角坐標，測線端點坐標可以單點輸入也可從文件導入。

2.3" 航線規劃

2.3.1" 測線任務管理

在測線任務管理模塊，用戶可根據需要對目標測線進行規劃和管理。如：將工區已飛測線進行隱藏，將本架次飛行測線設為任務測線。

2.3.2" 數據傳輸

測線任務規劃完成后，需將本地電腦與服務器連接，將已規劃好航線的工程文件上傳至服務器。為確保工程文件數據不出錯，用戶可將目標工程文件下載至本地電腦中，并對目標工程進行檢查確認。

2.4nbsp; 導航監控

2.4.1" 飛行導航

為了更高效地完成航空高光譜數據采集工作，AeroNavi軟件為飛行員提供了飛行導航功能。將機艙駕駛室的平板電腦用網線將其與服務器連接，即可在平板電腦端AeroNavi軟件視圖管理窗口實時顯示待飛行測線、儀器設備狀態及各項飛行參數。導航界面還提供一定的交互功能，飛行員可停止或啟動某條測線的航拍作業。

2.4.2" 地面監控

為適應航空高光譜數據采集無人值守作業和遠程監測的發展趨勢，本系統具有地面監控功能。地面監測人員通過數傳系統可監測和了解當前作業進度及儀器工作狀態，隨時與飛行員保持聯系，如果遇到儀器不正常情況則通知飛行員返航。

2.4.3" 模擬航拍

導航子系統創新性地加入了模擬航拍模塊，將飛行模擬器模擬的POS數據發送給主控制子系統，主控制子系統再發送命令給相機收錄子系統，實現高光譜數據的收錄，從而實現模擬航拍。與在飛機上測試相比，可以減少飛機租用次數，而且模擬航拍不須要申請空域也不受航空管制，大大降低測試時間和測試成本。

3" 實際應用

自2016年研發AeroNavi軟件以來，先后在江蘇、安徽、浙江等地的多個航空高光譜調查項目中得到了實際應用，所設計的航線數據與導航監控滿足了航空高光譜數據采集的飛行要求。下面以2020年高郵湖及周邊區域山水林田湖草生態地質環境遙感調查項目為例，對軟件的實際應用效果進行分析。

3.1" 項目簡介

項目工區位于揚州市高郵湖區域，采用航空高光譜遙感技術對高郵湖及周邊區域山水林田湖草進行生態地質環境遙感調查，快速識別、提取工作區中的各項環境指標和影響因子，為工作區的生態地質環境評價提供評價因子。項目采用江蘇省地質勘查技術院自主集成的機載航空高光譜遙感系統進行對地觀測和成像，主要儀器設備包括國產可見光與短波紅外高光譜成像儀、組合導航定位設備、穩定平臺，飛行有效測線2 643 km，獲得了面積為907 km2的航空高光譜原始數據。

3.2" 航線設計

在AeroNavi軟件中進行工區航線設計，根據目標任務要求設定飛行參數如下：飛行航高為800 m，觸發點容限設置為垂直±50 m、水平±50 m，測線方向為正東西向（90～270°），航線間隔Dy為350 m，旁向重疊率Px為25%。由AeroNavi軟件設計產生的設計測線在視圖管理窗口上的位置如圖4所示。

3.3" 效果分析

在航空高光譜外業數據采集工作中，技術人員根據飛行窗口和任務計劃，在架次飛行前根據模擬飛行結果實時調整規劃，制定最優飛行航線。下面以2020年9月4日的架次數據為例，對軟件的使用效果進行分析。該架次設計測線與飛行航跡對比圖如圖5所示，粗線為設計測線，細線為光譜數據采集的飛行航跡，底圖由采集的可見光影像拼接而成。

本架次飛行時長為3.55 h，測線飛行時長為2.88 h，16條測線的總長度為444 km，平均飛行速度154 km/h，平均飛行高度802 m，平均偏航距為4 m，采集高光譜原始數據共587 GB。地面監控人員實時監控數據飛行質量，與飛行員保持溝通，對飛行質量有問題的測線及時進行重復飛行。若不使用AeroNavi軟件，高光譜設備需要從飛機起飛前到降落后一直采集數據，采集的原始數據至少723 GB，增加了23.2%的無效數據，且隨著起降坪離飛行測線越遠，采集的無效數據占比就越高，占用系統存儲空間。此外，本次獲取的高光譜數據不存在無效數據（進測線前和出測線后），無需進行裁剪，提高了工作效率。

4" 結論

2016年至今，航空高光譜數據采集導航子系統經過持續不斷改進，目前已經升級到第三代，實現了無人值守自動收錄、模擬航拍和地面監控等功能，為快速精確采集航空高光譜數據提供了技術支撐。與其他數據采集系統相比，本系統具有系統兼容性強、航線規劃簡便、自動化程度高和飛行成本低等優勢。

團隊的下一步研究重點：將機載激光雷達設備的數據采集顯控集成到導航子系統，實現多參數航空遙感數據快速精確采集。

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