無人機遙感河道監(jiān)測方案


    一、概述

    目前,傳統(tǒng)的河道水資源監(jiān)測主要依據(jù)相關(guān)部門管理需求和經(jīng)濟允許條件通過布設(shè)斷面監(jiān)測站點,依靠地面人工或半自動監(jiān)測手段獲取水資源信息。這種傳統(tǒng)的監(jiān)測方法具有存在監(jiān)測盲區(qū)、檢測周期長、耗費人力物力等缺點。

    針對這一情況,杭州高譜*的無人機載高光譜成像系統(tǒng),能夠全面、高效地解決水環(huán)境監(jiān)測環(huán)節(jié)中所遇到的問題,具有*、真實、范圍廣、時效性強等優(yōu)點,滿足水污染的治理需求,并且可以做到常規(guī)巡檢和應(yīng)急監(jiān)測一體化,提供較高效、便捷的水環(huán)境監(jiān)測方式。

    二、系統(tǒng)簡介

    無人機高光譜監(jiān)測系統(tǒng)是將高光譜成像儀搭載在無人機上,實現(xiàn)對河道水體的圖像及光譜信息采集。高光譜數(shù)據(jù)具有“圖譜合一”的特點,光譜信息可用于分析物質(zhì)成分和含量,實現(xiàn)對水體污染物和污染程度的快速監(jiān)測;成像信息可用于對物質(zhì)成分和含量分析實現(xiàn)精確定位;二者結(jié)合可以高效實現(xiàn)較大區(qū)域的河道污染分布分析和監(jiān)測。

    圖1 無人機高光譜監(jiān)測系統(tǒng)

    我司系統(tǒng)由高光譜相機(HY-1030)、穩(wěn)定云臺、機載數(shù)據(jù)采集與存儲系統(tǒng)、高清相機、機載電源、地面站等組成。支持多載荷同步觸發(fā)拍照實現(xiàn)高精度高光譜圖像拼接、可見光正射影像拼接、三維建模,真正實現(xiàn)一機多用,提高了無人機作業(yè)效率。小型地面站設(shè)計不僅為定位模塊提供RTK功能還實現(xiàn)了載荷遠程控制,提升了用戶體驗。本系統(tǒng)性能優(yōu)異、集成度高,支持多種應(yīng)用場景,能夠根據(jù)應(yīng)用場合進行定制化開發(fā)與升級。具體技術(shù)指標(biāo)如下:

    序號

    指標(biāo)

    參數(shù)

    備注

    1

    光譜相機光譜范圍

    400-1000nm


    2

    光譜相機光譜分辨率

    **2.3nm


    3

    光譜相機空間分辨率

    0.9mrad


    4

    光譜相機空間通道數(shù)

    480

    4像元合并

    5

    光譜相機光譜通道數(shù)

    270

    4像元合并

    6

    光譜相機動態(tài)范圍

    12bit


    7

    光譜相機幀頻

    80Hz


    8

    光譜相機視場寬度

    21°

    35mm焦距鏡頭

    9

    光譜相機鏡頭焦距

    16、25、35、75mm

    標(biāo)配35mm,其余選配

    10

    可見光相機分辨率

    1500萬像素


    11

    可見光相機拍攝間隔

    2s以上可調(diào)

    外部觸發(fā)

    12

    可見光相機續(xù)航時間

    **30分鐘


    13

    云臺自穩(wěn)定軸數(shù)

    2軸


    14

    云臺工作時間

    40min


    15

    GPS定位精度

    **0.3米

    RTK

    16

    POS系統(tǒng)采集模式

    同步觸發(fā)采集


    17

    地面站控制模式

    支持藍牙遠程控制


    18

    地面站工作距離

    半徑10km


    19

    地面站續(xù)航時間

    12小時


    20

    GPS模式

    支持RTK和PPK


    數(shù)據(jù)可支持反演的水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)如下:

    溶解氧含量

    高錳酸鉀指數(shù)

    總氮

    總磷

    氨氮

    葉綠素懸浮物濃度

    透明度

    紋度

    三、監(jiān)測流程

    圖2 實際監(jiān)測流程

    無人機高光譜系統(tǒng)作業(yè)效率較高,根據(jù)作業(yè)區(qū)域和分辨率需求選擇合適的飛行參數(shù)(高度、速度等),合理規(guī)劃航跡并設(shè)置對應(yīng)的高光譜相機參數(shù)即可進行數(shù)據(jù)采集。以飛行高度100m為例,其視場覆蓋寬度大約35m,飛行速度4.5m/s,作業(yè)時需架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)反射率板以獲取太陽光譜分布情況便于后期將數(shù)據(jù)歸一化為反射率數(shù)值。

    將采集到的高光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理與分析,可以得出不同光譜曲線對應(yīng)的具體指標(biāo)數(shù)值,結(jié)合GPS定位信息可以將水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)分布映射到地圖中實現(xiàn)污染物鑒定及其區(qū)域定位。

    四、應(yīng)用案例

    本套系統(tǒng)于2019年11月*日在江蘇省xx市某河道進行飛行檢測,如圖3所示為本次飛行的航跡規(guī)劃圖,圖4為原始數(shù)據(jù)圖,圖5為數(shù)據(jù)處理后水質(zhì)參數(shù)含量圖,上圖為總磷沿河道的空間分布情況,中圖為溶解氧沿河道的分布情況,下圖為CODmn 沿河道的分布情況,比例尺如左下角所示。

    圖3 航跡規(guī)劃圖

    圖4 原始數(shù)據(jù)圖

    圖5 水質(zhì)參數(shù)含量圖

    本次測量選取了航線內(nèi)某地的水質(zhì)樣本進行化學(xué)分析,將其分析結(jié)果與高光譜相機數(shù)據(jù)處理結(jié)果進行對比,其對比結(jié)果如表1所示,從表中可以看出無人機高光譜系統(tǒng)測量水質(zhì)具有較高的準(zhǔn)確性和精確度。

    表1 數(shù)據(jù)結(jié)果對比

    水質(zhì)參數(shù)

    化學(xué)分析結(jié)果

    光譜數(shù)據(jù)反演結(jié)果

    反演精度

    Tp

    0.16

    0.18

    87.5%

    Tn

    3.3

    3.8

    85%




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