河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统及运行方法技术方案

一种河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，包括多旋翼无人机系统和地面工作站，所述多旋翼无人机系统由飞行控制系统、水下地形测绘系统和水面光谱采集系统组成；所述地面工作站由路线规划系统、数据中心、水体边界及水质智能分析系统和水环境模型自动构建系统组成。该系统可实现河湖二三维模型从“数据采集—模型文件生成—水质率定参数识别”的自动建模系统，从而减少了各类数据格式转化过程，避免繁琐的人工录入，实现地形测量数据到模型参数的无缝衔接，提高河湖水环境模型构建效率。同时，克服了水质人工实地采样、检测周期长的问题，节省了大量人力物力。

【技术实现步骤摘要】
河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统及运行方法
本专利技术属于河湖水环境模拟领域，特别涉及一种河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统及运行方法。
技术介绍
河湖作为一种重要的自然资源，在调节洪涝、供水、养殖、生态保护和维护生物多样性等城市区域生态平衡领域具有重要作用。人们在开发利用河湖资源时，往往忽视对河湖资源有效的保护和管理，致使河湖功能效益不断下降，影响了湖泊区域的水资源可持续发展。水环境数学模型的构建是对真实水环境系统的抽象和概化，借助模型可以得到水环境相关因素之间的定量关系和环境因子的变化趋势，是环境科学研究常用的手段。水动力水质模型作为城市水环境管理的重要工具，可对河湖水环境现状情况进行模拟，获取时空连续的水量水质状况，为河湖水环境保护和水生态安全的重大问题提供决策支撑，当模型精度满足要求后，可对水环境治理项目的设计、工程内容等的现状问题评价和共后项目可达性分析提供重要指导，还可以模拟现有水利设施运行调度。为进行河湖水环境安全风险评估和管理，有必要建立水文、水环境、水生态等相关领域的模型。水环境模型的构建依赖于丰富的河道断面信息，以及边界范围、边界条件、初始条件及其他条件数据，传统的断面提取方法是利用装有声纳探测仪的测量船进行水下地形测量，将测量船行驶至需要进行断面测量的河道上，放下测量仪器，利用声纳原理进行水下地形探测，以获取断面信息，需要大量人力物力，工作效率较低，耗费时间长，只能用于小范围河道断面提取工作，且对于干涸或河道水位浅的河段无法驶入，同时也无法测量岸线信息。水环境模型通常涉及的河道长度可达几百公里，存在各式断面，若采用传统的测量不仅需要投入巨大的人力物力、耗时较长，且无法完成部分河段测量工作。本专利技术采用多旋翼无人机挂载激光雷达(LIDAR)和多光谱摄像头，不仅能快速获取水下地形数据，还可以同步采集水面多光谱数据，利用不同水质组分的不同光谱特征，获取水质参数数据，为模型提供率定数据，极大的提高了模型的构建速度，节省了大量的人力物力，可作为水环境模型领域的一种全新的系统和方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种河湖水环境自动建模及水质参数识别系统，该系统可实现河湖二三维模型从“数据采集—模型文件生成—水质率定参数识别”的自动建模系统，从而减少了各类数据格式转化过程，避免繁琐的人工录入，实现地形测量数据到模型参数的无缝衔接，提高河湖水环境模型构建效率。同时，克服了水质人工实地采样、检测周期长的问题，节省了大量人力物力。本专利技术的另一个目的是提供一种河湖水环境模型自动构建及水质参数识别系统的运行方法。如上构思，本专利技术通过以下技术方案实现：一种河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，包括多旋翼无人机系统和地面工作站，所述多旋翼无人机系统由飞行控制系统、用于采集多旋翼无人机按规划路线飞行时，河湖底高程数据的水下地形测绘系统、用于实时获取多旋翼无人机按规划路线飞行时，水面多光谱影像数据的水面光谱采集系统组成；所述地面工作站由用于制定多旋翼无人机飞行路径的路线规划系统、用于接收多旋翼无人机系统采集的水下地形数据和水面多光谱数据的数据中心、根据水面多光谱影像数据识别水体边界和分析特定水质参数数据的水体边界及水质智能分析系统、用于处理获取的各类数据，转换为二三维水环境模型可读取的输入文件的水环境模型自动构建系统组成。进一步，所述飞行控制系统由用于控制无人机飞行姿态的主控模块、用于获取多旋翼无人机系统当前地理位置数据的定位模块和用于接收地面工作站发送的指令的通讯模块组成，无人机采集的水下地形数据、水面多光谱数据通过通讯模块发送至地面工作站的数据中心。进一步，所述通讯模块采用5G网络。进一步，所述定位模块采用GNSS、GPS或北斗全球定位系统。进一步，所述水下地形测绘系统由多旋翼无人机挂载激光雷达LIDAR组成。进一步，所述水面光谱采集系统由多旋翼无人机挂载多光谱摄像头组成。所述河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统的运行方法，包括以下步骤：①收集河湖水体建模范围数据、模型初始条件、边界条件数据及其他所需条件数据；②地面工作站依据河湖范围数据设置待测河湖断面并规划无人机飞行路线，然后采集河湖断面底高程数据和水面多光谱影像数据；③多旋翼无人机通过通讯模块将采集的数据发送至数据中心，数据中心自动进行河湖底高程数据格式转换，且对采集的水面多光谱影像数据进行校正；④地面工作站水体边界及水质智能分析系统依据数据中心校正后的水面多光谱数据进行识别，利用不同光谱特征智能分析水体边界范围并识别不同水质组分参数；⑤地面工作站水环境模型自动构建系统根据待建模型范围和河湖断面底高程数据生成曲线正交网格并生成河湖底地形，同时根据收集的初始条件、边界条件及其他参数条件生成二三维水环境模型可读取的输入文件，水体边界及水质智能分析系统分析出的不同水质组成参数可用于模型文件的率定。进一步，所述数据中心将河湖底高程数据转换为“X坐标/Y坐标/Z高程”格式。本专利技术具有如下的优点和积极效果：1、本专利技术基于多旋翼无人机的数据采集较传统方法高效、便捷、省时省力、地形适应性强，同时，可自主设置断面间距，获取的水下地形数据适应各种精度要求建模需求，提高了模型模拟的可靠度。2、本专利技术可根据水面与陆地光谱特征的区别智能分析水体边界，而传统建模时，若无模型范围文件，只能依据影像图片手动绘制边界，效率较低，且边界精度无法保证。3、本专利技术基于多旋翼无人机水面光谱采集系统，可智能分析水质组分参数，克服人工实地采样困难、检测周期长的问题，能获取大量的模型水质率定数据，节省了大量人力物力。4、本专利技术可实现模型文件的生成，提高了建模过程的适应性，针对国内外常用的二三维水环境建模软件，建立多套脚本，保证了不同格式模型文件的生成，使水环境模型的构建系统化、简单化。附图说明图1是多旋翼无人机飞行路径规划方法示意图。图2是多旋翼无人机采集水下地形数据及水面光谱数据示意图。图3是本专利技术二三维水环境模型网格文件的生成样例。图4是本专利技术河湖水环境自动建模及水质参数识别的方法流程图具体实施方式下面结合附图与具体实例对本专利技术进行详细说明。一种河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，包括多旋翼无人机系统和地面工作站。1、多旋翼无人机系统由飞行控制系统、水下地形测绘系统、水面光谱采集系统组成。①飞行控制系统由主控模块、定位模块和通讯模块组成，其中所述主控模块主要用于控制无人机飞行姿态，根据地面工作站显示的无人机当前飞行姿态，用户可远程发送指令，无人机通讯模块接受指令后，主控模块即可调整无人机飞行姿态，以便实时调整和校正飞行路径，所述定位模块采用GNSS、GPS或北斗全球定位系统，可获取多旋翼无人机系统当前地理位置数据，并将水下地形测绘系统采集的水深数据通过预先设定的水面高程转换为河湖底绝对高程数据确保水下地形数据的准确测量，所述通讯模块采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，其特征在于：包括多旋翼无人机系统和地面工作站，所述多旋翼无人机系统由飞行控制系统、用于采集多旋翼无人机按规划路线飞行时，河湖底高程数据的水下地形测绘系统、用于实时获取多旋翼无人机按规划路线飞行时，水面多光谱影像数据的水面光谱采集系统组成；所述地面工作站由用于制定多旋翼无人机飞行路径的路线规划系统、用于接收多旋翼无人机系统采集的水下地形数据和水面多光谱数据的数据中心、根据水面多光谱影像数据识别水体边界和分析特定水质参数数据的水体边界及水质智能分析系统、用于处理获取的各类数据，转换为二三维水环境模型可读取的输入文件的水环境模型自动构建系统组成。/n

【技术特征摘要】
1.一种河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，其特征在于：包括多旋翼无人机系统和地面工作站，所述多旋翼无人机系统由飞行控制系统、用于采集多旋翼无人机按规划路线飞行时，河湖底高程数据的水下地形测绘系统、用于实时获取多旋翼无人机按规划路线飞行时，水面多光谱影像数据的水面光谱采集系统组成；所述地面工作站由用于制定多旋翼无人机飞行路径的路线规划系统、用于接收多旋翼无人机系统采集的水下地形数据和水面多光谱数据的数据中心、根据水面多光谱影像数据识别水体边界和分析特定水质参数数据的水体边界及水质智能分析系统、用于处理获取的各类数据，转换为二三维水环境模型可读取的输入文件的水环境模型自动构建系统组成。


2.根据权利要求1所述的河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，其特征在于：所述飞行控制系统由用于控制无人机飞行姿态的主控模块、用于获取多旋翼无人机系统当前地理位置数据的定位模块和用于接收地面工作站发送的指令的通讯模块组成，无人机采集的水下地形数据、水面多光谱数据通过通讯模块发送至地面工作站的数据中心。


3.根据权利要求1所述的河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，其特征在于：所述通讯模块采用5G网络。


4.根据权利要求1所述的河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，其特征在于：所述定位模块采用GNSS、GPS或北斗全球定位系统。


5.根据权利要求1所述的河湖水环境自动建模及水质参数自动识别系统，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩正，张良，张磊，王丽娜，刘海婷，
申请(专利权)人：中国市政工程华北设计研究总院有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12