CN110132183B - 一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，包括水下机器人主体、GPS定位装置、内嵌式中央处理器、广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器、深度调节器、手持式操作显示屏和高性能存贮设备；所述内嵌式中央处理器安装在水下机器人主体内，所述GPS定位装置安装在水下机器人主体顶部，所述广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器组合安装在水下机器人主体前端，所述深度调节器安装在水下机器人主体后端。本发明所述盖度仪在不破坏原有群落结构的基础上，解决在深水水域环境下难以快速、准确地监测沉水植物分布情况和盖度统计的难题，为科学客观地评估深水水域水生态健康提供有力的数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种沉水植物监测装置，具体涉及一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，实现深水水域的自动影像监测，进而完成沉水植物的自动提取及其盖度的自动计算。
背景技术
深水水域是相对于浅水水域而言，一般是指危险性比较大、水深超过5m的水域。沉水植物是海滨、河口和内陆水生生态系统的重要组成部分，它生活于水生生态系统中水与底质的界面，是水体和底质两大营养库间的有机结合部。国内外许多研究表明，通过人工或自然的繁殖和培植方法进行水生植物群落的重建，恢复水生生态系统的功能，将湖泊由藻型浊水状态向草型清水状态转化，已成为水环境污染治理和整治工程中的重要内容。沉水植物的分布、组成及变化可以科学反映特定水域的水生态状况，一直是湖泊富营养化治理重点关注的指标，也是水生态健康评价的重要指标之一。
目前，深水水域的沉水植物调查主要分为现场调查法和卫星遥感监测法。现场调查法一般指通过潜水员进行水下拍摄，并结合水面现场判读。这种方法耗时耗力、监测覆盖范围小、精度较低、安全性差，而且容易影响水体环境。卫星遥感监测法自20世纪90年代以来被逐渐使用，然而与陆生植物和挺水植物不同，沉水植物完全沉于水中，其植物体反射的光谱必须穿过大气-水界面，水体和水体中的浮游植物以及其他光学活性成分（悬浮物等）会改变沉水植物的光学特性，使得沉水植物的光谱特性更为复杂。因此，目前主要采用具有丰富光谱信息的高光谱遥感技术来监测沉水植物。然而，这种基于高光谱遥感技术的方法受天气影响较大，在天气不好或存在云层的情况下不能获取高光谱遥感影像；在水体较深或水面存在悬浮物的情况下很难穿透水体，准确监测出沉水植物；而且高光谱遥感影像的空间分辨率相对较低，很难实现对深水水域沉水植物的高精度监测。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，通过设计新型的水下机器人型沉水植物盖度仪，实现对深水水域影像的自动拍摄，完成沉水植物的高精度提取及其盖度的自动计算。在不破坏原有群落结构的基础上，解决在深水水域环境下难以快速、准确地监测沉水植物分布情况和盖度统计的难题，为科学客观地评估深水水域水生态健康提供数据支撑。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，包括水下机器人主体、GPS定位装置、内嵌式中央处理器、广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器、深度调节器、手持式操作显示屏和高性能存贮设备。所述内嵌式中央处理器安装在水下机器人主体内，所述GPS定位装置安装在水下机器人主体顶部，所述广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器组合安装在水下机器人主体前端，所述深度调节器安装在水下机器人主体后端。
进一步的，所述的GPS定位装置、广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器、深度调节器和手持式操作显示屏均与内嵌式中央处理器端口相连接。内嵌式中央处理器通过对应端口接收GPS定位装置、陀螺仪、声纳探测器的位置数据，手持式操作显示屏的参数设置数据和广角影像传感器的数字影像数据；并将这些数据输入导航线路优化分析模块、数据预处理模块和沉水植物盖度分析模块；最终将导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果通过人机交互模块发送到手持式操作显示屏。
进一步的，所述的GPS定位装置包括一个可伸缩天线和防水连接件，可以根据水下机器人下潜的具体深度调节天线的长度。
进一步的，所述的内嵌式中央处理器可以接收来自GPS定位装置、广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器、深度调节器、手持式操作显示屏所采集或显示的数据；支持导航线路优化分析模块、数据预处理模块和沉水植物盖度分析模块的相关计算分析；可以将最终将图像处理结果和沉水植物盖度分析结果保存到高性能存贮设备，并发送到手持式操作显示屏。
进一步的，所述的广角影像传感器可以根据指令调整拍摄角度，采集高分辨率的深水水域数字影像。
进一步的，所述的陀螺仪与广角影像传感器相连接，可以记录当前的姿态，作为广角影像传感器的惯导系统。
进一步的，所述的声纳探测器可以向深水水域底部发射并接收声纳信号，从而计算出水体的深度。
进一步的，所述的深度调节器可以根据指令调节水下机器人的下潜深度，保证影像拍摄的最佳距离。
进一步的，所述的手持式操作显示屏可以设置水下机器人及其相关设备的基本参数，显示导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果。
进一步的，所述的高性能存贮设备可以保存广角影像传感器采集的原始深水水域数字影像、数据预处理模块和沉水植物盖度分析模块得到的图像处理结果和沉水植物盖度分析结果。
进一步的，所述的导航线路优化分析模块用于接收GPS定位装置、声纳探测器和陀螺仪所采集的数据，通过声纳探测器数据获取深水水域的水体深度，通过GPS定位装置的数据获取当前水下机器人本体的空间位置，结合广角影像传感器的视场角，并根据数字影像拍摄时航向（水下机器人主体行进方向）相邻影像重叠度40%-60%、旁向（水下机器人主体行进方向的垂直方向）相邻影像重叠度30%-40%的原则，计算影像拍摄的最佳距离，并发送指令给深度调节器，调整水下机器人的下潜深度，最终完成对导航线路的优化分析，并将导航线路优化分析结果通过内嵌式中央处理器发送到手持式操作显示屏。经用户确认，深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪即可设置最优化的导航线路。
进一步的，所述的数据预处理模块用于接收广角影像传感器所采集的深水水域数字影像数据，GPS定位装置和陀螺仪所采集的定位数据，将GPS定位装置和陀螺仪所采集的定位数据对广角影像传感器所采集的深水水域数字影像数据进行位置标记，并将位置标记完成后的数字影像数据保存到高性能存贮设备，并发送到沉水植物盖度分析模块。
进一步的，所述的沉水植物盖度分析模块用于接收位置标记完成后的深水水域数字影像数据，使用内嵌式中央处理器完成对这些影像数据的图像处理、目标提取和盖度分析，最终将图像处理结果和沉水植物盖度分析结果保存到高性能存贮设备，并发送到手持式操作显示屏。
沉水植物盖度分析模块的主要处理步骤如下所示：
（1）对具有位置标记的深水水域数字影像数据进行噪声去除和图像增强处理；
（2）基于位置标记信息完成广角影像传感器自动标定和数字影像畸变校正；
（3）结合位置标记信息，对完成畸变校正的数字影像进行正射图像生成；
（4）对生成的正射图像进行特征点自动提取，通过相邻影像的特征点自动匹配及空中三角测量高效计算，实现影像匹配点的自动优化选择；
（5）基于优化选择的影像匹配点进行深水水域大场景正射图像生成；
（6）结合影像光谱特征信息和沉水植物几何特征信息，实现影像中沉水植物的自动提取；
（7）将提取出的沉水植物面积除以影像监测的总面积，即得到沉水植物盖度分析结果。
人机交互模块，用于手工输入水下机器人相关设备的基本参数数据和各种控制命令，并将这些基本参数和控制命令发送至内嵌式中央处理器；也可以将导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果内嵌式中央处理器发送到手持式操作显示屏。
有益效果：本发明提供了一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，通过设计新型的水下机器人型沉水植物盖度仪，实现对深水水域影像的自动监测，完成沉水植物的高精度提取及其盖度的自动计算。在不破坏原有群落结构的基础上，解决在深水水域环境下难以快速、准确地监测沉水植物分布情况和盖度统计的难题，为科学客观地评估深水水域水生态健康提供有力的数据支撑。
附图说明
图1为本发明所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪的结构示意图。
图2为本发明所述的深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪的模块组成示意图。
图中：1、水下机器人主体；2、GPS定位装置；3、广角影像传感器；4、陀螺仪；5、声纳探测器；6、深度调节器；7、高性能存贮设备；8、手持式操作显示屏。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
图1为本发明所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪的结构示意图，包括水下机器人主体1、GPS定位装置2、内嵌式中央处理器、广角影像传感器3、陀螺仪4、声纳探测器5、深度调节器6、手持式操作显示屏8和高性能存贮设备7。所述内嵌式中央处理器安装在水下机器人主体1内，所述GPS定位装置2安装在水下机器人主体1顶部，所述广角影像传感器3、陀螺仪4、声纳探测器5组合安装在水下机器人主体1前端。
图2为模块组成示意图，所述的GPS定位装置2、广角影像传感器3、陀螺仪4、声纳探测器5、深度调节器6和手持式操作显示屏8均与内嵌式中央处理器端口相连接。内嵌式中央处理器通过对应端口接收GPS定位装置2、陀螺仪4、声纳探测器5的位置数据，手持式操作显示屏8的参数设置数据和广角影像传感器3的数字影像数据；并将这些数据输入导航线路优化分析模块、数据预处理模块和沉水植物盖度分析模块进行分析计算；最终将导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果通过人机交互模块发送到手持式操作显示屏8。
本实例的具体使用过程如下：
（1）将深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪放置于深水水域，内嵌式中央处理器开始接收GPS定位装置2、声纳探测器5和陀螺仪4所采集的数据，并将数据发送到导航线路优化分析模块。导航线路优化分析模块通过声纳探测器5数据计算深水水域的水体深度，通过GPS定位装置2的数据获取当前水下机器人本体的空间位置，结合广角影像传感器3的视场角，并根据数字影像拍摄时航向（水下机器人主体1行进方向）相邻影像重叠度40%-60%、旁向（水下机器人主体1行进方向的垂直方向）相邻影像重叠度30%-40%的原则，计算影像拍摄的最佳距离，并发送指令给深度调节器6，调整水下机器人的下潜深度，调整GPS的天线长度，调整广角影像传感器3的最佳拍摄角度，最终完成对导航线路的优化分析，并将导航线路优化分析结果通过内嵌式中央处理器发送到手持式操作显示屏8。经用户确认，深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪按照设置的最优化导航线路进行航行和深水水域数字影像数据的拍摄。
（2）数据预处理模块用于接收广角影像传感器3所采集的深水水域数字影像数据，GPS定位装置2和陀螺仪4所采集的定位数据，将GPS定位装置2和陀螺仪4所采集的定位数据对广角影像传感器3所采集的深水水域数字影像数据进行位置标记，并将位置标记完成后的数字影像数据保存到高性能存贮设备7，并发送到沉水植物盖度分析模块。
（3）沉水植物盖度分析模块用于接收位置标记完成后的深水水域数字影像数据，使用内嵌式中央处理器完成对这些影像数据的图像处理、目标提取和盖度分析，其主要处理步骤如下所示：
1)对具有位置标记的深水水域数字影像数据进行噪声去除和图像增强处理；
2)基于位置标记信息完成广角影像传感器3自动标定和数字影像畸变校正；
3)结合位置标记信息，对完成畸变校正的数字影像进行正射图像生成；
4)对生成的正射图像进行特征点自动提取，通过相邻影像的特征点自动匹配及空中三角测量高效计算，实现影像匹配点的自动优化选择；
5)基于优化选择的影像匹配点进行深水水域大场景正射图像生成；
6)结合影像光谱特征信息和沉水植物几何特征信息，实现影像中沉水植物的自动提取；
7)将提取出的沉水植物面积除以影像监测的总面积，即得到沉水植物盖度分析结果。
（4）内嵌式中央处理器将图像处理结果和沉水植物盖度分析结果保存到高性能存贮设备7，并发送到手持式操作显示屏8。用户通过人机交互模块进行确认，选择重新拍摄或结束拍摄。
Claims (7)
1.一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，包括水下机器人主体、GPS定位装置、内嵌式中央处理器、广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器、深度调节器、手持式操作显示屏和高性能存贮设备；所述内嵌式中央处理器安装在水下机器人主体内，所述GPS定位装置安装在水下机器人主体顶部，所述广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器组合安装在水下机器人主体前端，所述深度调节器安装在水下机器人主体后端；
所述的GPS定位装置、广角影像传感器、陀螺仪、声纳探测器、深度调节器和手持式操作显示屏均与内嵌式中央处理器端口相连接，内嵌式中央处理器通过对应端口接收GPS定位装置、陀螺仪、声纳探测器的位置数据，以及手持式操作显示屏的参数设置数据和广角影像传感器的数字影像数据；并将这些数据输入导航线路优化分析模块、数据预处理模块和沉水植物盖度分析模块；最终将导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果通过人机交互模块发送到手持式操作显示屏；
所述的导航线路优化分析模块用于接收GPS定位装置、声纳探测器和陀螺仪所采集的数据，通过声纳探测器数据获取深水水域的水体深度，通过GPS定位装置的数据获取当前水下机器人本体的空间位置，结合广角影像传感器的视场角，并根据数字影像拍摄时航向相邻影像重叠度40%-60%、旁向相邻影像重叠度30%-40%的原则，计算影像拍摄的最佳距离，并发送指令给深度调节器，调整水下机器人的下潜深度，最终完成对导航线路的优化分析，并将导航线路优化分析结果通过内嵌式中央处理器发送到手持式操作显示屏；经用户确认，深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪即可设置最优化的导航线路；
所述的数据预处理模块用于接收广角影像传感器所采集的深水水域数字影像数据，GPS定位装置和陀螺仪所采集的定位数据，将GPS定位装置和陀螺仪所采集的定位数据对广角影像传感器所采集的深水水域数字影像数据进行位置标记，并将位置标记完成后的数字影像数据保存到高性能存贮设备，并发送到沉水植物盖度分析模块；
所述的沉水植物盖度分析模块，用于接收位置标记完成后的深水水域数字影像数据，使用内嵌式中央处理器完成对这些影像数据的图像处理、目标提取和盖度分析，最终将图像处理结果和沉水植物盖度分析结果保存到高性能存贮设备，并发送到手持式操作显示屏；
所述的沉水植物盖度分析模块的主要处理步骤如下所示：
（1）对具有位置标记的深水水域数字影像数据进行噪声去除和图像增强处理；
（2）基于位置标记信息完成广角影像传感器自动标定和数字影像畸变校正；
（3）结合位置标记信息，对完成畸变校正的数字影像进行正射图像生成；
（4）对生成的正射图像进行特征点自动提取，通过相邻影像的特征点自动匹配及空中三角测量高效计算，实现影像匹配点的自动优化选择；
（5）基于优化选择的影像匹配点进行深水水域大场景正射图像生成；
（6）结合影像光谱特征信息和沉水植物几何特征信息，实现影像中沉水植物的自动提取；
（7）将提取出的沉水植物面积除以影像监测的总面积，即得到沉水植物盖度分析结果。
2.根据权利要求1所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，所述的GPS定位装置包括一个可伸缩天线和防水连接件，根据水下机器人下潜的具体深度调节天线的长度。
3.根据权利要求1所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，所述的广角影像传感器根据指令调整拍摄角度，用于采集高分辨率的深水水域数字影像；所述的陀螺仪与广角影像传感器相连接，记录当前的姿态，作为广角影像传感器的惯导系统。
4.根据权利要求1所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，所述的声纳探测器用于向深水水域底部发射并接收声纳信号，从而计算出水体的深度；所述的深度调节器可根据指令调节水下机器人的下潜深度，保证影像拍摄的最佳距离。
5.根据权利要求1所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，所述的手持式操作显示屏可设置水下机器人及其相关设备的基本参数，显示导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果。
6.根据权利要求1所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，所述的高性能存贮设备用于保存广角影像传感器采集的原始深水水域数字影像、数据预处理模块和沉水植物盖度分析模块得到的图像处理结果和沉水植物盖度分析结果。
7.根据权利要求1所述的一种深水水域水下机器人型沉水植物盖度仪，其特征在于，所述的人机交互模块用于手工输入水下机器人相关设备的基本参数数据和各种控制命令，并将这些基本参数和控制命令发送至内嵌式中央处理器；也可将导航线路优化分析结果、数据预处理结果和盖度分析结果内嵌式中央处理器发送到手持式操作显示屏。
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