“绿水青山就是金山银山”的理念已深入人心,土地等自然资源的监测是全面建设美好家园的重要保障工作。遥感图像具有监测范围大、客观、时效性高等优点,利用遥感图像提取“山水林田湖草”等各种自然资源的现状和变化信息已经成为自然资源监测工作中主要的技术手段。遥感图像利用遥感相机接收地面物体反射或发射的电磁波来成像,不同波段的电磁波能够反映地面物体的不同特性。目前自然资源监测领域使用的主要是可见光 - 近红外波段的遥感图像,但这一波段的成像过程对天气要求较高,在阴天、雾霾等天气条件不良的时候往往很难获得有效的数据。而除了可见光 - 近红外波段,中波红外波段等其他波段的电磁波也可用于遥感成像和应用。相比于可见光 - 近红外波段的遥感图像,中波红外波段图像具有独特的优点,不仅受阴天、雾霾等不良天气影响较小,而且还可以反映地物独特的信息。本文介绍了一种新的宽幅中波红外成像系统,并介绍了中红外影像在土地资源信息提取中的应用。

 

1 中波红外成像的原理与特点

根据瑞利散射定律,电磁波在穿过大气时,穿透雾霾等能力与电磁波的波长有关,波长越长穿透能力越强。因此相比于可见光 - 近红外波段的电磁波,中波红外的波长更长,能更好地穿透雾霾,受不良天气影响小。另一方面,遥感成像中利用的电磁波分为两种:地面物体反射太阳电磁波和自己发射的电磁波。中波红外波段既包含于太阳的发射波谱范围也包含于地球表面的发射波谱范围。因此,中波红外图像同时包含地物的反射辐射和发射辐射,能够获得地物更多的信息。

 

与可见光 - 近红外波段的遥感相机使用半导体光电管作为基本感光元件不同,中红外探测器需要采用独特的锑化铟(InSb)感光材料才能成像,而且往往还需要搭配制冷设备以保证感光成像的效果。独特的成像机理使得中波红外相机的制造工艺十分复杂,技术发展远远落后于可见光 - 近红外波段的相机,制作大幅宽的中波红外相机十分困难。同时由于中波红外相机在军事上具有极高的价值,国外对我国进行长期技术封锁和产品禁售,目前国内可以应用民用的中红外相机的像幅都很小。目前国内报道的最大幅宽的中红外相机是高分四号卫星搭载的百万像素级别中红外相机(1024*1024 像素)。市场上最常见的依然是 512*512 像素甚至更小幅宽的相机,显然这样像幅大小的相机搭载在飞机上是很难实现大面积连续覆盖的,必须采用一定的方法提高相机的宽幅覆盖能力。

 

2 宽幅中波红外相机设计

在遥感相机发展过程中,由于感光元件制造工艺的限制,单幅面大像幅相机的制造始终是一个难题,需要通过其他技术方法增大像幅。增大相机像幅的技术有以下几种:

 

2 1 线阵推扫式成像,其原理是使用一条 CCD 阵列取代大面阵 CCD 器件,每一个成像瞬间在垂直飞行方向上获得一条线图像,随着传感器向前飞行,相邻线图像间无缝衔接,“线动成面”地获得对地面的宽幅覆盖。目前常见的高分辨率遥感卫星都采用该成像方式。

 

2.2 多相机拼接方式,基于视场拼接原理,可以利用多台小像幅相机获得等效的大幅面图像。目前的航空数码相机多采用这种设计方式,如国外的 DMC、UCD 以及我国的 SNDC 航空数码相机。

 

2.3 面阵侧摆扫描式成像,这种宽幅成像设计方式只需要一台小相幅相机,相机在飞行航摄过程中,垂直于飞行方向做匀速摆动,多次成像。单次摆动扫视后的多张图像通过纠正后可拼接合成获得宽幅图像。这种方式目前相对较少,目前只有以色列的 A3 机采用了这种设计。

 

由于目前市场上的中红外相机主要为面阵式相机,且相机体积较大,价格较昂贵。因此只使用一台小面阵相机的面阵侧摆扫描式成像方式最适合于中波红外宽幅相机的研制。武汉大学测绘学院基于该方式研制了一台机载宽幅中波红外成像系统。该成像系统采用单台中波红外相机的横向摆动、多次曝光获得宽幅视场,如图 1 所示,每次摆扫时,中波红外相机可以进行多次曝光,多次成像图像经过拼接可以获得宽幅视场的图像。

 

图 1 面阵相机摆扫扩大扫视场示意图

 

在设计的成像系统中同时集成一台宽幅可见光相机。利用可见光相机获取高分辨率的可见光图像,利用可见光图像经过一定的处理,可以获得成像区域的数字高程模型,利用数字高程模型可以消除中红外图像在成像过程中的几何畸变,从而将每张小像幅的中红外图像拼接起来获得宽幅图像。在摆扫过程中,前后两次的中波红外图像具有一定的重叠度保证像片间的无缝拼接。系统研制过程中选择的中红外相机是 Onca-MCT-640 相机,其幅宽 640*512 像素,成像波段范围为 3.7~4.8μm;选用的宽幅可见光相机是哈苏 H6D-100C 幅宽 11600*8700 像素,包含红绿蓝三个成像波段。从两个相机的参数可以看出,可见光相机的像幅远远高于中红外相机,成像过程中无需摆扫。除了相机外,整个成像系统还包括 POS 系统、稳定平台、时间同步设备、飞控计算机、操作平台等组成部分。其中,POS 系统能够实时记录成像过程中相机的位置和姿态信息,用于后续的图像处理;稳定平台保证摆动成像时相机的稳定性;时间同步设备则精确控制中红外相机和可见光相机的曝光时间。

 

是 Onca-MCT-640 相机具有 60 帧每秒的帧速,而系统设计的摆扫周期为 5 4 秒,在这个时间段内,中波红外相机具有充足的时间进行多次曝光成像,拼接获得宽幅视场。由于无需摆动,可见光相机固定在成像系统中。而中红外相机采用步进电机控制摆动角度,完成摆扫过程。在摆扫极限位置间设置等分点,相机摆到极限位置和等分点时,触发曝光信号。成像系统实物图如图 2 所示。

 

图 2 中波红外宽幅成像系统样机

 

将宽幅中波红外成像系统搭载在飞机上,在湖北省大冶市进行航飞实验。航飞成像覆盖大冶主城区和开发区区域,面积约 100 平方公里。对获得的原始图像进行处理后,可以获得覆盖整个测区的宽幅中红外图像,如图 3 所示。从图上可以看出,中红外图像清晰且无明显接缝,另外在航飞过程中天空存在薄雾,对可见光图像有一定影响,但对中红外图像没有影响。

 

图 3 获取的大冶市可见光图像和中红外图像

 

3 中波红外图像在土地信息提取中的应用

利用中波红外影像可以提取各种土地资源信息,如对大冶市图像进行处理提取各种建设用地相关性信息。根据中红外波段地物辐射电磁波和温度的关系,可以利用中红外图像可以反演每个像素的温度,进而得到整个图像范围的地面温度场,结果如图 3(c)所示。从图中可以看出,城市区域“热岛效应”非常明显,温度较高,而农村地区温度低一些,水域的温度最低。利用不同地物在中红外波段和可见光波段的光谱特性,结合地面温度信息以及人工地物的形状特点可以获得地面上不同地物的分类结果。如图 3(d)所示,将图像分类成居民地、工厂厂房、道路、裸地、植被、水体等地物。结合图 3(c)和图 3(d)可以进一步看出,在城市区域,工厂厂房密集的地区温度最高,沥青马路在夏日阳光曝晒下温度也很高。

 

4 结论

中波红外图像受雾霾等不良天气影响较小,而且既包含地物发射辐射信息又包含地物反射辐射信息,在自然资源监测过程中可以起到重要作用。利用研制的成像系统可以获得宽幅高分中波红外影像。获得的中波红外影像在地面温度场反演,土地利用分类、变化监测等方面具有广阔的应用前景。