基于无人机的水生植被监测方法及系统与流程

本发明属于水环境监测技术领域，特别是一种基于无人机的水生植被监测方法及系统。

背景技术：

对大面积区域水污染情况进行实时监测，是预防违法、违规排放污废水、及时治理水污染，如蓝藻等快速生长的水生植物对水环境的污染的有效方式之一。

对大面积区域水污染监测主要采用遥感监测和无人机监测方式。

水污染遥感监测具有快速、宏观、实时的特点,其数据能直观反映水污染在区域上的分布情况,是对大面积水域的污染情况进行监测的有效途径。但其存在使用成本高、定点监测精度不够的问题。

由于无人机具有起降占地小、对地形要求低、可在空中悬停定点观测等优点，近年来，基于无人机的水污染监测开始应用。如2012年，由华南理工大学按照中国海监广东省总队的要求研制的中国首架自主研发的海监无人直升机投入使用，主要搭载摄像头、照相机、微波等视频和图像采集传输设备，进行实时空中图像和数据传播，然后依靠数据来执行分析广东近海的海洋执法监察、环境监测、环境保护等任务。中科院上海技术物理研究所设计了无人机载小型多光谱成像仪，使其搭载在无人机SE-1(海洋探索1号)平台，成为一种灵活机动的海洋监测工具，用于海洋污染、赤潮发现、原油泄漏等重大事件的监测。

但是，现有基于无人机的水污染监测对快速生长的水生植被的污染情况均采用光学或红外手段。这种方式由于光学传感器的高分辨率，在晴朗的白昼精度较高，但是在黑夜、阴雨天、雾霾天气，其监测精度则大幅下降，难以满足对快速生长的水生植被实时监测的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于无人机的水生植被监测方法，全天时、全天候工作，监测精度高。

本发明的另一目的在于提供一种基于无人机的水生植被监测系统，能全天时、全天候、精度高监测水生植被。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于无人机的水生植被监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)水生植物普查：无人机在水域上方沿设定路线飞行，采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的水生植物辐射数据及位置信息传输至地面控制台；

(20)水生植物详查：地面控制台根据水生植物辐射数据及位置信息，初略判定重点监测水域，并控制无人机对重点监测水域进行锥扫，并得到该水域的辐射图像，同时拍摄该水域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制台；

(30)水生植被分析：地面控制台对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定水生植被的分布范围、污染地点、污染程度，实现实时监测。

实现本发明另一目的的技术方案为：

一种基于无人机的水生植被监测系统，包括搭载在无人机(1)上的信息采集装置(2)和位于地面的控制台(3)，其特征在于：

所述信息采集装置(2)采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的水生植物辐射数据及位置信息传输至地面控制台；对重点监测水域进行锥扫；得到该水域的辐射图像，同时拍摄该水域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制台；

所述控制台(3)地面控制台根据水生植物辐射数据及位置信息，初略判定重点监测水域，并控制无人机对重点监测水域进行锥扫；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定水生植被的分布范围、污染地点、污染程度，实现实时监测。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、全天时、全天候：无源毫米波穿透能力强，本发明采用3mm辐射成像，不受天气和时段的影响，能全天时、全天候监测水生植被；

2、精度高：本发明采用全面普查与定点监测相结合的方式，不但效率高，而且精度也高。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于无人机的水生植被监测方法的流程图。

图2为本发明基于无人机的水生植被监测系统的结构框图。

图中，无人机1，信息采集装置2，控制台3，

毫米波辐射计21，摄像机22，GPS模块23，存储器24，空中无线传输模块25和空中控制模块26，

地面无线传输模块31，飞行控制模块32，数据处理模块33和显示器34。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于无人机的水生植被监测方法，其包括如下步骤：

(10)水生植物普查：无人机在水域上方沿设定路线飞行，采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的水生植物辐射数据及位置信息传输至地面控制台；

(20)水生植物详查：地面控制台根据水生植物辐射数据及位置信息，初略判定重点监测水域，并控制无人机对重点监测水域进行锥扫，并得到该水域的辐射图像，同时拍摄该水域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制台；

(30)水生植被分析：地面控制台对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定水生植被的分布范围、污染地点、污染程度，实现实时监测。

优选地，所述(10)水生植物普查步骤中，沿途毫米波辐射数据采用3mm波段辐射计采集。

所述(10)水生植物普查步骤中，水生植物辐射数据是根据沿途辐射数据与先期建立的典型水污染源的毫米波辐射特性数据相比较而得出的。

优选地，所述(30)水生植被分析步骤中，对辐射图像进行处理包括形态学复合滤波去噪、图像增强、图像复原，以获取图像特征。

如图2所示，本发明基于无人机的水生植被监测系统，包括搭载在无人机1上的信息采集装置2和位于地面的控制台3。

所述信息采集装置2采集沿途毫米波辐射数据，并将沿途辐射数据中的水生植物辐射数据及位置信息传输至地面控制台；对重点监测水域进行锥扫；得到该水域的辐射图像，同时拍摄该水域的光学图像，并将辐射图像和光学图像传输至地面控制台；

所述控制台3地面控制台根据水生植物辐射数据及位置信息，初略判定重点监测水域，并控制无人机对重点监测水域进行锥扫；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定水生植被的分布范围、污染地点、污染程度，实现实时监测。

优选地，所述信息采集装置2包括毫米波辐射计21、摄像机22、GPS模块23、存储器24、空中无线传输模块25和空中控制模块26，所述空中控制模块26分别与毫米波辐射计21、摄像机22、GPS模块23、存储器24、空中无线传输模块25信号相连；

所述毫米波辐射计21，用于采集监测水域的毫米波辐射数据；采集重点监测水域的辐射图像；

所述摄像机22，用于拍摄重点监测水域的光学图像；

所述GPS模块23，用于获取水生植物的位置信息；

所述存储器24，用于存储沿途毫米波辐射数据、辐射图像及光学图像；

空中无线传输模块25，用于与控制台3远程通信，传输数据和飞行指令；

所述空中控制模块26，用于根据飞行指令，使无人机在水域上方沿设定路线飞行或围绕重点监测水域飞行或悬停。

优选地，所述毫米波辐射计21为3mm波段辐射计。

水污染成像与测试系统采用3mm波段辐射计系统，辐射计要求：其中3mm波段天线，波束宽度0.8°，天线口径300mm，圆极化，扫描范围180°×120°；采用W波段射频低噪放，频率范围90-100GHz，噪声系数8dB；；低频放大器采用直流模式放大低频信号；定标装置采用高低温源把电压信号化为温度信号；利用锥扫方式进行扫描成像，其中每圈扫描成像时间小于1秒钟。

优选地，所述控制台3包括地面无线传输模块31、飞行控制模块32、数据处理模块33和显示器34，所述数据处理模块33分别与地面无线传输模块31、飞行控制模块32和显示器34信号相连；

所述无线传输模块31，用于与信息采集装置2远程通信，接收数据和发出飞行指令；

所述飞行控制模块32，用于根据设定路线或重点监测水域，产生飞行指令；

所述数据处理模块33，用于根据水生植物辐射数据及位置信息，初略判定重点监测水域；对辐射图像进行处理，并与光学图像对比分析，确定水生植被的分布范围、污染地点、污染程度；

所述显示器(34)，用于显示水域地图、无人机飞行轨迹、辐射图像处理结果、光学图像、水生植被的分布范围、污染地点、污染程度。

本发明装置的工作过程如下：

首先:在起飞前对辐射计进行高低温定标；

第二步:无人机起飞至水面上，飞行高度升至100m后，沿设定路线飞行并开始采集辐射数据；

第三步:每当采集到的数据是水生植物的辐射数据时，通过无线方式传回当时的GPS定位位置至地面控制台；

第四步:控制台根据接收到的GPS位置，大致判断需重点监测的地点，控制无人机飞行至该地点，开始对该水域进行锥扫，得到该水域的辐射图像，同时拍摄该水域的光学图像；

第五步:将测得的辐射图像和拍摄得到的光学图像保存在存储系统内，同时通过无线方式传送至地面控制台；

第六步：无人机飞回地面控制台，将存储系统中的数据导出，断电结束工作；

最后:综合第二步和第四步的结果，可以判别出水生植被的污染地点以及其分布范围和面积信息，达到实时监测的目的；

这样就为管理单位进一步研究水面上水生植被污染的处理方法和措施提供了科学依据，而且具有全天时全天候的特点，可以在各种有毒和低能见度情况下进行正常工作。

本发明的效果是采用无人机平台搭载毫米波辐射计的方法，能够全天时全天候对大面积水生植被污染情况进行实时监测，并将监测信息及时反馈给控制端，控制端可根据实时传回的数据对水污染采取有效措施，以防出现大面积的污染，对水环境造成危害。为将来的水污染治理提供科学依据和实验支撑。该发明设计合理，实现了对监测区域的快速、全面、准确的监测功能，提高了监测的效率和监测的实时性和直观性，在水环境保护方面具有重要的社会现实意义和重大实用经济价值。