[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于水下摄影技术领域，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。

背景技术

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。

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。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(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。

(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。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(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，因此本发明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。

(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。本发明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，如何综合利用本发明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。

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。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明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。

本发明是这样实现的，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；