[发明专利]适用于浅海珊瑚礁水下监测的可见光成像装置及监测方法

说明书

本发明属于珊瑚礁生态系统监测技术领域，公开了一种适用于浅海珊瑚礁水下监测的可见光成像装置及监测方法，包括：总控平台、光谱相机、太阳下行辐照度测量仪、测深声呐和水样采集装置；所述光谱相机焦平面、太阳下行辐照度测量仪焦平面和测深声呐探测装置位于平行于海平面的平面上；所述光谱相机拍摄方向垂直于海平面，太阳下行辐照度测量测量方向与光谱相机拍摄方向相反。本发明通过置于水下的成像装置成像有效解决太阳反射耀斑和波浪透镜作用的影响；利用同步获取的海底珊瑚礁目标的光谱和太阳下行光谱，通过计算获得位于不同深度海域珊瑚礁的遥感反射率数据，避免不同水深处因太阳光线的减弱而导致的成像亮度差别。

技术领域

本发明属于珊瑚礁生态系统监测技术领域，尤其涉及一种适用于浅海珊瑚礁水下监测的可见光成像装置及监测方法。

背景技术

目前，珊瑚礁生态系统监测的目的是发现并识别珊瑚礁，以及在此基础上对珊瑚礁的种类进行分类并对珊瑚礁的健康状况进行评估；而基于光学遥感的反射率光谱识别和诊断方法，是开展珊瑚礁探测、分类和评估的主要途径之一。珊瑚礁遥感监测的难点和特点是：其一，置于卫星、无人机甚至测量船上的水面之上成像装置，在对珊瑚礁进行观测时，常受到海气界面折射和水面反射耀斑的影响，同时还受到水体辐射传输和大气辐射传输的双重影响，导致光学成像结果画面畸变、图像污染和光谱失真；其二，大部分珊瑚礁生长的区域真光层深度较大，且都分布于真光层的上层约20m以浅的海域，这部分区域的光线较好，但随着深度的增加，光线能量呈指数衰减，会造成水面之上光学测量时，同类型目标在同一幅图像中的不同水深区域，呈现不同的反射率的问题；其三，珊瑚礁适宜生长和密集生长的区域，往往也是悬浮颗粒物、叶绿素和营养物质较为丰富的区域，并不能达到完全洁净的水质条件，这会对珊瑚礁遥感监测造成一定的影响。因此，需要设计一款珊瑚礁水下光学成像装置，以解决珊瑚礁遥感监测中水面以上成像的各种畸变和失真，克服因水深不同而产生的反射率误差，同时，还要解决因较差水质条件造成的光线能量衰减而导致的成像质量降低的问题。面向珊瑚礁生态系统的监测需求，需要进一步基于设计的水下珊瑚礁光学成像装置，以及利用其拍摄到的图像，发展珊瑚礁类型识别和健康评估方法。

对于珊瑚礁生态系统的遥感监测，水下成像装置有克服上述水下目标成像技术问题的潜力。然而，目前的水下光学成像装置还不能有效的解决上述问题，原因包括：其一，不能有效的获取对珊瑚礁探测、分类和评估至关重要的反射率光谱成像数据，其二，不能去除镜头与目标间因水体辐射传输造成的吸收和散射影响，特别是在因水深影响的低光照条件下，成像数据的信噪比难以提高的问题。因此，亟需一种新的适用于浅海珊瑚礁水下监测的可见光成像装置及监测方法。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)现有的置于卫星、无人机甚至测量船上的水面之上成像装置，在对珊瑚礁进行观测时，由于波浪的存在，常受到海气界面折射造成的透镜效应和水面反射导致的耀斑的影响，同时还受到水体辐射传输和大气辐射传输的双重影响，导致光学成像结果画面畸变、图像污染和光谱失真。

(2)大部分珊瑚礁生长的区域真光层深度较大，且都分布于真光层的上层约20m以浅的海域，这部分区域的光线较好，但随着深度的增加，光线能量呈指数衰减，会造成水面之上法开展珊瑚礁光学遥感监测时，同类型目标在同一幅图像中的不同水深区域，呈现不同的反射率的问题。

(3)珊瑚礁适宜生长和密集生长的区域，往往也是悬浮颗粒物、叶绿素和营养物质丰富的区域，并非完全洁净的水质条件会对珊瑚礁遥感监测造成一定的影响，导致成像质量降低。

(4)目前的水下光学成像装置不能有效的获取对珊瑚礁探测、分类和评估至关重要的反射率光谱成像数据，不能去除镜头与目标间因水体辐射传输造成的吸收和散射影响，特别是在因水深影响的低光照条件下，成像数据的信噪比难以提高。

解决以上问题及缺陷的难度为：

(1)水上成像法难以解决因波浪产生的透镜效应和太阳耀光的影响，上述干扰信息的随机性和不确定性导致目前的校正方法无法保证完全恢复和保留珊瑚礁的特征信息；