一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法与流程

1.本发明涉及卫星遥感定标与真实性检验技术领域，尤其涉及一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法。


背景技术：

2.在轨遥感器的绝对辐射定标是遥感器辐射特性监测的主要手段，也是遥感定量化应用的基本需求。利用中国遥感卫星辐射校正场的星地同步观测试验，实现对我国在轨气象、海洋、陆地资源、环境减灾、测绘地震、高分、军事等系列卫星光学成像载荷太阳反射波段的绝对辐射定标，是目前的重要手段之一。而场地定标是指在地面上选取均匀区域作为辐射定标场，当卫星过境时，通过地面或飞机上准同步测量，实现在轨卫星遥感器的辐射定标。
3.但是，传统的地表反射率星地同步测量方法是基于汽车跑场观测，不仅耗费较大的人力物力、容易造成场地破坏，会给测量精度带来误差，而且获取的测量数据缺乏区域代表性。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法，以解决现有技术中实现最大程度的场地保护，且进一步提高太阳反射波段场地定标精度的技术问题。
5.本发明提供了一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法，包括：
6.s1.选择八旋翼无人机作为地表反射率观测航空平台，选择svc光谱仪作为地表反射率测量仪器，将搭载svc光谱仪的仪器支架固定于八旋翼无人机的底部，并在八旋翼无人机侧面两旋翼臂之间加装svc光谱仪光纤云台；
7.s2.根据不同地表反射率测量任务要求，制定相应的航空飞行方案；
8.s3.基于所述相应的航空飞行方案，将所述八旋翼无人机置于飞行航线的起飞点；
9.s4.在八旋翼无人机地面站中规划飞行航线途经点和降落点，并上传至所述八旋翼无人机；
10.s5.选择聚四氟乙烯压制白板作为标准参考板，起飞前和降落后分别测量并采集标准参考板数据，完成一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量，其中，标准参考板数据包括：观测时间和经纬度、根据记录的时间和经纬度计算得到的标准参考板时刻的太阳天顶角，以及根据测量的标准参考板光谱辐亮度及其自身方向反射比因子计算得到的标准参考板反射辐亮度；
11.s6.重复s2-s5，直至完成所有架次的航空飞行的地表反射率测量任务；
12.s7.根据所述起飞前和降落后测量和采集的标准参考板数据，以及太阳天顶角变化规律，建立标准参考板反射辐亮度时间变化模型，计算标准参考板反射辐亮度时间变化模型拟合系数；根据飞行中目标测量的时间，模拟目标观测时刻的标准参考板反射辐亮度；
根据所述目标观测时刻的目标反射辐亮度与对应时刻的所述标准参考板反射辐亮度时间变化模型模拟所述标准参考板反射辐亮度，计算时间修正后的地表反射率。
13.进一步地，所述s1中svc光谱仪光纤云台的光纤入光口在所述八旋翼无人机飞行过程中始终保持垂直向下，其中，svc是光谱测量设备。
14.进一步地，所述标准参考板的反射率为99％。
15.进一步地，所述航空飞行方案包括：飞行航线设计、航高设计、svc光谱仪采样间隔设计。
16.进一步地，所述s3
17.包括：
18.s31.基于所述航空飞行方案，将所述svc光谱仪挂载至所述八旋翼无人机上，并固定所述光纤入光口；
19.s32.设置光纤云台参数，并将八旋翼无人机置于飞行航线的起飞点，
20.其中，光纤云台参数包括：云台的方向基准，云台的灵敏度。
21.进一步地，所述s5包括：
22.s51.打开所述svc光谱仪，将所述svc光纤入光口置于标准参考板的上方，并使得无阴影投射至标准参考板的表面；
23.s52.基于所述标准参考板的表面，起飞前和降落后分别测量并采集标准参考板数据，完成一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量。
24.进一步地，所述s52中一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量包括：
25.所述八旋翼无人机起飞，并按照所述飞行航线设计完成飞行并降落。
26.进一步地，所述s51中svc光谱仪进行测量是开启自动测量模式进行的。
27.进一步地，所述s52中八旋翼无人机起飞是通过打开自动航线飞行模式实现的。
28.进一步地，所述s5还包括：
29.在所述八旋翼无人机降落后，重新将所述svc光纤入光口置于所述标准参考板的上方，并使得无阴影投射至所述标准参考板的表面。
30.本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
31.1、本发明通过对八旋翼无人机地表反射率低空测量方法，极大的提高地表反射率测量的空间一致性和代表性；
32.2、本发明选择整机质量较轻的svc光谱仪作为地表反射率测量仪器，实现了集成度高、测量精度高的测量效果；
33.3、本发明采用聚四氟乙烯压制白板作为标准参考板，有效保证了高反射率达到99％的测量前提，为测量精度提供了可靠保障；
34.4、本发明利用起飞前和降落后测量标准参考板的时间，结合该时间段太阳天顶角变化规律，建立标准参考板辐亮度时间变化模型，来模拟每个目标观测时刻的标准参考板反射辐亮度，利用目标测量的光谱辐亮度与对应时刻的标准参考板模拟辐亮度计算目标反射率，极大的提高反射率测量精度；
35.5、本发明采用八旋翼无人机，成功替代了传统方法中基于汽车跑场实地观测，极大地节省了大量人力物力，避免了因汽车碾压造成的场地破坏，而给测量带来误差，并最大限度地保护了场地；
36.6、本发明实现了从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路的方案设计与测试飞行；
37.7、本发明的方案，获得测量结果航飞数据的相对偏差均在5％以内，提高定标精度的同时还有效提高地表反射率的测量效率。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
39.图1是本发明实施例提供的一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法的流程图。
具体实施方式
40.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
41.下面将结合附图详细说明根据本发明的一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法。
42.图1是本发明实施例提供的一种基于旋翼无人机的地表反射率测量方法的流程图。
43.如图1所示，该地表反射率测量方法包括：
44.s1.选择八旋翼无人机作为地表反射率观测航空平台，选择svc光谱仪作为地表反射率测量仪器，将搭载svc光谱仪的仪器支架固定于八旋翼无人机的底部，并在八旋翼无人机侧面两旋翼臂之间加装svc光谱仪光纤云台；
45.地表反射率观测航空平台之所以选择八旋翼无人机，是因为其采用碳纤维及航空铝材料、材质轻强度大；整机可折叠、方便运输、快拆结构；易操作、维护简单；安全性高、配备降落伞可自动开伞、紧急情况可一键返航、自动悬停，抗风能力七级以上；具备友好的黑匣子功能，飞行数据自动记录；飞行器可按预设航线自主完成飞行任务；可在地面站软件实时监测当前电流值和电池消耗量，电量报警提示之外，还具备续航时间较长、影像传输实时、高危地区探测、成本低、分辨率高、机动灵活的优点。
46.所述svc光谱仪光纤云台的光纤入光口在所述八旋翼无人机飞行过程中始终保持垂直向下，其中，svc是光谱测量设备。
47.其中，svc全拼为spectra vista corporation，光谱测量设备。
48.飞行中利用svc光谱仪根据固定时间间隔对地面目标进行标准参考板光谱辐亮度测量，记录目标测量的时间和经纬度，根据记录目标测量的时间和经纬度，计算测量目标时刻的太阳天顶角。
49.对所述八旋翼无人机进行改造，使其能够加装可搭载svc光谱仪的仪器支架，固定
于无人机底部，在八旋翼无人机侧面两旋翼臂之间加装svc光谱仪光纤云台，并且，所述s2中svc光谱仪光纤云台的光纤入光口在所述八旋翼无人机飞行过程中始终保持垂直向下。以此确保无阴影投射至参考板表面，最大限度地保证测量精度。本发明选择了svc光谱仪，是基于其集成度高、测量精度高、整机质量较轻的特点。
50.示例性地，在飞机起飞前和降落后，地面各测量1次标准参考板，每次重复采集5次取其平均值，飞行过程仅进行目标观测，每隔10s测量一次数据，所述svc光谱仪记录为辐亮度和以第一次标准参考板数据计算得到的地表反射比。例如，飞行过程30分钟内，标准参考板辐亮度为线性变化。
51.s2.根据不同地表反射率测量任务要求，制定相应的航空飞行方案；
52.由于不同地表反射率测量任务有不同的测量任务要求，因此，根据具体的测量任务要求制定相应的航空飞行方案。
53.所述航空飞行方案包括：飞行航线设计、航高设计、svc光谱仪采样间隔设计。
54.采用八旋翼无人机代替跑场进行观测，为了准确掌握八旋翼无人机的性能和续航能力，试验中首先利用八旋翼无人机配重飞行模式对无人机的续航能力和稳定性等进行了全面的测试；在此基础上，针对地面反射率光谱观测的需求，设计了不同的飞行航线，包括“8”字型、三角形、四边形和扫描航线等多种形式，开展飞行测量，与此同时，为了分析走航测量、不同航高和地面视场对测量结果造成的影响，还采用悬停观测的模式，例如，分别使无人机在30m、50m、80m、100m、150m、200m、250m和300m的不同高度悬停，利用svc光谱仪对地面进行观测，不同高度光谱仪对应地面采样区直径；在标准板和目标的测量方式上，采样飞行前后分别测量标准参考板的模式。
55.其中，svc光谱仪采样间隔设计，是根据不同需要，进行人为设置的。
56.s3.基于所述相应的航空飞行方案，将所述八旋翼无人机置于飞行航线的起飞点；
57.s31.基于所述航空飞行方案，将所述svc光谱仪挂载至所述八旋翼无人机上，并固定所述光纤入光口；
58.s32.设置光纤云台参数，并将八旋翼无人机置于飞行航线的起飞点，
59.其中，光纤云台参数包括：云台的方向基准，云台的灵敏度。
60.s4.在八旋翼无人机地面站中规划飞行航线途经点和降落点，并上传至所述八旋翼无人机；
61.s5.选择聚四氟乙烯压制白板作为标准参考板，起飞前和降落后分别测量并采集标准参考板数据，完成一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量，其中，标准参考板数据包括：观测时间和经纬度、根据记录的时间和经纬度计算得到的标准参考板时刻的太阳天顶角，以及根据测量的标准参考板光谱辐亮度及其自身方向反射比因子计算得到的标准参考板反射辐亮度；
62.所述标准参考板的反射率为99％。
63.标准参考板采用聚四氟乙烯压制而成，几何尺寸为400mm
×
400mm，体积小，且有效保证了高反射率的测量前提，为测量精度提供了可靠保障。
64.s51.打开所述svc光谱仪，将所述svc光纤入光口置于标准参考板的上方，并使得无阴影投射至标准参考板的表面；
65.所述s51中svc光谱仪进行测量是开启自动测量模式进行的。
66.其中，svc光谱仪采样间隔，并采用所述svc光谱仪进行测量；
67.s52.基于所述标准参考板的表面，起飞前和降落后分别测量并采集标准参考板数据，完成一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量。
68.所述s52中一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量包括：所述八旋翼无人机起飞，并按照所述飞行航线设计完成飞行并降落。
69.所述s52中一个架次的八旋翼无人机地表反射率测量包括：
70.所述八旋翼无人机起飞，并按照所述飞行航线设计完成飞行并降落。
71.所述s52中八旋翼无人机起飞是通过打开自动航线飞行模式实现的。
72.其中，标准参考板反射辐亮度的计算式如下：
[0073][0074]
式中为入射方向θs,出射方向为0
°
的标准参考板反射辐亮度，为从天顶垂直观测的辐亮度，为标准参考板光谱辐亮度的方向反射比因子。
[0075]
其中，brf，全拼为bidirectional reflectance factor，双向反射率因子。
[0076]
所述s5之后，还包括：
[0077]
在所述八旋翼无人机降落后，重新将所述svc光纤入光口置于所述标准参考板的上方，并使得无阴影投射至所述标准参考板的表面。
[0078]
s6.重复s2-s5，直至完成所有架次的航空飞行的地表反射率测量任务；
[0079]
s7.根据所述起飞前和降落后测量和采集的标准参考板数据，以及太阳天顶角变化规律，建立标准参考板反射辐亮度时间变化模型，计算标准参考板反射辐亮度时间变化模型拟合系数；根据飞行中目标测量的时间，模拟目标观测时刻的标准参考板反射辐亮度；根据所述目标观测时刻的目标反射辐亮度与对应时刻的所述标准参考板反射辐亮度时间变化模型模拟所述标准参考板反射辐亮度，计算时间修正后的地表反射率。
[0080]
根据测量的标准参考板光谱辐亮度及其自身方向反射比因子计算标准参考板反射辐亮度，以此进行测量结果的标准参考板brf修正。
[0081]
本发明通过对八旋翼无人机进行改造，使其能够装载svc光谱仪对地表反射率进行测量；通过选择整机质量较轻的svc光谱仪作为地表反射率测量仪器，实现了集成度高、测量精度高的测量效果；通过采用聚四氟乙烯压制白板作为标准参考板，有效保证了高反射率达到99％的测量前提，为测量精度提供了可靠保障；本发明利用起飞前和降落后测量标准参考板的时间，结合该时间段太阳高度角变化规律，建立参考板辐亮度时间变化模型，来模拟每个目标观测时刻的标准参考板反射辐亮度，利用目标测量的光谱辐亮度与对应时刻的标准参考板模拟辐亮度计算目标反射率，极大的提高反射率测量精度；通过采用八旋翼无人机对地表反射率进行测量，成功替代了传统方法中基于汽车跑场实地观测，极大地节省了大量人力物力，避免了因汽车碾压造成的场地破坏，而给测量带来误差，并最大限度地效保护了场地；本发明实现了从航线设计、航高选择、仪器参数配置、采样策略、航空数据处理的全链路的方案设计与测试飞行，获得测量结果航飞数据的相对偏差均在5％以内，提高定标精度的同时还有效提高了地表反射率的测量效率。
[0082]
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本技术的可选实施例，在此不再
一一赘述。
[0083]
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本公开实施例的实施过程构成任何限定。
[0084]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。