CN113406014A - 一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统及方法，包括飞行设备、数据采集处理平台以及搭载在飞行设备上的多光谱成像设备。飞行设备在溢油区域上方进行巡航，多光谱成像设备在飞行设备巡航时，对溢油区域进行多次拍摄，得到每一区域的多光谱段图像。数据采集处理平台利用仿射‑尺度不变特征变换算法对每一区域的多光谱段图像进行图像拼接，得到溢油区域的多光谱段图像，然后根据溢油区域的多光谱段图像，确定溢油区域中油膜的分布情况和分布面积，从而可获取水面油膜的多维高分辨率信息，完成海面油膜信息的提取与识别，实现溢油事故现场油膜面积和油膜分布信息的第一时间反馈，便于对溢油进行及时处理。
Description
技术领域
本发明涉及流域及近海遥感监测技术领域，特别是涉及一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统及方法。
背景技术
近年来，环渤海河北、山东沿海等地每年均发生多起不明来源油块污染岸线和浅海养殖场的事件，油块均呈大小不一的块状颗粒，而海域附近并未发生溢油事故，周边海域海面也没有发现漂浮的油污。随着认识的深入，这种不明来源的油块被认定是沉潜油。然而，有关沉潜油的研究在国内外均是一个难题，沉潜油形成的条件和机理，沉潜油的漂移扩散方式、迁移转化归宿、环境影响及消亡速率等问题均未得到有效认识，对沉潜油的监测困难重重，发现、跟踪并监测沉潜油的成功率、准确率较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统及方法，研究水面油膜快速检测技术，及时发现并跟踪漂浮在海面上的油污，做到及时清理，以便于减小对环境的破坏。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统，所述溢油监测系统包括飞行设备、数据采集处理平台以及搭载在所述飞行设备上的多光谱成像设备；
所述飞行设备用于在溢油区域上方进行巡航；
所述多光谱成像设备与所述数据采集处理平台通信连接；所述多光谱成像设备用于在所述飞行设备巡航时，对所述溢油区域进行多次拍摄，每次拍摄所述溢油区域的部分区域，得到每一区域的多光谱段图像，并将所述每一区域的多光谱段图像传输至所述数据采集处理平台；
所述数据采集处理平台用于根据所述每一区域的多光谱段图像，确定所述溢油区域中油膜的分布情况和分布面积。
一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，所述溢油监测方法包括如下步骤：
接收多光谱成像设备在飞行设备巡航时对溢油区域进行多次拍摄所得到的每一区域的多光谱段图像；
利用仿射-尺度不变特征变换算法对所述每一区域的多光谱段图像进行图像拼接，得到所述溢油区域的多光谱段图像；
根据所述溢油区域的多光谱段图像，确定所述溢油区域中油膜的分布情况和分布面积。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统及方法，包括飞行设备、数据采集处理平台以及搭载在飞行设备上的多光谱成像设备，多光谱成像设备与数据采集处理平台通信连接。飞行设备在溢油区域上方进行巡航，多光谱成像设备在飞行设备巡航时，对溢油区域进行多次拍摄，每次拍摄溢油区域的部分区域，得到每一区域的多光谱段图像。数据采集处理平台利用仿射-尺度不变特征变换算法对每一区域的多光谱段图像进行图像拼接，得到溢油区域的多光谱段图像，然后根据溢油区域的多光谱段图像，确定溢油区域中油膜的分布情况和分布面积，从而可获取水面油膜的多维高分辨率信息，完成海面油膜信息的提取与识别，实现溢油事故现场油膜面积和油膜分布信息的第一时间反馈，便于对溢油进行及时处理。另外，无论是否掌握海面所漂浮的油膜所形成的条件和机理、漂移扩散方式、迁移转化归宿、环境影响及消亡速率，利用本发明的监测系统和方法均可以对其进行有效监测，成功率、准确率高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1所提供的溢油监测系统的结构框图。
图2为本发明实施例1所提供的多光谱成像设备的结构示意图。
图3为本发明实施例2所提供的溢油监测方法的方法流程图。
符号说明：
1-飞行设备；2-多光谱成像设备；3-数据采集处理平台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统及方法，研究水面油膜快速检测技术，及时发现并跟踪漂浮在海面上的油污，可以对沉潜油进行实时监测，做到及时清理，以便于减小对环境的破坏。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
本实施例用于提供一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统，如图1所示，所述溢油监测系统包括飞行设备1、数据采集处理平台3以及搭载在飞行设备1上的多光谱成像设备2。
所述飞行设备1用于在溢油区域上方进行巡航。具体的，所述飞行设备1为无人机，可采用轻小型无人机，无人机为旋翼无人机、多旋翼无人机、固定翼无人机或其他类型的无人机，进而可以将多光谱成像设备2搭载在多种不同类型的无人机上。所述飞行设备1还可以为飞机等设备，只要能够实现对溢油区域进行巡航的设备均处于本发明的保护范围内。所述无人机上还设置有无人机控制系统，该无人机控制系统支持手动遥控模式和固定航线巡航模式等不同模式，进而既能够通过手动遥控对无人机的飞行状态进行控制，使其进行巡航，也可以通过编程，使无人机以设定好的飞行参数沿固定航线进行巡航，并通过该无人机控制系统实时记录无人机的飞行路线和飞行状态。另外，在无人机的飞行过程中，本实施例还通过GPS定位和惯性测量方法，获取无人机在任意位置的飞行姿态信息。对于其他类型的飞行设备1，本实施例在飞行设备1上对应设置有控制系统，通过该控制系统实时记录飞行设备1的飞行路线和飞行状态。另外，在飞行设备1的飞行过程中，本实施例同样通过GPS定位和惯性测量方法，获取飞行设备1在任意位置的飞行姿态信息。
所述多光谱成像设备2与数据采集处理平台3通信连接。所述多光谱成像设备2用于在飞行设备1巡航时，对溢油区域进行多次拍摄，每次拍摄溢油区域的部分区域，得到每一区域的多光谱段图像，并将每一区域的多光谱段图像传输至数据采集处理平台3。多光谱成像设备2搭载在飞行设备1上，拍摄模式分为可见光和多光谱，拍摄帧频可为8fps或根据需要自行设定拍摄帧频，由于拍摄帧频可任意设置，进而多光谱成像设备2所拍摄的图像之间可能存在重叠部分，也可能不存在重叠部分，但无论是否存在重叠部分，多次拍摄所得到的多光谱段图像进行组合后，必然能够覆盖整个溢油区域。另外，当溢油区域过小时，小的程度能够达到多光谱成像设备2只拍摄一次便能够覆盖整个溢油区域，则可以对溢油区域只拍一次，便能够得到整个溢油区域的多光谱段图像。
具体的，如图2所示，本实施例所用的多光谱成像设备2包括相机主体和位于相机主体内的光学系统、主控电路、蓝牙发送模块、后背和存储电路。光学系统包括光学会聚单元和滤光片，后背包括多个探测器。主控电路分别与光学系统、蓝牙发送模块和后背通信连接，后背与存储电路通信连接，光学系统与后背相连接，具体体现为滤光片与探测器相连接。
光学会聚单元由透镜、反射镜或扫描镜等部件组成，用于采集来自海面的油膜目标和水体的辐射或反射电磁波，主控电路通过控制滤光片，利用滤光片将溢油区域反射的混合光(电磁波)划分为多个不同光谱段的光，每一光谱段的光进入一探测器。探测器用于根据光谱段的光进行成像，得到与这一光谱段的光相对应的图像，由于设置多个探测器，进而能够同时得到所拍摄区域的多光谱段图像。后背还将多光谱段图像分别传输至主控电路和存储电路，存储电路对多光谱段图像进行存储，主控电路再利用蓝牙发送模块将多光谱段图像传输至数据采集处理平台3，进而本实施例的多光谱成像设备2将入射的全波段或宽波段的光信号分为若干个窄波段的光束，并将它们分别成像在相应的探测器上，从而能够同时获得溢油区域所包含的每一区域在特定时刻的不同光谱段的图像，能够更有效的提取油膜特征并对油膜进行识别。
本实施例所用的多光谱成像设备2中，相机主体重量≤3.5kg(不含线缆)，尺寸≤240mm×150mm×170mm，供电电源为直流12V，功耗≤30w。探测器的焦距为28mm，全视场角为22.7°，像元数为2048×2048，地面分辨率为1m2(在500m航高下)，地面覆盖面积为260m×260m(在500m航高下)。本实施例可分为6个光谱段，光谱段可以设置为蓝(441～471nm)、绿(510～580nm)、黄(582～612nm)、红(655～685nm)、红边(690～720nm)和近红外(780～1000nm)。光谱范围为400～1000nm。
本实施例的溢油监测系统还包括数据传输模块，所述数据传输模块由机载传输设备和地面传输设备组成。机载传输设备设置于飞行设备1上，其提供不同接口用于连接飞行设备1和多光谱成像设备2。地面传输设备通过天线与机载传输设备连接，并通过接口连接数据采集处理平台3，从而利用数据传输模块将每一区域的多光谱段图像传输至数据采集处理平台3。
所述数据采集处理平台3用于根据每一区域的多光谱段图像，确定溢油区域中油膜的分布情况和分布面积，进而通过对多光谱段图像进行处理，提取勾勒油膜分布形状、计算油膜分布面积，数据采集处理平台3还可以对油膜分布情况和分布面积的计算结果进行展示，并生成溢油区域监测报告，从而可实现溢油事故现场油膜面积和油膜分布信息的第一时间反馈，实现突发溢油事故的快速响应，为流域和近海溢油监测提供有力的技术支撑。另外，本实施例所提供的溢油监测系统能够对多种类型的油均进行有效监测，无论是否掌握海面所漂浮的油形成的条件和机理、漂移扩散方式、迁移转化归宿、环境影响及消亡速率，均可以对其进行有效监测，成功率、准确率高。
实施例2：
本实施例用于提供一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，控制如实施例1所述的溢油监测系统进行工作，如图3所示，所述溢油监测方法包括如下步骤：
S1：接收多光谱成像设备2在飞行设备1巡航时对溢油区域进行多次拍摄所得到的每一区域的多光谱段图像；
在得到每一区域的多光谱段图像之后，且在步骤S2之前，所述溢油监测方法还包括对每一区域的多光谱段图像进行预处理，将多光谱段图像对应的地理位置数据写入多光谱段图像中，数据存储类型为内置CF卡(最大支持128GB)，图像数据存储格式为TIFF(8位/12位)。
S2：利用仿射-尺度不变特征变换算法对所述每一区域的多光谱段图像进行图像拼接，得到所述溢油区域的多光谱段图像；
具体的，S2可以包括：
根据多光谱段图像的地理位置数据，对每一区域的多光谱段图像进行预拼接，确定相邻的多光谱段图像，即将每一区域的多光谱段图像按照地理位置进行预拼接，确定每一区域的多光谱图像的相邻图像。
利用仿射-尺度不变特征变换算法提取每一区域的多光谱段图像的特征点，对任意两个相邻的多光谱段图像进行特征点的匹配，进行图像配准。
对配准后的每一区域的多光谱段图像进行图像融合，得到溢油区域的多光谱段图像。需要说明的是，在进行图像拼接时，是每一光谱段的图像分别进行拼接，最终得到整个溢油区域的多光谱段图像。
S3：根据所述溢油区域的多光谱段图像，确定所述溢油区域中油膜的分布情况和分布面积。
具体的，S3可以包括：
基于油膜和水体在多光谱段的光谱特征差异，在溢油区域的多光谱段图像中提取油膜范围，确定油膜的分布情况。然后根据油膜的分布情况和飞行设备1的飞行参数计算油膜的分布面积，具体的，飞行设备1的飞行参数包括无人机飞行高度和角度等数据，可通过飞行设备1的控制系统和惯性测量方法进行获取，从而计算溢油区域面积及误差面积。
在确定油膜的分布情况时，本实施例可包括如实施例1所述的6个光谱段，根据油膜和水体在不同光谱段的光学特性，统计每一光谱段图像的直方图，根据双峰分布特征自动计算水油分割阈值，将不同光谱段的分割结果取交集得到溢油范围。具体的，对于每一光谱段，以波长为横坐标、光谱反射率为纵坐标，绘制光谱段的直方图，选取直方图具有双峰特征的光谱段作为分割光谱段。对于每一分割光谱段，计算分割光谱段的水油分割阈值，根据水油分割阈值，将分割光谱段对应的图像进行分割，得到分割结果。所述分割结果包括水体区域和溢油区域。将所有分割光谱段的分割结果取交集，即将所有分割光谱段对应的溢油区域取交集，确定油膜的分布情况。
作为一种可选的实施方式，在得到溢油区域的多光谱段图像后，所述溢油监测方法还包括：根据溢油区域的多光谱段图像，利用油膜和水体在多光谱段的光学特性差异进行反演，得到油膜厚度。即根据油膜和水体在由可见光到热红外各波段的光学特性反演出油膜厚度。经试验验证后可知，利用本实施例所提供的溢油监测方法，所得到的油膜厚度分辨率＜0.0001m，油墨分布面积误差为±5％，能够对溢油区域进行良好的监测。
作为一种可选的实施方式，在得到溢油区域的多光谱段图像后，所述溢油监测方法还包括：根据不同类型的油膜在不同光谱段的光谱反射率的差异，确定油膜的类型。举例而言，煤油在光谱段L1处有最高反射峰值，原油在光谱段L2处有最高反射峰值。在油膜范围内统计光谱段L1的反射率，若高于m1，则判定油膜为煤油，L1为绿波段(510～580nm)，m1取2.5。在油膜范围内统计光谱段L2的反射率，若高于m2，则判定油膜为原油，L2为近红外波段(780～1000nm)，m2取2。从而能够区分油膜的类型，进而能够区分不同类型的溢油污染源，可实现溢油事故现场溢油污染源分类识别的第一时间反馈。
本实施例所提供的溢油监测方法，能够实现溢油事故现场溢油污染源分类、油膜面积、油膜区域分布信息和油膜厚度的第一时间反馈，为流域和近海溢油监测提供有力的技术支撑。另外，本实施例所提供的溢油监测方法能够对多种类型的油均进行有效监测，无论是否掌握海面所漂浮的油形成的条件和机理、漂移扩散方式、迁移转化归宿、环境影响及消亡速率，均可以对其进行有效监测，成功率、准确率高。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统，其特征在于，所述溢油监测系统包括飞行设备、数据采集处理平台以及搭载在所述飞行设备上的多光谱成像设备；
所述飞行设备用于在溢油区域上方进行巡航；
所述多光谱成像设备与所述数据采集处理平台通信连接；所述多光谱成像设备用于在所述飞行设备巡航时，对所述溢油区域进行多次拍摄，每次拍摄所述溢油区域的部分区域，得到每一区域的多光谱段图像，并将所述每一区域的多光谱段图像传输至所述数据采集处理平台；
所述数据采集处理平台用于根据所述每一区域的多光谱段图像，确定所述溢油区域中油膜的分布情况和分布面积。
2.如权利要求1所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统，其特征在于，所述多光谱成像设备包括相机主体和位于所述相机主体内的滤光片和多个探测器；
所述滤光片与所述探测器相连接；
所述滤光片用于将所述溢油区域反射的混合光划分为多个不同光谱段的光，每一光谱段的光进入一所述探测器；
所述探测器用于根据所述光谱段的光进行成像，得到多光谱段图像。
3.如权利要求2所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测系统，其特征在于，多个不同光谱段的光谱范围为400-1000nm。
4.一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，控制如权利要求1-3任一项所述的溢油监测系统进行工作，其特征在于，所述溢油监测方法包括如下步骤：
接收多光谱成像设备在飞行设备巡航时对溢油区域进行多次拍摄所得到的每一区域的多光谱段图像；
利用仿射-尺度不变特征变换算法对所述每一区域的多光谱段图像进行图像拼接，得到所述溢油区域的多光谱段图像；
根据所述溢油区域的多光谱段图像，确定所述溢油区域中油膜的分布情况和分布面积。
5.如权利要求4所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，其特征在于，在得到每一区域的多光谱段图像之后，所述溢油监测方法还包括对所述每一区域的多光谱段图像进行预处理，将所述多光谱段图像对应的地理位置数据写入所述多光谱段图像中。
6.如权利要求5所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，其特征在于，所述利用仿射-尺度不变特征变换算法对所述每一区域的多光谱段图像进行图像拼接，得到所述溢油区域的多光谱段图像具体包括：
根据所述多光谱段图像的地理位置数据，对所述每一区域的多光谱段图像进行预拼接，确定相邻的多光谱段图像；
利用仿射-尺度不变特征变换算法提取所述每一区域的多光谱段图像的特征点，对任意两个相邻的多光谱段图像进行特征点的匹配，进行图像配准；
对配准后的每一区域的多光谱段图像进行图像融合，得到所述溢油区域的多光谱段图像。
7.如权利要求4所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，其特征在于，所述根据所述溢油区域的多光谱段图像，确定所述溢油区域中油膜的分布情况和分布面积具体包括：
基于油膜和水体在多光谱段的光谱特征差异，在所述溢油区域的多光谱段图像中提取油膜范围，确定油膜的分布情况；
根据所述油膜的分布情况和所述飞行设备的飞行参数计算油膜的分布面积。
8.如权利要求7所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，其特征在于，所述基于油膜和水体在多光谱段的光谱特征差异，在所述溢油区域的多光谱段图像中提取油膜范围，确定油膜的分布情况具体包括：
对于每一所述光谱段，以波长为横坐标、光谱反射率为纵坐标，绘制所述光谱段的直方图；
选取所述直方图具有双峰特征的光谱段作为分割光谱段；
对于每一所述分割光谱段，计算所述分割光谱段的水油分割阈值；
根据所述水油分割阈值，将所述分割光谱段对应的图像进行分割，得到分割结果；所述分割结果包括水体区域和溢油区域；
将所有所述分割光谱段的分割结果取交集，确定油膜的分布情况。
9.如权利要求4所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，其特征在于，在得到所述溢油区域的多光谱段图像后，所述溢油监测方法还包括：
根据所述溢油区域的多光谱段图像，利用油膜和水体在多光谱段的光学特性差异进行反演，得到油膜厚度。
10.如权利要求4所述的一种基于多光谱成像设备的溢油监测方法，其特征在于，在得到所述溢油区域的多光谱段图像后，所述溢油监测方法还包括：
根据不同类型的油膜在不同光谱段的光谱反射率的差异，确定所述油膜的类型。
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