四年磨一剑，他解决了无人机遥感应用领域的一个难题
日前，资环学院定量遥感团队在“无人机热红外遥感”方面取得重要研究进展。他们在遥感领域顶级期刊《ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing》（中科院一区，IF：11.774，国际摄影测量与遥感协会ISPRS会刊）发表题为“A robust registration method for UAV thermal infrared and visible images taken by dual-cameras”的学术论文。博士研究生孟令宣为该论文第一作者，周纪教授为通讯作者，电子科技大学为论文第一署名单位。
01
躬行实践，四年一剑西北黑河流域是我国第二大内陆河流域，也是国内高校、科研单位的重点数据采集研究地区之一。距离黑河流域花寨子站站点一个小时左右的车程，是资环学院博士生孟令宣与同门师弟师妹进行数据采集时的临时住宿点。
2019-2020年两年时间内，每年5月份到10月份，每个月7-10天，孟令宣都要与同门师弟师妹一起，背上导师周纪教授专门为户外数据采集选购的相机、无人机等实验器材，前往西北黑河流域进行遥感数据采集工作。
还记得第一次来到西北进行户外数据采集时，干燥的气候对孟令宣这个初来乍到的南方人而言略显“苛刻”，但西北好客的风土人情与厚实自然的美食让困难不值一提。每每结束一天的采集工作，课题组会一起去吃西北美食，孟令宣说道：“大家说说笑笑，感觉一天的疲惫烟消云散了，第二天也有气力继续干好工作！”
总共100多天的数据采集工作里，无人机、相机和电脑，这“三大件”是孟令宣时刻相伴的“搭档”。但用无人机进行数据采集工作并不是一件容易事，孟令宣面临的是压力与技术两只“拦路虎”。
无人机飞得越高，相机分辨率就会降低，但覆盖地物范围越广，飞行航次就会减少，从而节省作业时间。为了平衡飞行航次与分辨率二者的要求，在得到分辨率较高的数据的同时保证每天作业的效率，孟令宣与师弟师妹最后多次试验确定无人机的飞行高度控制在100-300米之间为宜。
但无人机飞偏、拍摄照片模糊等小问题在最初几次飞行中还是常常出现，“飞得不顺不好，意味着我们在外面待的时间就更久。我不能因为自己无人机操作影响了大家按时返回！”心理压力驱使孟令宣在每次无人机飞行中，时刻注意少犯、不犯之前的操作失误，提升操作无人机的技术。100米到300米的高度飞2公里×1.5公里的范围，对10天飞行之后的孟令宣来说已不在话下。
遥感领域的数据采集工作需要利用无人机、相机在天上取代人眼来“看”，如何让它“看”得不仅广而且准，这就要依赖于无人机搭载的——配备热红外和可见光传感器的相机，它可以拍摄无人机热红外和可见光图像，从而获得对应的光信号和温度信息，通过配准和图像处理，进而达到“看”得清楚准确的目的。
02脚踏实地，敢于创新
在整个课题组历时两年的数据采集与初步处理工作得到的数千组数据的基础上，孟令宣选择了热红外与可见光图像配准研究方向，因为图像配准是诸多后续应用的基础。
所谓图像配准，是指把图像的点对应起来。多镜头的位置不同导致其拍摄的图像之间存在偏差，孟令宣所要做的，便是将这些偏移的点更准确地对应在相同的像素位置。孟令宣在三个站点的数据中各抽取了150张、傍晚和夜间拍摄的150张，共600张数据作为测试集，进行图像配准。
配准工作并没有看上去那么轻松。热红外和可见光图像之间存在着明显的辐射间隙、形状间隙和纹理间隙，这使得传统基于区域的方法不能同时满足位置的精度和鲁棒性，而基于图像金字塔的方法计算成本较高。
孟令宣构建了一种新的配准方法，利用相似度图聚合的思想来同时提升影像间对应点的鲁棒性和准确性，有效克服了特征匹配方法中关键点重复率低和模板匹配方法中定位精度低的问题，成功实现了无人机热红外与可见光影像间亚像素级的配准精度。经过测试，该配准方法在不同地面场景和光照条件下均达到最优表现。
该研究成果有效地解决了无人机遥感同时获取高配准精度多源遥感影像的难题，保证了多源遥感影像的协同使用。
研究成果最终需要落地为生产生活创造价值，研究的正确性也需要实践的反复验证。据孟令宣介绍，该成果正在接受应急管理部国家自然灾害防治研究院的相关应用论证，希望能在管涌问题上得到突破。该成果同时还在中国科学院西北生态环境资源研究院等单位得到应用，相关无人机遥感影像已通过国家青藏高原科学数据中心公开发布。
管涌检测作为老大难问题，其检测方法一直有待突破。单纯使用遥感影像，无法准确判定渗水的位置，在遥感影像确定的模糊范围内，通过借助热红外影像观察到温度差异，二者通过图像配准，便可以定位到管涌的具体位置。两者的匹配精度越准确，管涌的具体位置就越具体，耗费的人财物力就越小。孟令宣的方法被国家自然灾害防治研究所研究人员孙洪泉注意到，在与孟令宣的导师周纪教授取得联系之后，其方法很快被应用到关于管涌检测领域。
除管涌检测以外，孟令宣在论文检索中发现他的研究成果也可以应用在监控和瓦斯检测等方面，他研究的热红外、可见光图像配准是遥感领域里的基础工作，在定量遥感反演和图像信息提取等方面具有广泛的应用潜力。
04起航成电，意气风发
谈到读博最大的收获时，孟令宣提到了抗压能力和对科研过程、方法的理解。从文献的搜集、方法的复现再到自己去解决问题、突破问题，他最大的感受是在日复一日的科研中，“你要始终相信你可以做出成果并为之努力，你就成了”！
从本科空间信息与数字技术专业方向到硕士的测绘科学技术方向，再到博士的遥感信息科学与技术，孟令宣在成电度过了十年光阴，也在遥感方向耕耘了十年。“我非常感谢学校和学院提供的平台，以及导师对我做科研的支持，还有家人的关心，我做出成果是离不开这一切的。”
“我最近正在写毕业论文与找工作，期望去企业、科研院所继续遥感方向的研究，我相信会很顺利的！”四年的研究经历对于孟令宣而言，不仅是甘坐冷板凳的科学精神，更是一段自我探索，让他收获了自信与动力，更让他对未来充满信心！
文字：学生记者团 秦梦圆 张和煦
图片由受访者提供
编辑：微视野工作室 贾佳
推荐阅读