利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法及圖像採集裝置與流程
2024-04-15 00:29:05 1
1.本發明涉及溼地沉水植物調查測定技術領域，特別是涉及一種利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法及圖像採集裝置。
背景技術：
2.溼地沉水植物是水生態系統中重要的初級生產者，對水體富營養化具有明顯的改善作用，能夠有效抑制藻類的惡性增長，提高水體的自淨能力，已經成為控制和治理湖泊富營養化的一種重要生物措施。隨著溼地退化、水生態損害以及水汙染問題的日益嚴重，沉水植物恢復日益成為退化溼地生態保護恢復與修復的重點。
3.在溼地沉水植物的調查測定方面，傳統多採用樣方調查法、遙感衛星解譯和水聲學方法，而這些傳統調查和監測方法存在費時、費力的問題以及容易受天氣影響等局限性。主要體現在：對於沉水植物樣方調查來說，樣方調查掌握測定水域的沉水植物需要採用採集器、水草夾等工具進行水下沉水植物採樣，調查監測不僅費工費時費力，而且調查採樣工作還往往受到惡劣天氣條件的限制；另外，樣方定量調查通常將樣方內的沉水植物連根拔起，會導致調查樣方內的植物群落結構破壞和功能受損，並造成同一水域沉水植物多樣性受到幹擾而難以科學對照觀測。在沉水植物遙感衛星解譯方面，受客觀條件限制，目前常規用於專題解譯的遙感影像數據時空解析度相對較低，且經常受到天氣條件影響，難以及時精準反映溼地沉水植物分布現狀；尤其是沉水植物生長旺盛的季節，溼地水體表面大部分經常都會被藍綠藻所覆蓋，當藍綠藻和沉水植物的光譜特徵相似時，會嚴重影響植物種類結果遙感解譯的準確性。對於水聲學方法而言，其雖然能夠避免對溼地沉水植物的破壞性監測，但是水聲學方法只能監測溼地沉水植物的高度和覆蓋度，並不能準確的測定沉水植物種類等特徵。
技術實現要素：
4.針對現有技術中的上述問題，本發明提供的利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法及圖像採集裝置解決了現有技術中沉水植物調查測定受天氣影響較大的問題。、
5.為了達到上述發明目的，本發明採用的技術方案為：
6.第一方面，提供一種利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法，其包括步驟：
7.s1、採集待監測區域沉水植物的高光譜圖像、沉水植物冠層以上水深和沉水植物所在區域的透明度；
8.s2、對高光譜圖像進行預處理和數據轉換處理，之後根據高光譜圖像中的光譜信息，計算溼地沉水植物的多個光譜指數和多個植被指數；
9.s3、根據透明度和沉水植物冠層以上水深hi，計算沉水植物的高光譜特徵植被指數：
[0010][0011][0012]
其中，hvis為高光譜特徵植被指數；r
798
、r
670
、r
550
分別為798nm、670nm、550nm波長的光譜反射率；δt為光照修正係數；k為透明度衰減係數；e為自然對數；ti為透明度；
[0013]
s4、根據多個光譜指數、多個植被指數和高光譜特徵植被指數，採用基於信息熵的階梯式判別分析方法sda-r選取沉水植物高光譜信息的特徵光譜波段；
[0014]
s5、將選取的特徵光譜波段輸入已訓練的分類決策樹，識別得到沉水植物的類別。
[0015]
第二方面，提供一種應用於利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法的圖像採集裝置，其包括船體，船體上搭載有與地面控制臺通過無線傳輸模塊進行通信的控制模塊，控制模塊分別與船體上的船體動力機構、航行控制系統和升降機構連接，升降機構的升降杆上設置有高光譜成像儀和透明度傳感器；
[0016]
升降杆不同方位上設置的多個超聲波測距儀構成升降杆避障系統；高光譜成像儀和透明度傳感器採集的數據通過控制模塊和無線傳輸模塊發送給地面控制臺；超聲波測距儀採集的數據發送給控制模塊。
[0017]
本發明的有益效果為：本方案沉水植物類型識別時，引入的光照修正係數和透明度衰減係數能夠對沉水植物的高光譜特徵植被指數進行實時動態修正，從而獲得各沉水植物的有效光譜反射率特徵值；該植被指數實現了光照修正的葉綠素吸收比例指數，其可以有效地消除水下沉水植物冠層水深、光照及葉綠素等背景環境相關幹擾因素的影響，從而保證了後續沉水植物識別的精準性。
[0018]
圖像採集裝置通過水下高光譜成像儀和透明度傳感器能夠實現對溼地沉水植物成像與水環境指標同步監測，為水環境變化條件下溼地沉水植物生態特徵響應機理研究提供了技術支撐；透明度傳感器和水下高光譜成像儀固定在升降杆上，通過控制升降杆的升降能夠定深、定距地選擇測量點，使測量更加靈活，測得的信息更加準確，且不會對溼地沉水植物以及其周圍的生態環境造成損害，提高了環保性。
[0019]
測得的溼地沉水植物圖像信息和其周圍的透明度信息能夠通過無線傳輸系統實時傳輸到地面控制臺，測定過程更加高效，為快速識別溼地沉水植物的種類、群落組成與分布以及多樣性動態變化提供了一種有效途徑；且能夠實現實時監測，為實時檢查水下溼地沉水植物圖像和水環境監測數據提供了便利，也為直觀、快速、實時的掌握監測工作實況提供了條件。
附圖說明
[0020]
圖1為利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法的流程圖。
[0021]
圖2為利用高光譜測定溼地沉水植物的圖像採集裝置的俯視圖。
[0022]
圖3為利用高光譜測定溼地沉水植物的圖像採集裝置的側視圖。
[0023]
其中，1、第一船體；2、第二船體；3、蓄電池；5、涵道螺旋槳；6、航行控制器；7、升降機構；71、控制模塊；72、減速電機；73、齒輪；74、齒條；8、擴展接口；9、遙控信號接收器；10、
升降杆；11、衛星信號接收器；14、透明度傳感器；15、高光譜成像儀；16、搭載平臺；17、無線傳輸模塊。
具體實施方式
[0024]
下面對本發明的具體實施方式進行描述，以便於本技術領域的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
[0025]
參考圖1，圖1示出了利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法，該方法s包括步驟s1至步驟s5。
[0026]
在步驟s1中，採集待監測區域沉水植物的高光譜圖像、沉水植物冠層以上水深和沉水植物所在區域的透明度；
[0027]
在步驟s2中，對高光譜圖像進行預處理和數據轉換處理；實施時，本方案優選對高光譜圖像進行預處理的方法包括：
[0028]
採用標準白色參考和黑色測量值對野外採集的溼地沉水植物光譜進行放射性校正，並採用savitzky-golay濾波算法進行去噪，之後對原始高光譜反射率數據進行平滑處理；
[0029]
對預處理後的高光譜圖像進行數據轉換的方法包括：
[0030]
對平滑處理後的沉水植物光譜反射信息進行一階導數轉換d(r)和對數轉換ln(r)：
[0031][0032]
ln(r)＝ln(r1),ln(r2),
……
，ln(rm)]
[0033]
其中，r為沉水植物光譜反射率值；ri為第n波段i波長；m為波段總數量；δλ為波段間隔的兩倍波間距。
[0034]
之後根據高光譜圖像中的光譜信息，計算溼地沉水植物的多個光譜指數和多個植被指數；多個光譜特徵指數包括15個，分別為：
[0035]
360～500nm藍光波段平均光譜反射率bmv、510～570nm綠光波段平均光譜反射率gmv、650～670nm紅光波段平均光譜反射率rmv、680～760nm近紅外波段平均光譜反射率nmv、綠邊最大光譜反射率gpv、紅邊最大光譜反射率rpv、近紅最大光譜反射率npv、一階導數綠邊最大值dgev、一階導數紅邊最大值drev、自然對數綠邊最大值lgev、自然對數紅邊最大值lrev、近紅與綠邊最大光譜反射率比值ngp、一階導數紅邊最大值位置fdrp、光譜紅邊最大值位置rep、光譜綠邊最大值位置gep；
[0036]
多個植被指數包括3個，分別為歸一化植被指數ndvi、增強型植被指數evi和比值植被rvi，三個植被指數的計算公式為：
[0037]
ndvi＝(nmv-rmv)/(nmv+rmv)，rvi＝nmv/rmv
[0038]
evi＝2.5(nmv-rmv)/(nmv+6rmv-7bmv+1)
[0039]
在步驟s3中，根據透明度和沉水植物冠層以上水深hi，計算沉水植物的高光譜特徵植被指數：
[0040][0041][0042]
其中，hvis為高光譜特徵植被指數；r
798
、r
670
、r
550
分別為798nm、670nm、550nm波長的光譜反射率；δt為光照修正係數；k為透明度衰減係數；e為自然對數；ti為透明度；
[0043]
本方案構建的光照修正係數和透明度衰減係數能夠消除與水下光照和背景環境相關的幹擾因素的影響。
[0044]
在步驟s4中，根據多個光譜指數、多個植被指數和高光譜特徵植被指數，採用基於信息熵的階梯式判別分析方法sda-r選取沉水植物高光譜信息的特徵光譜波段。
[0045]
本方法採用的基於信息熵的階梯式判別分析sda-r的算法，能夠去除不相關和冗餘信息進行水下沉水植物識別分析模型效率的提升；階梯式判別分析方法sda-r是一種多元的統計分析方法，在判別分析的基礎上，每一步都將判別分析能力最好的變量引入到判別函數中，剔除判別能力最差的變量，依此利用sda計算結果選擇最佳波段，最後形成沉水植物的光譜波段信息。
[0046]
在步驟s5中，將選取的特徵光譜波段輸入已訓練的分類決策樹，識別得到沉水植物的類別。
[0047]
分類決策樹的訓練方法包括：利用u285 uw水下高速高光譜快照傳感器獲取水體中10數種沉水植物(如苦草、馬來眼子菜、輪葉黑藻、菹草等，具體種類數量根據監測水域沉水植物物種種類而定)的高光譜圖像，對於每幅高光譜圖像，選取十個樣本光譜，考慮到光照和水體背景環境是與植物葉片高光譜變動性相關的直接因素，使用cube-pilot軟體處理，隨機選取相應高光譜圖像上的60個樣本斑塊。每個斑塊對應20*20個像素，作為感興趣區域，將樣本斑塊的光譜反射率計算為所選三維體內像素的平局值，隨機選取出500個樣本光譜值，利用這些樣本光譜值，採用10倍交叉驗證對分類決策樹進行分類訓練和驗證。
[0048]
實施時，本方案優選採用分類決策樹對沉水植物進行分類時，以最大信息增益的劃分點作為溼地沉水植物最優的劃分點：
[0049][0050][0051]
其中，d為採用選取的特徵光譜波段構成的數據集；ent(d)為數據集d的信息熵；pk為數據集d中第k類特徵光譜波段所佔的比例，k＝1,2,
…
,|y|，|y|為特徵光譜波段的總種類數；gain(d,a)為離散屬性a對樣本集d進行劃分所獲得的信息增益；ta為數據集d在離散屬性α上的劃分點；gain(d,a,t)為數據集d基於劃分點t二分後的信息增益；分別為數據集d中≤t與＞t的數據集；n為離散屬性可能的取值個數。
[0052]
在本發明的一個實施例中，採集待監測區域沉水植物的高光譜圖像的方法包括：
[0053]
s11、將待監測區域劃分為若干子區域，隨機選取預設數量的子區域，作為採集區域，並在採集區域內隨機選取若干採樣點；
[0054]
s12、控制圖像採集裝置運動至預設軌跡中的初始採樣點；
[0055]
s13、圖像採集裝置的升降機構7帶著其上的高光譜成像儀15向下運動，並同步採集升降機構7與其四周障礙物之間的距離；
[0056]
s14、當距離l小於安全距離時，收回高光譜成像儀15，之後圖像採集裝置反向運動0.5～1米，返回步驟s13；
[0057]
s14、當距離l大於等於安全距離時，在高光譜成像儀15運動至距離沉水預設距離時，拍攝沉水植的高光譜圖像，之後進入步驟s15；
[0058]
s15、收回高光譜成像儀15後，並判斷預設軌跡中的採樣點是否均已完成高光譜圖像採集，若是，完成圖像採集，否則返回步驟s13。
[0059]
本方案採用上述方法進行圖像採集時，通過控制升降機構7的升降能夠定深、定距地選擇測量點，使測量更加靈活，測得的信息更加準確，且不會對溼地沉水植物以及其周圍的生態環境造成損害，提高了環保性。
[0060]
在數據採集時還同步對升降機構7周圍的障礙物進行判斷，以避免障礙物損壞高光譜成像儀15，從而保證了圖像採集的安全性。
[0061]
如圖2和圖3所示，本方案還提供一種利用高光譜測定溼地沉水植物的探測方法的圖像採集裝置，其包括船體，本方案優選船體包括並排設置的第一船體1和第二船體2以及可拆卸連接第一船體1和第二船體2的搭載平臺16，搭載平臺16的中部貫穿設置有供升降杆10穿過的升降孔。
[0062]
由第一船體1和第二船體2並排設置成的雙體式設計能夠增加抵抗水流衝擊的能力，搭載平臺16為各儀器設備提供了固定條件；搭載平臺16與第一船體1和第二船體2可拆卸連接，拆裝方便、易於擴展，具有較強的靈活性和功能擴展性。
[0063]
船體上搭載有與地面控制臺通過無線傳輸模塊17進行通信的控制模塊71，控制模塊71分別與船體上的船體動力機構、航行控制系統和升降機構7連接，升降機構7包括固定於升降杆10上的齒條74，齒條74與齒輪73嚙合，齒輪73通過減速電機72驅動轉動，減速電機72與控制模塊71電連接。
[0064]
升降機構7的升降杆10設置在船體上，並延伸入水下，升降杆10上設置有高光譜成像儀15和透明度傳感器14；為避免水下光照情況較差，信息採集不清的情況出現，在升降杆10上還可以設置補光設備。高光譜成像儀15的主要部件是德國u285 uw水下高速高光譜快照傳感器，u285 uw高光譜圖像由50-50像素的高光譜三維數據和1000-1000像素解析度的全色圖像組成。該傳感器可以在450-998nm的光譜範圍內以4nm的間隔捕獲138個光譜波段。
[0065]
升降杆10不同方位上設置的多個超聲波測距儀構成升降杆10避障系統；超聲波測距儀分別設置在前、後、左、右、上和下六個方向；通過六個方向上的超聲波測距儀分別監測與障礙物之間的距離，以保障升降杆10下端的水下高光譜成像儀15和透明度傳感器14的正常工作，避免設備的損壞。高光譜成像儀15和透明度傳感器14採集的數據通過控制模塊71和無線傳輸模塊17發送給地面控制臺；超聲波測距儀採集的數據發送給控制模塊71。
[0066]
為了便於直接讀取圖像採集裝置中的數據或向其寫入數據，還可以在船體上設置與控制模塊71連接的擴展接口8。
[0067]
如圖3所示，船體動力機構包括呈內凹式設置在船體底部的涵道螺旋槳5，涵道螺旋槳5通過無刷電機驅動，無刷電機與電子調速器電連接。
[0068]
涵道螺旋槳5採用內凹的方式安裝在雙體式船體底部，能夠很好地避免淺水或水草較多時纏繞螺旋槳的問題；涵道螺旋槳5是在螺旋槳外側套有涵道，涵道型式為前寬後窄，有助於加大水流的推進作用，增強船體航行動力；電子調速器能夠根據航行控制系統的信號命令，控制涵道螺旋槳5的動力大小，從而實現調節船體航行速度的目的。
[0069]
電子調速器優選easyco無刷電機電子調速器fs-70；無刷電機優選型號為興頌科技的cns-bld-2s-nc。第一船體1和第二船體2的底部安裝有蓄電池3用於給整個無人船裝置供電。
[0070]
航行控制系統包括遙控信號接收器9、航行控制器6和衛星導航系統，遙控信號接收器9接收地面控制臺發送的控制信號，並傳導至航控命令轉換器進行信號轉換後輸入到航行控制器6中。
[0071]
航行控制器6上可插拔連接有用於存儲預設軌跡的航線存儲卡，航行控制器6與電子調速器電連接；衛星導航系統包括衛星信號接收器11，衛星信號接收器11與航行控制器6電連接。
[0072]
航行控制器6實現船體啟動、停止以及運行速度和航行方向的控制，從而實現船體定速巡航及遙控巡航等功能；通過航線存儲卡預存航線文件，使船體能夠根據既定軌跡進行巡航，完成高精度區域的自動監測。
[0073]
船體上安裝有監測其姿態的慣導傳感器，慣導傳感器與航行控制器6電連接。慣導傳感器通過實時檢測和測量船體的運行速度、傾斜、衝擊、振動、旋轉等運動狀態，並反饋給航行控制器6，通過航行控制器6實時進行姿態控制以保證船體的平穩航行。