无人机监测解决方案

作者：朱金灿
来源：clever101的专栏

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1.前言

  注意：该解决方案都有具体的软硬件实现代码，有需要者请加我的wx:explorer101
  随着中国经济的发展，面临的环境保护的压力越来越大。面对环境污染与整治问题，往往很多环境污染的问题和现象被新闻媒体多次曝光，却频频在惩治的路上一拖再拖，高利益的诱惑让很多企业宁愿冒着被罚的风险，也要试一试，总存着侥幸的心理被抓的不是自己。很多智能新科技的加入给环保部门减轻了压力，诸如无人机在环保领域的推广，成为了环境监测与保护的有力武器。

  无人机被誉为“空中机器人”，能够搭载高分辨率数码相机以及多种遥感传感器。无人机起飞降落受场地限制较小，升空准备时间短、操作简单、方便携带，搭载高清晰摄像头，视野广阔，特别适合在公路、河流、水库、林地、隐秘点位等开展高空环境执法摄像。无人机还可在高空监控2000米范围内污染源，实时传输监控图像至地面监视器。从更广阔的视角捕捉环境违法行为，弥补执法人员无法达到区域的执法取证工作，可先于执法人员到达指定地点上空完成违法排污取证工作，且不易被发现，让偷排、违法排污行为无处躲藏，进一步提高了环境违法行为打击力度，拓宽环境执法覆盖面，达到环境监管无死角，使得执法效率大大提高。看似不起眼的无人机，越来越成为环境监察人员的“千里眼”。
  传统的监测执法主要由人工完成，因其高耗时、高成本、后期工作量大、并且无法实时完成相关要求，污染来源无法追溯，加上违法企业及个人手段改变，追查难度越来越大，而不能满足诸多业务需求，以无人机在线遥感监测为代表的环保监测技术手段变应运而生。无人机遥感系统具有视域广、及时连续的特点，可迅速查明环境现状。
  相对于传统现场监察方式外的这种创新监察手段，能大大节约行政执法成本，提高工作效率，丰富执法取证手段，有效弥补人力在环境监察工作中的不足，震慑违法排污等行为，填补了高空环境监测的空白。
  水：借助系统搭载的多光谱成像仪生成多光谱图像，直观全面地监测地表水环境质量状况，提供水质富营养化、水华、水体透明度、悬浮物排污口污染状况等信息的专题图，从而达到对水质特征污染物监视性监测的目的。
  陆：针对应急事件，其遥感系统安全作业保障能力强，可进入高危地区开展工作，也有效地避免了监测采样人员的安全风险。通过多光谱分析，得到大面积测区的各项监测数据，以面信息结合传统点信息，从而为整个测区宏观环境评价提供依据。能与GIS及遥感应用系统方便集成，可快速搭建环保应用，能保障提供综合和周期性的服务。
  空：无人机还可搭载移动大气自动监测平台对目标区域的大气进行监测，自动监测平台不能够监测的污染因子，可采用搭载采样器的方式，将大气样品在空中采集后送回实验室监测分析。其结果能直观、全面地演示空域环境状况，对污染物影响程度和范围进行监测和预警。

2.无人直升机视频监测方案

2.1. 技术方案

  无人机直升机搭载可见光/红外双光吊舱以及高清图传设备，将实时采集的环保监控视频画面发送到地面接收终端，并通过3G/4G的单兵终端转发到环境监控中心。
  无人机采用汽油发动机作为动力输出，飞行时间长为2小时，搭载的高清摄像机支持1080P高清输出，可以实现录像，照相功能。同时无人机上同步挂载无线高音喇叭，可以远程喊话，及时制止破坏环境的违法活动。

2.2. 设备介绍

2.2.1. 无人直升机

飞机参数：
 机身全长（包含主旋翼）2600 毫米
 机身全长（不包含主旋翼） 2100 毫米
 机身宽度 508 毫米
 主旋翼直径 2206 毫米
 机体自重 18 公斤
 发动机参数：日本产水平对置双缸两冲程空冷航空汽油发动机
飞行性能
 最大起飞重量 36 公斤
 实用载荷 13 公斤
 最大载荷 18 公斤
 最大飞行速度 110 千米/时
 经济巡航速度 45 千米/时
 爬升率 5 米/秒
 标准续航时间（标配油箱） 55 分钟
 最大续航时间（选配长航时油箱） 2 小时
 最大抗风性 12 米/秒

2.2.2. 可见光/红外双光吊舱

参数表
可见光摄像机	传感器尺寸	1/2.8 英寸
	镜头	光学变焦 20倍(94mm)，30倍(129mm)(可选)
	图像制式	PAL制式，帧频25Hz,720X576
		HD-SDI 1080P
红外热像仪	探测器及镜头	非制冷长波红外热像仪640×480/17um 镜头焦距：9mm(视场角69°)，13mm(视场角46°)，19mm(视场角31°)，25mm(视场角25°)，35mm(视场角17°)可选
稳定平台	稳定精度	≤1mrad（1σ）
	搜索范围（方位）	Nx360°
	搜索范围（俯仰）	-90°~+ 30°
电气接口	视频输出	PAL 或 HD-SDI
	通讯控制	RS422 / S-BUS
电源	外接电源	20~30VDC
	额定功耗	≤40W，峰值≤60W
环境条件	工作温度	-20～+65℃
	存储温度	-40～+85℃
重量		≤2kg

2.2.3. 高清图传及接收设备

  高清图传发射机是新型、专业、高端数字无线图像传输设备，主要应用于高标清图像的无线传输，设备软件具有视频缺失告警、频道切换、带宽选择、码流设置、射频待机、数字加密等功能，方便操作使用，在复杂环境条件下传输距离5km以上，在无遮挡的视距条件下可以传输20km以上。
  技术参数：
 先进的COFDM调制技术，支持高速移动传输；高效的H.264编码技术，支持高质量图像应用；
 支持复杂环境中多径传输、非视距传输；
 输出功率32dBm可调；
 系统延时小，近似于实时传输；支持多种传输带宽和图像传输码流；
 窄带1.25/2.5MHz带宽下可传输高质量高清图像；
 提供HD-SDI/HDMI视频输入接口，模拟音视频、串口数据输入；
 内置数字加密功能；
 支持16频道多用户应用；
 结构设计合理，散热效果良好；
 重量轻、体积小、携带方便、应用灵活；
 电压范围宽，支持DC+10～16V供电；
 设备功耗低，可支持电池长时间工作应用；
  手持接收机是应用于高清图像传输的专业高端数字无线图像传输设备；采用先进的COFDM数字解调和h.264解码技术，提高系统传输距离和图像质量。设备具有视频告警、频道切换、信号接收指示、数字解密等功能，方便故障诊断和操作使用；输出带有数字视频接口；设备能够支持SDI、IP输出、ASI输出、复合视频、音频和数据信号输出；设备自带10寸工业级液晶显示屏，能够显示高清图像，设备具有背光控制及节目源切换功能。
  技术特点：
 采用先进的COFDM解调技术支持高速移动中传输；
 采用高效的MPEG2/4、H.264解码技术支持高质量图像应用；
 采用空间1+1分集技术，提高传输距离及传输效果；
 具有分集接收功能支持复杂环境中多径传输；
 极低的接收门限延伸传输距离；
 系统延时小近似于实时传输；
 工作频段可选UHF、L、S波段；
 支持多种传输带宽和图像传输码流
 采用广电级10寸高清1920*1080P屏幕，优秀的图像质量，
 支持画中画功能；
 支持电池供电，可保持工作使用2小时以上；
 提供ASI、SDI、CVBS、IP、模拟音频输出接口；
 提供RS232数据、IP控制接口，解码软件升级通过IP网口控制；
 内置音视频存储功能；
 内置数字ABS解密功能；
 支持内设8频道切换应用；

3. 电动旋翼无人机视频监测方案

3.1. 技术方案

应用需求：
  我国正处在治理环境污染的关键期，对于突发环境污染事件的处理要求快速响应、迅速到达现场、持续跟踪和监控现场信息，采取果断措施、实施正确指挥、进行应急处理。
应用场景：
  发生环境污染的突发区域。
方案描述：
  便携式无人机搭载高清摄像机和图传设备，将现场实时采集的环保事故视频监控画面发送到便携式地面站。便携式无人机可以滞空1个小时，采用地面接收机就可以将实时现场监控视频接入环保监测车，并转发至环保监测指挥中心。
应用特点：
  便携式无人机机体轻巧，飞行稳定、操控方便、便于携带和运输，可以迅速到达现场执法，无人机搭载高清低延迟图传系统，完满环保应急监测需要。

3.2. 设备介绍

3.2.1. 电动旋翼无人机

飞机参数：
 最大起飞重量：8kg
 长宽高：970mm920mm240mm
 动力类型：无刷电机
 能源：21Ah锂电池
 飞行高度：<= 4000m（海拔）
 抗风能力：6级
 最大速度：40km/h
 续航时间：60min
 数传链路：922.7-927.7MHz， 距离：5km
 图传链路：5.725-5.850GHz 距离：5km
 吊舱参数：三轴增稳、20x光学变焦，1080P清晰度
技术特点：
  该无人机全载起飞重量为7千克，全载续航时间为60分钟，具有使用维护方便、性能稳定、可耐低温等恶劣环境的优势。飞机可以搭载可见光吊舱、红外/可见光双光吊舱、高音喊话器、强光探照灯以及抛物装置等多种载荷，地面便携式图传接收机提供IP网口，可直接接入环境监测应急指挥系统。

3.2.2. 可选载荷

（1） 无线喊话器

指标	参数
外形尺寸	130mm*68mm*176mm
扩音器总重	595g
工作电压	12V~25V
喇叭功率/电压	20W/12V
通讯距离	4km
工作高度	50~100m（相对地面）
最大音量	70分贝
工作温度	-20℃~55℃

（2）强光探照灯

指标	参数
外形尺寸	200*65*90mm
重量	510g
工作电压	8.4v
照射距离	415m
工作温度	0℃~55℃
功率/电流	50W/6A

（3）地面图传接收机

指标	参数
外形尺寸	165*105*40mm
电池容量	3300mAh
工作电压	7.4v
续航时间	8h
天线频率	5.8GHz
天线增益	11db

4. 高光谱水环境监测方案

4.1. 技术方案

  高光谱成像仪以其特有的光谱分辨率，能够实现对水体泥沙含量和污染程度的有效识别。其高光谱图像数据不仅可以反映水体的特征，包括悬浮物含量、叶绿素富集度、水体深度等，还能有效的对海洋或内湖水质环境进行监测，例如赤潮生物优势物种的识别、洋面溢油、河口污染、水体含沙量等。多项实验表明，在不同的波段范围内，可监测的水体生态的种类也不同。因此可以使用高光谱成像仪以达到对水体进行有效检测的目的。

  针对小型旋翼无人机开发的高性价比机载高光谱成像系统。采用专利的内置扫描系统和增稳系统，成功克服了小型无人机系统搭载推扫式高光谱相机时，由于无人机系统的震动造成的成像质量差的问题。为高光谱成像技术在目标识别、伪装与反伪装等军事领域，地面物体与水体遥测、现代精细农业等生态环境监测等领域的广泛应用奠定了基础。
技术特点：
 可搭载于轻型旋翼无人机，极低的系统成本与测试成本
 采用悬停拍摄方式，无需高精度惯导系统，图像实时自动拼接
 操作方便，无需专业无人机操控手，可实现单人操作
 图像实时回传，监控拍摄效果
 辅助取景摄像头实现真正的所见即所得
 数据预览及矫正功能：辐射度校正、反射率校正、区域校正支持批处理
 数据格式完美兼容Evince、Envi等第三方数据分析软件
 支持Win7-32位或64位系统
 自动扫描速度匹配、自动曝光
 自动曝光：根据当前光照环境，进行曝光测试，获得精准的曝光时间。在得到最佳信噪比的同时，又可避免过度曝光造成数据作废。同时软件具有实时过度曝光监视功能。
 自动扫描速度匹配：根据当前的曝光时间等参数，进行测试拍摄，得到实时帧速，进而计算出合适的扫描速度。从而避免了扫描图像的变形（拉伸或压缩）

4.2. 设备参数

型号（GaiaField-mini）
谱仪特性
光谱范围	400-1000（nm）
光谱分辨率（30um）	4nm+-0.5nm
数值孔径	F/2.8
有效狭缝长度	8.9(mm)
总效率	>50%
相机特性
传感器	>CCD Sony ICX285，逐行扫描
全幅像素	>1392 （空间维）x 1040（光谱维）
像素间距	>6.45（um）
相机输出	>16（bit）
连接方式	>USB 2.0
耗电量	>约2.5w
工作电压	>5V
系统特性
拍摄方式	>悬停（内置扫描）
搭载平台	>旋翼无人机、无人飞艇、无人直升机等可悬停飞行器
飞行高度	><1000米（决定于无人机安全飞行高度）
镜头	>18.5,23mm（可选）
横向视角	>27@18.5mm,21@23mm
(FOVac，°)
横向视场	>234米@18.5mm,186米@23mm（飞行高度500米）
扫描视场(°)	33.5@18.5mm,26@23mm
Bin方式	1X	2X(推荐)	4X
空间分辨率（@23mm,高度500米）	0.17m@18.5	0.34m@18.5	0.67m@18.5
	0.14m@23mm	0.27m@23mm	0.53m@23mm
扫描速度	30	60	84

4.3. 软件界面

 采集功能：光谱相机控制，数据采集，自动曝光，自动扫描速度匹配，辅助摄像头功能，支持远程遥控，支持巡航+惯导（BGC IG-500N）采集模式，数据支持ENVI等第三方分析软件。
 数据预处理功能：反射率校正、区域校正、辐射度校正、光谱及图像数据预览功能等。

               图 1 数据采集控制界面

               图 2 数据分析页面

4.4. 应用案例

  高光谱成像仪以其特有的光谱分辨率，能够实现对水体泥沙含量和污染程度的有效识别。其高光谱图像数据不仅可以反映水体的特征，包括悬浮物含量、叶绿素富集度、水体深度等，还能有效的对海洋或内湖水质环境进行监测，例如赤潮生物优势物种的识别、洋面溢油、河口污染、水体含沙量等。多项实验表明，在不同的波段范围内，可监测的水体生态的种类也不同。因此可以使用高光谱成像仪以达到对水体进行有效检测的目的。

               图 3 2015/4/29 对河流成像

               图 4 2015/4/18和4/29两次图像对比

               图 5 通过光谱的差别对比水质变化

5. 航空影像环保监测方案

5.1. 设备介绍

5.1.1. 机载设备（机载高精度航摄系统）

产品类型	微 单
操作方式	全手动操作
传感器类型	CMOS
传感器尺寸	全画幅（35.9*24mm）
传感器描述	35mm全画幅Exmor R CMOS背照式影像传感器
长宽比	3：2
有效像素	4240万
镜头类型	定焦
光圈	最大光圈F2.8、最小光圈F22
焦距范围	35mm
外形尺寸	126.9×95.7×60.3mm
产品重量	582g（仅机身）

5.1.2. 机载平台（电动六旋翼无人机）

  六旋翼无人飞行器系统是一款轻巧便携式无人飞行器。机身结构均由碳纤维材料制成。机架、上盖、支臂、起落架、电机架等皆为轻强结构设计。其中六个支臂采用直连式结构，电机臂上扬带4度倾斜角度，飞行姿态更加稳定。飞机带载起飞重量大于18公斤，电机之间最大轴距1200mm。无人机机载平台有着非常完备的系统配置。每套平台都配备有：飞行器、动力系统自动驾驶仪、机载设备、测控链路、遥控器、地面站。

型号	六旋翼无人机
电机间距	1200mm
起飞重量	18kg
有效载荷	3kg
续航时间	45min
动力来源	锂聚合电池 22AH
载荷设备	微单相机

5.1.3. 航空影像处理软件（图像处理）

  自动、快速、专业精度为一体的无人机数据和航空影像处理软件。无需专业知识，无需人工干预，即可将数千张影像快速制作成专业的、精确的二维地图和三维模型,以及DOM和DEM等测绘成果。系统具备影像快速处理功能、高自动化定向计算、超快速的影像匹配处理、高度自动化生产3D产品的全部实用功能，可以生产高精度数字高程模型（DEM），高质量数字正射影像图（DOM）和数字栅格地图（DSM），具体功能如下：
1 ）基本数据管理
基本数据、影像的输入和输出；各种参数设置；图廓整饰与图件输出； 矿区被测物体三维立体景观显示；各种过程的批处理； 基本的影像处理功能；不同网络密度的质量控制与质量报告；
2）定向计算与影像匹配
全自动内定向；全自动相对定向；全自动绝对定向；影像匹配预处理；影像匹配；
3 ）正射影像生成
自动生成数字正射影像；

5.1.4. 三维数据展示及应用软件

  三维数据展示及应用软件软件支持现场的多维地理信息显示、各种信息的标注、现场场景构建图的量测分析、绘制现场分布图等。可将无人机生成的高精度DEM/DOM数据加载到软件平台中，通过平台特有的展示方式可将两种数据相结合以三维立体形式进行数据展示，从而更好、更直观的展示出测区空间情况。软件处理平台不仅是一个数据展示平台，还是应用平台，通过其可对测区进行空间立体量测以及可视化分析、通视分析、断面分析、淹没模拟、缓冲区分析等。
功能介绍：

1. 全方面的二三维数字现场的多维地理信息显示、数据浏览，能够方便地对二维、三维地理数据（包括地形、影像、矢量数据）进行浏览。
   
2. 快速的数字现场的三维模型、场景浏览。能够快速的浏览大坝、库区、河道等现场的多维数据，支持大批量数据的三维场景浏览，包括自然地物及人工设施及事故现场各种地表物。
   
3. 点线面以及高度量测，支持多线段距离测量、高度测量、三角测量、面积测量
   
4. 现场场景及现场细节信息类型标注功能：具备当今三维GIS技术领先的关联现场细节属性的标注和标绘技术，用户可以很方便地自由的实现事故现场各细节属性的标注和标绘。
   
5. 便捷的三维现场分析及各种应用，平台系统可根据导入数据进行一系列分析如通视分析、可视域分析、雷达分析、填挖方分析、剖面分析和淹没演示分析等。
   
                  图 6 通视分析
   
                  图 7 可见域分析
   
                  图 8 填挖方分析

5.1.5. 环保监测案例

  中石油吉林石化公司双苯厂发生爆炸事故，造成大量苯类污染物大量进入松花江水体，引发重大环境污染事件，造成了重大的经济损失和显著的社会和政治影响。

  事故现场快速出一张图：现场计算事故现场所需的各地表物的面积、体积等各种数据成果，并实现现场快速出图，现场直接输出的一张图的成果包含影像、事故现场残骸线划、面积、体积等多元事故现场数据，实现事故现场真正的数字化和信息化作业。