基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng)；方法包括如下步驟：(10)監(jiān)測水域普查：采集沿途毫米波輻射數(shù)據(jù)及藍藻位置信息；(20)污染區(qū)域成像：重點錐掃得到輻射圖像，拍攝光學(xué)圖像；(30)圖像特征提取：對輻射圖像處理，與光學(xué)圖像對比分析，實時監(jiān)測；(40)藍藻污染預(yù)警：確認(rèn)藍藻的污染，生成藍藻污染預(yù)警。系統(tǒng)包括遠程無線網(wǎng)絡(luò)信號連接的無人機監(jiān)測平臺(1)和地面控制臺(2)，無人機監(jiān)測平臺(1)對監(jiān)測水域普查、定點詳查和實時監(jiān)測；地面控制臺(2)控制無人機監(jiān)測平臺(1)，確定污染水域，提取圖像特征，生成藍藻污染預(yù)警。本發(fā)明專利技術(shù)的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng)，全天時、全天候工作，監(jiān)測精度高。

Method and system for monitoring and warning blue-green algae based on unmanned aerial vehicle

The invention discloses a method and system for cyanobacteria monitoring and early warning method based on UAV; the method comprises the following steps: (10) water monitoring survey: collecting data and location information of cyanobacteria along the millimeter wave radiation; (20) pollution area imaging: focus on the conical scanning radiation image photographing optical image; image feature extraction (30) the radiation image processing, optical image and contrast analysis, real-time monitoring; (40) cyanobacteria pollution warning: confirm the blue-green algae pollution warning generation. The system includes a remote wireless network signal connection of the UAV monitoring platform (1) and ground control (2), (1) UAV monitoring platform for monitoring, survey and census designated waters real-time monitoring; ground control (2) control of UAV monitoring platform (1), to determine the polluted waters, the extraction of image features, generating cyanobacteria pollution warning. The invention relates to a blue-green algae monitoring and early warning method and system, which works all day and all-weather and has high monitoring accuracy.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法及系統(tǒng)
本專利技術(shù)屬于水生植被監(jiān)測、預(yù)警
，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)。
技術(shù)介紹
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)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于無人機的藍藻監(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。本專利技術(shù)的另一目的在于提供一種基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。實現(xiàn)本專利技術(shù)目的的技術(shù)解決方案為：一種基于無人機的藍藻監(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)及藍藻位置信息，得到藍藻輻射數(shù)據(jù)；(20)污染區(qū)域成像：根據(jù)藍藻輻射數(shù)據(jù)及藍藻位置信息，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)圖像特征提取：對輻射圖像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)對水域的實時監(jiān)測；(40)藍藻污染預(yù)警：通過確認(rèn)藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，當(dāng)植被到達預(yù)警閥值時，生成藍藻污染預(yù)警。實現(xiàn)本專利技術(shù)另一目的的技術(shù)解決方案為：一種基于無人機的藍藻監(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)測平臺通過遠程無線網(wǎng)絡(luò)信號連接。本專利技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：1、藍藻監(jiān)測預(yù)警不受天時天候影響：無源毫米波穿透能力強，本專利技術(shù)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)測藍藻的情況；2、監(jiān)測精度高：本專利技術(shù)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專利技術(shù)作進一步的詳細描述。附圖說明圖1為本專利技術(shù)基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法的流程圖。圖2為本專利技術(shù)基于無人機的藍藻監(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,153mm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，本專利技術(shù)基于無人機的藍藻監(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)及藍藻位置信息，得到藍藻輻射數(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)藍藻輻射數(shù)據(jù)及藍藻位置信息，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)圖像特征提取：對輻射圖像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍藻的分布范圍、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，得到藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度；(40)藍藻污染預(yù)警：通過確認(rèn)藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，當(dāng)植被到達預(yù)警閥值時，生成藍藻污染預(yù)警。本專利技術(shù)基于無人機的藍藻監(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)測水域本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，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)及藍藻位置信息，得到藍藻輻射數(shù)據(jù)；(20)污染區(qū)域成像：根據(jù)藍藻輻射數(shù)據(jù)及藍藻位置信息，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)圖像特征提取：對輻射圖像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)對水域的實時監(jiān)測；(40)藍藻污染預(yù)警：通過確認(rèn)藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，當(dāng)植被到達預(yù)警閥值時，生成藍藻污染預(yù)警。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，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)及藍藻位置信息，得到藍藻輻射數(shù)據(jù)；(20)污染區(qū)域成像：根據(jù)藍藻輻射數(shù)據(jù)及藍藻位置信息，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)圖像特征提取：對輻射圖像進行處理，并與光學(xué)圖像對比分析，確定藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，實現(xiàn)對水域的實時監(jiān)測；(40)藍藻污染預(yù)警：通過確認(rèn)藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度，當(dāng)植被到達預(yù)警閥值時，生成藍藻污染預(yù)警。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于：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)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于：所述(10)監(jiān)測水域普查步驟中，藍藻輻射數(shù)據(jù)由沿途輻射數(shù)據(jù)與先期建立的典型藍藻毫米波輻射特性數(shù)據(jù)相比較而得到。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的藍藻監(jiān)測預(yù)警方法，其特征在于，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，得到藍藻的輻射數(shù)據(jù)。(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，得到藍藻的分布范圍、污染地點、污染程度。5.一種基于無人機的藍藻監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，其特征在于，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)，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張光鋒，李珊，霍本軍，邢佳藝，劉靜，
申請(專利權(quán))人：南京理工大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32