DB32∕T 4123-2021 生态地质环境调查航空高光谱遥感技术规程(江苏省).pdf
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1、 ICS 07.040 CCS D 10 32 江苏省地方标准 DB 32/T 41232021 生态地质环境调查 航空高光谱遥感技术规程 Technical specifications of airborne hyperspectral remote sensing for ecological and geological environment survey 2021 - 11 - 04 发布 2021 - 12 - 04 实施 江苏省市场监督管理局 发 布 DB 32/T 41232021 I 目次 前言 . III 1 范围 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语和定义 .
2、1 4 技术流程 . 2 5 准备工作 . 2 资料准备 . 2 5.1 空域使用申请 . 2 5.2 设备准备 . 2 5.3 野外踏勘 . 3 5.4 飞行基本参数确定 . 3 5.5 研究区航线设计 . 4 5.6 6 数据采集 . 5 导航准备 . 5 6.1 仪器设备安装与检查 . 5 6.2 基站布设 . 5 6.3 飞行测量 . 5 6.4 地面基站数据获取 . 6 6.5 地面定标光谱测量 . 6 6.6 地物光谱测量 . 6 6.7 其他数据采集 . 6 6.8 原始数据质量检查 . 6 6.9 7 数据预处理 . 7 辐射定标 . 7 7.1 大气校正 . 7 7.2 几何
3、校正 . 7 7.3 条带拼接处理 . 7 7.4 预处理质量检查 . 7 7.5 8 数据解译 . 7 影像分类 . 7 8.1 信息提取 . 8 8.2 9 专题图制作 . 10 10 报告编制 . 10 附录 A(规范性) 飞行主要技术参数表 . 11 附录 B(规范性) 飞行测量记录表 . 12 DB 32/T 41232021 II 附录 C(规范性) 地面作业记录表 . 14 附录 D(资料性) 航带原始数据信噪比 . 15 附录 E(资料性) 地物分类表 . 16 附录 F(资料性) 采样方法 . 18 附录 G(资料性) 样本容量计算方法 . 19 附录 H(资料性) 混淆矩阵
4、与精度指标 . 20 DB 32/T 41232021 III 前言 本文件按照GB/T 1.12020标准化工作导则 第1部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。 本文件由江苏省自然资源厅提出并归口。 本文件起草单位:江苏省地质勘查技术院、中国地质调查局南京地调中心、江苏省地质学会、江苏苏海信息科技(集团)有限公司、江苏三深光谱感知技术研究院。 本文件主要起草人:刘建东、石剑龙、修连存、徐明钻、罗传根、赵国凤、黄岩、梁森、罗丁、钱冬冬、陈浩峰、方彦奇、郑志忠、姜月华、周权平、徐祖阳、梁胜跃、李季。 DB 32/T 41232021 1 生态地质环境调查航空高光谱遥感技术规程 1 范围 本
5、文件确立了生态地质环境调查过程中应用航空高光谱遥感的工作流程, 规定准备工作、 数据采集、数据预处理、数据解译、质量控制、资料整理与成果编制的要求。 本文件适用于以航空飞行器为搭载平台的航空高光谱遥感生态地质环境调查。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。 其中, 注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。 GB/T 15661-2008 1:5000 1:10000 1:25000 1:50000 1:100000地形图航空摄影规范 GB/T 27919-2011 IMU/
6、GPS 辅助航空摄影技术规范 DD 2011-02 遥感解译地质图制作规范(1:250000) DD 2011-03 遥感地质解译方法指南(1:50000、1:250000) DD 2014-13 岩矿波谱测试技术规程 DD 2014-14 机载成像高光谱遥感数据获取技术规程 TD/T 1055-2019 第三次全国国土调查技术规程 3 术语和定义 下列术语和定义适用于本文件。 3.1 生态地质环境调查 ecological and geological environment survey 综合生态环境调查和地质环境调查的任务及内容, 从人类生产生活和社会经济发展的视角对地质环境及其生态属性
7、、功能进行调查和评价,主要包括地表基质层、土壤、植被、水体等关键要素的分布、属性、状态、功能。 3.2 高光谱遥感 hyperspectral remote sensing 光谱分辨率达到 10-2 量级以上,可获取地物连续且完整的光谱数据的遥感技术。 3.3 航空高光谱遥感 airborne hyperspectral remote sensing 以航空飞行器为平台的高光谱影像及相关数据获取、处理及应用的遥感技术。 3.4 视场角 field of view 在光学仪器中, 以光学仪器的镜头为顶点, 以被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。 3.5 瞬时视场 instan
8、taneous field of view DB 32/T 41232021 2 仪器的光敏探测单元投影所张的立体角。 3.6 信噪比 signal-to-noise ratio 信号与噪声的功率谱之比。 3.7 反射率 reflectance 物体反射的辐射能量占总辐射能量的百分比。 3.8 端元 endmember 影像上只包含一种地物信息的最小单元。 4 技术流程 生态地质环境航空高光遥感技术流程包括准备工作、数据采集、数据预处理、数据解译、报告编制及专题图制作,技术流程见图1。 图1 生态地质环境航空高光遥感技术流程图 5 准备工作 资料准备 5.1 应根据专题研究需要收集资料,主要包
9、括: a) 地质资料,包括区域地质、矿产地质、水文地质、工程地质、环境地质、地球物理、地球化学、遥感地质、地物波谱特征等基础地质资料; b) 地形地貌资料,包括地形图、数字高程模型等资料; c) 土壤、植被资料,包括土壤、植被的调查研究资料; d) 水文气象资料,包括气象站和水文系统多年统计资料; e) 经济社会发展资料,包括行政区划、社会经济、国土空间规划、土地利用及重大工程现状等。 空域使用申请 5.2 根据工作任务和航线参数计算的结果,依法向空域管理部门申请空域使用。 设备准备 5.3 5.3.1 成像光谱仪 航空成像光谱仪的性能应满足以下要求: 准备工作数据采集质量检查数据预处理质量检
10、查数据解译验证报告编制专题图制作合格不合格合格不合格合格不合格DB 32/T 41232021 3 a) 谱段范围为可见光-短波红外,波长 400 nm2500 nm; b) 可见光-近红外范围(400 nm1000 nm)光谱分辨率优于 5 nm;短波红外范围(1000 nm 2500 nm)光谱分辨率优于 15 nm; c) 瞬时视场优于 3 mrad; d) 成像光谱仪性能稳定, 工作前应经过波长定标和辐射定标, 按 DD 2014-14 中附录 A 进行定标。 5.3.2 地物波谱仪 地物波谱仪的性能应满足以下要求: a) 谱段范围为可见光-短波红外,波长 400 nm2500 nm;
11、 b) 可见光范围光谱分辨率优于 3 nm;短波红外范围光谱分辨率优于 7 nm; c) 光谱采集视场角为 1 25; d) 地物波谱仪性能稳定,配带标准白板和黑板。 5.3.3 航空飞行器 航空飞行器应符合以下要求: a) 根据实际情况选择无人机、有人驾驶直升飞机、有人驾驶固定翼飞机等飞行器; b) 飞行器应有足够的载荷能力与空间范围,满足安装成像光谱仪及相关设备的要求; c) 保证卫星导航定位信号接收正常; d) 飞行器的飞行速度、高度应满足数据采集技术要求; e) 选择密封舱飞行器或者密闭吊舱时,镜头窗口加装光学玻璃的光学参数应满足成像光谱仪数据采集要求。数据采集前,光学玻璃与仪器一起进
12、行室内定标。 5.3.4 空间定位与姿态测量设备 空间定位和姿态测量设备应符合以下要求: a) 与航空成像光谱仪配套,设备应符合 GB/T 27919-2011 中 4.1.2.2 的规定; b) 如需要对卫星导航定位系统数据进行差分计算,应具备地面卫星导航定位系统基站设备或者开通卫星导航定位实时差分服务。 野外踏勘 5.4 5.4.1 野外踏勘应开展以下工作: a) 了解研究区的地形地貌、地质特征、地表环境等情况,基本掌握研究区各项生态地质环境因子的分布现状和规律; b) 野外踏勘的路线应贯穿主要生态地质环境因子类型,必要时采集典型样本; c) 应选定基站架设地和飞行器起降场地,初步确定同步
13、观测点; d) 查实研究区是否在禁飞区范围内。 5.4.2 基站架设地应符合 GB/T 27919-2011 中 5.3.1 和 5.3.2 的规定。 5.4.3 航空飞行器起降场地应远离高压线、 住宅楼等, 周围视野开阔且无高塔、 高楼、 大树等阻挡物。 飞行基本参数确定 5.5 5.5.1 空间分辨率 空间分辨率根据研究目标大小和地形特点依据表1确定,应满足遥感制图比例尺要求和数据精度。 DB 32/T 41232021 4 表1 空间分辨率一览表 比例尺 空间分辨率/m 1:2000 0.2 1:5000 0.5 1:10000 1.0 1:25000 2.5 1:50000 5.0 5
14、.5.2 飞行高度 飞行高度(相对航高、绝对航高)根据5.5.1所确定的空间分辨率和成像光谱仪的瞬时视场确定,按照附录A中的公式计算。 5.5.3 飞行速度 最大飞行速度(地速)根据空间分辨率和成像光谱仪的扫描速率确定,按附录A中的公式计算。 研究区航线设计 5.6 5.6.1 研究区分区 5.6.1.1 研究区分区应符合以下原则: a) 符合 GB/T 15661-2008 中 3.2.3 的要求; b) 分区内的地形高差一般不大于 1/4 相对航高(以分区的平均高度平面为基准面的航高);当制图比例尺大于 1:5000 时,分区内的地形高差不得大于 1/6 相对航高。 5.6.1.2 根据研
15、究区分区原则,在设计底图上将研究区划分为若干个分区,并按从左到右、自上而下的顺序进行编号。 5.6.2 航线敷设参数 5.6.2.1 航线敷设应符合以下原则: a) 综合考虑地质地貌条件、工作效率、气象条件和具体工作需要等因素确定航线,一般沿研究区长轴方向敷设; b) 航线敷设时,航带旁向重叠率一般为 20%50%,不同地形条件依据表 2 确定; 表2 不同地形类型的航带旁向重叠率要求 地形类型 航带旁向重叠率 平原 20%30% 丘陵 25%35% 山地 30%50% c) 位于研究区边缘的首末航线应设计在研究区边界线上或边界线外。 5.6.2.2 航线参数主要内容包括:分区面积、航带条数、
16、航带长度、分区平均高程、分区最大高差、各分区的绝对航高、航带幅宽、航带间隔,以及每条航线起始点、进入点、飞出点和终止点的坐标。 DB 32/T 41232021 5 6 数据采集 导航准备 6.1 根据航线计算结果, 在导航设备录入各条航线的起点终点坐标, 并与飞行员或领航员进行充分沟通,保证导航数据正确有效。 仪器设备安装与检查 6.2 仪器设备的安装和检查应按照以下要求执行: a) 电源可持续稳定供电,电流、电压正常; b) 所有系统部件安装正确,安装过程严格按照设备使用手册进行; c) 传感器镜头不能遮挡,电缆连接正确; d) 完成安装后,进行仪器设备的运行测试和检查,仪器设备运行、数据
17、记录和存储正常; e) 起飞前检查传感器及其它设备状态,确保仪器设备正常工作。 f) 检查完成后填写检查记录表,表格式样见附录 B 中表 B.1。 基站布设 6.3 基站的布设和测量应符合GB/T 27919-2011中5.3.3和5.3.4的要求。 飞行测量 6.4 6.4.1 基本要求 飞行测量应符合以下要求: a) 数据采集设备每次拆卸安装,或设备各部件相对关系发生改变后,均应重新进行检校飞行; b) 在航线内航高变化不应超过相对航高的 5%,分区内实际航高不应超过设计航高的 5%; c) 飞行质量参数应符合表 3 的要求; d) 飞行环境条件应满足: 1) 太阳高度角应大于 30,飞行
18、时间宜选择在当地时间 10:00-15:00 之间; 2) 晴空,大气洁净,能见度大于 15 km。 表3 飞行质量参数要求 飞行参数 质量要求 航线弯曲度 3% 航线飞行俯仰角 3 航线飞行横滚角 6 飞行上升、下降的速率 10 m/s 6.4.2 机上数据采集 机上数据采集应符合以下要求: a) 每日作业任务开始前需填写飞行任务书,格式见附录 B 中表 B.2,并由数据采集现场负责人向飞行员(领航员或操作员)详细说明当日飞行任务,双方签字确认; b) 飞机引擎启动后,接通电源,启动仪器设备,设备工作正常,技术参数设置正确; DB 32/T 41232021 6 c) 数据采集过程中,监控人
19、员监测航迹、航高、航速,同时监测气象条件(云量、能见度),填写飞行记录表,格式见附录 B 中表 B.3; d) 飞行结束后, 机上定位设备在静止状态下收集至少 30 分钟的数据, 仪器关闭后及时备份数据。 地面基站数据获取 6.5 飞行前半小时应打开地面基站,在卫星导航定位基站搜索卫星成功后(至少8颗卫星),采用静态测量模式记录数据,数据记录频率应高于1 Hz。飞行结束半小时后停止记录,关闭地面基站,导出基站数据并备份。 地面定标光谱测量 6.6 6.6.1 飞行测量过程中,应采用地物波谱仪进行定标场或同步航线地面光谱测量。 6.6.2 明暗地物或黑白布辐射定标场的同步或准同步地面光谱测量,测
20、点应均匀分布于定标场,每一定标场地光谱测量不少于 30 个测点。 6.6.3 同步或准同步航线地面光谱测量的采集路线应兼顾飞行路线条件与地面地物条件,每条航线范围内至少一个地面光谱采集点,每个采集点的纯净地物面积应不小于 33 像元。 6.6.4 地面光谱测量应符合 DD2014-13 中关于野外波谱测试的相关规定。 6.6.5 测量过程中应记录采集点位置、时间和对应的架次及航带。 6.6.6 地物采集避免房屋建筑、树木等遮挡,同一地物采集光谱不少于 5 条。 6.6.7 采集同步地物光谱应填写飞行同步地物波谱采集记录表,表格样式见附录 C 中表 C.1。 地物光谱测量 6.7 6.7.1 应
21、在航拍期间进行研究区内地物的光谱采集。 6.7.2 地面光谱测量应符合 DD 2014-03 中关于野外波谱测试的相关规定。 6.7.3 地物采集避免房屋建筑、树木等遮挡,每个采集点的纯净地物面积应不小于 33 像元,同一地物采集光谱不少于 3 条。 6.7.4 光谱测量同时应进行坐标测量和现场拍照。 6.7.5 采集地物光谱应填写地物光谱采集记录表,表格样式见附录 C 中表 C.2。 其他数据采集 6.8 根据工作需求采集相应样品并获取样品数据,样品采集及数据处理按照相应标准执行。 原始数据质量检查 6.9 6.9.1 飞行质量应检查以下内容: a) 检查飞行记录中的参数设置与飞行设计的一致
22、性; b) 飞行航迹数据与飞行方案设计航迹的一致性; c) 对每架次的惯导定位数据进行完整性、准确性检查。 6.9.2 航空高光谱原始数据质量应检查以下内容: a) 研究区范围内数据采集完整性,如有漏洞,漏洞面积占比应不大于 1%; b) 检查原始数据影像清晰度、影像亮度有过饱和或过暗的现象; c) 统计各条带的云量、阴影的百分比情况,单航带云和阴影面积应小于 5%; DB 32/T 41232021 7 d) 波长范围 660 nm 处的信噪比应大于 400,波长范围 2120 nm 处的信噪比应大于 100,信噪比的计算方法参见附录 D。 6.9.3 应检查基站数据的准确性和内容的完整性,
23、检查记录中的参数设置与设计的一致性。 6.9.4 检查地物光谱数据质量应符合 DD 2014-03 中要求,检查记录表填写的完整性。 6.9.5 对质量不合格航带应及时补飞或重飞。 7 数据预处理 辐射定标 7.1 根据仪器辐射定标获得的传感器定标参数,将成像光谱仪的数字量化值转为辐射亮度值。 大气校正 7.2 在辐射亮度转换的基础上,进行大气校正去除大气影响,完成地物反射率计算。进行航空高光谱影像数据的反射率计算可采用经验模型或辐射传输理论模型。 几何校正 7.3 7.3.1 进行坐标投影转换,将地理坐标转换为平面投影坐标。 7.3.2 将机上定位与姿态测量数据与地面卫星导航定位基站数据或其
24、它数据结合差分处理,生成影像几何校正所需要的空间定位与姿态测量文件, 文件应包含以下信息: 时间、 经度、 纬度、 高程、 俯仰角、横滚角、航向角。 7.3.3 根据空间定位与姿态测量文件,结合数字高程模型进行正射校正,消除地形因素的影响;将辐射定标后的数据赋予坐标信息,进行几何畸变的粗校正处理。 7.3.4 在几何粗校正的基础上,利用采集的控制点对所有航带进行几何精校正。 条带拼接处理 7.4 7.4.1 拼接的条带应具有相同空间分辨率和光谱分辨率,且在同一坐标系下。 7.4.2 同一地物在相邻条带间的光谱差异小,保证拼接后的影像反差一致。 7.4.3 条带拼接后形成的镶嵌影像上同名点几何位
25、置应对齐。 预处理质量检查 7.5 7.5.1 几何校正后,影像中的地物目标没有严重的变形和缺失,几何中误差小于 3 个像元。如不符合需要重新进行几何校正。 7.5.2 在每条航线选取应不少于 3 种地物的检查点,获取检查点的光谱反射率曲线,与实测地面光谱或光谱库中的标准光谱进行对比, 要求二者光谱曲线形态和变化趋势一致、 谱带位置和谱带特征无明显变异。如不符合需要重新计算光谱反射率。 8 数据解译 影像分类 8.1 8.1.1 分类体系 DB 32/T 41232021 8 根据调查目标的光谱属性和自然特征, 对生态地质环境要素进行科学分类, 为生态地质环境调查提供基础数据。根据专题研究实际
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