CN107478341A - 水体热污染监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水体热污染监测系统，属于无人机遥感检测技术领域，具体包括航拍器、地面控制中心和后图像处理分析平台，其中航拍器包括通过稳像云台挂载于无人机飞行器上的长波红外光学系统、长波面阵红外探测器、导航定位装置和数据处理及存储装置，该系统仅以单个的长波红外光学系统和单个的长波面阵红外探测器进行红外成像，并且长波红外光学系统和长波面阵红外探测器均单波段地工作在远红外波段，对被监测水域进行单波段红外成像，因此有效降低了监测系统的算法复杂度、结构复杂度以及载荷重量，也降低了系统成本，同时本发明所提出的水体热污染监测系统具有拍摄路线和观测时间机动灵活、遥感数据获取成本低、针对性强等优点。
Description
技术领域
本发明涉及无人机遥感检测技术领域，特别是涉及一种水体热污染监测系统。
背景技术
热污染是指现代工业生产和生活中，排放的废热所造成的环境污染。随着我国经济和城市建设的迅速发展，近岸水体热污染问题已成为一个日益严重的环境问题，火力发电站、核电站等的冷却废水以及石油、化工、造纸等工业废水中均含有大量废热，这些废热排入水体后，改变了自然水体的水质，对于水下生态系统产生了重要影响。
随着遥感技术的不断发展，利用遥感测量技术对水体热污染进行监测已成为当前水体热污染监测的一个重要手段，相对于利用温度浮标进行直接定点测量的方法，遥感测量法具有观测面积大、温度数据连续、观测效果直观、人工成本低等优点。根据红外探测器所挂载的载体不同，利用遥感测量技术进行水体热污染监测的方法可分为卫星热污染监测法、载人飞机热污染监测法以及无人机热污染监测法。
目前，卫星热污染监测法应用较多，其主要是通过具有红外波段的气象卫星获取红外遥感数据，但是利用卫星进行热污染的监测，存在一定的限制，由于绝大多数卫星均具有固定的运行轨道和运行周期，那么待监测水域的过顶时间会受到严格限制，若想对水域的不同时间段状态的多时段监测(如废热的不同排放周期、海水不同潮汐状态下的热力场分布的研究等)，卫星热污染监测法显得无能为力，而且由于拍摄距离远，不同的大气模型和云层状态均会对温度反演精度产生严重影响，在某些情况下，由于云层的遮挡，可能直接导致成像失败，严重影响对于紧急突发事件的监测。
载人飞机热污染监测法虽然在航线设置和拍摄时段上相对于卫星热污染监测法有所改进，但是其高额的飞行成本、较长的起落过程以及飞行路径的限制等，都严重限制了该方法的应用，因此利用载人飞机进行热污染监测的应用和研究较少。
无人机遥感技术作为继航空、航天遥感之后的第三代遥感技术，有效弥补了当前卫星遥感和航空遥感的技术缺陷，而且具有价格低廉、安全性好、操作灵活等优点。虽然无人机热污染监测法具有以上诸多优点，但是目前的无人机热污染监测法往往需要利用多个波段的多光谱成像产品进行热污染监测，其算法复杂度、结构复杂度、载荷重量、系统成本均较高，不利于无人机热污染监测法的推广和应用。
发明内容
基于此，有必要针对现有的无人机热污染监测法的算法复杂度、结构复杂度、载荷重量和系统成本均较高，不利于推广和应用的问题，提供一种水体热污染监测系统，该系统能够实现对既定范围的水域进行整体红外成像和热力场统计分析，从而实现对水体的热污染监控，对于加强核/火电站的排水温度监测及对水生生态环境影响的研究具有重要意义。
为解决上述问题，本发明采取如下的技术方案：
一种水体热污染监测系统，包括航拍器、地面控制中心和后图像处理分析平台，所述航拍器包括无人机飞行器、稳像云台、长波红外光学系统、长波面阵红外探测器、导航定位装置和数据处理及存储装置，所述长波红外光学系统、所述长波面阵红外探测器、所述导航定位装置和所述数据处理及存储装置通过所述稳像云台挂载于所述无人机飞行器上，
所述地面控制中心与所述航拍器通过无线数据传输方式进行通信，且所述地面控制中心通过所述无线数据传输方式控制所述航拍器对被监测水域进行航拍；
所述长波红外光学系统在航拍过程中对所述被监测水域进行红外成像，得到所述被监测水域的红外图像，所述长波面阵红外探测器接收所述红外图像并对所述红外图像进行光电转换，得到所述被监测水域的航拍红外图像数据，并将所述航拍红外图像数据实时发送至所述数据处理及存储装置进行存储；
所述后图像处理分析平台获取所述数据处理及存储装置存储的所述航拍红外图像数据和所述导航定位装置实时采集的所述无人机飞行器的附加位置信息，并根据所述航拍红外图像数据和所述附加位置信息进行图像拼接，得到所述被监测水域的整体红外图像；
所述后图像处理分析平台根据所述被监测水域的红外发射率、所述航拍器航拍过程中的实际环境参数和所述整体红外图像的各点的灰度与辐射温度的映射关系，对所述整体红外图像进行红外温度反演，得到所述被监测水域的温度场分布图像。
上述水体热污染监测系统有别于传统的卫星、载人飞机红外遥感系统，其是一款专门针对给定水域热力场状态分布的无人机红外航拍测温系统，该系统仅以单个的长波红外光学系统和单个的长波面阵红外探测器进行红外成像，并且长波红外光学系统和长波面阵红外探测器均单波段地工作在远红外波段，对被监测水域进行单波段红外成像，因此有效降低了监测系统的算法复杂度、结构复杂度以及载荷重量，也降低了系统成本，结合后图像处理分析平台的图像拼接技术和红外温度反演技术，最终获得了用于对被监测水域的水体热污染进行分析的温度场分布图像，实现对被监测水域水体热污染的监测。本发明所提出的水体热污染监测系统具有拍摄路线和观测时间机动灵活、遥感数据获取成本低、针对性强等特点，对于一定范围内的水体热状态在不同时段的研究和监测具有重要意义，同时对于加强核/火电站的排水温度监测及对水生生态环境影响的研究也具有十分积极的意义。
附图说明
图1为本发明其中一个实施例中水体热污染监测系统的结构示意图；
图2为本发明其中一个具体实施方式中水体热污染监测系统的结构示意图；
图3为本发明另一个具体实施方式中水体热污染监测系统的结构示意图；
图4为长波红外光学系统的光路设计图。
具体实施方式
下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。
在其中一个实施例中，如图1所示，水体热污染监测系统包括航拍器100、地面控制中心200和后图像处理分析平台300，其中，航拍器100包括无人机飞行器110、稳像云台120、长波红外光学系统130、长波面阵红外探测器140、导航定位装置150和数据处理及存储装置160，并且长波红外光学系统130、长波面阵红外探测器140、导航定位装置150和数据处理及存储装置160均通过稳像云台120挂载于无人机飞行器110上。
具体地，地面控制中心200与航拍器100通过无线数据传输方式进行通信，并且地面控制中心200通过无线数据传输方式控制航拍器100对被监测水域进行航拍，其中被监测水域是指需要获取热力场分布情况的既定范围的水域，无线数据传输方式可采用公网数据传输方式或者专网数据传输方式，并通过无线数据传输模块实现任意一种无线数据传输方式。
长波红外光学系统130在航拍过程中对被监测水域进行红外成像，得到被监测水域的红外图像，长波面阵红外探测器140接收长波红外光学系统130所生成的红外图像并对红外图像进行光电转换，得到被监测水域的航拍红外图像数据，并将航拍红外图像数据实时发送至数据处理及存储装置160进行存储。在本发明中，长波红外光学系统130主要包括一个长波红外波段成像的光学镜头，该光学镜头用于采集视场内被监测水域的红外图像，长波面阵红外探测器140则接收光学镜头采集的红外图像，并将接收到的光学信号转换为电信号，即对长波红外光学系统130所生成的红外图像进行光电转换，得到被监测水域的航拍红外图像数据，长波面阵红外探测器140与航拍器100中的数据处理及存储装置160连接，长波面阵红外探测器140将得到的被监测水域的航拍红外图像数据实时发送至数据处理及存储装置160，数据处理及存储装置160对接收到的红外图像数据进行一定处理后，进行实时存储，其中数据处理及存储装置160可以利用现有的处理芯片及存储器进行搭建。
后图像处理分析平台300获取数据处理及存储装置160存储的航拍红外图像数据和导航定位装置150实时采集的无人机飞行器110的附加位置信息，并根据航拍红外图像数据和附加位置信息进行图像拼接，得到被监测水域的整体红外图像。本发明中的后图像处理分析平台300设置于地面，主要用于后期的图像处理和分析，当航拍器100对被监测水域的航拍结束后，后图像处理分析平台300通过航拍器100上设置的数据接口，比如常见的USB数据接口等，从航拍器100中的数据处理及存储装置160获取存储的航拍红外图像数据，并从导航定位装置150获取其实时采集的无人机飞行器110的附加位置信息，其中附加位置信息用于后图像处理分析平台300进行图像拼接时确定各个航拍红外图像之间的相对位置关系，具体包括无人机飞行器110的经纬度信息、航向信息、飞行姿态信息等；后图像处理分析平台300获取航拍红外图像数据和附加位置信息后，根据航拍红外图像数据和附加位置信息进行图像拼接，得到被监测水域的整体红外图像，这里后图像处理分析平台300根据航拍红外图像数据和附加位置信息进行图像拼接可利用现有的图像拼接方式实现，比如利用SIFT特征匹配算法进行图像拼接和融合，由于基于SIFT特征旋转不变性的特征匹配方式的速度相对较快，因此基于该匹配方式的图像拼接效率较高，能够快速地得到被监测水域的整体红外图像。
后图像处理分析平台300对整体红外图像进行红外温度反演，得到被监测水域的温度场分布图像。红外温度反演即利用红外数据对地表温度进行反演，目前红外遥感反演地表温度的方法较多，这些方法所依据的最基本的理论是维恩位移定律和普朗克定律，本发明中后图像处理分析平台300可采用现有的红外遥感反演地表温度的方法，由于一般得到的热红外数据是以灰度值(DN值)来表示的，DN是无量纲的值，数值越大表示地表热辐射强度越大，温度越高，反之亦然，因此可以根据图像的DN值与地表辐射温度的映射关系来解译地表温度，后图像处理分析平台300可以根据被监测水域的红外发射率、航拍器100航拍过程中的实际环境参数(如大气辐射率、大气光谱透射率、环境温度、大气温度等)和整体红外图像的各点的灰度值与辐射温度的映射关系，对整体红外图像进行红外温度反演，从而得到被监测水域的温度场分布图像，实现对被监测水域的热污染监测，具体地，后图像处理分析平台300采用实验室标定结合红外测温公式的方式，根据航拍过程中的实际环境参数进行被监测水域各观测点的表面辐射温度计算，其中红外测温公式如下：
其中，T0为观测目标(即被监测水域)表面辐射温度，ε为观测目标(即被监测水域)表面红外发射率，εa为大气辐射率，τa为大气光谱透射率，Tr为发射率为黑体发射率情况下利用红外探测器(即长波面阵红外探测器140)测得的制定位置表面辐射温度，Tu为环境温度，Ta为大气温度，n的取值与红外探测器(即长波面阵红外探测器140)的工作波段有关，对于长波波段，取值为4。
根据红外温度反演的结果，可以进一步获得以下关于被监测水域的热力场分布信息：
(1)根据温度范围的不同，对不同温度区间进行伪彩色编码显示；
(2)通过阈值分割处理，绘制温升等温线；
(3)通过区域面积统计，计算不同温升范围内的水域面积，研究温升影响；
(4)通过不同时期的温升统计数据统计，研究热污染对环境的影响趋势。
上述水体热污染监测系统有别于传统的卫星、载人飞机红外遥感系统，其是一款专门针对给定水域热力场状态分布的无人机红外航拍测温系统，该系统仅以单个的长波红外光学系统和单个的长波面阵红外探测器进行红外成像，并且长波红外光学系统和长波面阵红外探测器均单波段地工作在远红外波段，对被监测水域进行单波段红外成像，因此有效降低了监测系统的算法复杂度、结构复杂度以及载荷重量，也降低了系统成本，结合后图像处理分析平台的图像拼接技术和红外温度反演技术，最终获得了用于对被监测水域的水体热污染进行分析的温度场分布图像，实现对被监测水域水体热污染的监测。本发明所提出的水体热污染监测系统具有拍摄路线和观测时间机动灵活、遥感数据获取成本低、针对性强等特点，对于一定范围内的水体热状态在不同时段的研究和监测具有重要意义，同时对于加强核/火电站的排水温度监测及对水生生态环境影响的研究也具有十分积极的意义。
作为一种具体的实施方式，如图2所示，航拍器100还包括数据收发装置170，数据收发装置170通过稳像云台120挂载于无人机飞行器110上，并且数据收发装置170通过无线数据传输方式与地面控制中心200进行通信；地面控制中心200接收数据收发装置170发射的航拍可见光图像数据和无人机飞行器110飞行状态数据，并对航拍可见光图像数据和无人机飞行器110飞行状态数据进行实时显示，其中无人机飞行器110的飞行状态数据包括无人机飞行器的飞行高度、飞行速度、剩余电量等信息，航拍可见光图像数据由无人机飞行器上挂载的可见光摄像装置实时摄录获得。本实施方式通过在航拍器100中设置数据收发装置170，可以将航拍器100所拍摄的航拍可见光图像数据和飞行状态数据实时发送给地面控制中心200，实现地面控制中心200对航拍器100的拍摄状态和飞行状态实时显示，从而帮助操控人员及时了解航拍器100的飞行状态，更好地控制航拍器100进行航拍。
作为一种具体的实施方式，如图3所示，地面控制中心200包括分别通过无线数据传输方式与数据收发装置170通信的地面站210和长距离遥控遥测装置220；地面站210接收数据收发装置170发射的航拍可见光图像数据和无人机飞行器110飞行状态数据，并对航拍可见光图像数据和无人机飞行器110飞行状态数据进行实时显示；长距离遥控遥测装置220获取飞行指令，并将飞行指令发送至数据收发装置170，数据收发装置170将飞行指令反馈至无人机飞行器110，以使无人机飞行器110根据飞行指令进行飞行。在本实施方式中，数据收发装置170与地面站210、数据收发装置170与长距离遥控遥测装置220之间均采用无线数据传输方式进行通信，地面站210用于接收数据收发装置170发射的航拍可见光图像数据和无人机飞行器110飞行状态数据，并对航拍可见光图像数据和无人机飞行器110飞行状态数据进行实时显示，其中无人机飞行器110的飞行状态数据包括无人机飞行器的飞行高度、飞行速度、剩余电量等信息；长距离遥控遥测装置220用于获取操控人员输入的飞行指令，并通过无线数据传输方式将飞行指令发送至数据收发装置170，数据收发装置170则将飞行指令反馈至无人机飞行器110，无人机飞行器110根据飞行指令调整相应的飞行姿态，如飞行高度、飞行路线等，实现根据操控人员的指令进行飞行，本实施方式中的长距离遥控遥测装置220可以基于现有的四轴或者多轴无人机飞行器控制器实现。
作为一种具体的实施方式，数据处理及存储装置160为FPGA处理及存储平台，该平台是以FPGA为核心处理器搭建的数据处理及存储平台，具有数据处理速度快、可靠性高等优点。FPGA数据处理及存储平台的FPGA处理芯片选用Xilinx公司的Virtex-5系列，它是该公司的高端产品，该款FPGA采用65纳米工艺，1.0V核电压，具有灵活的时钟管理模块，100Mb/s-3.2Gb/s的串行连接功能，550MHz的DSP硬核，内置36KB的RAM，I/O引脚多达1200个，资源较为丰富，该款芯片具有专门用于SATA接口的GTX千兆级高速串行收发器。FPGA数据处理及存储平台按照SATA协议进行图像数据的实时存储。
作为一种具体的实施方式，导航定位装置150为GPS/INS组合导航与定位装置。惯性导航技术(Inertial Navigation System,INS)的基本原理是根据相对惯性空间的力学定律，利用陀螺加速度计等惯性元件感受运行体在运动过程中的加速度，再通过计算机积分计算得到运动体的位置、速度等导航参数，具有自主导航能力，不需要任何外界电磁信号就可以给出载体的姿态、速度和位置等信息，抗干扰性强；全球定位系统(GlobalPositioning System,GPS)是当前先进的卫星导航定位系统，具有全球、全天候、高精度、实时定位等优点。因此，GPS/INS组合导航与定位装置可以充分发挥各自的优点，实现在高动态和强电子干扰的环境下实时高精度的导航定位，从而提高航拍器100的导航定位精度。
作为一种具体的实施方式，长波红外光学系统130的红外工作波段为8～12μm，地面分辨率为1.5m。在本实施方式中，长波红外光学系统的光路设计可采用如图4所示的光学镜头，该光学镜头由4片透镜组成，并采用4个非球面来平衡畸变影响，该光学镜头的视场角为62°×48.5°，焦距为9.066mm，F/#为1.0，畸变＜2％，地面分辨率为1.5米，波段范围为8～12μm。
作为一种具体的实施方式，长波面阵红外探测器140为TAU2非制冷长波红外探测器。本发明中的长波面阵红外探测器选用美国FLIR公司的TAU2非制冷长波红外探测器，其光谱响应范围为8-13μm，有效像元分辨率为640×480，像元尺寸为17μm，数据位深为14位，帧频为9帧/秒，该红外探测器具有较高的灵敏度和可靠性，有利于提高水体热污染监测系统的监测准确度和精度。
作为一种具体的实施方式，无人机飞行器110为Hex-rotor多旋翼无人机，该Hex-rotor多旋翼无人机的最佳航高可达800米，飞行速度最快36km/h，续航时间为20分钟，最大载荷为4kg，具有优良的环境适应性、载重大、飞行时间长以及可靠性高等优点。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种水体热污染监测系统，其特征在于，包括航拍器(100)、地面控制中心(200)和后图像处理分析平台(300)，所述航拍器(100)包括无人机飞行器(110)、稳像云台(120)、长波红外光学系统(130)、长波面阵红外探测器(140)、导航定位装置(150)和数据处理及存储装置(160)，所述长波红外光学系统(130)、所述长波面阵红外探测器(140)、所述导航定位装置(150)和所述数据处理及存储装置(160)通过所述稳像云台(120)挂载于所述无人机飞行器(110)上，
所述地面控制中心(200)与所述航拍器(100)通过无线数据传输方式进行通信，且所述地面控制中心(200)通过所述无线数据传输方式控制所述航拍器(100)对被监测水域进行航拍；
所述长波红外光学系统(130)在航拍过程中对所述被监测水域进行红外成像，得到所述被监测水域的红外图像，所述长波面阵红外探测器(140)接收所述红外图像并对所述红外图像进行光电转换，得到所述被监测水域的航拍红外图像数据，并将所述航拍红外图像数据实时发送至所述数据处理及存储装置(160)进行存储；
所述后图像处理分析平台(300)获取所述数据处理及存储装置(160)存储的所述航拍红外图像数据和所述导航定位装置(150)实时采集的所述无人机飞行器(110)的附加位置信息，并根据所述航拍红外图像数据和所述附加位置信息进行图像拼接，得到所述被监测水域的整体红外图像；
所述后图像处理分析平台(300)对所述整体红外图像进行红外温度反演，得到所述被监测水域的温度场分布图像。
2.根据权利要求1所述的水体热污染监测系统，其特征在于，所述航拍器(100)还包括数据收发装置(170)，所述数据收发装置(170)通过所述稳像云台(120)挂载于所述无人机飞行器(110)上，
所述数据收发装置(170)通过无线数据传输方式与所述地面控制中心(200)进行通信；
所述地面控制中心(200)接收所述数据收发装置(170)发射的航拍可见光图像数据和无人机飞行器(110)飞行状态数据，并对所述航拍可见光图像数据和所述无人机飞行器(110)飞行状态数据进行实时显示。
3.根据权利要求2所述的水体热污染监测系统，其特征在于，所述地面控制中心(200)包括分别通过无线数据传输方式与所述数据收发装置(170)通信的地面站(210)和长距离遥控遥测装置(220)，
所述地面站(210)接收所述数据收发装置(170)发射的所述航拍可见光图像数据和所述无人机飞行器(110)飞行状态数据，并对所述航拍可见光图像数据和所述无人机飞行器(110)飞行状态数据进行实时显示；
所述长距离遥控遥测装置(220)获取飞行指令，并将所述飞行指令发送至所述数据收发装置(170)，所述数据收发装置(170)将所述飞行指令反馈至所述无人机飞行器(110)，以使所述无人机飞行器(110)根据所述飞行指令进行飞行。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述后图像处理分析平台(300)通过所述航拍器(100)上设置的USB数据接口获取所述数据处理及存储装置(160)存储的所述航拍红外图像数据和所述导航定位装置(150)实时采集的所述无人机飞行器(110)的附加位置信息。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述后图像处理分析平台(300)根据所述航拍红外图像数据和所述附加位置信息进行图像拼接时，利用SIFT特征匹配算法进行图像拼接。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述数据处理及存储装置(160)为FPGA处理及存储平台。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述导航定位装置(150)为GPS/INS组合导航与定位装置。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述长波红外光学系统(130)的红外工作波段为8～12μm，地面分辨率为1.5m。
9.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述长波面阵红外探测器(140)为TAU2非制冷长波红外探测器。
10.根据权利要求1至3任意一项所述的水体热污染监测系统，其特征在于，
所述无人机飞行器(110)为Hex-rotor多旋翼无人机。
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