适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法技术方案

本发明专利技术属于水下摄影技术领域，公开了一种适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法，包括传感器主仓、动力推进和调节模块、定位模块和通讯模块；所述传感器主仓内布设有相机、测深声呐、太阳下行辐照度测量仪、水样采集装置、惯性测量单元(IMU)等；动力推进和调节模块设置在传感器主仓外侧；定位模块设置在传感器主仓上端，用于通过GPS接收天线接收GPS定位信号；通讯模块设置在传感器主仓上端，用于通过通讯信号接收天线与远程终端进行数据通信。本发明专利技术能拍摄具有高定位精度的水下监测图像，并可利用具有高重叠度的图像进行水下目标和地形的三维建模，用于珊瑚礁等水下生态系统的分布和面积测量。态系统的分布和面积测量。态系统的分布和面积测量。

【技术实现步骤摘要】
适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法


[0001]本专利技术属于水下摄影
，尤其涉及一种适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法。

技术介绍

[0002]珊瑚礁生态系统有着特殊的生物学特性，其生长区域多远离人类活动范围，有较为清洁的水质条件和良好的光照条件，多位于热带浅海的岸礁、环礁、堡礁和潟湖之中。在水面以下对珊瑚礁进行摄影摄像观测，是珊瑚礁生态系统监测、保护和恢复的重要手段。
[0003]目前，常见的可用于珊瑚礁水下成像观测的装置装备可分为以下3个类型：其一，水下机器人摄影摄像；其二，无人船和有人船船底摄影摄像；其三，潜水员浮潜或深潜摄影摄像。上述水下成像观测方式均难以满足针对珊瑚礁生态系统的成像监测需求，主要问题包括：第一，所成图像不包括高精度的定位和姿态信息，因而无法进行空间测量并难以对图像进行几何定位和拼接，不满足珊瑚礁生态系统大范围监测的需求；第二，不能直接获取或通过计算得到珊瑚礁光谱和反射率光谱信息，特别是反射率光谱，其对珊瑚礁的识别、类型的区分和健康状况的客观评估都至关重要。
[0004]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0005](1)现有的水下成像观测方式不能开展高定位精度成像、拼接和制图。
[0006](2)现有的水下成像观测方式不能获取珊瑚礁反射率光谱成像数据。
[0007]解决以上问题及缺陷的难度为：
[0008](1)完全浸没于水下的传感器无法接收来自导航卫星或基站的信号，因此本专利技术利用与传感器主仓通过刚性连杆连接的GPS信号接收器接收实时空间位置定位信号，难度是要保证GPS信号接收器始终出露水面，且与在传感器主仓内的惯性导航单元、测深单元共同工作，确定成像传感器每一个像元的实时空间位置与每一个成像画面内地物目标所代表的空间位置。
[0009](2)现有水下成像方式要么不具备反射率图像的成像能力，要么利用置于水下目标物处的标准反射板间接计算图像反射率，以上都不能满足水下珊瑚礁大范围高精度制图的需求。本专利技术通过在传感器主仓上设置同步观测的接受珊瑚礁目标向上反射光线能量的相机和接受向下太阳下行光线能量的太阳下行辐照度测量仪(二者光谱波段设置一致)，以及利用测深声呐得到的水深信息和水样采集装置得到的海水吸收散射特征，实现任意位置的珊瑚礁目标反射率光谱成像数据计算。完成上述功能的难点是，如何综合利用本专利技术中上述传感器获取的数据，快速准确的实现对海水造成的不同波段光线吸收和散射作用的消除，实现不依赖标准反射板的珊瑚礁目标反射率光谱图像的获取。
[0010]解决以上问题及缺陷的意义为：可实现精细尺度上的水下珊瑚礁生态系统的大范围、高精度、高保真制图，切实解决目前缺乏对珊瑚礁生态系统大范围制图数据的问题，为珊瑚礁生态系统的保护和修复，为我国南海珊瑚岛礁的维护和安全保障提供技术和数据支撑。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统及方法。
[0012]本专利技术是这样实现的，一种适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统包括：传感器主仓、动力推进和调节模块、定位模块和通讯模块；
[0013]所述传感器主仓内布设有相机、测深声呐、太阳下行辐照度测量仪、水样采集装置、惯性测量单元(IMU)和控制单元、电池，用于对水下数据进行采集；所述控制单元对相机、测深声呐、太阳下行辐照度测量仪、水样采集装置、惯性测量单元提供工作指令，并对上述传感装置获取的数据进行存储；
[0014]所述动力推进和调节模块设置在传感器主仓外侧，用于通过多个螺旋桨对传感器主仓的移动进行调节控制；
[0015]所述定位模块设置在传感器主仓上端，用于通过GPS接收天线接收GPS定位信号；
[0016]所述通讯模块设置在传感器主仓上端，用于通过通讯信号接收天线与远程终端进行数据通信。
[0017]进一步，所述传感器主仓为长流线型的密封体，其上下侧均留有放置传感器的开口，开口处通过在可见光范围内具有较好透光性的材质密封。
[0018]进一步，所述动力推进和调节装置包括一个主螺旋桨和两个副螺旋桨；
[0019]所述主螺旋桨位于所述传感器主仓后端，提供主要的前进动力；
[0020]所述副螺旋桨包括左副螺旋桨和右副螺旋桨，所述左副螺旋桨和右副螺旋桨分别位于传感器主仓的左右两端并可进行90
°
旋转，提供上下方向、前进后退和其它角度的动力。
[0021]进一步，所述GPS接收天线和通讯信号接收天线通过刚性连杆与传感器主仓上端相连。
[0022]进一步，所述相机为单镜头多光谱相机或多镜头倾斜摄影测量专用相机。
[0023]进一步，所述测深声呐为单波束声呐.
[0024]进一步，所述太阳下行辐照度测量仪的可测量光谱波段范围与所述相机匹配。
[0025]进一步，所述水样采集装置可根据控制指令自行开关，并对所采集水样进行密封保存。
[0026]进一步，所述惯性测量单元固定在所述传感器主仓内部，与所述GPS接收装置和所述相机呈相对位置固定的刚性关系。
[0027]本专利技术的另一目的在于提供一种适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统的控制方法，所述适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统的控制方法包括：
[0028]传感器主仓根据预先设定的作业范围和航线工作；
[0029]作业范围和航线总长度要充分考虑因供电能力而限定的工作时长，同时考虑航速，航速的设定根据相机的拍摄效率、作业水深和相机的视场角综合设定，一般应保证不小于75％的航向视场重叠率；
[0030]航线设置要根据作业水深、相机视场角来综合设定，一般应保证不小于70％的旁像视场重叠率；
[0031]当开始一个航次的作业前，应根据当地的水深条件、海平面高度、潮汐变化和海浪高度等情况，设定固定的GPS接收器的工作高度(或一个冗余范围)，以保证在整个作业过程中，GPS接收器和通讯装置始终出露水面且能正常工作；
[0032]当开始一个航次的作业前，应根据该区域珊瑚礁分布深度等条件，通过调节刚性连杆的长度，设定传感器主仓的作业深度，一方面保证作业过程中相机不触底，一方面保证太阳下行辐照度测量仪始终位于水下一定深度范围内，一般太阳下行辐照度测量仪距离水面的距离不应小于30cm；
[0033]开始作业前，应各模块先行自检和联调，完成之后再开始监测工作；
[0034]开始作业时，传感器主仓收到作业指令，动力推进和调节模块螺旋桨启动工作，抵达第一幅图像拍摄位置后，由螺旋桨控制使传感器主仓处于相对空间稳定状态，并相机镜头垂直向下，此时由于重力作用和海流、潮汐等的影响，螺旋桨必须不断的根据传感器主仓位置和姿态的变化，提供相应的动力来调整和抵消上述变化，使传感器主仓始终处于一个相对稳定的状态；
[0035]传感器主仓稳定后，控制单元给水样采集装置发出指令，指导其完成所处位置本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统，其特征在于，所述适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统包括传感器主仓、动力推进和调节模块、定位模块和通讯模块；所述传感器主仓，用于通过内设的多个不同功能的数据采集装置对水下数据进行采集；所述动力推进和调节模块设置在传感器主仓外侧，用于通过多个螺旋桨对传感器主仓的移动进行调节控制；所述定位模块设置在传感器主仓上端，用于通过GPS接收天线接收GPS定位信号；所述通讯模块设置在传感器主仓上端，用于通过通讯信号接收天线与远程终端进行数据通信。2.如权利要求1所述的适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统，其特征在于，所述传感器主仓内布设有相机、测深声呐、太阳下行辐照度测量仪、水样采集装置、惯性测量单元和控制单元、电池，用于通过内设的多个不同功能的数据采集装置对水下数据进行采集，所述控制单元对相机、测深声呐、太阳下行辐照度测量仪、水样采集装置、惯性测量单元提供工作指令，并对上述传感装置获取的数据进行存储；所述传感器主仓为长流线型的密封体，其上下侧均留有放置传感器的开口，开口处通过在可见光范围内具有较好透光性的材质密封。3.如权利要求1所述的适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统，其特征在于，所述动力推进和调节装置包括一个主螺旋桨和两个副螺旋桨；所述主螺旋桨位于所述传感器主仓后端，提供前进动力；所述副螺旋桨包括左副螺旋桨和右副螺旋桨，所述左副螺旋桨和右副螺旋桨分别位于传感器主仓的左右两端并可进行90
°
旋转，提供上下方向、前进后退和其它角度的动力。4.如权利要求1所述的适用于大范围浅海珊瑚礁制图的水下光学成像系统，其特征在于，所述GPS接收天...

【专利技术属性】
技术研发人员：任广波，胡亚斌，史浩东，马毅，李英超，王建步，吴培强，张靖宇，
申请(专利权)人：长春理工大学，
类型：发明
国别省市：