CN101980311B - 一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法，低氧海洋浮标间隔将工作状态信息、位置和时间数据、与低氧现象相关的海洋环境参数测量数据形成内容发送给用户指定的邮件服务器，信息处理终端通过网络间隔登录邮件服务器，获取对应的邮件内容，并进行工作状态识别、浮标位置判断，完成水体层化和低氧程度识别、时间分析和数据关联处理，上述处理结果及其可能的异常能通过信息处理终端直观地传达给终端的使用者。相关人员能够知道浮标的工作状态，在异常时采取必要的措施，及时获取低氧警讯，识别浮标所在区域水体低氧程度和趋势。

Description

一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法

技术领域

本发明涉及到一种近海海洋环境监测方法，尤其涉及一种能够利用海洋浮标和陆基信息处理终端如所希望那样对使用者关心的海洋低氧现象进行有效地监测，识别近海海洋的低氧现象及其测量设备的位置和工作状态，并对浮标位置、工作状态、水体溶解氧和与低氧现象相关的海洋环境参数的异常进行告警的方法。

背景技术

我国近海海洋面临着水质恶化、生境改变、生物多样性减少等诸多生态与环境问题，其中一些重点区域(如长江口及其附近海域)季节性近海底层水体低氧是日益突出却未引起高度重视的严重问题。海水中溶解氧(DO，DissolvedOxygen)维持着海洋生物的生存、繁殖和生长，是海洋生态与环境的重要指标。近海海洋水体低氧对该海域生态、环境和渔业资源都将产生严重影响。

有效地监测低氧现象，分析其对生态与环境和生物资源的影响，对于保护近海生态与环境、促进沿海地区农业、渔业的发展均具有重大的现实价值。在利用多种仪器设备观察海洋环境变化的过程中，使用者关心监测数据的同时也关心仪器设备所依附的浮标及低氧观察设备的可靠和安全。但是海洋环境复杂多变，对近海水体低氧现象的监测面临海洋环境中自然因素、人为因素和仪器设备自身因素等多方面的威胁和破坏。海洋环境中的自然因素包括台风、海水腐蚀、海浪等，人为因素包括渔民的捕捞作业等主观或客观意思上的破坏，设备自身因素包括内、外部装置的电能损耗、破裂等。上述因素导致低氧现象监测设备及其所依附的测量平台的破坏或者位置偏移，其后果是，测量平台上获取海洋环境参数的测量值并不能达到使用者的预期效果。

目前对近海海洋环境低氧现象的监测主要采用调查船和自容回收式设备。这种近距离依赖人的野外实时监视和通讯，不可避免地带来应用的高成本和高风险(如台风期间)，并不适用于海洋环境中长时间、远距离、分布式监控系统发展的需求。而仅仅依靠自容式存储设备的装置也无法满足对复杂多变海洋环境中特定对象如低氧现象的监控数据实时获取的需求，而这些自容式测量装置同样面临海洋环境中自然因素、人为因素和自身因素等多方面的威胁和破坏。上述监测手段，无法实时或准实时地掌握外界信息，缺乏及时地对各种影响因素进行告警能力，不能采取有效的应对措施。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法，包括如下步骤：

(1)低氧海洋浮标将工作状态信息、位置与时间数据、和与海洋水体溶解氧相关的海洋环境参数测量数据形成内容通过卫星数据链路间隔发送至卫星地面站，低氧海洋浮标间隔发送的数据作为电子邮件附件由卫星地面站通过互联网传送至邮件服务器；

(2)信息处理终端间隔访问邮件服务器，获取对应时间的电子邮件内容，并将邮件附件保存至信息处理终端，当无对应时间的电子邮件时，信息处理终端向使用者传达无邮件信息；

(3)信息处理终端对不同时间邮件的附件中内容按时间次序进行排序，读取内容同时识别低氧海洋浮标的工作状态信息，当工作状态信息识别为异常时，终端向使用者传达浮标工作状态异常告警；

(4)信息处理终端分析低氧海洋浮标位置数据的时间序列，根据两个时刻位置的欧氏距离计算位置偏离，在一段持续时间内计算当前位置与时间序列中回溯的各个浮标位置间的欧氏距离，回溯要跨越一个潮汐周期的间隔时间，当出现距离、位置数据偏移设定范围，判断低氧浮标产生了移动异常，终端向使用者传达浮标位置异常告警；

(5)信息处理终端分析海洋环境参数中水体溶解氧测量数据的时间序列，比较水体溶解氧数据的日均值是否偏移设定范围，判断水体是否低氧，当水体中溶解氧低于设定值时终端向使用者传达水体低氧警示；

(6)信息处理终端分析与水体溶解氧有关的测量数据，识别与溶解氧相关的数据是否偏移设定范围，水体溶解氧数据与温度等测量数据进行关联分析，在跨越一个昼夜的时间尺度下判断水体中溶解氧的变化趋势；

(7)信息处理终端采用文字和图形化的界面将与低氧现象相关海洋环境参数测量数据按时间次序传达给使用者，并在浮标位置信息、工作状态信息、海洋环境参数测量数据异常时向使用者传达告警信息。

本发明的有益效果是，本发明接收来自监测低氧现象的海洋浮标信息，通过无线网络和邮件服务器将观测数据传送给陆基信息处理终端，实现一种近实时的远距离近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法。陆基信息处理终端按时间次序处理低氧浮标观测数据，并进行工作状态识别、浮标位置异常判断、与近海海洋水体低氧现象相关的测量数据的时间分析和数据关联处理，向使用者传达海洋低氧信息并进行异常告警。所以，陆基信息处理终端的使用者能够适当地掌握低氧海洋浮标及部分与水体溶解氧相关的测量数据的异常情况。终端的使用者能够期待当低氧海洋浮标被移动、破坏、损坏时，采取必要的措施，避免或减少海洋浮标使用者防范的状况。在浮标无异常正常工作时，根据低氧浮标传递的数据，识别浮标所在区域海洋低氧现象的现状和发展趋势。

附图说明

图1是本发明近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法的构架图；

图2是近海海洋环境水体层化的典型结构示意图；

图3是陆基数据处理终端的数据处理流程图；

图4是位置数据和海洋低氧异常告警的处理流程图。

具体实施方式

海水中溶解氧维持着海洋生物的生存、繁殖和生长，是海洋生态与环境的重要指标。通常把DO＜2mg/l的水体称为缺氧水体，缺氧对生态与环境造成的危害极大。受人类活动的影响，通过河口排放的陆源营养物质大幅度增加，加剧了近海富营养化程度，近海夏季底层缺氧问题日趋严重。海水中溶解氧受物理过程、化学过程和生物过程共同影响，河口外海域底层的季节性缺氧发生在近海底，缺氧形成取决于稳定的水动力背景(水体层化、水交换弱)、水体上层的生物旺发及随后的底层耗氧过程。

对近海海洋季节性低氧现象，包括出现的频率、范围、持续时间、强度的监测和告警，如图1所示，系统包括低氧海洋浮标、卫星地面站、邮件服务器、信息处理终端和通讯网络构成。低氧海洋浮标利用卫星数据链路将数据传送给卫星地面站，卫星地面站、邮件服务器和信息处理终端通过互联网相互连接。

本发明一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法包括如下步骤：

1)低氧海洋浮标将工作状态信息、位置与时间数据、和与海洋水体溶解氧相关的海洋环境参数测量数据形成内容通过卫星数据链路间隔发送至卫星地面站，低氧海洋浮标间隔发送的数据作为电子邮件附件由卫星地面站通过互联网传送至邮件服务器；

低氧海洋浮标按约定的数据位置次序、数据类型、数据字段长度组织低氧浮标的工作状态信息、位置与时间数据、海洋环境参数测量数据，并于约定的时间间隔将以相同的形式将监测数据发送至通讯卫星地面站；

低氧海洋浮标至少连接一个海洋水体溶解氧测量装置，具有至少一个GPS接收装置，带有一个海洋浮标工作状态识别装置。也具有至少一个卫星通讯装置，通讯装置通过卫星链路和卫星地面站通讯；

卫星地面站通过互联网和邮件服务器连接，卫星地面站将海洋浮标发送的内容作为邮件的附件发送给邮件服务器。

2)信息处理终端间隔访问邮件服务器，获取对应时间的电子邮件内容，并将邮件附件保存至信息处理终端，当无对应时间的电子邮件时，信息处理终端向使用者传达无邮件信息；

低氧信息的数据交换是通过邮件服务器实现的，低氧海洋浮标发送的位置数据、工作状态信息和与海洋水体溶解氧相关的测量数据通过卫星传递到互联网，再由互联网传送到邮件服务器。上述内容在邮件服务器的邮箱备份，终端通过下载邮件附件获取上述内容。

陆基数据处理终端具有至少一个通讯装置，通讯装置通过网络和互联网连接，可以和邮件服务器通讯。当终端无法间隔获取邮件内容时或者内容中的低氧海洋浮标位置数据、工作状态信息或者与海洋水体溶解氧相关的测量数据偏离使用者的设定时，传达告警信息。终端的间隔访问邮件服务器，一旦出现对应时间的邮件，立即进行邮件附件下载和数据处理。

3)信息处理终端对不同时间邮件的附件中内容按时间次序进行排序，读取内容同时识别低氧海洋浮标的工作状态信息，当工作状态信息识别为异常时，终端向使用者传达浮标工作状态异常告警；

信息处理终端根据步骤1中的约定读取邮件附件中的内容，并以内容中的时间为序将每天的数据组成一个数据文件。并按照步骤1中约定的数据格式读取低氧海洋浮标的工作状态信息，以此步骤1中约定的数据值判断低氧海洋浮标的工作状态，当判断为异常时，向使用者传递浮标异常信息。

4)信息处理终端分析低氧海洋浮标位置数据的时间序列，根据两个时刻位置的欧氏距离计算位置偏离，在一段持续时间内计算当前位置与时间序列中回溯的各个浮标位置间的欧氏距离，回溯要跨越一个潮汐周期的间隔时间，当出现距离、位置数据偏移设定范围时，判断低氧浮标产生了移动异常，终端向使用者传达浮标位置异常告警；

低氧浮标位置计算时进行墨卡托投影转换，低氧浮标GPS装置提供的经纬度位置数据经墨卡托投影转换为公里网数据，计算一个潮汐周期内任意两个浮标位置的欧氏距离，取其中的最大值为该潮汐周期内的相对位置偏移，判断相对位置偏移数据是否超出了设定的偏移范围；当判断海洋低氧浮标是否出现一组持续时间的位置偏离时，计算最后一个时刻的缺氧浮标位置数据与回溯一个潮汐周期内的各个浮标位置的欧氏距离，如后一时刻的数据大于前一时刻的偏离数据，判断出现了持续位置偏离。

墨卡托投影坐标系取零子午线(L0)与赤道交点的投影为原点，零子午线的投影为纵坐标X轴，赤道的投影为横坐标Y轴，构成墨卡托平面直角坐标系。墨卡托投影正解公式(B，L)→(X_N，Y_E)，标准纬度B0采用统一基准纬线，L0为原点经度。

墨卡托投影的计算公式如下：

B--纬度，L--经度，单位弧度(RAD)

a--椭球体长半轴：6378137

b--椭球体短半轴：6356752.3142

f--扁率(a-b)/a

e--第一偏心率

e’--第二偏心率

N--卯酉圈曲率半径

X_N--纵直角坐标，Y_E--横直角坐标，单位米(M)

$X_N=K\ln [\mathrm{tg}(\frac{\mathrm{\π}}{4}+\frac{B}{2})*{\left(\frac{1-e\sin B}{1+e\sin B}\right)}^{\frac{e}{2}}]$

Y_E＝K(L-L0)

$K=N_{B0}*\cos \left(B0\right)=\frac{a^2/b}{\sqrt{1+e^{\′2}*{\cos }^2\left(B0\right)}}*\cos \left(B0\right)$

在一个潮汐周期内的浮标位置求平均值，其位置均值计算如下：

$\stackrel{\‾}{X}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{X}_i$

$\stackrel{\‾}{Y}=\frac{1}{N}\mathrm{\Σ}{Y}_i$

后一浮标位置1(X₁，Y₁)和前一浮标位置2(X₂，Y₂)的欧氏距离l和移动速度s计算如下：

$l=\sqrt{{(X_1-X_2)}^2-{(Y_1-Y_2)}^2}$

s＝l/(t₁-t₂)

终端在分析低氧海洋浮标的位置数据的时间序列时，计算低氧浮标位置的相对摆动偏移要跨越一个潮汐周期，识别位置数据是否偏移设定范围，当浮标位置偏离超出设定值时，终端向使用者传达浮标位置异常告警。

5)信息处理终端分析海洋环境参数中水体溶解氧测量数据的时间序列，比较水体溶解氧数据的日均值是否偏移设定范围，判断水体是否低氧，当水体中溶解氧低于设定值时，终端向使用者传达水体低氧警示；

陆基信息处理终端获取的邮件内容包括了与水体溶解氧相关的部分测量数据(至少包括海洋水体温度和溶解氧数据)，上述测量数据通过终端传达给使用者。当终端间隔获取的邮件内容中不同的测量指标超出了设定的告警数值范围，向使用者告警。

信息处理终端分析海洋水体中溶解氧的时间序列数据，判断水体是否低氧时，数据分析需要跨越一个昼夜的时间尺度，当水体中溶解氧日均值低于设定值时，终端向使用者传达水体低氧告警；特定时刻的相对数据比较要跨越一个昼夜以上时间周期，数据比较需与等温度、盐度下的溶解氧数据比较。氧气在海水中的溶解度还与海水的盐度和温度有关，温度升高，盐度增大，则氧气的溶解度减小，反之，溶解度增大。

6)信息处理终端分析与水体溶解氧有关的测量数据，识别与溶解氧相关的数据是否偏移设定范围，水体溶解氧数据与温度等测量数据进行关联分析，在跨越一个昼夜的时间尺度下判断水体中溶解氧的变化趋势；

对于环境参数中的温度和盐度数据，采用垂向梯度法分别对监测数据中的温度和密度数据计算垂向梯度，将垂向梯度值大于或等于上述最低指标值的水层定为跃层，其上下端点所在深度作为跃层上界深度和下界深度，温度差与深度差之比为跃层强度，统计时间序列数据识别跃层是增强或减弱。

在采用垂向梯度法计算跃层时，在水深＜200的浅水，温度梯度值为0.2℃/m，密度梯度值为0.1/m。如图2所示，整个水温垂直剖面可由温跃层3项示性特征和2个温度来参数化表示，参数化模式有2个深度参数h和H、2个温度参数T_S和T_H、1个温跃层强度参数G_th共5个量，变量之间的关系如下式所示：

$\left.\begin{array}{cc}T\left(Z\right)=T_S& (0\&le;Z\&le;h)\\ T\left(Z\right)=T_S-G_{\mathrm{th}}(Z-h)& (h<Z<H)\\ T\left(Z\right)=T_H& (Z\&GreaterEqual;H)\end{array}\right\}$

G_th＝(T_S-T_Z)/(Z-h)

统计时间序列数据计算跃层强度参数的日均值，以相邻天的跃层强度日均值增大或减小来识别跃层增强或减弱。当以步骤5判断为低氧时，以相邻天的水体溶解氧日均值减少或增加来识别低氧是增强或减弱。比较一个昼夜以上时间周期内数据降低和升高的统计值，以与水体层化关联判断近海水体低氧趋势。当水体层化和低氧同时满足增强或减弱时，判断低氧趋势为增强或减弱。

7)信息处理终端采用文字和图形化的界面将与低氧现象相关海洋环境参数测量数据按时间次序传达给使用者，并在浮标位置信息、工作状态信息、海洋环境参数测量数据异常时向使用者传达告警信息。

使用者可以通过信息处理终端可视化界面获取浮标位置、工作状态信息、海洋环境参数测量数据；当出现告警信息时，信息处理终端通过互联网将信息发送给使用者的移动终端。

在本发明的优先实施形态中，近海海洋低氧现象监测系统包括低氧海洋浮标、邮件服务器、陆基信息处理终端以及连接的网络。

下面，我们参照附图来说明本发明的具体实施形态。图1是表示与本发明实施形态有关的近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法的框架图。使用这个远距离监测系统，能够让使用者有效监测目标海洋浮标的工作现状。

如图1所示，在近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法涉及到的系统构架中，作为低氧海洋浮标1与测量平台通讯，获取测量平台上测量仪器的数据。海洋浮标1间隔一定时间将GPS接收装置中接收到的经纬度数据、状态探测装置中的探测数据和存储着的测量数据形成内容。海洋浮标1通过卫星通讯装置间隔将内容发送至铱星卫星通讯系统2，卫星通讯系统的地面站3和互联网4连接，将上述内容作为电子邮件的附件发送至互联网中的邮件服务器5。信息处理终端6按照约定的间隔时间通过网络与邮件服务器5通讯，登录邮件服务器5，获取对应时间的邮件，下载附件得到上述内容。信息处理终端6保存内容，并按约定的数据格式分析数据、按时间次序组织处理数据。通过终端的用户界面传达给使用者。

如图3所示，数据处理终端按照约定的间隔时间通过网络与邮件服务器通讯，如连接失败，向使用者传递网络连接失败告警信息。终端无法获取对应时间的电子邮件时，向使用者传递无数据告警信息。陆基数据处理终端下载邮件附件，对数据进行转换、分析处理，如海洋浮标位置数据不在设定的范围内，向使用者传递位置偏离告警信息。终端对海洋浮标状态信息进行分析处理，如海洋浮标状态数据异常时，向使用者传递状态异常告警信息。终端对测量数据进行分析处理，如测量数据不在设定的范围内，向使用者传递测量异常告警信息。终端通过界面与使用者交互，将海洋浮标发送的内容传达给使用者。

本发明不限于以上的实施形态，在权利要求书中记载的发明范围内，可以进行种种的变更，这些变更当然也包含在本发明的范围内，这是不言而喻的。

例如，在本发明的实施形态中，测量平台可以装载一个或者多个测量仪器等，终端也可以通过无线连接与互联网连接。根据本发明，海洋浮标的所有者和负责管理者能够间隔知道设施的工作状态，当海洋浮标出现异常时或者测量数据发生异常时进行告警。

如图4所示，陆基数据处理终端识别位置偏移采用绝对位置偏移方式，相位置偏移识别需要跨越一个潮汐周期，一般为一天。相对位置偏移通过计算GPS位置墨卡托投影后数据的平均值和离差，识别正负偏移程(偏移距离)。对于海洋环境参数测量数据的比较，采用绝对数据比较和均值比较，判断其溶解氧数据增大或者减小，在跨越一个昼夜以上时间周期(一般以天为单位)判断增大和减小的统计值，判断低氧根据统计结果进行趋势判断。实施例1

在实施例中，低氧浮标的工作状态信息包括电池电压、内部温度、舱盖状态、漏水状态、锚灯状态，GPS装置提供了低氧浮标所在位置的经度和纬度数据，海洋环境参数测量平台搭载的仪器可以测量水体温度、溶解氧、叶绿素等，低氧浮标发送的数据内容的组织如表1所示。

在实施例中，低氧浮标发送数据的间隔为30分钟。信息处理终端访问邮件服务器的间隔为30分钟，应用电子邮件POP3协议读取邮件内容。低氧浮标的舱盖状态、漏水状态、锚灯状态以0和1表示，0为正常，1为异常。设定判断为低氧的近海海洋溶解氧的阈值为3mg/L，判断为缺氧的阈值为2mg/L。在墨卡托投影中，标准纬度B0采用基准纬线为30°，原点经度L0为原点经度为0°。设定范围一般在浮标所在海域水深的3倍，和水体层化计算一致，设定一般近海海洋的深度为200米，浮标的移动偏差为600米；在跨越一个潮汐周期的时间尺度下判断水体层化和溶解氧的变化趋势，在实施例中设定的时间尺度为24小时。

表1 实施例中的数据组织形式

Claims (4)

1.一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）低氧海洋浮标将工作状态信息、位置与时间数据和与海洋水体溶解氧相关的海洋环境参数测量数据形成内容通过卫星数据链路间隔发送至卫星地面站，低氧海洋浮标间隔发送的数据作为电子邮件附件由卫星地面站通过互联网传送至邮件服务器；

（2）信息处理终端间隔访问邮件服务器，获取对应时间的电子邮件内容，并将邮件附件保存至信息处理终端，当无对应时间的电子邮件时，信息处理终端向使用者传达无邮件信息；

（3）信息处理终端对不同时间邮件的附件中内容按时间次序进行排序，读取内容同时识别低氧海洋浮标的工作状态信息，当工作状态信息识别为异常时，终端向使用者传达浮标工作状态异常告警；

（4）信息处理终端分析低氧海洋浮标位置数据的时间序列，根据两个时刻位置的欧氏距离计算位置偏离，在一段持续时间内计算当前位置与时间序列中回溯的各个浮标位置间的欧氏距离，回溯要跨越一个潮汐周期的间隔时间，当出现距离、位置数据偏移设定范围，判断低氧浮标产生了移动异常，终端向使用者传达浮标位置异常告警；

（5）信息处理终端分析海洋环境参数中水体溶解氧测量数据的时间序列，比较水体溶解氧数据的日均值是否偏移设定范围，判断水体是否低氧，当水体中溶解氧低于设定值时终端向使用者传达水体低氧警示； 

（6）信息处理终端分析与水体溶解氧有关的测量数据，识别与溶解氧相关的数据是否偏移设定范围，水体溶解氧数据与温度测量数据进行关联分析，在跨越一个昼夜的时间尺度下判断水体中溶解氧的变化趋势；

（7）信息处理终端采用文字和图形化的界面将与低氧现象相关海洋环境参数测量数据按时间次序传达给使用者，并在浮标位置信息、工作状态信息、海洋环境参数测量数据异常时向使用者传达告警信息。

2.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法，其特征在于，所述步骤（1）还包括：低氧海洋浮标按约定的数据位置次序、数据类型、数据字段长度组织低氧浮标的工作状态信息、位置与时间数据、海洋环境参数测量数据，并于约定的时间间隔将以相同的形式将监测数据发送至通讯卫星地面站。

3.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法，其特征在于，所述的步骤（4）还包括：低氧浮标位置计算时进行投影转换，低氧浮标GPS装置提供的经纬度位置数据经墨卡托投影转换为公里网数据，计算一个潮汐周期内任意两个浮标位置的欧氏距离，取其中的最大值为该潮汐周期内的相对位置偏移，判断相对位置偏移数据是否超出了设定的偏移范围；当判断海洋低氧浮标是否出现一组持续时间的位置偏离时，计算最后一个时刻的缺氧浮标位置数据与回溯一个潮汐周期内的各个浮标位置的欧氏距离，如后一时刻的数据大于前一时刻的偏离数据，判断出现了持续位置偏离。

4.根据权利要求1所述的一种近海海洋低氧现象监测浮标的告警方法，其特征在于，所述的步骤（6）还包括：对于环境参数中的温度和盐度数据，采用垂向梯度法分别对监测数据中的温度和密度数据计算垂向梯度，将垂向梯度值大于或等于最低指标值的水层定为跃层，其上下端点所在深度作为跃层上界深度和下界深度，温度差与深度差之比为跃层强度，统计时间序列数据识别跃层是增强或减弱；水体溶解氧数据比较需与等温盐度条件下的水体溶解氧数据比较，比较一个昼夜以上时间的日均值数据降低和升高的统计值，以与水体层化关联判断近海水体低氧趋势。

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