[发明专利]土壤重金属污染程度的空地一体化协同监测系统及方法

权利要求书

1.一种土壤重金属污染程度的空地一体化协同监测系统，其特征在于：由空中高光谱面源监测端、地面LIBS点源监测端和地面监控端组成；

所述空中高光谱面源监测端包括无人机、高光谱成像仪、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、智能处理器、通信设备和电源模块；所述高光谱成像仪、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、智能处理器、通信设备和电源模块均集成在所述无人机上；所述智能处理器分别与所述高光谱成像仪、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、通信设备连接；所述电源模块分别与所述无人机、高光谱成像仪、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、智能处理器、通信设备连接；

所述地面LIBS点源监测端包括无人小车、远距离LIBS设备、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、智能处理器、通信设备和电源模块；所述远距离LIBS设备、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、智能处理器、通信设备和电源模块均集成在所述无人小车上；所述智能处理器分别与所述远距离LIBS设备、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、通信设备连接；所述电源模块分别与所述无人小车、远距离LIBS设备、工业相机、激光扫描仪、精密可控转台、POS设备、智能处理器、通信设备连接；

所述地面监控端包括工控机、大容量数据存储设备和通信设备；所述工控机通过与通信模块连接，进行数据接收和发送控制指令；所述工控机与大容量数据存储设备进行连接，由工控机把处理之后的数据送到大容量数据存储设备进行存储；

所述工控机用于控制所属无人机及无人小车工作，所述无人机完成对大面积土壤重金属污染程度的粗测，给出存在土壤重金属污染的特定区域位置；所述无人小车协同完成对特定区域位置内土壤重金属污染物种类和含量的准确检测。

2.根据权利要求1所述的土壤重金属污染程度的空地一体化协同监测系统，其特征在于：所述POS设备由惯性导航单元、GPS接收机以及数据处理单元组成。

3.一种土壤重金属污染程度的空地一体化协同监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：地面监控端规划无人机的航迹，并操控无人机飞向指定的监测区域；

步骤2：高光谱成像仪采用推扫成像方式实时获取监测区域内土壤的高光谱图像，POS设备实时测量无人机的平台姿态和位置，工业相机和激光扫描仪实时获取周围环境的视觉和激光数据；同时将监测数据和自身的状态参数实时发送给智能处理器；

步骤3：智能处理器采集、缓存和压缩高光谱图像、视觉和激光数据、平台姿态和位置数据、设备状态参数，并通过通信设备将压缩后的数据发送给地面监控端；

步骤4：地面监控端对高光谱图像进行实时处理，并判断高光谱数据是否到达预期要求；

若是，则执行步骤5；

若否，则地面监控端给空中高光谱面源监测端发送控制指令，由智能处理器控制精密可控转台调节高光谱成像仪的视场角，并回转执行步骤2；

步骤5：判断高光谱图像是否存在可疑的土壤重金属污染区域；

若是，则地面监控端操控无人机降低飞行高度，并使无人机暂时处于悬停状态，对该区域进行近距离观测，然后执行步骤6；

若否，则执行步骤6；

步骤6：判断无人机是否完成所有区域的监测；

若是，则无人机监测结束，回收无人机；

若否，则回转执行步骤2；

步骤7：地面监控端从监测结果中找出存在重金属污染的土壤区域，并结合空中高光谱面源监测端提供的位置数据和视觉数据，对无人小车的行驶路径进行规划, 并操控无人小车驶向指定的监测区域；

步骤8：在无人小车行驶过程中，搭载的工业相机和激光扫描仪实时获取周围环境的视觉和激光数据，POS设备实时测量无人小车的平台姿态和位置，同时将监测数据实时发送给无人小车上搭载的智能处理器；

步骤9：智能处理器采集、缓存和压缩视觉激光数据、平台姿态和位置数据，并通过通信设备将压缩后的数据发送给地面监控端；

步骤10：地面监控端通过通信设备接收地面LIBS点源监测端发送过来的数据，并对数据进行实时处理，以实现对无人小车周围监测环境的感知和行驶路径的调整优化；

步骤11：判断无人小车是否到达监测区域；

若是，则执行步骤12；

若否，则回转执行步骤8；

步骤12：远距离LIBS获取监测区域内土壤的LIBS光谱数据，POS设备实时测量无人小车的平台姿态和位置，光学相机和激光扫描仪实时获取周围环境的视觉和激光数据；同时将监测数据和自身状态参数实时发送给智能处理器；

步骤13：智能处理器采集、缓存和压缩LIBS光谱数据、视觉激光数据、平台姿态和位置数据、设备状态参数，并通过通信设备将压缩后的数据发送给地面监控端；

步骤14：判断LIBS光谱数据是否达到预期要求；

若是，则执行步骤15；

若否，则地面监控端通过通信设备给地面LIBS点源监测端发送控制指令，由智能处理器控制精密可控转台调节远距离LIBS的视场角，并回转执行步骤12；

步骤15：地面监控端提取监测区域内土壤重金属的种类和含量，同时结合位置数据、视觉激光数据，绘制出土壤重金属污染程度的三维空间分布图，并由大容量数据存储器完成高光谱数据和LIBS光谱数据的实时存储；

步骤16：判断无人小车是否完成所有指定区域的监测；

若是，则无人小车监测结束，回收无人小车，本流程结束；

若否，则回转执行步骤7。