一种溢油监测的机载高光谱成像系统及方法与流程

本发明涉及光谱成像领域，特别涉及无人机搭载高光谱成像系统及方法。

背景技术：

溢油污染会对海洋环境造成重大影响，给航道运输和沿海经济活动带来危害，已引起各国政府部门的高度重视。针对江河湖海的水面溢油污染，建立对各种水面航道的长期监测就显得极为重要。

目前溢油监测的主要手段包括卫星监测、海巡艇巡航监测、定点安放监测设备等监测手段，应用多光谱成像、SAR图像监测、激光激发荧光光谱、现场抽样分析等监测技术。现有技术中，采用卫星来监测可以大范围覆盖、可以全天时、全天候工作但具有重访周期，难以满足航道水面监测时效性需求，对小区域、针对性固定航道区域的高精度水体实时监测也很不灵活。

对此的研究大多是通过定点安装监测设备、停船现场抽样分析和机载平台监测等手段，比如四川优的科技有限公司的专利基于近红外光电传感技术的溢油监测系统(申请号201220211467.7)是以浮标的形式定点投放到海面工作；北京康达环境工程有限公司的发明专利一种事故溢油应急监测报警系统(申请号201210369121.4)通过安放多个测油传感器到水中，采集油含量、水中化学需氧量和油层厚度等信息进行处理；青岛华海环保工业有限公司的发明专利一种水面溢油监测报警系统(申请号201010145309.1)同样也是在指定监测区域安装溢油传感器和声光报警器等装置实现溢油监测报警。以上发明适合在如港口、井台等针对性小区域监测而对于错综复杂的水运航道等显得力不从心。

大连海事大学的发明专利机载激光荧光海上油污探测装置(申请号200920016032.5)，该激光器用于发射一定波长的紫外光照射于探测物表面，探测物表面受激后发射的荧光通过望远镜放大被光谱仪接收，光谱仪接收荧光后分析光谱特征用于分析探测物类别，但监测检测精度不高，该专利是非成像方式探测，对溢油区域的位置监测不够直观，另外激光器工作前需要预热15分钟，不适用中小型无人机，飞行成本比较高。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种溢油监测的机载高光谱成像系统及方法，具有体积小、重量轻、功耗低、具有机动性和紧凑型、集成度高、监测精度高和实时性等特点，适用于河流湖泊及海洋航道等水域的灵活、实时、精确监测，同时能够满足多种航空飞行平台的需求。本发明利用搭载在飞机上的高分辨率的高光谱成像技术，实现了成像和光谱分析技术相结合可以对特定水面区域或针对性航道等实施更为有效精准的溢油污染、水面悬浮物和藻类浮游物等水面污染监测，也是控制海洋污染，保护海洋环境的有效措施。

作为一种溢油监测的机载高光谱成像系统，本发明实现的系统主要包括：包括：高光谱成像光谱仪、数据采集控制设备、GPS辅助惯导、GPS天线、减震平台，其中所述高光谱成像光谱仪通过网口与所述数据采集控制设备连接，将拍摄的航道水域高光谱图像数据通过网口传输并存储在所述数据采集控制设备中，同时所述数据采集控制设备控制所述高光谱成像仪的工作状态；所述数据采集设备通过GPIO接口与机上飞控制系统相连接，接收飞控系统发来的指令，控制所述高光谱成像光谱仪的开启和关闭及高光谱数据的存储；所述GPS辅助惯导通过RS232串口与所述数据采集控制设备相连接，将记录飞机的飞行姿态和位置信息，并且与光谱数据同步传输给所述数据采集控制设备，用于后续的光谱图像数据处理；所述高光谱成像光谱仪、所述数据采集控制设备、所述GPS辅助惯导、所述GPS天线安装在所述减震平台上。

所述GPS天线安装在飞机顶端或尾端的机壳外面，所述GPS天线接收的信号通过SMA接口连接到所述GPS辅助惯导上。

所述高光谱成像光谱仪的镜头方向垂直向下或倾斜放置，而GPS辅助惯导需要沿飞行方向水平安装。

还包括电源，为设备自带电源(电池)，所述电源与所述高光谱成像光谱仪、所述数据采集控制设备和所述GPS辅助惯导连接，并为其供电。

所述减震平台由4个减震器和一个机械的转接板组成，所述转接板用于与飞机相连，通过机械连接接口与飞机相连接。

所述高光谱成像光谱仪、所述数据采集控制设备、所述GPS辅助惯导、所述GPS天线通过安装支架高度集成在所述减震平台上。

减震平台可根据实际情况，搭配不同的机型，使其更好的与不同飞行平台进行连接和固定。

一种溢油监测的机载高光谱成像方法，包括下述步骤：

(1)S201、在飞行航道的溢油监测区域，系统设备加电，所述数据采集控制设备自动开启数据采集控制程序，检查与所述高光谱成像光谱仪是否连接正常，检查与所述GPS辅助惯导是否连接正常，然后等待飞机控制系统发来的指令信号；

当检测到飞机控制系统发来的开始拍摄的指令时，打开所述高光谱成像光谱仪和所述GPS辅助惯导；同步接收并存储所述高光谱成像光谱仪获取溢油监测区域的高光谱数据和所述GPS辅助惯导发来的飞行经纬度位置信息及飞行姿态参数，同时时刻监测飞机控制系统发来的指令信号；当收到飞机控制系统发来停止拍摄指令时，关闭所述高光谱成像光谱仪和停止接收所述GPS辅助惯导数据；

(2)S202、对所述数据采集控制设备获取的航道溢油监测区域的高光谱图像数据首先进行光谱定标、辐射校正，得到辐射校正后的航道监测图像，然后根据获取的同步飞行经纬度位置信息和飞行姿态参数对图像进行几何校正，获得几何校正后的航道监测图像；

(3)S203、对几何校正后的连续多帧高光谱图像数据进行拼接得到大面积的预处理后的航道监测区域图像；

(4)S204、采用高光谱图像光谱分析技术，不同物质属性的反射光所获得的高光谱成像数据具有不同的光谱曲线，根据吸收峰特征曲线的不同识别相应的物质属性；

对预处理后的航道监测区域图像数据在不同光谱段的光谱曲线分析来判断航道是否有溢油以及溢油区域的精确确定。

整个系统及方法高度集成、体积小、重量轻、功耗低，内置电池，对外只有数据接口，方便读出存储的图像数据，能够完成各种各样的航道水域光谱成像数据采集，实现航道水面溢油监测任务。

本发明的积极效果：与现有技术方案相比，本发明所采用技术方案的优点是：

(1)结构紧凑、简单，调整方便，稳定性好；

(2)具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等特点，适用于多种无人机载平台；

(3)快速反应能力：能够针对特定航道，实时监测航道情况，具有良好的及时性和低成本；

(4)系统具有高精度监测能力：首先利用同步记录的飞行姿态和GPS信息对获取的图像进行几何校正，然后通过图像数据使用光谱分析技术，对物质属性进行识别来判断是否发生溢油，具有高精度监测、分析能力。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种溢油监测的机载高光谱成像系统的结构示意图

图2为本发明实施例提供的一种溢油监测的机载高光谱成像数据处理方法。

(附图标记说明)

1—高光谱成像光谱仪2—数据采集控制设备 21—存储器 22—处理器 23—网口 24—串口 25—GPIO接口3—GPS辅助惯导 31—GPS模块 32—惯导 4—电源 5—GPS天线 6—安装支架 7—减震平台

具体实施方式

以下将结合附图对本发明技术方案做进一步的阐述。

为了更加详细的阐述本发明为了完成预定的目的所采用的技术手段及其功能，以下结合附图说明及实例，对根据本发明提出的一种溢油监测的机载高光谱成像系统及方法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发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明实施例提供的一种溢油监测的机载高光谱成像系统的结构示意图。

本发明系统包括高光谱成像光谱仪1、数据采集控制设备2、GPS辅助惯导3、电源4、GPS天线5、安装支架6和减震平台7。

其中高光谱成像光谱仪1的电接口有数据网口、电源口。所述高光谱成像光谱仪1的镜头方向垂直朝下。所述拍摄的航道高光谱图像数据通过数据网口传输并存储在所述数据采集控制设备2中，同时所述数据采集控制设备2控制所述高光谱成像仪1的工作状态。

数据采集控制设备2包括存储器21、处理器22、网口23、串口24、GPIO接口25，还有USB、VGA等接口(图未示)，其中VGA视频接口可用于与外设显示器连接，方便操作；USB接口可用于功能扩展和设备扩展。

存储器21选用2.5寸SATA3.0接口的固态硬盘插在数据采集控制设备2的主板上。

处理器22选用嵌入式Intel Bay Trail-I E3845为核心处理器的计算机平台。

数据采集控制设备2通过GPIO(通用输入\输出)接口25与飞机控制系统相连接，接收所述飞机控制系统发来的指令，控制所述高光谱成像光谱仪的开启和关闭及高光谱数据的存储和对GPS辅助惯导数据的接收。

GPS辅助惯导3主要包括GPS模块31、惯导32。所述GPS辅助惯导水平安装，与所述高光谱成像光谱仪镜头方向垂直。所述GPS辅助惯导3通过RS232串口24与所述数据采集控制设备相连接，记录飞机的飞行姿态和GPS位置信息，并且与光谱数据同步传输给所述数据采集控制设备，用于后续的光谱图像数据处理。

电源4采用内置航模电池并分别给高光谱成像光谱仪1、数据采集控制设备2和GPS辅助惯导3供电，功耗低。

GPS天线5，通过GPS天线接口与GPS辅助惯导3相连接。

所述高光谱成像光谱仪1、数据采集控制设备2、GPS辅助惯导3通过安装支架6并螺钉固定在减震平台7上，系统高度集成且重量轻。

所述减震平台7主要由4个减震器组成，设有机械连接接口，可根据实际情况，搭配不同的机型，使其更好的与不同飞行平台进行连接和固定。减震平台7可以去除飞机在飞行过程中的高频抖动带来高光谱成像光谱仪1成像质量下降。整个系统高度集成、体积小、重量轻、功耗低，构成完整的机载高光谱成像系统。

图2为本发明实施例提供的一种溢油监测的机载高光谱成像数据获取及处理方法。

如图2所示，本发明还提供了一种机载高光谱成像的用于溢油监测的数据获取及处理方法，具体包括：

S201、在飞行航道的溢油监测区域，系统设备加电，数据采集控制设备自动开启数据采集控制程序，检查与高光谱成像光谱仪是否连接正常，检查与GPS辅助惯导是否连接正常，然后等待飞机控制系统发来的指令信号。当检测到飞机控制系统发来的开始拍摄的指令时，打开高光谱成像光谱仪和GPS辅助惯导；接同步收并存储高光谱成像光谱仪获取溢油监测区域的高光谱数据和GPS辅助惯导发来的飞行经纬度位置信息及飞行姿态参数，同时时刻监测飞控指令。当收到飞机控制系统发来停止拍摄指令时，关闭高光谱成像光谱仪和停止接收GPS辅助惯导数据。

S202、所述数据采集控制设备获取的航道溢油监测区域的高光谱图像数据首先进行光谱定标、辐射校正得到辐射校正后的航道监测图像，然后根据获取的同步飞行经纬度位置信息和飞行姿态参数对图像进行几何校正，获得几何校正后的航道监测图像。

S203、对获取的多帧几何校正后的高光谱图像数据进行拼接镶嵌得到大面积的预处理后的航道监测区域图像。

其中拼接，高光谱成像光谱仪是推扫成像方式的线阵相机，每帧成像数据得到的是对应地物空间上垂直飞行方向的一个条带图像，沿着飞行方向进行推扫成像并拼接在一起才能得到整个飞行监测区域图像。

S204、采用高光谱图像光谱分析技术，不同物质属性的反射光所获得的高光谱成像数据具有不同的光谱曲线，根据吸收峰特征曲线的不同可以识别相应的物质属性。对预处理后的航道监测区域图像数据在不同光谱段的光谱曲线分析来判断航道是否有溢油以及溢油区域的精确确定，实现溢油监测的目的。

通过本实施例提供的基于无人机的航道溢油监测系统及方法。对航道区域的溢油监测具有低成本、精度高、时效性强等特点以及应对发现溢油时可以做出及时反应。

本发明提供了一种溢油监测的机载高光谱成像系统，具有体积小、重量轻、功耗低、集成度高等特点，适用于多种无人机载平台，具有快速反应能力，能够针对特定航道，实时监测航道情况，具有良好的及时性和低成本，又提出的一种采用高光谱成像数据的光谱分析技术应用于航道溢油监测方法。

本说明书中所提到的实施方式仅作为本发明技术方案的示例性说明，而不应解释为对本发明的限制，任何对本发明进行显而易见的局部更改、等同变化和修饰都应视为本发明的替代方案。这种替代方案包括改变高光谱成像光谱仪的型号、数据采集控制设备的类型以及他们之间的位置关系等，这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。