UAV（無人航空機）＋空中ハイパースペクトル研究および応用展望

この記事では、主に Foxtech Robot V10 および D20 ドローンに搭載された Headwall Co-aligned 400 ~ 2500nm ハイパースペクトルイメージャーの応用について紹介します。Foxtech Robot V10 および D20 モデルは、大型積載量と長時間飛行プラットフォームの応用上の問題をうまく解決しています。これにより、広範囲で高品質のハイパースペクトル アプリケーションの普及が実現します。ハイパースペクトル データは、柔軟性、高解像度、クラウド下での動作といった特性から、農業、林業、軍事、地質学、鉱業、緊急対応、土地計画など多くの分野で広く使用されています。Foxtech Robot V10、D20 UAV + ハイパースペクトルイメージャーは、作業エリアでのイメージングとスキャンにより、地上の物体の反射率データを迅速に取得し、イメージャーに内蔵された高精度慣性航法 (IMU/GPS) を使用してイメージングの歪みを補正し、ロスレスでオリジナルの地上の物体を効率的かつ正確に識別します。

V10/D20は、Foxtech Robotが新たに開発した、大容量、長時間飛行、多機能、高精度、高効率のUAVシステムです。V10は大容量垂直離着陸型UAVシステム、D20は大容量回転翼型UAVシステムです。両UAVシステムは「大容量と長時間飛行」に重点を置き、Foxtech Robot製品の工業的かつモジュール式の設計思想を継承しています。両機種とも汎用インテリジェント電源バッテリーとハイエンドペイロード機器を使用し、可視光航空測量モジュール、可視光傾斜モジュール、可視光ビデオモジュール、熱赤外線カメラモジュール、熱赤外線ビデオモジュール、マルチスペクトルモジュール、ハイパースペクトルモジュール、ライダーモジュール、合成開口レーダーモジュール、および一部の複合モジュールを装備できます。高精度差分GNSSボードと標準ネットワークRTK/PPKを装備し、統合ソリューションサービスは高精度POS支援航空三角測量をサポートし、制御点なしで1:500の大規模マッピングが可能で、画像制御不要のアプリケーションを実現します。両機種と​​も「Drone Manager Professional Edition (Measurement Edition)」ソフトウェアを装備し、正確な3次元地形に基づいてインテリジェントルートと共同ルートプランニングをサポートし、さまざまなアプリケーションのニーズを満たし、正確な地形と3次元リアルタイム飛行監視に従うことができます。 GPS融合計算、制御点測定、空中三角測量計算、ワンクリックで立体地図のエクスポート、高精度統合航法軌跡計算、点群処理と分類などの機能をサポートし、DOM、DEM、DSM、TDOM、LAS点群などのさまざまなデータ結果の処理と閲覧を提供します。

HeadWall Co-aligned 400-2500nmハイパースペクトルイメージャーは、アメリカのHeadWall社が製造するフルスペクトルイメージャーです。現在、中国で唯一のUAV搭載型400-2500nmイメージャーです。HeadWall社は主に回折格子、分光器などの製品を製造しており、リモートセンシング、軍事・国防、マシンビジョン、バイオメディカルなどの分野で幅広く使用されています。HeadWall Co-aligned 400-2500nmイメージング方式は古典的なラインスイープイメージングで、各ピクセルは実際に収集された正確なスペクトルに対応します。全反射同心円光学設計を採用し、コンパクトな構造、迷光が少なく、信号対雑音比が高くなっています。機械式シャッターなどの可動部品がなく、耐衝撃性に優れ、マップが統合されています。各ピクセルは実際に収集されたスペクトルであり、スペクトル分解能を備えています。効率が高く、スペクトル特徴情報はより豊富で信頼性が高く、位相差補正画像のスマイルとキーストーン歪みが最小限に抑えられ、ノイズを低減するために元のスクラッチグレーティングが使用されています。分光計システム全体は小型で高度に統合されており、レーザーライダー同期に適応できます。ハイパースペクトルデータと点群データを取得するために、2 つのデータ融合プロセスも実行できます。一般的なハイパースペクトル機器と比較して、HeadWall Co-aligned には次の利点があります。(1) 広帯域範囲、400-2500nm。(2) 軽量機器、重量はわずか 2.8kg。(3) 高度に統合されており、機器統合には高精度慣性航法、400-2500nm イメージャ、およびレーザー LIDAR があります。(4) 地上の物体のスペクトルを実際に収集します。

物質によって分子、原子、イオンの組成が異なり、同じスペクトル範囲で反射または吸収される光エネルギー分布も異なります。スペクトル曲線の特性から、物体の反射または吸収スペクトル曲線は波長の変化に伴って規則的に変化し、すなわちスペクトル曲線上に特徴的なピークとトラフが現れます。ハイパースペクトルイメージャーは、人間の指紋のように、これらのエネルギーの違いを識別できます。異なる物質の「スペクトル指紋」に基づいて、スペクトルデータのスペクトル特性を分析することでスペクトル特性が抽出され、それによって研究対象の識別と区別が実現されます。

HeadWall Co-alignedは、地表物体の400～2500nmの可視光～短波赤外線スペクトル信号を取得します。地表物体のスペクトルフィンガープリントに基づいて、変質鉱物、汚染物質、カモフラージュ、植生などの地表物体情報を迅速に抽出・分析できます。

UAVハイパースペクトル運用プロセスは、作業目的とタスクから始まり、対象エリアを選択し、対象エリアのサイズとモデルに応じてマルチローターまたは固定翼UAVを選択し、UAVのルートを計画します。イメージャーのデータ取得方法は、カメラを連続的に押して掃引し、地上の物体のスペクトルを取得することです。飛行ミッションが完了すると、VNIR、SWIR、慣性航法データがダウンロードされ、反射スペクトルデータは技術的な手段によって画像に変換されて表示され、その後、ハイパースペクトルデータが処理されます。前処理では、スペクトル指紋特性スペクトルと地上物体のスペクトルデータに基づいて、地上物体のスペクトル特徴認識モデルが構築され、未知の領域が反転および予測されます。具体的なフローチャートは図2に示されています。

UAVハイパースペクトル処理プロセス

放射輝度と反射率

ハイパースペクトルイメージャーは、位相差が小さい全反射同心円光学設計を採用し、特別に設計された光学素子を使用しています。取得誤差は1ピクセルを超えないため、基本的にスマイル歪みやキーストーン歪みが解消されます。光はスリットを通過し、グレーティングによって分割され、センサーに当たって空間次元とスペクトル次元の2次元データを生成します。スリットは地面上の線に対応します。ドローンの移動軌跡に従って、線が表面に移動するため、2次元の空間次元と1次元のスペクトル次元が得られ、最終的にハイパースペクトルデータキューブが得られます。

地上の物体からの反射光がハイパースペクトルイメージャのセンサーに入り、光信号が電気信号に変換されてセンサーの元のDN値を取得します。ソフトウェアSpectralViewを使用してDN値を放射輝度に変換します。センサーの各ピクセルの応答は不均一であるため、メーカーは工場出荷前に均一積分球を使用して放射輝度を校正し、各ピクセルの均一性を実現し、単位のない元のDN値を単位付きの放射輝度値に変換します。これにより、他のデバイスと比較できるようになります。DN値は放射輝度に変換されます。

地上物体のスペクトル特性を明らかにするには、放射輝度値を反射率に変換する必要があります。このプロセスでは、比較対象としてターゲットを使用する必要があります。一般的に、反射率の異なる 3 つのターゲット (白布、灰色布、黒布など) が使用されます。各ターゲットは既知の反射率を持ち、地上物体のスペクトルとターゲットのスペクトルを同時に収集することで、ソフトウェア SpectralView を使用して地上物体の反射率を取得できます。

天候の影響を受け、ドローンは最初から最後まで安定した姿勢を維持できず、ドローンの飛行中にロール、ピッチ、ヨーなどのさまざまな変化が発生し、取得画像にさまざまな変形や歪みなどが生じます。HeadWallには高精度慣性航法GPS/IMUが搭載されており、姿勢と位置情報を記録して画像補正を行います。同時に、HeadWallは16ラインレーザーLidarも統合し、同時飛行で高さ100m未満の3次元点群データと垂直構造情報を記録し、最終的に高精度の画像補正を実現します。高精度慣性航法は地上基地局と組み合わせることができ、POSPac UAVソフトウェアを介してポストPPK差分を実現し、位置と姿勢の精度を向上させます。SpectralViewソフトウェアを使用してセンサーの視野と瞬間視野を組み合わせ、その時点での飛行の位置情報と姿勢情報を介して各フレームの真の位置を復元し、オルソ補正を完了します。

データ融合は、レーザーライダーで取得した地形データとハイパースペクトルデータを融合することができます。擬似カラー画像では、赤色チャンネルが急峻な地形（崖、樹木など）を強調し、緑色チャンネルと青色チャンネルが植生と地表の差異を拡大します。さらに、DEMデータがデータキューブにチャンネルとして追加されます。

地形データとハイパースペクトルデータの融合

UAVハイパースペクトルは、監視と早期警戒、地質調査、軍事迷彩識別、特徴分類、環境汚染物質情報抽出、農業収量推定、成長状況監視、林業樹種識別、建設計画、プロジェクト用地選定など、さまざまな分野で広く使用されています。以下では、いくつかの事例を選択して分析します。

森林の健全性モニタリング

マツ林の健康状態を監視するには、病気の初期段階にあるマツの木と健康なマツの木の緑色と一般的な可視光画像とを区別することは不可能です。そこで、航空機搭載型イメージャーを使用して健康なマツの葉冠の反射スペクトルを測定し、病気のマツの木の葉冠の反射スペクトルも測定しました（図9中央）。健康なマツの木は勢いよく成長し、葉に十分な水分があり、クロロフィル細胞が活発で、緑色と近赤外線帯域で比較的強い反射を示します。病気のマツの木も緑色と近赤外線帯域で比較的強い反射を示します。害虫による侵食のため、マツの木は活力が弱く、葉の水分が少なく、クロロフィル細胞が不活性で、黄色を呈し、緑色と近赤外線帯域での反射率が低くなっています。これら2つの異なる特徴に基づき、地上から抽出したスペクトル特性と組み合わせることで、病気のマツの木を特定できます。また、健康な松の葉冠のスペクトル指紋特性を特定し、関連するスペクトルモデルを構築し、UAVハイパースペクトルによって広範囲のスペクトル画像データを取得し、モデルに基づいて逆解析を行うことで、広範囲の対象地域における松の木の健康状態の調査を実現する。

変装の識別

弾薬山の迷彩識別。これは、弾薬山の上にあるサーブ・バラクーダの迷彩ネットです。従来のRGB撮影では、迷彩ターゲットが地面の背景に溶け込み、視覚的に背景に「消えて」しまい、迷彩ターゲットを識別することが不可能でした。迷彩ネットは地面の背景とは異なる400～2500nmの全スペクトル範囲にあるため、UAVハイパースペクトルを使用して画像を取得し、処理することで背景情報を抑制し、同時にスペクトル異常を分離・増幅することで、迷彩ターゲットを背景から分離し、迷彩ターゲットを可視化します。

特徴分類

作物の分類に関して。地上実験に基づき、地上分光計を用いて大麦、ジャガイモ、オート麦、アルファルファ、菜種、ほうれん草などの様々な作物のスペクトルを測定し、スペクトル指紋特性を取得しました。次に、ドローンハイパースペクトルシステムを用いて作物の「統一スペクトル」スペクトル画像を取得し、スペクトル指紋特性に基づいてSAMスペクトル角度計算により様々な作物を分類しました。

鉱物や宝物を探す

鉱物によって原子組成が大きく異なるため、1000～2500nmの波長域で明らかな違いが生じます。ハイパースペクトル技術は、鉱物識別の分野でもその真価を発揮した最初の技術です。現在、国際的に認められているスペクトルライブラリも鉱物スペクトルに基づいています。このスペクトルライブラリを基に分光計を用いることで、鉄鉱石、銅鉱石、金などの金属を現場で非破壊的に識別することが可能です。

変質は鉱物探査において重要な指標です。変質した鉱物はそれぞれ異なるスペクトル特性を示します。熱水鉱床はすべて変質と関連しています。UAVハイパースペクトロスコピーを用いることで、地表物体や変質鉱物、そしてそれらの特性のスペクトル特性を取得できます。これらのスペクトル特性を組み合わせることで、広範囲の探査という目標を達成できます。

土壌水分含有量の推定

土壌水分含有量 (SMC) は、土壌の重要な物理的パラメータであり、土壌団粒構造と栄養状態の主要な制約です。SMC は、土壌の物理的および化学的生理学的プロセスに影響を与えます。農地の正確な土壌水分状態を理解することで、農地の灌漑システムをより効果的に管理できます。作物の生育の重要な段階で土壌水分状態を的を絞って改善することで、作物の収量と品質を向上させることができます。サンプルは農地で均一にサンプリングされ、実験室で処理および乾燥されます。一部のサンプルはモデルセットを維持するために採取され、一部のサンプルは検証セットとして使用されます。フィルタリングとノイズ除去の後、各サンプル領域の平均スペクトルが取得され、異なるスペクトルインデックスを使用して土壌水分を選択および推定します。土壌水分含有量の最適なバンド、およびこれに基づいて、土壌水分含有量を反転するための定量的推定モデルが確立されます。

V10およびD20 UAVは、大型積載量、長時間飛行プラットフォームの応用および搭載の問題をうまく解決しました。HeadWall Co-aligned 400-2500nmハイパースペクトルイメージング装置は、400-1000nm装置よりも広いスペクトルデータを持っています。同じ地上解像度で400-1000nmと1000-2500nmのハイパースペクトルデータを同時に取得でき、スペクトルフィンガープリント情報の識別精度が高くなります。UAV + HeadWall Co-aligned 400-2500nmハイパースペクトルイメージャは、広範囲の高品質ハイパースペクトルデータを提供し、農業、林業、地質調査、考古学、都市計画、環境モニタリング、早期警戒などの分野で幅広く使用できます。