0引 ?言

隨著無人機系統(tǒng)安全性、智能化、續(xù)航以及載荷能力等方面的不斷完善和提升，其在警務(wù)工作中的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在現(xiàn)場勘查、維穩(wěn)安保、應(yīng)急處突、道路交通管理等工作中已經(jīng)發(fā)揮了積極的作用。無人機攝影為解決野外、火災(zāi)、爆炸等特殊現(xiàn)場的方位照相、概貌照相提供了新的手段，通過搭載紅外熱成像、三維數(shù)據(jù)采集等模塊進行非可見光成像檢驗和現(xiàn)場三維重建的研究也日趨成熟。本文通過實驗研究是用無人機載高光譜成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識別室外瀝青道路表面血液痕跡的可行性和準(zhǔn)確性，為無人機在現(xiàn)場勘查中的應(yīng)用提供新的方法和思路。

1材料與方法

1.1?樣本制作

將人體血液、紅色水性金屬漆和醬油滴撒于瀝青混凝土鋪面道路表面，分別形成面積不同的樣本痕跡（如圖1），樣本的種類和斑跡尺寸見表1.其中，人體血液斑跡12塊，尺寸最大為20x50cm，最小為2x2cm；紅色油漆斑跡4塊，尺寸最大為20x50cm，最小為10x20cm；醬油斑跡3塊，尺寸最大為30x30cm，最小為10x15cm。樣本制作完畢后，在自然條件下放置6h左右。

圖1?實驗現(xiàn)場樣本分布圖

表1?各實驗樣本尺寸

1.2?數(shù)據(jù)分析方法

使用軟件對采集到的原始光譜影像數(shù)據(jù)進行輻射亮度校正和反射率計算，計算公式如下：

式中，Reflectanceobject為消除大氣、水汽等因素影響后其他目標(biāo)的反射率，Radianceobject為其他目標(biāo)的輻射亮度，Radiancereference為灰板區(qū)域平均的輻射亮度，Reflectancereference為經(jīng)過國家計量認證定標(biāo)的反射率。

使用光譜角制圖（SAM）算法對數(shù)據(jù)進行分析處理。SAM是基于計算N維光譜向量夾角的一種光譜分類算法，將每個像素點上的光譜曲線按照光譜波段數(shù)N定義為N維向量，通過計算目標(biāo)像素的光譜向量與參考光譜向量在向量空間夾角的大小，來確定二者類別的相似性。此算法需要基于反射率數(shù)據(jù)，對光照條件和反照率效應(yīng)不敏感，但需要提供參考光譜作為訓(xùn)練樣本，通過設(shè)置最大夾角的閾值可調(diào)節(jié)分類的嚴(yán)苛程度，公式為：

α為兩個光譜向量之間的夾角，即光譜角。α的取值范圍在0~90°，其值越小，代表測試光譜向量與參考光譜向量的相似性越高，光譜角的大小只和光譜矢量方向有關(guān)，與其輻射亮度無關(guān)。

2結(jié) 果使用ENVI?5.1軟件中感興趣區(qū)域（region?of?interest，ROI）功能的矢量選擇工具，分別對人體血液、紅色油漆、醬油和灰板區(qū)域進行取樣，不同樣本平均光譜曲線如圖3所示。人體血液、油漆、醬油的反射率光譜差異主要體現(xiàn)在600~800nm波段范圍，其中尤其在紅光范圍內(nèi)的反射率顯著高于另外兩種樣本，但是在近紅外范圍內(nèi)與醬油較為一致；血液在可見光范圍內(nèi)與醬油差異不大，但是在近紅外范圍內(nèi)的反射率明顯高于另外兩個樣本。在光譜角制圖計算過程中，選擇單值模式，閾值角度的最大值設(shè)為0.1弧度，分類結(jié)果如圖4所示，能夠識別人體血液痕跡最小面積為4x4cm

圖2?不用樣本平均光譜曲線圖

圖3?分類后效果圖

（紅色區(qū)域為人體血液，綠色區(qū)域為醬油，藍色區(qū)域為油漆）

3討 論無人機飛行高度是光譜影像數(shù)據(jù)采集過程中的重要技術(shù)參數(shù)。為了提高痕跡物證的發(fā)現(xiàn)率，降低飛行高度是最直接和簡單的方法，然而，在現(xiàn)場使用無人機時，應(yīng)盡量避免旋翼產(chǎn)生的氣流擾動地面物體，以防破壞痕跡物證原始狀態(tài)甚至造成微量物證丟失，同時，現(xiàn)場周圍的建筑物、空中障礙物等都可能對飛行高度的設(shè)定產(chǎn)生影響。本文實驗中，飛行高度設(shè)定為?30?m，相應(yīng)的光譜相機空間分辨率為?13mm。實驗結(jié)果表明，本文中飛行高度的設(shè)定滿足發(fā)現(xiàn)和識別實驗樣本的需要，在以后的實際應(yīng)用和研究工作中，飛行高度尚有降低的空間，以提高無人機載高光譜成像系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)和識別人體血液等痕跡物證的能力。

光譜成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析處理算法是光譜成像技術(shù)區(qū)別于其他刑事影像技術(shù)的特點和優(yōu)勢，其輸出的檢驗結(jié)果也是評價識別能力最直觀的依據(jù)。為丁消除光照強度．大氣．水汽等因素對高光譜影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響，本實驗中，在拍攝區(qū)域放置了經(jīng)國家計量院標(biāo)定過的灰板，用以進行光譜輻射校準(zhǔn)。本文中使用了SAM算法對光譜影像數(shù)據(jù)進行分析處理，結(jié)果表明此算法在光譜一致性、分類準(zhǔn)確度等方面具有較好的表現(xiàn)。下一步將繼續(xù)使用更多的光譜影像數(shù)據(jù)算法對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，通過比較輸出結(jié)果，選擇滿足現(xiàn)場勘查工作需要的算法，開發(fā)專用軟件系統(tǒng)，提供給基層實戰(zhàn)單位。

本次實驗中，由光譜成像系統(tǒng)視場角(16°)、飛行高度（30m），計算可得掃描拍攝幅寬約為?8m，飛行速度13m/s?條件下，采集地面光譜影像數(shù)據(jù)的效率為?10.4m，搭載高光譜成像系統(tǒng)的無人機，去除無人機轉(zhuǎn)向時間和不同掃描條帶之間?30%重疊率等影響因素后，無人機單次起降可獲取12?000掃描區(qū)域的光譜影像數(shù)據(jù)。通過安裝在移動終端的光譜影像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可以現(xiàn)場實時分析所采集到的數(shù)據(jù)，達到秒級響應(yīng)速度。由此推算，實際辦案中使用無人機載高光譜成像技術(shù)，可以在?30?min?內(nèi)準(zhǔn)確獲得不少于10?000?m?犯罪現(xiàn)場血液痕跡分布狀態(tài)的檢驗結(jié)果，能夠有效提高現(xiàn)場勘查效率。

本次實驗結(jié)果表明無人機載高光譜成像技術(shù)在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)血跡等痕跡物證方面具有很高的應(yīng)用價值和研究潛力。本文的研究還存在很多不足之處,比如，血液濃度或血斑厚度等因素對檢驗結(jié)果的影響，還需要設(shè)計進一步實驗研究上述問題。另外，如何快速準(zhǔn)確地區(qū)分人體血液斑跡與動物血液斑跡是刑事技術(shù)領(lǐng)域的熱點研究方向，已經(jīng)在實驗室開展了應(yīng)用光譜成像技術(shù)檢驗區(qū)分人體血液斑跡與雞血、蛇血、魚血等動物血液斑跡的初步研究，正在解決光譜特征篩選、分析算法開發(fā)和檢驗?zāi)芰︱炞C等方面問題，嘗試為實際案件提供一種新的檢驗方法。

同時也對裸露的土壤表面的血液痕跡進行了初步試驗研究。結(jié)果表明，本文提出的方法能夠發(fā)現(xiàn)土壤表面血液痕跡，下一步將針對土壤成分、硬度、干濕度、環(huán)境條件等可能影響檢驗結(jié)果的因素進行系統(tǒng)實驗。另外如何發(fā)揮無人機載高光譜成像技術(shù)在林區(qū)、草地、農(nóng)田等多種自然環(huán)境下現(xiàn)場勘查的應(yīng)用能力，也是繼續(xù)研究的方向。

4結(jié) 論本文研究了使用無人機搭載全息反射光柵型高光譜成像系統(tǒng)采集室外瀝青混凝土鋪面道路表面血液等痕跡光譜影像數(shù)據(jù)的方法，使用光譜角制圖算法分析光譜影像數(shù)據(jù)，發(fā)揮了光譜成祥無損、實時、高靈敏度的優(yōu)勢以及無人機快速、靈活、機動的特點。實驗結(jié)果證明了無人機載高光譜成像系統(tǒng)在室外現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)和識別血液等痕跡物證方面具有較大的應(yīng)用潛力，拓展了無人機和光譜成像技術(shù)在現(xiàn)場勘查中的應(yīng)用范圍。

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萊森光學(xué)- iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機/便攜式高光譜成像系統(tǒng)

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萊森光學(xué)-iSpecHyper-VS系列高光譜成像相機/便攜式高光譜成像系統(tǒng)主要技術(shù)特點

光譜范圍400-1000nm或900-1700nm，分辨率優(yōu)于3nm

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萊森光學(xué)- iSpecField-系列手持式/便攜式地物光譜儀

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萊森光學(xué)-iSpecField系列地物光譜儀主要技術(shù)特點

光譜范圍250-1100nm/250-1700nm/250-2500nm，固定全息光柵一次性快速掃描分光

2048像素面陣BT-CCD，256/512像元InGaAs，高像素雙路探測器同步測量，光譜精度高、分辨率高

主機與工業(yè)級觸控顯示手柄探頭一體化結(jié)構(gòu)，野外測量無需額外電腦，操作靈活

最短積分時間30微秒，測量動態(tài)范圍大，7吋高清觸控顯示遠程觸發(fā)一鍵測量

內(nèi)置＞800萬像素自動對焦攝像頭（相機）、GPS、激光指示器、內(nèi)置光學(xué)快門控制

GPS定位、地物圖像、角度測量、距離測量、空氣溫濕度測量與光譜實時對應(yīng)同步

SpecAnalysis專用地物分析軟件，兼容ENVI、TSG、Arcgis等第三方工具軟件，嵌入了USGS數(shù)據(jù)庫和NDVI等13個植被指數(shù)

豐富測量光學(xué)配件：標(biāo)準(zhǔn)白板/灰板、葉片透射夾、礦物土壤專用探頭、手槍式光纖探頭、室內(nèi)太陽光源、視場角鏡頭、BRDF測量附件、透反射實驗室支架裝置、遠程觸發(fā)器等可滿足野外和實驗室測量需求，可實現(xiàn)透射反射率、輻照度、輻亮度等測試

大容量電池，續(xù)航時間4-5小時，供電電池模塊可拆卸，可配置備用電池模塊，滿足長時間野外測量

萊森光學(xué)（深圳）有限公司是一家提供光機電一體化集成解決方案的高科技公司，我們專注于光譜傳感和光電應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售。
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