专利名称：水体富营养化图像采集装置与分级监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及水体富营养化研究领域，具体涉及一种水体富营养化图像采集装
置与分级监测系统。
背景技术：
我国湖泊富营养化事件近年来频频爆发，对湖泊水生态环境、居民生活环境、经济发展等都带来了一定的制约性。从全国范围来看，城市湖泊都已处于重度富营养化或中度富营养化状态，绝大部分大中型湖泊均已具备发生富营养化的条件或处于富营养化状态，太湖、巢湖、滇池等蓝藻频繁暴发。淡水富营养化后，藻类或浮游生物引起的水上覆面物"水华"频繁出现，使饮用水源受到威胁，藻毒素通过食物链影响水生物与人类的健康，给人类和自然界带来巨大的损失或灾害。加强对水体富营养化的防范与控制，建立一套高效水体富营养化水平监测方法体系与技术方案迫切需要。 目前，我国开展的水体富营养化评价与监测工作，主要以水体采样，多项生态因子调查，关键指标的实验室分析为主，并提出主成分分析营养度法(层次分析)、相关加权营养状态指数法水体富营养化解析评价模式。随着遥感卫星的传感器性能的不断提高，国内外学者逐渐开始利用遥感手段开展水质评价工作， 然而，内陆水体光学特性复杂，它不仅受浮游植物的影B向，在水体比较浅的情况下，还要考虑水底物质对水体光学性质的影响。与已经步入实用化阶段的海洋水色遥感相比，内陆水体的遥感监测始终是一个难点。并且由于遥感卫星自身的特点，在监测的时间、空间、分辨率等受到一定的限制。例如，遥感卫星经过同一地点的时间受到它飞行周期的限制，采集图像的质量受到天气状况的制约，当迫切需要对某一个湖泊进行监测时，卫星位于该点上空，但由于天气状况不能获得图像，那么就需要下一个过境周期，另外由于卫星的高度相对较高，光波在从水体到传感器的中途能量损失和各种折射、反射较为严重，并且图像分辨率较低。 遥感影像中像元很少是由单一均匀的地物组成的，一般都是几种地物的混合体。因此影像中像元的光谱特征并不是单一地物的光谱特征，而是几种地物光谱特征的混合反映。它给解译造成困扰。在这种情况下，混合像元无论直接归属到哪一种典型地物，都是错误的，因为它至少不完全属于这种典型地物。 此外，利用水体采样进行实验室分析的方法，对于分布范围广泛的水体，采样点分布的合理性以及采样的时间等因素都至关重要，而且采样样本也会随着人的主观行为发生变化。由于水体的流动性，单点的单时刻水体特征不能代表精确反映整个流域水体富营养化的状况。为此要开展相同位置的多次采样，从而对实验室分析结果数据进行平均。[0007] 从此可以看出，现有技术的水体富营养化分级监测系统不能满足快速、高效、真实的评价要求。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供一种能够达到水体富营养化的
快速、高效、真实解析，且图像分辨率高的水体富营养化图像采集装置及分级监测系统。
为达到上述目的，本实用新型提供了一种水体富营养化图像采集装置，包括 发出特定波长的光的LED灯，均匀分布在滤光片周围，用于作为光源； 截止所述特定波长以外的光线的滤光片，镶嵌在图像采集装置上，以采集光学图像； CCD感光器，安装于图像采集装置上，用于将透射到CCD感光器表面的光学图像转
换为电信号。 其中，图像采集装置还可以包括模数转换器，与所述CCD感光器连接，用于将电信号进行模数转换。 其中，图像采集装置还可以包括DSP(digital signal processing,数字信号处理)芯片，与所述模数转换器连接，用于将模数转换器转换后的信号转换成适合计算机处理的图像信号。 其中，该特定的波长为4种波长范围的波长，所述滤光片为4片，分别编号为1 4，相应地，编号为1 4的4片滤光片所透过的4种波长范围依次为0. 450-0. 515y m、0. 63-0. 69 ii m、0. 775-0. 90 ii m、2. 08-2. 35 ii m。[0016] 本实用新型还提供了一种分级监测系统，包括 上述图像采集装置，用于采集得到适合计算机处理的图像信号，并显示成图像，在计算机屏幕上显示； 存储器，与图像采集装置连接，用于存储图像信号和空间坐标数据。[0019] GPS模块，与存储器连接，用于进行空间定位，测定各曝光点的空间坐标数据；以及 图像处理模块，与存储器连接，用于将图像信号和空间坐标数据进行存储，并将存储的数据进行图像处理。 图像处理模块可以包括污染状况百分比分布图获取模块、营养盐污染图层获取模块以及叶绿素浓度分布图获取模块。 本实用新型的技术方案通过利用地物的光谱特性和滤光片设计了能够快速获取高空间、高分辨率图像的摄像头，并利用GPS(GlobalPositioning System,全球定位系统)实时获得坐标，进行图像采集、存储、处理、分析，从而实现了水体富营养化的多时相监测；第二，由于所采集的数据为高分辨率图像，当像元足够小时，可以近似认为一种地物光谱组成，并且拍摄位置距离水体较近，减少了大气辐射、散射的影响，因此能更加真实的反应水体特征，设备成本较低、运行方便；再次，本实用新型的技术方案可以取代实验室分析方法或者提供为实验室分析方法辅助支持，进行采样点的合理设置，减少化学药剂的使用量，且该方法克服了利用遥感卫星数据采集存在的弊端，提高了图像的分辨率。
图1是本实用新型实施例的图像采集装置的结构图； 图2是本实用新型实施例的水体富营养化评价系统的结构图以及该系统在水体上的使用示意。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。 图1是本实用新型实施例的图像采集装置的结构图。如图1所示，一种图像采集装置，在本实施例中，其可以为 一种高分辨率摄像头，其包括 LED灯l，均匀分布在滤光片周围，用于作为光源，发出特定的波长；本实用新型实施例的装置充分考虑各种工作环境，如，在乌云密布的状况下装置的正常工作状况，特别设计发出特定波长的LED小灯泡作为光源；该特定的波长为4种波长范围，依次为0. 450-0. 515 ii m、0. 63-0. 69 ii m、0. 775-0. 90 ii m、2. 08-2. 35 ii m。 滤光片2，镶嵌在图像采集装置上，用于截止特定的波长以外的光线，以采集光学图像； CCD (Charge Coupled Device,电荷耦合器件)感光器3，安装于图像采集装置上，用于将透射到CCD感光器表面的光学图像转换为电信号。 其中，图像采集装置还可以包括模数转换器4，用于将来自CCD的电信号进行模数转换；数字信号处理芯片5，用于将模数转换器4转换后的信号转换成适合计算机处理的图像信号；以及进行电流控制和分配的集线板，USB数据传输线(图中未示出)。[0031] 其中，滤光片可以为4片，分别编号为1 4，相应地，特定的波长可以为4种波长范围的波长，编号为1 4的4片滤光片所透过的4种波长范围依次为0. 450-0. 515 y m、0. 63-0. 69 ii m、0. 775-0. 90 ii m、2. 08-2. 35 ii m。 利用上述图像采集装置采集的图像进行水体富营养化评价，可以包括以下步骤[0033] Sl，利用上述图像采集装置近距离拍摄水体，并采集得到适合计算机处理的图像信号，并显示成图像，在计算机屏幕上显示；在用滤光片进行感光的过程中，当一个滤光片下的摄像头感光完成之后，快速自动切换下一滤光片，直至所有滤光片的图像数据全部采集完毕，开始进入下一采样点。 S2，进行空间定位，测定各曝光点的空间坐标数据，例如使用GPS模块进行； S3，存储图像信号和空间坐标数据，并将存储的数据进行图像处理，例如，可以通
过USB接口送入计算机中的图形处理模块进行处理。其中，在存储图像信号后，可以将图像
进行校正、融合和镶嵌，并利用自学习的分类算法开展图像的无监督分类。 S4，禾U用图层叠力[]法，例如GIS(geographical information system，地理信息系
统)图层叠加分析方法，将图像处理得到的专题图层进行叠加。 本实用新型还提供了一种水体富营养化评价系统，可以包括 上述图像采集装置，例如摄像头6，用于采集得到适合计算机处理的图像信号，并显示成图像，在计算机屏幕上显示； GPS模块7，用于进行空间定位，测定各曝光点的空间坐标数据；以及 图像处理模块8，用于将图像信号和空间坐标数据进行存储，并将存储的数据进行
图像处理。 其中，该系统还可以包括存储器9，用于存储图像信号和空间坐标数据。 图像处理模块可以包括污染状况百分比分布图获取模块、营养盐污染图层获取模块以及叶绿素浓度分布图获取模块。 利用污染状况百分比分布图获取模块计算得到污染状况百分比分布图的步骤可以包括 S311，利用空间坐标数据，依据距水体的垂直距离计算图像中各像元的空间坐标； S312，将通过l、3、4号滤光片生成的图像进行假彩色合成，得到合成图像，从目视
的角度看，选择合成图像的一块区域作为未污染区域，也即感兴趣区域，求出分别由1、3、4
号滤光片生成的图像中像元的平均值X，将该平均值作为未污染区域的端元； S313，将合成图像的各像元分别减去平均值X，得到的值作为污染水体偏离未污染
区域的度量； S314，选择合成图像中的各像元分别减去平均值X得到的最大值，进行混合像元分解，得到污染状况百分比分布图。 利用营养盐污染图层获取模块可以评价氮、磷等营养盐污染和水华污染图层，具体可以包括 S321，选取训练区，以便从通过1、3、4号滤光片生成的图像进行假彩色合成得到的合成图像中选取端元，并选取不同训练区的像元平均值作为参考端元，或者利用波段散点图的边缘顶点位置选取参考端元； S322，选择参考端元作为端元的组分，加上未污染区域的端元，共选择2个端元，并结合地物的光谱图，尽可能选择正确的纯像元作为端元的训练像元，同时考虑到图像地物的均一性和算法的计算量消耗，设定窗口大小为3*3个像元； S323，进行混合像元分解，计算出每个像元归属于各端元污染类别的可能性，即百分值，得到像元属于各端元污染类别的丰度图像。 利用叶绿素浓度分布图获取模块得到叶绿素浓度分布图的步骤可以包括依据水体中叶绿素a在红光波段有一吸收峰，随着叶绿素浓度的增加，从水体中出射的红光将减少，而近红外波段水体的反射率基本上不受色素吸收影响，故双波段反射率的比值Rl/R2能够反映叶绿素浓度的信息。因此，利用双波段反射率的比值R1/R2绘制叶绿素浓度的分布图。 由此可以看出，本实用新型的实施例通过利用地物的光谱特性和滤光片设计了能够快速获取高空间、高分辨率图像的摄像头，并利用GPS实时获得坐标，进行图像采集、存储、处理、分析，从而实现了水体富营养化的多时相监测；第二，由于所采集的数据为高分辨率图像，当像元足够小时，可以近似认为一种地物光谱组成，并且拍摄位置距离水体较近，减少了大气辐射、散射的影响，因此能更加真实的反应水体特征，设备成本较低、运行方便；再次，本实用新型的技术方案可以取代实验室分析方法或者提供为实验室分析方法辅助支持，进行采样点的合理设置，减少化学药剂的使用量，且该方法克服了利用遥感卫星数据采集存在的弊端，提高了图像的分辨率。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也属于本实用新型的保护范围。
权利要求一种水体富营养化图像采集装置，其包括发出特定波长的光的LED灯，均匀分布在滤光片周围；截止所述特定波长以外的光线的滤光片，镶嵌在所述图像采集装置上；及CCD感光器，安装于所述图像采集装置上。
2. 如权利要求1所述的水体富营养化图像采集装置，其特征在于，所述图像采集装置 还包括模数转换器，与所述CCD感光器连接。
3. 如权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，所述图像采集装置还包括数字信 号处理芯片，与所述模数转换器连接。
4. 如权利要求1所述的水体富营养化图像采集装置，其特征在于，所述特定的波长为 4种波长范围的波长，所述滤光片为4片，分别编号为1 4，相应地，编号为1 4的4片 滤光片所透过的4种波长范围依次为0. 450-0. 515iim、0. 63-0. 69iim、0. 775-0. 90 y m、 2. 08-2. 35践。
5. —种分级监测系统，包括权利要求1至4之任一所述的图像采集装置、与所述图像 采集装置连接的存储器、与所述存储器连接的GPS模块，以及与所述存储器连接的图像处 理模块。
6. 如权利要求5所述的分级监测系统，其特征在于，所述图像处理模块包括污染状况 百分比分布图获取模块。
7. 如权利要求5所述的分级监测系统，其特征在于，所述图像处理模块包括营养盐污 染图层获取模块。
8. 如权利要求5所述的水体富营养化评价系统，其特征在于，所述图像处理模块包括 叶绿素浓度分布图获取模块。
专利摘要本实用新型公开了一种水体富营养化图像采集装置及分级监测系统。该图像采集装置包括发出特定波长的光的LED灯，均匀分布在滤光片周围，用于发出特定的波长；截止所述特定波长以外的光线的滤光片，镶嵌在所述图像采集装置上，用于截止所述特定的波长以外的光线，以采集光学图像；及CCD感光器，安装于所述图像采集装置上，用于将透射到所述CCD感光器表面的光学图像转换为电信号。本实用新型的技术方案能够快速获取高空间分辨率、高时间分辨率图像，设备成本较低、运行方便，可以取代实验室分析方法或者为实验室分析方法提供辅助支持，进行合理布设采样点，减少化学药剂的使用量，且克服了利用遥感卫星数据采集存在的弊端。
文档编号G01N21/84GK201497707SQ20092022282
公开日2010年6月2日 申请日期2009年9月11日 优先权日2009年9月11日
发明者何连生, 史娜娜, 吴锋, 席北斗, 战金艳, 邓祥征, 韩建智 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所