本發(fā)明屬于水生植被監(jiān)測、預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種全天時、全天候、監(jiān)測精度高的基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警方法及實現(xiàn)該方法的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

以湖泊、江、河作為一個整體的監(jiān)測網(wǎng)對水質(zhì)進行實時監(jiān)測，是預(yù)防違法、違規(guī)排放污水、及時治理水污染，也是及時預(yù)警和抑制藍(lán)藻等快速生長的水生植物的有效方式之一。

各地區(qū)湖泊由于藍(lán)藻的大量繁殖造成水質(zhì)污染的事件頻發(fā)，因此監(jiān)測和預(yù)警藍(lán)藻的過度繁殖具有對維護湖泊周圍的生態(tài)平衡具有重大意義。

在藍(lán)藻頻發(fā)地現(xiàn)場設(shè)立測試點是最原始的監(jiān)測方法，但是由于是人工監(jiān)測為主，往往不夠及時和準(zhǔn)確。另外，衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測近年來也逐漸發(fā)展起來，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)監(jiān)測藍(lán)藻具有即時性和宏觀性，但是衛(wèi)星遙感技術(shù)的分辨率和精確性還有待提高，而且，如果遇到惡劣天氣，由于可見光和紅外線受到干擾，衛(wèi)星遙感技術(shù)的準(zhǔn)確度會大大降低。而本文所采用的毫米波遙感具有全天時全天候的性能，可以不受惡劣天氣的影響，獲取可見光與紅外探測器不能獲取的特殊信息。

所以，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。

總之，現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：對快速生長的水生植被藍(lán)藻的監(jiān)測預(yù)警易受天時天候影響，監(jiān)測精度低。

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藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警方法,能夠進行全天時、全天候工作，且具有較高的監(jiān)測精度。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警方法，包括如下步驟：

(10)監(jiān)測水域普查：無人機在監(jiān)測水域上方沿設(shè)定路線飛行，采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)及藍(lán)藻位置信息，得到藍(lán)藻輻射數(shù)據(jù)；

(20)污染區(qū)域成像：根據(jù)藍(lán)藻輻射數(shù)據(jù)及藍(lán)藻位置信息，初步確定重點監(jiān)測水域，使無人機在重點監(jiān)測水域懸停，對該水域進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；

(30)圖像特征提?。簩椛鋱D像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)對水域的實時監(jiān)測；

(40)藍(lán)藻污染預(yù)警：通過確認(rèn)藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度，當(dāng)植被到達(dá)預(yù)警閥值時，生成藍(lán)藻污染預(yù)警。

實現(xiàn)本發(fā)明另一目的的技術(shù)解決方案為：

一種基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括：

無人機監(jiān)測平臺，用于對監(jiān)測水域進行普查、定點詳查和實時監(jiān)測；

地面控制臺，用于控制無人機監(jiān)測平臺的工作狀態(tài)，確定污染水域，提取圖像特征，生成藍(lán)藻污染預(yù)警；

所述地面控制臺與無人機監(jiān)測平臺通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)信號連接。

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

1、藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警不受天時天候影響：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)測藍(lán)藻的情況；

2、監(jiān)測精度高：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；采用“遺傳算法”對毫米波輻射圖像進行處理，使圖像更為精確，進一步提高監(jiān)測精度；

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1無人機監(jiān)測平臺，2地面控制臺，

11無人機，12定位模塊,13光學(xué)攝影模塊,14副面旋轉(zhuǎn)天線,15 3mm輻射計,16數(shù)據(jù)采集器,17據(jù)存儲模塊,18空中無線傳輸模塊，

21飛行控制模塊,22圖像處理模塊，23數(shù)據(jù)處理模塊,24成像顯示模塊,25地面無線傳輸模塊,26污染預(yù)警模塊。

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警方法，包括如下步驟：

(10)監(jiān)測水域普查：無人機在監(jiān)測水域上方沿設(shè)定路線飛行，采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)及藍(lán)藻位置信息，得到藍(lán)藻輻射數(shù)據(jù)；

所述(10)監(jiān)測水域普查步驟中，采用無人機搭載的3mm波段輻射計采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)。

所述(10)監(jiān)測水域普查步驟中，藍(lán)藻輻射數(shù)據(jù)由沿途輻射數(shù)據(jù)與先期建立的典型藍(lán)藻毫米波輻射特性數(shù)據(jù)相比較而得到。

(20)污染區(qū)域成像：根據(jù)藍(lán)藻輻射數(shù)據(jù)及藍(lán)藻位置信息，初步確定重點監(jiān)測水域，使無人機在重點監(jiān)測水域懸停，對該水域進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；

(30)圖像特征提?。簩椛鋱D像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)對水域的實時監(jiān)測；

所述(30)圖像特征提取步驟包括：

(31)輻射圖像處理：采用遺傳算法對毫米波輻射圖像進行處理，得到最佳閾值，進行圖像二值化，然后對圖像進行特征提取，得到藍(lán)藻的輻射數(shù)據(jù)。

遺傳算法對于復(fù)雜的優(yōu)化問題無需建模和復(fù)雜運算，只要利用遺傳算法的三種算子就能得到最優(yōu)解。遺傳算法的核心是精英選擇、精英交叉、定向變異。我們采用輪盤賭輸?shù)姆椒▉韺Ω复鷤€體進行加快選優(yōu)。

(32)圖像對比分析：將得到的輻射數(shù)據(jù)與光學(xué)圖像進行對比分析，得到藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度；

(40)藍(lán)藻污染預(yù)警：通過確認(rèn)藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度，當(dāng)植被到達(dá)預(yù)警閥值時，生成藍(lán)藻污染預(yù)警。

本發(fā)明基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，包括：

無人機監(jiān)測平臺1，用于對監(jiān)測水域進行普查、定點詳查和實時監(jiān)測；

地面控制臺2，用于控制無人機監(jiān)測平臺1的工作狀態(tài)，確定污染水域，提取圖像特征，生成藍(lán)藻污染預(yù)警；

所述地面控制臺2與無人機監(jiān)測平臺1通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)信號連接。

如圖2所示，所述無人機監(jiān)測平臺1包括：

無人機11，用于搭載各種功能模塊，設(shè)定路線飛行、在污染水域懸停；

定位模塊12，用于獲藍(lán)藻的位置信息；

光學(xué)攝影模塊13，用于拍攝重點監(jiān)測水域的光學(xué)圖像；

副面旋轉(zhuǎn)天線14，用于對監(jiān)測水域進行錐掃；

3mm輻射計15，用于采集監(jiān)測水域的藍(lán)藻的毫米波輻射數(shù)據(jù)；

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；利用錐掃方式進行掃描成像，其中每圈掃描成像時間小于1秒鐘。

數(shù)據(jù)采集器16，采集重點監(jiān)測水域的藍(lán)藻的輻射圖像；

據(jù)存儲模塊17，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18，用于與地面控制臺2遠(yuǎn)程通信，傳輸數(shù)據(jù)和飛行指令；

所述地面控制臺2包括:

飛行控制模塊21，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；

圖像處理模塊(22)，對輻射圖像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度；

數(shù)據(jù)處理模塊23，用于根據(jù)藍(lán)藻輻射數(shù)據(jù)及位置信息，初略判定重點監(jiān)測水域；

成像顯示模塊24，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、藍(lán)藻的分布范圍、污染地點、污染程度。

地面無線傳輸模塊25，用于與無人機監(jiān)測平臺1遠(yuǎn)程通信，接收數(shù)據(jù)和發(fā)出飛行指令。

污染預(yù)警模塊26，用于生成預(yù)警，為相關(guān)的決策部門提供依據(jù)；

所述數(shù)據(jù)處理模塊23分別與圖像處理模塊22、成像顯示模塊24、地面無線傳輸模塊25與地面控制臺2信號相連。

本發(fā)明基于無人機的藍(lán)藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的工作過程如下：

首先:在無人機起飛前對輻射計進行高低溫定標(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:將數(shù)據(jù)采集器采集到的輻射數(shù)據(jù)以及無人機飛行的位置信息通過無線方式傳回地面控制模塊；

第四步:地面控制模塊根據(jù)接收到的位置，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；

第七步:綜合第二步和第四步的結(jié)果，可以判別出水生植被藍(lán)藻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；

最后：通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的分析當(dāng)植被到達(dá)一定程度時，生成預(yù)警，為相關(guān)的決策部門提供數(shù)據(jù)與科學(xué)依據(jù)。

這樣就為管理單位進一步研究水面上水生植被藍(lán)藻污染的處理方法和措施提供了科學(xué)依據(jù)以及預(yù)警機制，在下一次藍(lán)藻暴發(fā)來臨時能提前預(yù)警，以便做好應(yīng)對措施，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藍(lán)藻污染情況進行實時監(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)對藍(lán)藻污染采取有效措施，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)境保護方面具有重要的社會現(xiàn)實意義和重大實用經(jīng)濟價值。