一种施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统及方法，包括航空拍摄系统和地面监管与处理系统；航空拍摄系统包括航拍旋翼飞行器和移动设备及操控端；移动设备及操控端与飞行器采用无线通信，控制飞行器采集污染源监测区域图像；地面监管与处理系统包括图像处理单元和用户端，图像处理单元用于航拍图像中质量合格图像的初步筛选、畸变校正、平滑处理和污染源RGB颜色特征增强处理、边缘检测、污染源存在性判断及复核、疑似污染源特征提取、污染源RGB颜色特征值提取、疑似污染源的特征比对、图像的拼接、污染源分布分析和影响范围预测；用户端显示污染源监测区域完整图像、污染源分布图及影响范围预测图。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及绿色施工管理和城市环境监测领域，尤其是涉及一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统及方法。
技术介绍
建筑施工现场产生的扬尘是导致建筑工人罹患职业病和城市空气污染的重要原因之一。目前，施工扬尘污染监测仍然依靠人工巡查进行目视监测，由于监测人员的目视范围和精力有限，导致施工扬尘污染源监测的效果不佳。因此，在施工扬尘污染监测领域，亟需一种智能化、自动化的施工扬尘污染源监测和影响范围的预测方法及系统。同时，基于无人机采集图像的图像处理技术已经在森林防护及监控领域、植被识别领域等得到应用。基于无人机采集图像的图像识别技术在森林病虫害监测预警和植被识别问题应用的可能性已经得到证实。另一方面，OpenCV作为一种免费的跨平台的开源计算机视觉库，为本研究的开展提供了图像处理的程序编制平台。此外，无人机的商用化进程不断加快，相关公司研发了一系列四轴、八轴等的旋翼航拍飞行器，搭载了4K超高清摄像头和视觉感应系统，能够高效率地完成本研究所需要的施工扬尘污染源监测区域图像的采集工作。加之，相关设备的平民化价格，为本研究的进行提供了方便。
技术实现思路
本专利技术克服了传统人工监测污染源效率偏低、范围有限的不足，提供了一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测方法及系统，旨在自动监测施工区域内存在的扬尘污染源，及早发现并防止扬尘的持续扩散，可视化展现污染源分布情况及影响范围。为了实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统，包括航空拍摄系统和地面监管与处理系统；所述航空拍摄系统包括航拍旋翼飞行器和移动设备及操控端；所述航拍旋翼飞行器用于采集需进行施工扬尘污染源监测区域的图像；所述移动设备及操控端与航拍旋翼飞行器之间采用无线方式进行信息传输，用于控制航拍旋翼飞行器进行施工扬尘污染源监测区域图像的采集；所述地面监管与处理系统包括图像处理单元和用户端；所述图像处理单元用于无人机采集图像中质量合格图像的初步筛选、畸变校正、平滑处理和图像污染源RGB颜色特征增强处理、施工扬尘污染源监测区域航拍图像的边缘检测、监测区域内污染源存在性的判断及复核、监测区域内疑似施工扬尘污染源的特征提取、标准施工扬尘污染源RGB颜色特征值提取、监测区域内疑似施工扬尘污染源的特征比对、扬尘污染源监测区域完整图像的拼接、施工扬尘污染源分布分析和影响范围预测；所述用户端用于施工扬尘污染源监测区域采集图像处理结果的显示，包括拼接后的施工扬尘污染源监测区域的完整图像、施工扬尘污染源分布图及影响范围预测图。进一步地，所述图像处理单元包括图像预处理模块、图像边缘检测模块、污染源存在性判断及复核模块、污染源特征提取模块、污染源特征比对模块、污染源图像拼接模块、污染源分布分析模块、污染源影响范围预测模块；所述图像预处理模块用于无人机采集图像中质量合格图像的初步筛选、畸变校正、平滑处理和特征增强处理，提高无人机采集图像的质量、减少图像中除施工扬尘污染源外物体对图像处理过程的影响、增强图像中主要施工扬尘污染源图像色彩的饱和度；所述图像边缘检测模块用于预处理完成后的施工扬尘污染源监测区域航拍图像中区域的边缘提取，实现污染源监测区域图像中类似区域的合并，提高施工扬尘污染源区域识别的效率；所述污染源存在性判断及复核模块用于初步判断无人机采集图像中是否存在施工扬尘污染源，对预处理完成后的施工扬尘污染源监测区域的航拍图像使用HSV颜色识别方法检测出符合标准施工扬尘污染源图像HSV颜色特征值区间内的区域图像，并进行人工复核；所述污染源特征提取模块用于提取预处理完成后的施工扬尘污染源监测区域航拍图像的RGB颜色特征值和标准施工扬尘污染源图像的RGB颜色特征值，为施工扬尘污染源的RGB图像颜色特征的比对提供标准RGB颜色特征值；所述污染源特征比对模块用于图像提取模块中提取的疑似施工扬尘污染源图像的RGB颜色特征值与预先采集的标准施工扬尘污染源图像的RGB颜色特征值的比对，并根据图像边缘检测结果计算比对出的施工扬尘污染源区域内的像素点数目，从而确定施工扬尘污染源的种类、面积；所述污染源图像拼接模块用于施工扬尘污染源监测区域图像的拼接，从而生成施工扬尘污染源监测区域的完整图像，并为施工扬尘污染源分布分析与影响范围预测提供可视化平台；所述污染源分布分析模块用于扬尘污染源分布情况的分析和可视化展示，自动生成监测区域内扬尘污染源分布图；所述污染源影响范围预测模块用于污染源影响范围的预测及可视化展示，自动生成扬尘污染源影响范围预测图。进一步地，所述地面监管与处理系统与所述移动设备及操控端之间能够通过无线方式连接，将所述地面监管与处理系统的处理结果发送给所述移动设备及操控端显示；所述地面监管与处理系统采用电脑实现，所述用户端为电脑显示器；所述移动设备及操控端采用智能手机或平板电脑作为控制终端。基于上述系统，本专利技术还提出了一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测方法，包括依次执行的无人机航线规划方法及图像采集方法、施工扬尘污染源自动识别及定位方法、施工扬尘污染源分布分析方法、施工扬尘污染源影响范围预测方法。进一步地，所述无人机航线规划方法包括：根据施工场地的特点和限制性条件，使用网格化分割方法划分施工扬尘污染源自动监测区域，并依据网格划分结果设置无人机的航迹点、飞行高度、速度以及飞行路线；所述图像采集方法包括：依据网格和采样目标的种类设置无人机的图像采集、确定图像采集方式、确定网格中各位置采集图像时所采用的拍摄视角，视角可选择俯拍或鸟瞰，或两者兼具。进一步地，所述网格化分割方法是将施工扬尘污染源自动监测区域划分为若干全等的正方形网格，且保证网格能够完全覆盖施工扬尘污染源监测区域，并依据网格边长计算正方形网格的数目，同时确定网格在监测区域中的具体位置。进一步地，所述施工扬尘污染源自动识别及定位方法是对无人机采集的施工扬尘污染源监测区域的俯拍图像作以下处理：(1)图像的预处理：a.进行无人机采集的施工扬尘污染源监测区域图像的初步筛选，通过导入预先设定的图像质量标准，自动完成施工扬尘污染源监测区域无人机采集图像中质量合格图像的选定，根据需要考虑重新采集图像的必要性，提高图像处理的效率和效果；b.进行选定图像的畸变校正，减少无人机施工扬尘污染源监测区域图像采集时因无人机及相机原因造成的图像失真；c.进行选定图像的平滑处理，减少图像中除施工扬尘污染源外物体对图像处理过程的影响，提高图像处理效率；d.进行选定图像色彩的饱和度的增强，提高施工扬尘污染源RGB颜色特征的提取和比对的效率；(2)图像边缘检测：使用Canny边缘检测算法提取施工扬尘污染源监测区域航拍图像中的区域边缘，实现污染源监测区域图像中类似区域的合并，为污染源种类识别和面积计算提供区域边缘和区域内连通区域信息，提高施工扬尘污染源区域识别的效率；(3)污染源存在性判断及人工复核：使用颜色特征识别方法判断无人机采集图像中是否存在具有施工扬尘污染源HSV颜色特征的区域，若存在则进入图像的RGB颜色特征提取，若不存在则进行人工复核，并根据人工复核结果判定是否进入图像RGB颜色特征的提取，提高图像处理的效率；(4)污染源特征提取本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统，其特征在于，包括航空拍摄系统和地面监管与处理系统；所述航空拍摄系统包括航拍旋翼飞行器和移动设备及操控端；所述航拍旋翼飞行器用于采集需进行施工扬尘污染源监测区域的图像；所述移动设备及操控端与航拍旋翼飞行器之间采用无线方式进行信息传输，用于控制航拍旋翼飞行器进行施工扬尘污染源监测区域图像的采集；所述地面监管与处理系统包括图像处理单元和用户端；所述图像处理单元用于无人机采集图像中质量合格图像的初步筛选、畸变校正、平滑处理和图像污染源RGB颜色特征增强处理、施工扬尘污染源监测区域航拍图像的边缘检测、监测区域内污染源存在性的判断及复核、监测区域内疑似施工扬尘污染源的特征提取、标准施工扬尘污染源RGB颜色特征值提取、监测区域内疑似施工扬尘污染源的特征比对、扬尘污染源监测区域完整图像的拼接、施工扬尘污染源分布分析和影响范围预测；所述用户端用于施工扬尘污染源监测区域采集图像处理结果的显示，包括拼接后的施工扬尘污染源监测区域的完整图像、施工扬尘污染源分布图及影响范围预测图。

【技术特征摘要】
1.一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统，其特征在于，包括航空拍摄系统和地面监管与处理系统；所述航空拍摄系统包括航拍旋翼飞行器和移动设备及操控端；所述航拍旋翼飞行器用于采集需进行施工扬尘污染源监测区域的图像；所述移动设备及操控端与航拍旋翼飞行器之间采用无线方式进行信息传输，用于控制航拍旋翼飞行器进行施工扬尘污染源监测区域图像的采集；所述地面监管与处理系统包括图像处理单元和用户端；所述图像处理单元用于无人机采集图像中质量合格图像的初步筛选、畸变校正、平滑处理和图像污染源RGB颜色特征增强处理、施工扬尘污染源监测区域航拍图像的边缘检测、监测区域内污染源存在性的判断及复核、监测区域内疑似施工扬尘污染源的特征提取、标准施工扬尘污染源RGB颜色特征值提取、监测区域内疑似施工扬尘污染源的特征比对、扬尘污染源监测区域完整图像的拼接、施工扬尘污染源分布分析和影响范围预测；所述用户端用于施工扬尘污染源监测区域采集图像处理结果的显示，包括拼接后的施工扬尘污染源监测区域的完整图像、施工扬尘污染源分布图及影响范围预测图。2.根据权利要求1所述的一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统，其特征在于，所述图像处理单元包括图像预处理模块、图像边缘检测模块、污染源存在性判断及复核模块、污染源特征提取模块、污染源特征比对模块、污染源图像拼接模块、污染源分布分析模块、污染源影响范围预测模块；所述图像预处理模块用于无人机采集图像中质量合格图像的初步筛选、畸变校正、平滑处理和特征增强处理，提高无人机采集图像的质量、减少图像中除施工扬尘污染源外物体对图像处理过程的影响、增强图像中主要施工扬尘污染源图像色彩的饱和度；所述图像边缘检测模块用于预处理完成后的施工扬尘污染源监测区域航拍图像中区域的边缘提取，实现污染源监测区域图像中类似区域的合并，提高施工扬尘污染源区域识别的效率；所述污染源存在性判断及复核模块用于初步判断无人机采集图像中是否存在施工扬尘污染源，对预处理完成后的施工扬尘污染源监测区域的航拍图像使用HSV颜色识别方法检测出符合标准施工扬尘污染源图像HSV颜色特征值区间内的区域图像，并进行人工复核；所述污染源特征提取模块用于提取预处理完成后的施工扬尘污染源监测区域航拍图像的RGB颜色特征值和标准施工扬尘污染源图像的RGB颜色特征值，为施工扬尘污染源的RGB图像颜色特征的比对提供标准RGB颜色特征值；所述污染源特征比对模块用于图像提取模块中提取的疑似施工扬尘污染源图像的RGB颜色特征值与预先采集的标准施工扬尘污染源图像的RGB颜色特征值的比对，并根据图像边缘检测结果计算比对出的施工扬尘污染源区域内的像素点数目，从而确定施工扬尘污染源的种类、面积；所述污染源图像拼接模块用于施工扬尘污染源监测区域图像的拼接，从而生成施工扬尘污染源监测区域的完整图像，并为施工扬尘污染源分布分析与影响范围预测提供可视化平台；所述污染源分布分析模块用于扬尘污染源分布情况的分析和可视化展示，自动生成监测区域内扬尘污染源分布图；所述污染源影响范围预测模块用于污染源影响范围的预测及可视化展示，自动生成扬尘污染源影响范围预测图。3.根据权利要求1所述的一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测系统，其特征在于，所述地面监管与处理系统与所述移动设备及操控端之间能够通过无线方式连接，将所述地面监管与处理系统的处理结果发送给所述移动设备及操控端显示；所述地面监管与处理系统采用电脑实现，所述用户端为电脑显示器；所述移动设备及操控端采用智能手机或平板电脑作为控制终端。4.一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测方法，其特征在于，包括依次执行的无人机航线规划方法及图像采集方法、施工扬尘污染源自动识别及定位方法、施工扬尘污染源分布分析方法、施工扬尘污染源影响范围预测方法。5.根据权利要求4所述的一种基于无人机采集图像的施工扬尘污染源自动监测及影响范围预测方法，其特征在于，所述无人机航线规划方法包括：根据施工场地的特点和...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩豫，马国鑫，姚佳玥，张泾杰，孙昊，尤少迪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32