短波紅外成像在航拍領(lǐng)域的使用建議書

1、引言

隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)及無人駕駛飛行器技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)航拍技術(shù)也在民用領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對無人機(jī)航拍也提出了更高的要求。不僅對無人機(jī)本身提出了可靠性高、穩(wěn)定性、易操作、成本低、航時(shí)長等要求，而對相機(jī)也提出了相應(yīng)的要求，主要是像素更多、可以應(yīng)對不同的天氣環(huán)境及不同的航拍任務(wù)等方面。短波紅外相機(jī)是一種結(jié)合了可見光“反射成像”及中遠(yuǎn)紅外“輻射成像”特點(diǎn)的相機(jī)，結(jié)合無人機(jī)可以完成更多特殊的航拍任務(wù)。

2、產(chǎn)品原理

紅外線按照波長范圍可劃分為三個(gè)波段：分別是短波紅外（1-3um）、中波紅外（3-5um）、長波紅外（8-12um）。

短波紅外光譜具有以下幾種特性：1）任何物體都具有吸收和反射不同波長電磁波的特性，不同的物體的光譜特性不同；2）大氣中等效凝結(jié)水厚度是影響大氣傳輸特性的重要原因，在短波紅外光譜范圍內(nèi)，特別是1.5-1.7um范圍內(nèi)。大氣的傳輸性非常好；3）景物光譜反射系數(shù)的差別比可見光要大，因?yàn)榕臄z圖像的對比度增強(qiáng)。

短波紅外相機(jī)的原理與可見光相機(jī)原理大同小異，都是通過鏡頭將目標(biāo)的像成在感光芯片，芯片把數(shù)據(jù)記錄后以串行或并行方式傳送至后端讀取電路，并進(jìn)行圖像處理等，zui后顯示出來。*不同的是可見光相機(jī)光譜敏感波段集中在400-800nm，而短波紅外相機(jī)則集中在900-1700nm。

3、主要特點(diǎn)及優(yōu)勢

3.1主要特點(diǎn)

1）短波紅外成像技術(shù)在0.9-1.7um有非常高的靈敏度。

2）標(biāo)準(zhǔn)C接口便于客戶根據(jù)實(shí)際需求配置鏡頭。

3）曝光時(shí)間500ns-500ms可調(diào)。

4）14bit USB數(shù)字輸出可自動(dòng)調(diào)節(jié)高速數(shù)字圖像的增益。

5）高幀率全幀：110 Hz; 窗口：15.6K Hz （32x8）

6）低噪聲電路提供高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍。

7）低功耗非TEC相機(jī)功耗低至2.5W 便于手持或移動(dòng)。

8）體積小重量輕便于OEM集成。體積：55 x 55 x 70 mm， 重量：（不含鏡頭）206g

3.2、技術(shù)指標(biāo)

3.3、量子效率曲線

3.4、相機(jī)尺寸圖

4、應(yīng)用領(lǐng)域

基于短波紅外光譜的特性，短波紅外成像技術(shù)在軍事領(lǐng)域有了很快的發(fā)展，包括車載、機(jī)載前視成像、激光導(dǎo)引、戰(zhàn)場激光排查、信標(biāo)系統(tǒng)等領(lǐng)域。近年來，短波紅外光譜分析與計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的復(fù)合與集成，有力地推動(dòng)了短波紅外圖像處理的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)得到了很大的拓展，包括高光譜成像，農(nóng)作物估產(chǎn)，森林防火、氣象預(yù)測、礦產(chǎn)資源勘探等方面。

隨著無人機(jī)技術(shù)的成熟，航拍、遙感市場將迎來跨越式發(fā)展。無人機(jī)的應(yīng)用，遠(yuǎn)不止影視航拍、風(fēng)景航拍這些，還有森林火點(diǎn)探測、邊境巡邏、農(nóng)作物估產(chǎn)、應(yīng)急救、管道巡查、有害氣體探測等方面。甚至反恐、大氣取樣等領(lǐng)域也對無人機(jī)使用表現(xiàn)出了極大地興趣。

4.1、偽裝識(shí)別與搜救

偽裝技術(shù)是現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中*的有效防備手段，目前目標(biāo)偽裝的材料主要是涂料，我們知道人眼在可見光波段（0.38-0.76um）才有視覺反省，該波段的偽裝是比較容易做到；而植物在短波紅外波段（主要是0.8-1.7um）的偽裝與染料結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，而短波紅外波段對綠色植物的反射光譜與偽裝涂料的差異非常大，故常規(guī)的偽裝對短波紅外相機(jī)來說是沒有任何意義。故使用短波紅外相機(jī)低空航拍從而發(fā)現(xiàn)偽裝是目前安全防御的新手段（如圖1）。而作為民用領(lǐng)域，有實(shí)力的航拍單位承擔(dān)了較多的政府搜救工作，此任務(wù)也可使用短波紅外相機(jī)結(jié)合可見光相機(jī)來實(shí)現(xiàn)，特別是在目前霧霾天氣較為嚴(yán)重，能見度較低的情況下，更能體現(xiàn)短波紅外相機(jī)在透霧方面優(yōu)勢。

如圖1

目標(biāo)表面覆蓋在偽裝下

處理后的短波紅外圖像

4.2、農(nóng)作物估產(chǎn)

傳統(tǒng)的農(nóng)作物單產(chǎn)預(yù)測方法主要有農(nóng)學(xué)預(yù)報(bào)方法、統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法、氣象統(tǒng)計(jì)方法，這些方法分別從不同角度來建立作物單產(chǎn)模式，區(qū)別以往的估產(chǎn)方法。自上世紀(jì)70年代以來，遙感技術(shù)在世界范圍內(nèi)得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，我國采用的是陸地衛(wèi)星遙感來進(jìn)行農(nóng)作物估產(chǎn)，并取得了良好的效果，但是由于陸地衛(wèi)星重復(fù)觀測周期長，我國南方作物生長季節(jié)陰郁天氣多，實(shí)時(shí)的晴資料難以獲得，再加上現(xiàn)在空氣質(zhì)量進(jìn)一步下降，能見度太低，導(dǎo)致目前這種估產(chǎn)方式難以推廣使用。目前看來使用短波紅外技術(shù)搭載無人機(jī)進(jìn)行低空遙感不僅可以解決以上問題，對于區(qū)域估產(chǎn)，還可以改善由于地區(qū)耕作制度復(fù)雜、地塊破碎及分散等因素造成的影響。從短波紅外相機(jī)中獲取短波紅外波段的信息與其他信息相結(jié)合得到歸一化植被指數(shù)與作物的葉面積指數(shù)和生物量呈正相關(guān)可用于準(zhǔn)實(shí)時(shí)的作物長勢監(jiān)測和產(chǎn)量估計(jì)。

4.3、森林防火

    森林大火是一種常見*害，火災(zāi)產(chǎn)生的大量煙霧掩蓋了大面積地形，降低了能見度，給救援工作帶來了許多不便，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。短波紅外相機(jī)具有優(yōu)異的透霧成像能力，大大提高了空中和地面消防人員的能見度，特別值得一提的是，與長波紅外森林火場圖像中的大面積泛白熱圖不同，短波紅外相機(jī)對200℃以上的高溫物體敏感（表現(xiàn)為白色），而這往往是火源點(diǎn)所在的附近位置，從而大大縮小著火點(diǎn)的搜尋范圍。故采用短波紅外相機(jī)搭載無人機(jī)深入火*區(qū)域?qū)ふ一瘘c(diǎn)位置，不僅可以發(fā)揮無人機(jī)的優(yōu)勢還可以更確認(rèn)著火點(diǎn)位置，將損失降到zui低。在撲滅大面積火場后由于粉塵及煙霧的影響使用無人機(jī)對*后區(qū)域進(jìn)行排查，消除二次火災(zāi)的引發(fā)。

4.4、遙感資源探測

    在短波紅外波長范圍內(nèi)，巖石中含水或含氫氧根的礦物（主要為層狀硅酸鹽和粘土類）以及硫酸鹽和碳酸鹽礦物有特殊顯示。這些礦物大多見于與金屬礦床有關(guān)的熱液蝕變帶，故可用來指示熱液成礦體系的環(huán)境參數(shù)，提供找礦線索并指導(dǎo)找礦。

基于短波紅外技術(shù)的礦物填圖與傳統(tǒng)地質(zhì)意義上進(jìn)行地層、巖層或巖體等填圖概念不同，礦物填圖的基本單位是單個(gè)礦物，因而可用于找礦勘探、地質(zhì)工程、自然災(zāi)害監(jiān)測和環(huán)境污染調(diào)查等眾多領(lǐng)域。

4.5、環(huán)境污染監(jiān)測及分析

短波紅外用于污染檢測分析時(shí)，可作為遙測型檢測，適用于毒性物質(zhì)偵測、大氣成分監(jiān)測、油井組成分析、工廠排放監(jiān)測、污泥熱處理等。與常用的化學(xué)檢測方式不同，短波紅外用于檢測分析時(shí)并不產(chǎn)生廢棄物，為*檢測、零感染檢測。

4.6、氣象預(yù)警

由于短波紅外具有穿透霧霾、夜視和低光照環(huán)境成像能力、對水分敏感，成像分辨率高，成像效果接近可見光等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于暴雨預(yù)警、監(jiān)測、龍卷風(fēng)觀測等場合。

暴雨來臨前可見光圖像（左）與短波紅外圖像（右）

4.7、透霧成像

在視覺增強(qiáng)以及惡劣天氣低能見度條件下，短波紅外是熱像儀的有益補(bǔ)充。短波紅外所成的像非常類似可見光圖像，相比熱成像，短波紅外擁有更好的細(xì)節(jié)分辨和解析能力。熱像儀能很好的檢測出冷背景下溫暖的目標(biāo)，然而短波紅外能很好的識(shí)別出該目標(biāo)是什么，例如（船舶、車輛、人員）。

短波紅外也可以在熱交叉場景提供成像輔助。熱交叉點(diǎn)是一個(gè)溫度點(diǎn)，此時(shí)待觀察目標(biāo)的溫度與背景的溫度相等。下圖為日出時(shí)海岸邊可見光、熱像儀、短波紅外三者的成像效果對比。由于處在熱交叉點(diǎn)上，海岸與海水的細(xì)節(jié)在熱成像中都丟失了。由于短波紅外能對反射光成像而不是依賴溫度差，海岸線圖像脫穎而出，同時(shí)由于短波紅外的透霧能力，相比可見光相機(jī)能捕獲更多細(xì)節(jié)。而搭載無人機(jī)更能體現(xiàn)短波紅外相機(jī)在能見度差的情況下搜索及識(shí)別的優(yōu)勢，故短波紅外相機(jī)透霧成像是特殊場景航拍zui大的優(yōu)勢。

5、總結(jié)

關(guān)于國外短波紅外相機(jī)的應(yīng)用，目前較為廣泛，其中包括為資源環(huán)境型衛(wèi)星上配套，而其中歐洲環(huán)境衛(wèi)星Envisat1，法國STOP5，印度環(huán)境衛(wèi)星IRS-1等都配備了銦鎵砷材料的短波紅外相機(jī)。美國*一代主戰(zhàn)裝備“斯特瑞克”裝甲車也使用了短波紅外相機(jī)作為駕駛員的視覺增強(qiáng)設(shè)備，而在多個(gè)國家的消防部門也開始使用短波紅外相機(jī)來尋找火點(diǎn)。

結(jié)合對上述應(yīng)用的分析，短波紅外相機(jī)在專業(yè)航拍及特殊航拍領(lǐng)域有非常好的應(yīng)用前景，更多應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)還需要專業(yè)航拍工作者的發(fā)現(xiàn)和指導(dǎo)，而我司在此方面會(huì)提供的及更靈活的合作方式，為貴公司航拍業(yè)務(wù)面的拓展助一臂之力。

                                         西安立鼎光電科技有限公司

                                                  徐建強(qiáng)