CN109631860A - 基于无人机的水库生活垃圾监测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于无人机的水库生活垃圾监测方法及系统；方法包括如下步骤：(10)监测水域巡查：采集沿途毫米波辐射数据，监测异常信号，得到垃圾位置信息；(20)污染信息采集：二维锥扫污染区域，得到辐射数据，拍摄光学图像；(30)综合判定:判定垃圾的类型、分布范围、覆盖面积、污染程度。系统包括通过无线网络信号连接的空中信息采集平台(1)和地面信息处理平台(2)，空中信息采集平台(1)对水库水域及边岸全线进行监测，获得辐射数据；地面信息处理平台(2)分析传来数据，确定垃圾种类、分布范围、覆盖面积、污染程度，控制无人机飞行状态。

Description

基于无人机的水库生活垃圾监测方法及系统

技术领域

本发明属于环境监测技术领域，特别是一种全天时、全天候、高精度基于无人机的水库生活垃圾监测方法及实现该方法的系统。

背景技术

近几年来，随着人口增多，人们的生活废弃物也越来越多，各大水库也面临着严重的污染问题。水库作为我们日常用水的生活水源，污染危害巨大，有机污染、磷污染会导致藻类疯长，鱼类死亡，甚至对人体造成危害。这个过程用原始的检测方法很难及时监测到，不能作出有效应对。因此需要一种全新的监测方式，能够做到对水库环境进行快速、准确、全天候的监测。

原始的检测方法是在水库设立人工监测点，往往不够及时、准确，对于生活水源的垃圾监测起到的效果不大。另一方面，卫星遥感技术在近年来逐渐发展，有较好的即时性和宏观性，但是在治理水库垃圾上，分辨率和精准性还有不足，很难胜任，定位监测精度不够。并且如果遇到恶劣天气，受到干扰，卫星遥感能够起到的作用又大打折扣，另外其还存在成本高的问题。

近年来，用无人机进行环境监测的技术也迅速发展，无人机占地面积小，可以悬停监测，灵活且不受天气、环境因素影响。在无人机上搭载摄像机、照相机等视频图像采集传输设备，可以迅速投入使用。在监测水面污染上有很好的发展前景。近年来，基于无人机的水污染监测开始应用。如2012年，由华南理工大学按照中国海监广东省总队的要求研制的中国首架自主研发的海监无人直升机投入使用，主要搭载摄像头、照相机、微波等视频和图像采集传输设备，进行实时空中图像和数据传播，然后依靠数据来执行分析广东近海的海洋执法监察、环境监测、环境保护等任务。中科院上海技术物理研究所设计了无人机载小型多光谱成像仪，使其搭载在无人机SE-1(海洋探索1号)平台，成为一种灵活机动的海洋监测工具，用于海洋污染、赤潮发现、原油泄漏等重大事件的监测。

但是，现有基于无人机的垃圾监测均采用光学或红外手段。这种方式由于光学传感器的高分辨率，在晴朗的白昼精度较高，但是在黑夜、阴雨天、雾霾天气，其监测精度则大幅下降，难以满足对水库生活垃圾全天候监测的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无人机的水库生活垃圾监测方法，实现对水库生活垃圾的全天时、全天候、高精度实时监测。

本发明的另一目的在于提供一种基于无人机的水库生活垃圾监测系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于无人机的水库生活垃圾监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

10监测水域巡查:无人机在水库水域及边岸上方沿既定路线巡飞，采集沿途毫米波辐射数据，监测异常信号，得到垃圾位置信息；

20污染信息采集:根据垃圾位置信息，初步确定重点监测水域，无人机在该重点监测水域悬停，对该重点监测水域进行二维圆锥扫描，得到该重点监测水域的毫米波辐射数据，同时拍摄该重点监测水域的光学图像；

30综合判定:根据所采集的毫米波辐射数据和拍摄的光学图像，综合判定垃圾的类型、分布范围、覆盖面积、污染程度。

实现本发另一明目的的技术解决方案为：

空中信息采集平台1，用于对水库水域及边岸全线进行监测，获得辐射数据；

地面信息处理平台2，用于分析传来数据，确定垃圾种类、分布范围，控制无人机飞行状态。

所述地面信息处理平台2和空中信息采集平台1通过远程无线网络信号传送位置信息、进行飞行控制、传输光学图像，空中信息采集平台1通过利用Modbus协议向地面信息处理平台2无线传输辐射数据。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

能够实现对水库生活垃圾的全天时、全天候、高精度实时监测。

(1)水库的无人机水污染监测可以解决由水库地势广阔带来的人工监测难度大，不全面，耗费人力的问题。

(2)无人机搭载水污染监测主要集中在光学、红外手段，受环境、天气影响大。无源毫米波探测可获取恶劣天气、环境下可见光与红外探测器不能获取的特殊信息，本发明采用3mm/8mm波段毫米波双通道辐射计，使系统具有全天时全天候的工作性能，同时将光学摄像机与3mm/8mm天线复合，利用光学摄像机弥补了毫米波成像不够清晰的缺陷。

(3)采用的毫米波辐射计体积小，功耗低。天线与光学摄像机复合，提高集成度，简化结构，易于无人机搭载和长时间工作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于无人机的水库生活垃圾监测方法的主流程图。

图2为本发明基于无人机的水库生活垃圾监测系统的结构框图。

图中，11－四旋翼无人机；12－定位模块；13－复合接收模块；14－毫米波双通道辐射计；15—数据采集模块；16－数据发送模块；21－飞行控制模块；22－图像处理模块；23－成像显示模块；24－数据处理模块；25－数据库特征匹配模块；26－数据接收模块。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于无人机的水库生活垃圾监测方法，包括如下步骤：

(10)监测水域巡查:无人机在水库水域及边岸上方沿既定路线巡飞，采集沿途毫米波辐射数据，监测异常信号，得到垃圾位置信息；

所述(10)监测水域巡查步骤中，利用无人机搭载的3mm/8mm波段毫米波双通道辐射计采集沿途毫米波辐射数据。

所述(10)监测范围巡查过程中，对水域进行宽角扫描，以采集沿途较大范围内毫米波辐射数据。

(20)污染信息采集:根据垃圾位置信息，初步确定重点监测水域，无人机在该重点监测水域悬停，对该重点监测水域进行二维圆锥扫描，得到该重点监测水域的毫米波辐射数据，同时拍摄该重点监测水域的光学图像；

所述(20)污染信息采集步骤中，利用光学摄像头对目标范围进行拍摄。

(30)综合判定:根据所采集的毫米波辐射数据和拍摄的光学图像，综合判定垃圾的类型、分布范围、覆盖面积、污染程度。

所述(30)综合判定步骤包括：

(31)确定垃圾种类：利用毫米波辐射特性对采集的辐射数据进行分析，确定垃圾种类。

具体步骤为：将测得的毫米波辐射数据即天线温度反演为辐射亮温，与先期建立的典型垃圾毫米波辐射特性数据库中典型生活垃圾的辐射特性进行匹配，确定生活垃圾的类型。

(32)确定垃圾分布：经过辐射图像重构，结合光学图像，进行成像显示，结合无人机位置信息和地图信息，确定分布范围、污染程度。

利用扫描无源毫米波成像系统获取污染水域的毫米波辐射图像，利用形态学复合滤波去噪，图像增强与图像复原，进行辐射图像重构，与拍摄的光学照片进行结合分析，判别出垃圾分布的范围，另外根据无人机位置信息和水库地图标尺分析出垃圾覆盖的面积大小。

本发明基于无人机的水库生活垃圾监测系统，包括：

空中信息采集平台1，用于对水库水域及边岸全线进行监测，获得辐射数据；

地面信息处理平台2，用于分析传来数据，确定垃圾种类、分布范围，控制无人机飞行状态。

所述地面信息处理平台2和空中信息采集平台1通过远程无线网络信号传送位置信息、进行飞行控制、传输光学图像，空中信息采集平台1通过利用Modbus协议向地面信息处理平台2无线传输辐射数据。

如图2所示，所述空中信息采集平台1包括：

四旋翼无人机11，用于搭载各功能模块，按照指令飞行、悬停；

定位模块12，用于接收地面信息处理平台2发出的飞行指令，并通过无线网络向地面传送位置信息；

复合接收模块13，用于接收3mm/8mm毫米波辐射信号和拍摄光学图像；复合接收模块13由3mm波段天线和8mm波段天线沿H向并列排列，并通过机械组件将一个微型光学摄像头固定在两个天线中间组合而成。其中3mm波段天线可以进行宽角扫描，波束宽度0.8°，天线口径300mm，双极化，二维圆锥扫描，扫描范围180°×120°；8mm波段天线波束宽度1.5°，天线口径368mm，双极化，二维圆锥扫描，扫描范围180°× 120°。

毫米波双通道辐射计14，用于采集监测水域的生活垃圾的毫米波辐射数据；

毫米波双通道辐射计14中一个通道用于采集3mm波段辐射数据，其中采用W波段射频低噪放，中心频率94GHz，带宽4GHz；第二通道用于采集8mm波段辐射数据，采用KA波段射频低噪放，中心频率35GHz，带宽2GHz；另外光学通道用于传输光学图像信息。定标装置采用高低温源把电压信号化为温度信号；

数据采集模块15，用于将采集到的模拟电压信号转换成计算机能识别的数字信号；

数据发送模块16，用于向地面信息处理平台2传输光学图像和辐射数据。

所述定位模块12、复合接收模块13、毫米波双通道辐射计14、数据采集模块15、数据发送模块16与四旋翼无人机11直接连接，复合接收模块13与毫米波双通道辐射计14直接连接，毫米波双通道辐射计14与数据采集模块15通过电信号连接，数据采集模块15与数据发送模块16通过电信号连接。

所述地面信息处理平台2包括：

飞行控制模块21，用于与空中信息采集平台1远程通信，接收无人机位置信息，确定重点监测水域，发出飞行指令；

图像处理模块22，对辐射图像进行分析，结合无人机位置信息，确定垃圾的分布范围、污染地点、污染程度；

成像显示模块23，用于辐射图像重构，结合光学图像，进行成像显示；

数据处理模块24，用于分析接收到的辐射数据，确定垃圾类型，及垃圾分布位置，初步判定重点监测水域；

数据库特征匹配模块25，用于将采集到数据与先期建立的典型垃圾毫米波辐射特性数据库中的不同材料的辐射特性数据进行匹配，确定垃圾类型；

数据接收模块26，用于接收空中信息采集平台1发送的辐射数据；

所述飞行控制模块21与图像处理模块22通过电信号相连，图像处理模块22与成像显示模块23通过电信号相连，数据处理模块24与成像显示模块23、数据接收模块 26、数据库特征匹配模块25通过电信号相连。所述飞行控制模块21与定位模块12通过无线网络信号相连，数据接收模块26与数据发送模块17通过Modbus网络通讯协议无线连接。

本发明基于无人机的水库生活垃圾监测系统工作过程如下

首先：系统自检,对辐射计进行高低温定标。

第二步：利用四旋翼无人机搭载毫米波辐射计，沿水库水域及边岸全线巡航，进行宽角扫描，并采集沿途数据，发现异常信号。

第三步：将采集到的辐射数据传回地面，进行数据处理，与数据库中典型垃圾的毫米波辐射特性进行对比分析，典型的生活垃圾有外包装(如瓶子、箱子、袋子等)，材质如金属、玻璃、塑料、纸、布料和水面油污等。判断是否为生活垃圾。

第四步：如果判断为生活垃圾，则根据无人机传回位置信息确定重点监测水域，发出飞行控制指令。无人机根据飞行指令对重点监测水域进行锥扫，采集辐射信息，同时拍摄光学照片。

第五步：将采集到的辐射信息通过Modbus网络通讯协议无线传回地面，利用形态学复合滤波去噪，图像增强与图像复原，获取图像特征，拍摄的光学照片结合，进行成像显示，判别出垃圾分布的范围，另外根据无人机位置信息和水库地图标尺分析出垃圾覆盖的面积大小。

第六步：确定生活垃圾的类型、分布范围、污染地点、污染程度。

这样地面人员可以通过所得的实时数据，制定有针对性、高效的污染治理、垃圾清除方案，及时对聚集到水库的垃圾进行清理，加快污染治理的进程，消除安全隐患，而且能在各种不利天气环境下工作。

本发明的效果是采用无人机搭载毫米波辐射计的方法，可以对水库生活垃圾的全天时、全天候、高精度实时监测，能够准确获得水库及周围的生活垃圾的种类、位置、覆盖范围，地面人员可以及时对聚集到水库的垃圾进行清理。该发明设计合理，实现了对监测区域全面、快速、精准的监测功能，提高了监测的准确性，在生活水源保护方面具有重要的社会现实意义和重大实用经济价值。

Claims (10)

1.一种基于无人机的水库生活垃圾监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(10)监测水域巡查:无人机在水库水域及边岸上方沿既定路线巡飞，采集沿途毫米波辐射数据，监测异常信号，得到垃圾位置信息；

(20)污染信息采集:根据垃圾位置信息，初步确定重点监测水域，无人机在该重点监测水域悬停，对该重点监测水域进行二维圆锥扫描，得到该重点监测水域的毫米波辐射数据，同时拍摄该重点监测水域的光学图像；

(30)综合判定:根据所采集的毫米波辐射数据和拍摄的光学图像，综合判定垃圾的类型、分布范围、覆盖面积、污染程度。

2.根据权利要求1所述的水库生活垃圾监测方法，其特征在于:

所述(10)监测水域巡查步骤中，利用无人机搭载的3mm/8mm波段毫米波双通道辐射计采集沿途毫米波辐射数据。

3.根据权利要求1所述的水库生活垃圾监测方法，其特征在于：

所述(10)监测范围巡查过程中，对水域进行宽角扫描，以采集沿途较大范围内毫米波辐射数据。

4.根据权利要求1所述的水库垃圾监测方法，其特征在于：

所述(20)污染信息采集步骤中，利用光学摄像头对目标范围进行拍摄。

5.根据权利要求1所述的水库垃圾监测方法，其特征在于：所述(30)综合判定步骤包括：

(31)确定垃圾种类：利用毫米波辐射特性对采集的辐射数据进行分析，确定垃圾种类。

(32)确定垃圾分布：经过辐射图像重构，结合光学图像，进行成像显示，结合无人机位置信息和地图标尺信息，确定分布范围、覆盖面积、污染程度。

6.根据权利要求5所述的水库垃圾监测方法，其特征在于，所述(31)确定垃圾种类步骤具体为：

将测得的毫米波辐射数据即天线温度反演为辐射亮温，与先期建立的典型垃圾毫米波辐射特性数据库中典型生活垃圾的辐射特性进行匹配，确定生活垃圾的类型。

7.根据权利要求5所述的水库垃圾监测方法，其特征在于，所述(32)确定垃圾分布步骤具体为：

利用扫描无源毫米波成像系统获取污染水域的毫米波辐射图像，利用形态学复合滤波去噪，图像增强与图像复原，进行辐射图像重构，与拍摄的光学照片进行结合分析，判别出垃圾分布的范围，另外根据无人机位置信息和水库地图标尺分析出垃圾覆盖的面积大小。

8.一种用于实现权利要求1至7之一所述方法的基于无人机的水库生活垃圾监测系统，其特征在于，包括：

空中信息采集平台(1)，用于对水库水域及边岸全线进行监测，获得辐射数据；

地面信息处理平台(2)，用于分析传来数据，确定垃圾种类、分布范围，控制无人机飞行状态。

所述地面信息处理平台(2)和空中信息采集平台(1)通过远程无线网络信号传送位置信息、进行飞行控制、传输光学图像，空中信息采集平台(1)通过利用Modbus网络通讯协议向地面信息处理平台(2)无线传输辐射数据。

9.根据权利要求8所述的水库生活垃圾监测系统，其特征在于，所述空中信息采集平台(1)包括：

四旋翼无人机(11)，用于搭载各功能模块，按照指令飞行、悬停；

定位模块(12)，用于接收地面信息处理平台(2)发出的飞行指令，并通过无线网络向地面传送位置信息；

复合接收模块(13)，用于接收3mm/8mm毫米波辐射信号和拍摄光学图像；

毫米波双通道辐射计(14)，用于采集监测水域的生活垃圾的毫米波辐射数据；

数据采集模块(15)，用于将采集到的模拟电压信号转换成计算机能识别的数字信号；

数据发送模块(16)，用于向地面信息处理平台(2)传输光学图像和辐射数据。

所述定位模块(12)、复合接收模块(13)、毫米波双通道辐射计(14)、数据采集模块(15)、数据发送模块(16)与四旋翼无人机(11)固定连接，复合接收模块(13)与毫米波双通道辐射计(14)信号连接，毫米波双通道辐射计(14)与数据采集模块(15)信号连接，数据采集模块(15)与数据发送模块(16)信号连接。

10.根据权利要求9所述的水库生活垃圾监测预警系统，其特征在于，所述地面信息处理平台(2)包括：

飞行控制模块(21)，用于与空中信息采集平台(1)远程通信，接收无人机位置信息，确定重点监测水域，发出飞行指令；

图像处理模块(22)，对辐射图像进行分析，结合无人机位置信息，确定垃圾的分布范围、污染地点、污染程度；

成像显示模块(23)，用于辐射图像重构，结合光学图像，进行成像显示；

数据处理模块(24)，用于分析接收到的辐射数据，确定垃圾类型，及垃圾分布位置，初步判定重点监测水域；

数据库特征匹配模块(25)，用于将采集到数据与先期建立的典型垃圾毫米波辐射特性数据库中的不同材料的辐射特性数据进行匹配，确定垃圾类型；

数据接收模块(26)，用于接收空中信息采集平台(1)发送的辐射数据；

所述飞行控制模块(21)与图像处理模块(22)通过电信号相连，图像处理模块(22)与成像显示模块(23)通过电信号相连，数据处理模块(24)与成像显示模块(23)、数据接收模块(26)、数据库特征匹配模块(25)通过电信号相连；

所述飞行控制模块(21)与定位模块(12)通过无线网络信号相连，数据接收模块(26)与数据发送模块(17)通过Modbus网络通讯协议无线连接。