本發(fā)明屬于水環(huán)境監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于無人機的水生植被監(jiān)測方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對大面積區(qū)域水污染情況進(jìn)行實時監(jiān)測，是預(yù)防違法、違規(guī)排放污廢水、及時治理水污染，如藍(lán)藻等快速生長的水生植物對水環(huán)境的污染的有效方式之一。

對大面積區(qū)域水污染監(jiān)測主要采用遙感監(jiān)測和無人機監(jiān)測方式。

水污染遙感監(jiān)測具有快速、宏觀、實時的特點,其數(shù)據(jù)能直觀反映水污染在區(qū)域上的分布情況,是對大面積水域的污染情況進(jìn)行監(jiān)測的有效途徑。但其存在使用成本高、定點監(jiān)測精度不夠的問題。

由于無人機具有起降占地小、對地形要求低、可在空中懸停定點觀測等優(yōu)點，近年來，基于無人機的水污染監(jiān)測開始應(yīng)用。如2012年，由華南理工大學(xué)按照中國海監(jiān)廣東省總隊的要求研制的中國首架自主研發(fā)的海監(jiān)無人直升機投入使用，主要搭載攝像頭、照相機、微波等視頻和圖像采集傳輸設(shè)備，進(jìn)行實時空中圖像和數(shù)據(jù)傳播，然后依靠數(shù)據(jù)來執(zhí)行分析廣東近海的海洋執(zhí)法監(jiān)察、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境保護(hù)等任務(wù)。中科院上海技術(shù)物理研究所設(shè)計了無人機載小型多光譜成像儀，使其搭載在無人機SE-1(海洋探索1號)平臺，成為一種靈活機動的海洋監(jiān)測工具，用于海洋污染、赤潮發(fā)現(xiàn)、原油泄漏等重大事件的監(jiān)測。

但是，現(xiàn)有基于無人機的水污染監(jiān)測對快速生長的水生植被的污染情況均采用光學(xué)或紅外手段。這種方式由于光學(xué)傳感器的高分辨率，在晴朗的白晝精度較高，但是在黑夜、陰雨天、霧霾天氣，其監(jiān)測精度則大幅下降，難以滿足對快速生長的水生植被實時監(jiān)測的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于無人機的水生植被監(jiān)測方法，全天時、全天候工作，監(jiān)測精度高。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于無人機的水生植被監(jiān)測系統(tǒng)，能全天時、全天候、精度高監(jiān)測水生植被。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于無人機的水生植被監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟：

(10)水生植物普查：無人機在水域上方沿設(shè)定路線飛行，采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)，并將沿途輻射數(shù)據(jù)中的水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息傳輸至地面控制臺；

(20)水生植物詳查：地面控制臺根據(jù)水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息，初略判定重點監(jiān)測水域，并控制無人機對重點監(jiān)測水域進(jìn)行錐掃，并得到該水域的輻射圖像，同時拍攝該水域的光學(xué)圖像，并將輻射圖像和光學(xué)圖像傳輸至地面控制臺；

(30)水生植被分析：地面控制臺對輻射圖像進(jìn)行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定水生植被的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

實現(xiàn)本發(fā)明另一目的的技術(shù)方案為：

一種基于無人機的水生植被監(jiān)測系統(tǒng)，包括搭載在無人機(1)上的信息采集裝置(2)和位于地面的控制臺(3)，其特征在于：

所述信息采集裝置(2)采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)，并將沿途輻射數(shù)據(jù)中的水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息傳輸至地面控制臺；對重點監(jiān)測水域進(jìn)行錐掃；得到該水域的輻射圖像，同時拍攝該水域的光學(xué)圖像，并將輻射圖像和光學(xué)圖像傳輸至地面控制臺；

所述控制臺(3)地面控制臺根據(jù)水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息，初略判定重點監(jiān)測水域，并控制無人機對重點監(jiān)測水域進(jìn)行錐掃；對輻射圖像進(jìn)行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定水生植被的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：

1、全天時、全天候：無源毫米波穿透能力強，本發(fā)明采用3mm輻射成像，不受天氣和時段的影響，能全天時、全天候監(jiān)測水生植被；

2、精度高：本發(fā)明采用全面普查與定點監(jiān)測相結(jié)合的方式，不但效率高，而且精度也高。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于無人機的水生植被監(jiān)測方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明基于無人機的水生植被監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖中，無人機1，信息采集裝置2，控制臺3，

毫米波輻射計21，攝像機22，GPS模塊23，存儲器24，空中無線傳輸模塊25和空中控制模塊26，

地面無線傳輸模塊31，飛行控制模塊32，數(shù)據(jù)處理模塊33和顯示器34。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于無人機的水生植被監(jiān)測方法，其包括如下步驟：

(10)水生植物普查：無人機在水域上方沿設(shè)定路線飛行，采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)，并將沿途輻射數(shù)據(jù)中的水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息傳輸至地面控制臺；

(20)水生植物詳查：地面控制臺根據(jù)水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息，初略判定重點監(jiān)測水域，并控制無人機對重點監(jiān)測水域進(jìn)行錐掃，并得到該水域的輻射圖像，同時拍攝該水域的光學(xué)圖像，并將輻射圖像和光學(xué)圖像傳輸至地面控制臺；

(30)水生植被分析：地面控制臺對輻射圖像進(jìn)行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定水生植被的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

優(yōu)選地，所述(10)水生植物普查步驟中，沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)采用3mm波段輻射計采集。

所述(10)水生植物普查步驟中，水生植物輻射數(shù)據(jù)是根據(jù)沿途輻射數(shù)據(jù)與先期建立的典型水污染源的毫米波輻射特性數(shù)據(jù)相比較而得出的。

優(yōu)選地，所述(30)水生植被分析步驟中，對輻射圖像進(jìn)行處理包括形態(tài)學(xué)復(fù)合濾波去噪、圖像增強、圖像復(fù)原，以獲取圖像特征。

如圖2所示，本發(fā)明基于無人機的水生植被監(jiān)測系統(tǒng)，包括搭載在無人機1上的信息采集裝置2和位于地面的控制臺3。

所述信息采集裝置2采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)，并將沿途輻射數(shù)據(jù)中的水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息傳輸至地面控制臺；對重點監(jiān)測水域進(jìn)行錐掃；得到該水域的輻射圖像，同時拍攝該水域的光學(xué)圖像，并將輻射圖像和光學(xué)圖像傳輸至地面控制臺；

所述控制臺3地面控制臺根據(jù)水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息，初略判定重點監(jiān)測水域，并控制無人機對重點監(jiān)測水域進(jìn)行錐掃；對輻射圖像進(jìn)行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定水生植被的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)實時監(jiān)測。

優(yōu)選地，所述信息采集裝置2包括毫米波輻射計21、攝像機22、GPS模塊23、存儲器24、空中無線傳輸模塊25和空中控制模塊26，所述空中控制模塊26分別與毫米波輻射計21、攝像機22、GPS模塊23、存儲器24、空中無線傳輸模塊25信號相連；

所述毫米波輻射計21，用于采集監(jiān)測水域的毫米波輻射數(shù)據(jù)；采集重點監(jiān)測水域的輻射圖像；

所述攝像機22，用于拍攝重點監(jiān)測水域的光學(xué)圖像；

所述GPS模塊23，用于獲取水生植物的位置信息；

所述存儲器24，用于存儲沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)、輻射圖像及光學(xué)圖像；

空中無線傳輸模塊25，用于與控制臺3遠(yuǎn)程通信，傳輸數(shù)據(jù)和飛行指令；

所述空中控制模塊26，用于根據(jù)飛行指令，使無人機在水域上方沿設(shè)定路線飛行或圍繞重點監(jiān)測水域飛行或懸停。

優(yōu)選地，所述毫米波輻射計21為3mm波段輻射計。

水污染成像與測試系統(tǒng)采用3mm波段輻射計系統(tǒng)，輻射計要求：其中3mm波段天線，波束寬度0.8°，天線口徑300mm，圓極化，掃描范圍180°×120°；采用W波段射頻低噪放，頻率范圍90-100GHz，噪聲系數(shù)8dB；；低頻放大器采用直流模式放大低頻信號；定標(biāo)裝置采用高低溫源把電壓信號化為溫度信號；利用錐掃方式進(jìn)行掃描成像，其中每圈掃描成像時間小于1秒鐘。

優(yōu)選地，所述控制臺3包括地面無線傳輸模塊31、飛行控制模塊32、數(shù)據(jù)處理模塊33和顯示器34，所述數(shù)據(jù)處理模塊33分別與地面無線傳輸模塊31、飛行控制模塊32和顯示器34信號相連；

所述無線傳輸模塊31，用于與信息采集裝置2遠(yuǎn)程通信，接收數(shù)據(jù)和發(fā)出飛行指令；

所述飛行控制模塊32，用于根據(jù)設(shè)定路線或重點監(jiān)測水域，產(chǎn)生飛行指令；

所述數(shù)據(jù)處理模塊33，用于根據(jù)水生植物輻射數(shù)據(jù)及位置信息，初略判定重點監(jiān)測水域；對輻射圖像進(jìn)行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定水生植被的分布范圍、污染地點、污染程度；

所述顯示器(34)，用于顯示水域地圖、無人機飛行軌跡、輻射圖像處理結(jié)果、光學(xué)圖像、水生植被的分布范圍、污染地點、污染程度。

本發(fā)明裝置的工作過程如下：

首先:在起飛前對輻射計進(jìn)行高低溫定標(biāo)；

第二步:無人機起飛至水面上，飛行高度升至100m后，沿設(shè)定路線飛行并開始采集輻射數(shù)據(jù)；

第三步:每當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)是水生植物的輻射數(shù)據(jù)時，通過無線方式傳回當(dāng)時的GPS定位位置至地面控制臺；

第四步:控制臺根據(jù)接收到的GPS位置，大致判斷需重點監(jiān)測的地點，控制無人機飛行至該地點，開始對該水域進(jìn)行錐掃，得到該水域的輻射圖像，同時拍攝該水域的光學(xué)圖像；

第五步:將測得的輻射圖像和拍攝得到的光學(xué)圖像保存在存儲系統(tǒng)內(nèi)，同時通過無線方式傳送至地面控制臺；

第六步：無人機飛回地面控制臺，將存儲系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，斷電結(jié)束工作；

最后:綜合第二步和第四步的結(jié)果，可以判別出水生植被的污染地點以及其分布范圍和面積信息，達(dá)到實時監(jiān)測的目的；

這樣就為管理單位進(jìn)一步研究水面上水生植被污染的處理方法和措施提供了科學(xué)依據(jù)，而且具有全天時全天候的特點，可以在各種有毒和低能見度情況下進(jìn)行正常工作。

本發(fā)明的效果是采用無人機平臺搭載毫米波輻射計的方法，能夠全天時全天候?qū)Υ竺娣e水生植被污染情況進(jìn)行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測信息及時反饋給控制端，控制端可根據(jù)實時傳回的數(shù)據(jù)對水污染采取有效措施，以防出現(xiàn)大面積的污染，對水環(huán)境造成危害。為將來的水污染治理提供科學(xué)依據(jù)和實驗支撐。該發(fā)明設(shè)計合理，實現(xiàn)了對監(jiān)測區(qū)域的快速、全面、準(zhǔn)確的監(jiān)測功能，提高了監(jiān)測的效率和監(jiān)測的實時性和直觀性，在水環(huán)境保護(hù)方面具有重要的社會現(xiàn)實意義和重大實用經(jīng)濟價值。