本發(fā)明涉及光譜成像領(lǐng)域，特別涉及無人機(jī)搭載高光譜成像系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

溢油污染會對海洋環(huán)境造成重大影響，給航道運(yùn)輸和沿海經(jīng)濟(jì)活動帶來危害，已引起各國政府部門的高度重視。針對江河湖海的水面溢油污染，建立對各種水面航道的長期監(jiān)測就顯得極為重要。

目前溢油監(jiān)測的主要手段包括衛(wèi)星監(jiān)測、海巡艇巡航監(jiān)測、定點(diǎn)安放監(jiān)測設(shè)備等監(jiān)測手段，應(yīng)用多光譜成像、SAR圖像監(jiān)測、激光激發(fā)熒光光譜、現(xiàn)場抽樣分析等監(jiān)測技術(shù)?，F(xiàn)有技術(shù)中，采用衛(wèi)星來監(jiān)測可以大范圍覆蓋、可以全天時、全天候工作但具有重訪周期，難以滿足航道水面監(jiān)測時效性需求，對小區(qū)域、針對性固定航道區(qū)域的高精度水體實(shí)時監(jiān)測也很不靈活。

對此的研究大多是通過定點(diǎn)安裝監(jiān)測設(shè)備、停船現(xiàn)場抽樣分析和機(jī)載平臺監(jiān)測等手段，比如四川優(yōu)的科技有限公司的專利基于近紅外光電傳感技術(shù)的溢油監(jiān)測系統(tǒng)(申請?zhí)?01220211467.7)是以浮標(biāo)的形式定點(diǎn)投放到海面工作；北京康達(dá)環(huán)境工程有限公司的發(fā)明專利一種事故溢油應(yīng)急監(jiān)測報警系統(tǒng)(申請?zhí)?01210369121.4)通過安放多個測油傳感器到水中，采集油含量、水中化學(xué)需氧量和油層厚度等信息進(jìn)行處理；青島華海環(huán)保工業(yè)有限公司的發(fā)明專利一種水面溢油監(jiān)測報警系統(tǒng)(申請?zhí)?01010145309.1)同樣也是在指定監(jiān)測區(qū)域安裝溢油傳感器和聲光報警器等裝置實(shí)現(xiàn)溢油監(jiān)測報警。以上發(fā)明適合在如港口、井臺等針對性小區(qū)域監(jiān)測而對于錯綜復(fù)雜的水運(yùn)航道等顯得力不從心。

大連海事大學(xué)的發(fā)明專利機(jī)載激光熒光海上油污探測裝置(申請?zhí)?00920016032.5)，該激光器用于發(fā)射一定波長的紫外光照射于探測物表面，探測物表面受激后發(fā)射的熒光通過望遠(yuǎn)鏡放大被光譜儀接收，光譜儀接收熒光后分析光譜特征用于分析探測物類別，但監(jiān)測檢測精度不高，該專利是非成像方式探測，對溢油區(qū)域的位置監(jiān)測不夠直觀，另外激光器工作前需要預(yù)熱15分鐘，不適用中小型無人機(jī)，飛行成本比較高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)及方法，具有體積小、重量輕、功耗低、具有機(jī)動性和緊湊型、集成度高、監(jiān)測精度高和實(shí)時性等特點(diǎn)，適用于河流湖泊及海洋航道等水域的靈活、實(shí)時、精確監(jiān)測，同時能夠滿足多種航空飛行平臺的需求。本發(fā)明利用搭載在飛機(jī)上的高分辨率的高光譜成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了成像和光譜分析技術(shù)相結(jié)合可以對特定水面區(qū)域或針對性航道等實(shí)施更為有效精準(zhǔn)的溢油污染、水面懸浮物和藻類浮游物等水面污染監(jiān)測，也是控制海洋污染，保護(hù)海洋環(huán)境的有效措施。

作為一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要包括：包括：高光譜成像光譜儀、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備、GPS輔助慣導(dǎo)、GPS天線、減震平臺，其中所述高光譜成像光譜儀通過網(wǎng)口與所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備連接，將拍攝的航道水域高光譜圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口傳輸并存儲在所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備中，同時所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備控制所述高光譜成像儀的工作狀態(tài)；所述數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過GPIO接口與機(jī)上飛控制系統(tǒng)相連接，接收飛控系統(tǒng)發(fā)來的指令，控制所述高光譜成像光譜儀的開啟和關(guān)閉及高光譜數(shù)據(jù)的存儲；所述GPS輔助慣導(dǎo)通過RS232串口與所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備相連接，將記錄飛機(jī)的飛行姿態(tài)和位置信息，并且與光譜數(shù)據(jù)同步傳輸給所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備，用于后續(xù)的光譜圖像數(shù)據(jù)處理；所述高光譜成像光譜儀、所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備、所述GPS輔助慣導(dǎo)、所述GPS天線安裝在所述減震平臺上。

所述GPS天線安裝在飛機(jī)頂端或尾端的機(jī)殼外面，所述GPS天線接收的信號通過SMA接口連接到所述GPS輔助慣導(dǎo)上。

所述高光譜成像光譜儀的鏡頭方向垂直向下或傾斜放置，而GPS輔助慣導(dǎo)需要沿飛行方向水平安裝。

還包括電源，為設(shè)備自帶電源(電池)，所述電源與所述高光譜成像光譜儀、所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備和所述GPS輔助慣導(dǎo)連接，并為其供電。

所述減震平臺由4個減震器和一個機(jī)械的轉(zhuǎn)接板組成，所述轉(zhuǎn)接板用于與飛機(jī)相連，通過機(jī)械連接接口與飛機(jī)相連接。

所述高光譜成像光譜儀、所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備、所述GPS輔助慣導(dǎo)、所述GPS天線通過安裝支架高度集成在所述減震平臺上。

減震平臺可根據(jù)實(shí)際情況，搭配不同的機(jī)型，使其更好的與不同飛行平臺進(jìn)行連接和固定。

一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像方法，包括下述步驟：

(1)S201、在飛行航道的溢油監(jiān)測區(qū)域，系統(tǒng)設(shè)備加電，所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備自動開啟數(shù)據(jù)采集控制程序，檢查與所述高光譜成像光譜儀是否連接正常，檢查與所述GPS輔助慣導(dǎo)是否連接正常，然后等待飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來的指令信號；

當(dāng)檢測到飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來的開始拍攝的指令時，打開所述高光譜成像光譜儀和所述GPS輔助慣導(dǎo)；同步接收并存儲所述高光譜成像光譜儀獲取溢油監(jiān)測區(qū)域的高光譜數(shù)據(jù)和所述GPS輔助慣導(dǎo)發(fā)來的飛行經(jīng)緯度位置信息及飛行姿態(tài)參數(shù)，同時時刻監(jiān)測飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來的指令信號；當(dāng)收到飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來停止拍攝指令時，關(guān)閉所述高光譜成像光譜儀和停止接收所述GPS輔助慣導(dǎo)數(shù)據(jù)；

(2)S202、對所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備獲取的航道溢油監(jiān)測區(qū)域的高光譜圖像數(shù)據(jù)首先進(jìn)行光譜定標(biāo)、輻射校正，得到輻射校正后的航道監(jiān)測圖像，然后根據(jù)獲取的同步飛行經(jīng)緯度位置信息和飛行姿態(tài)參數(shù)對圖像進(jìn)行幾何校正，獲得幾何校正后的航道監(jiān)測圖像；

(3)S203、對幾何校正后的連續(xù)多幀高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接得到大面積的預(yù)處理后的航道監(jiān)測區(qū)域圖像；

(4)S204、采用高光譜圖像光譜分析技術(shù)，不同物質(zhì)屬性的反射光所獲得的高光譜成像數(shù)據(jù)具有不同的光譜曲線，根據(jù)吸收峰特征曲線的不同識別相應(yīng)的物質(zhì)屬性；

對預(yù)處理后的航道監(jiān)測區(qū)域圖像數(shù)據(jù)在不同光譜段的光譜曲線分析來判斷航道是否有溢油以及溢油區(qū)域的精確確定。

整個系統(tǒng)及方法高度集成、體積小、重量輕、功耗低，內(nèi)置電池，對外只有數(shù)據(jù)接口，方便讀出存儲的圖像數(shù)據(jù)，能夠完成各種各樣的航道水域光譜成像數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)航道水面溢油監(jiān)測任務(wù)。

本發(fā)明的積極效果：與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明所采用技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是：

(1)結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，調(diào)整方便，穩(wěn)定性好；

(2)具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等特點(diǎn)，適用于多種無人機(jī)載平臺；

(3)快速反應(yīng)能力：能夠針對特定航道，實(shí)時監(jiān)測航道情況，具有良好的及時性和低成本；

(4)系統(tǒng)具有高精度監(jiān)測能力：首先利用同步記錄的飛行姿態(tài)和GPS信息對獲取的圖像進(jìn)行幾何校正，然后通過圖像數(shù)據(jù)使用光譜分析技術(shù)，對物質(zhì)屬性進(jìn)行識別來判斷是否發(fā)生溢油，具有高精度監(jiān)測、分析能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像數(shù)據(jù)處理方法。

(附圖標(biāo)記說明)

1—高光譜成像光譜儀2—數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備 21—存儲器 22—處理器 23—網(wǎng)口 24—串口 25—GPIO接口3—GPS輔助慣導(dǎo) 31—GPS模塊 32—慣導(dǎo) 4—電源 5—GPS天線 6—安裝支架 7—減震平臺

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步的闡述。

為了更加詳細(xì)的闡述本發(fā)明為了完成預(yù)定的目的所采用的技術(shù)手段及其功能，以下結(jié)合附圖說明及實(shí)例，對根據(jù)本發(fā)明提出的一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)及方法的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

本發(fā)明系統(tǒng)包括高光譜成像光譜儀1、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2、GPS輔助慣導(dǎo)3、電源4、GPS天線5、安裝支架6和減震平臺7。

其中高光譜成像光譜儀1的電接口有數(shù)據(jù)網(wǎng)口、電源口。所述高光譜成像光譜儀1的鏡頭方向垂直朝下。所述拍攝的航道高光譜圖像數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)口傳輸并存儲在所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2中，同時所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2控制所述高光譜成像儀1的工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2包括存儲器21、處理器22、網(wǎng)口23、串口24、GPIO接口25，還有USB、VGA等接口(圖未示)，其中VGA視頻接口可用于與外設(shè)顯示器連接，方便操作；USB接口可用于功能擴(kuò)展和設(shè)備擴(kuò)展。

存儲器21選用2.5寸SATA3.0接口的固態(tài)硬盤插在數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2的主板上。

處理器22選用嵌入式Intel Bay Trail-I E3845為核心處理器的計(jì)算機(jī)平臺。

數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2通過GPIO(通用輸入\輸出)接口25與飛機(jī)控制系統(tǒng)相連接，接收所述飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來的指令，控制所述高光譜成像光譜儀的開啟和關(guān)閉及高光譜數(shù)據(jù)的存儲和對GPS輔助慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的接收。

GPS輔助慣導(dǎo)3主要包括GPS模塊31、慣導(dǎo)32。所述GPS輔助慣導(dǎo)水平安裝，與所述高光譜成像光譜儀鏡頭方向垂直。所述GPS輔助慣導(dǎo)3通過RS232串口24與所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備相連接，記錄飛機(jī)的飛行姿態(tài)和GPS位置信息，并且與光譜數(shù)據(jù)同步傳輸給所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備，用于后續(xù)的光譜圖像數(shù)據(jù)處理。

電源4采用內(nèi)置航模電池并分別給高光譜成像光譜儀1、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2和GPS輔助慣導(dǎo)3供電，功耗低。

GPS天線5，通過GPS天線接口與GPS輔助慣導(dǎo)3相連接。

所述高光譜成像光譜儀1、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備2、GPS輔助慣導(dǎo)3通過安裝支架6并螺釘固定在減震平臺7上，系統(tǒng)高度集成且重量輕。

所述減震平臺7主要由4個減震器組成，設(shè)有機(jī)械連接接口，可根據(jù)實(shí)際情況，搭配不同的機(jī)型，使其更好的與不同飛行平臺進(jìn)行連接和固定。減震平臺7可以去除飛機(jī)在飛行過程中的高頻抖動帶來高光譜成像光譜儀1成像質(zhì)量下降。整個系統(tǒng)高度集成、體積小、重量輕、功耗低，構(gòu)成完整的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像數(shù)據(jù)獲取及處理方法。

如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種機(jī)載高光譜成像的用于溢油監(jiān)測的數(shù)據(jù)獲取及處理方法，具體包括：

S201、在飛行航道的溢油監(jiān)測區(qū)域，系統(tǒng)設(shè)備加電，數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備自動開啟數(shù)據(jù)采集控制程序，檢查與高光譜成像光譜儀是否連接正常，檢查與GPS輔助慣導(dǎo)是否連接正常，然后等待飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來的指令信號。當(dāng)檢測到飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來的開始拍攝的指令時，打開高光譜成像光譜儀和GPS輔助慣導(dǎo)；接同步收并存儲高光譜成像光譜儀獲取溢油監(jiān)測區(qū)域的高光譜數(shù)據(jù)和GPS輔助慣導(dǎo)發(fā)來的飛行經(jīng)緯度位置信息及飛行姿態(tài)參數(shù)，同時時刻監(jiān)測飛控指令。當(dāng)收到飛機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)來停止拍攝指令時，關(guān)閉高光譜成像光譜儀和停止接收GPS輔助慣導(dǎo)數(shù)據(jù)。

S202、所述數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備獲取的航道溢油監(jiān)測區(qū)域的高光譜圖像數(shù)據(jù)首先進(jìn)行光譜定標(biāo)、輻射校正得到輻射校正后的航道監(jiān)測圖像，然后根據(jù)獲取的同步飛行經(jīng)緯度位置信息和飛行姿態(tài)參數(shù)對圖像進(jìn)行幾何校正，獲得幾何校正后的航道監(jiān)測圖像。

S203、對獲取的多幀幾何校正后的高光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接鑲嵌得到大面積的預(yù)處理后的航道監(jiān)測區(qū)域圖像。

其中拼接，高光譜成像光譜儀是推掃成像方式的線陣相機(jī)，每幀成像數(shù)據(jù)得到的是對應(yīng)地物空間上垂直飛行方向的一個條帶圖像，沿著飛行方向進(jìn)行推掃成像并拼接在一起才能得到整個飛行監(jiān)測區(qū)域圖像。

S204、采用高光譜圖像光譜分析技術(shù)，不同物質(zhì)屬性的反射光所獲得的高光譜成像數(shù)據(jù)具有不同的光譜曲線，根據(jù)吸收峰特征曲線的不同可以識別相應(yīng)的物質(zhì)屬性。對預(yù)處理后的航道監(jiān)測區(qū)域圖像數(shù)據(jù)在不同光譜段的光譜曲線分析來判斷航道是否有溢油以及溢油區(qū)域的精確確定，實(shí)現(xiàn)溢油監(jiān)測的目的。

通過本實(shí)施例提供的基于無人機(jī)的航道溢油監(jiān)測系統(tǒng)及方法。對航道區(qū)域的溢油監(jiān)測具有低成本、精度高、時效性強(qiáng)等特點(diǎn)以及應(yīng)對發(fā)現(xiàn)溢油時可以做出及時反應(yīng)。

本發(fā)明提供了一種溢油監(jiān)測的機(jī)載高光譜成像系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、功耗低、集成度高等特點(diǎn)，適用于多種無人機(jī)載平臺，具有快速反應(yīng)能力，能夠針對特定航道，實(shí)時監(jiān)測航道情況，具有良好的及時性和低成本，又提出的一種采用高光譜成像數(shù)據(jù)的光譜分析技術(shù)應(yīng)用于航道溢油監(jiān)測方法。

本說明書中所提到的實(shí)施方式僅作為本發(fā)明技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)解釋為對本發(fā)明的限制，任何對本發(fā)明進(jìn)行顯而易見的局部更改、等同變化和修飾都應(yīng)視為本發(fā)明的替代方案。這種替代方案包括改變高光譜成像光譜儀的型號、數(shù)據(jù)采集控制設(shè)備的類型以及他們之間的位置關(guān)系等，這些更改和變化不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍。