CN103604423A - 一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统及监测方法，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统、数据中心，所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台及建于平台上的仪器房1间；所述供电系统为数据采集系统、数据传输系统供电；所述数据采集系统包括气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光场同步监测系统以及摄像头，所述数据传输系统与数据采集系统连接，并将数据采集系统采集的各类湖水水色遥感信息传输给数据中心。本发明的系统和方法适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。

Description

一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于环境监测领域，涉及一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统及其监测方法。

背景技术

湖泊水环境遥感是中国科学院南京地理与湖泊研究所重点支持发展的研究方向之一，在国内遥感及湖泊水环境领域均具有鲜明的特色和优势。然而，目前缺乏一个真实环境下可以同时获取多种水环境参数及其遥感光学信号的试验平台。建设该平台，将全面提升我国湖泊水环境的定量遥感研究水平，同时将奠定我国在湖泊水环境遥感方面的领先地位。该平台的建设将实现“空中传感器—水面光谱—水下光谱—水体水环境参数”于一体的现场数据实时获取，以便更加有效地开展湖泊水环境遥感研究，推动我国湖泊水环境遥感监测的业务化水平，提升我国定量遥感的研究水平，同时为太湖流域相关水资源管理部门提供科学决策支撑与服务。

环境监测是运用各种分析、测试手段，对影响环境质量的代表值进行测定，取得反映环境质量或环境污染程度的各项数据的过程（姚琳琳, 方小萍, 2010）。是以环境分析为基础，研究环境质量的变化和描述环境状态与演化、科学预报环境质量的发展趋势。自上个世纪70 年代，环境监测技术进入自动化、计算机化，发达国家相继建立全国性的自动化监测网络，这个阶段被称为自动监测阶段。我国环境监测领域经过30 多年的发展，一些以环境分析为基础，以环境动态、连续监测为主导的环境监测系统已应用于业务当中。比较有代表的有：以无线通讯、实时监控、预报预警、统计分析、地理信息系统、虚拟环境、发布公告等技术应用和功能为支撑的淮南市环境自动监控系统；还有厦门市环境监测信息系统，整个系统由常规监测数据管理系统、质量报告书辅助生成系统、污染源监测管理系统、监测数据挖掘分析系统、监测数据地图查询系统、监测站 web系统六部分组成（高诚铁，庄世坚，2003）。总的来说，国内环境监测管理系统将向技术先进化、监测网络化、系统集成化、办公自动化方向发展（Oszka，1992）。

遥感是20世纪60年代发展起来的对地观测综合性技术（梅安新，2001），是一种应用探测仪器, 不需要与探测目标直接接触, 通过记录目标物体的电磁波谱, 从而分析解释物体的特征性质及其变化的综合性探测技术。遥感技术让大面积的同步观测成为现实; 可以在短时间内对同一地区进行重复探测, 实现对地物的动态监测;其数据具有很强的综合性、可比性和经济性。既可宏观观测空气、土壤、植被和水质状况, 为环境保护提供决策依据, 也可实时快速跟踪和监测突发环境污染事件的发生、发展, 及时制定处理措施, 减少污染造成的损失。其从空中对地表环境进行大面积同步连续监测, 突破了以往从地面研究环境的局限性。根据遥感平台的不同,环境遥感监测又可分为天基、空基遥感和地基遥感。天基、空基遥感是以卫星、宇宙飞机、飞机和高空气球等为遥感平台，该类遥感平台最为常见，通常获取的是成像光谱信息，而地基遥感则是以地面为主要遥感平台，主要利用光谱仪获取地物的非成像光谱信息。

在水体监测方面, 遥感的任务是通过对遥感影像的分析, 获得水体的分布、泥沙、有机质等状况和水深、水温等要素的信息, 从而对一个地区的水资源和水环境等作出评价,为环境部门提供决策服务。为了进行水质监测,可以采用以水体光谱特性和水色为指标的遥感技术, 且应用卫星遥感技术来监测水域变化及引起的后果, 分析人为活动在其中起的作用方面（张春鹏等，2006）。

以天基和空基为基础的航空监视系统，是目前世界发达国家对海洋环境进行监视的主要手段, 具有速度快、灵活性大、分辨率高的特点,有利于判别污染物的来源与去向。目前国际上许多国家都有业务化的航空水体环境监视系统,比较有代表性的有：早在1974年,美国就建立了航空油膜污染监视系统( airborne oil surveillance system, AOSS) ，这一系统的设计思想是执法和抗污染，该系统采用了X-波段侧视雷达微波气象系统及多通道线性扫描仪(红外、紫外)和多光谱低照度电视系统(紫外、可见光、红外线)等多种传感器进行监视,后来又有了AOSSⅡ系统，对仪器进行了更新和改进(黄凤荣, 1997)；挪威污染控制局( Statens Forurensningstilsyn, SFT )部署了一架Fairchild Mer lin ⅢB双涡轮螺旋桨飞机对海事进行监测, 飞机上装备了瑞典空间公司的一套海事监测系统MSS 5000,由一台侧视航空雷达、一台红外扫描仪、一台紫外扫描仪组成(张静, 吴晓东, 2006)；瑞典海岸警备队配备3架CASA212 固定机翼飞机,其主要职能是对海上进行救助、环境监测、渔业活动监视、海上交通、边界控制区、国际合作以及辅助海军作业等, 遥感飞机配备有录像机、 照相机、前视雷达(FLIR)、双侧视雷达(SLAR)、红外和紫外(IR/ UV)扫描仪、微波(MWR) 扫描仪以及相关的电脑控制处理器(栗茂峰,1999；加拿大海岸警卫队(CCG)为了探测海洋污染，CCG的国家航空监测局(NASP)在太平洋水域部署了一架飞机( DeHavilland , DHC 6 Series 300 Twin Otter, CFCSU)，除海洋污染监测外, 还执行与渔业及海岸巡逻相关的任务(安居白, 张永, 2002)。

我国海监飞机上装备了三大遥感平台, 包括中国科学院长春光学机械研究所研制的光点平台、 中国科学院上海技术物理研究所研制的多光谱扫描仪MAMS 和从芬兰Specim 公司制造的 AISA + 高光谱成像仪。

海监飞机光电平台系统主要用于可见光全波段范围内针对远距离目标进行检测和监视, 通过电视跟踪、磁带录像和胶片、数码拍照等方式对海洋环境、海洋资源和海上、空中目标动态等进行监视、跟踪和记录，达到维护海洋权益、保护海洋环境和海洋资源、监视海洋灾害的目的，并作为海洋执法监察调查取证的依据。中国海监飞机机载多通道扫描仪(MAMS) 由中国科学院上海技术物理研究所研制，它具有从紫外到红外的11个波段, 主要用于对海洋诸多要素及污染进行较精确的反演, 如叶绿素、海表温度、赤潮、温排水等, 为基础资料的长期积累、掌握飞行海区的分布特征及专项监测的需要提供服务。芬兰Specim公司的 AISA + ( airborne imaging spectrometer for different applications) 推扫系统包括一个高光谱扫描头、一台微型 GPS/INS传感器和一台PC数据获取单元。它是一台航空成像光谱仪, 是既能对地面目标成像又可以测量目标光谱特性的光学探测器。高光谱(hyperspectral)是指在可见光波段范围内划分成许多非常窄且光谱连续的波段来对同一目标同时成像,也就是说能同时获得一个物体的多个层次的细节信息,因而成像光谱仪在遥感探测中有广泛的应用领域。

分析环境监测系统的发展历程，结合遥感技术在环境监测中的应用现状，目前环境遥感监测平台存在以下问题：

1.现有平台以利用天基的卫星数据为主，尚不成熟的二类水体的大气矫正技术，造成卫星数据的大气矫正存在着显著误差，对信号本身较弱的水体信息产生剧烈干扰，直接影响到最终监测结果准确性；尽管大气对空基遥感数据的影响有限，甚至可以忽略，但其运行成本十分高昂，难以实现对固定水域的实时动态监控；

2.缺乏将地基遥感与水环境质量监测同步的野外观测平台，传统与遥感信息同步的水质监测，是在卫星数据过境前后2-3小时内开展的，由于水体本身处于流动状态，变化迅速，监测的时间差异势必造成水质与遥感信息同步性受到影响，此外，卫星数据的空间分辨率一般为几米到几百米，而水质监测则是取某一点的水质数据，监测的空间差异也会对两者间的同步性产生影响；

3.缺乏水面光谱信息与水下光场信息联合同步监测的观测平台，该平台将可以为研究水质垂向分布对水下光场的影响机制，以及利用水面光谱信息探索单元水柱中藻类生物量提供重要实验基础；

4.缺少观测塔辅助成像光谱实现在短时间距离水面不同高度获取水体光谱信息，可以准同步的得到同意水域不同空间分辨率的光谱图像，为开展空间尺度转换研究服务。

以下为参考文献：

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发明内容

本发明的目的在于提供一种湖泊遥感野外自动监测系统，解决目前缺乏对富营养化大型浅水湖泊，针对湖泊水色及藻华现象缺乏“空中传感器—水面光谱—水下光谱—水体水环境参数”于一体的现场数据实时获取问题。

本发明的另一目的是提供一种湖泊水色及其环境参数的同步自动监测方法。

本发明通过以下技术方案实现：

本发明公开了一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统及自动监测方法，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统、数据中心，所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台及建于平台上的仪器房1间；所述供电系统为数据采集系统、数据传输系统供电；所述数据采集系统包括气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头，所述数据传输系统与数据采集系统连接，并与数据采集系统采集的各类湖水水色遥感信息传输给数据中心。本发明的系统和方法适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。

采用本发明实施例的湖泊遥感野外自动监测系统，通过数据采集系统提供直接表征湖泊水色及其环境要素的图像、水面/水下光谱、水体剖面固有光学属性、溶解氧、浊度、色素浓度等信息，同时可以提供用于预测预警的气象、水文等参数信息，为开展水色及藻华的遥感野外监测与研究服务。

另外，根据本发明实施例的湖泊遥感野外自动监测系统可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述平台上面设置防雨的仪器房，还可开展简单的室内预处理实验，平台的一侧设有梯子可至房顶，另一侧成像光谱仪观测塔架，在平台保护栏东南角设有小型操作台和支架，其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

根据本发明的一个实施例，所述供电系统包括太阳能电池组以及蓄电池组，其中，太阳能电池组安装于平台仪器房顶部，蓄电池组安装在平台仪器房内部，太阳能电池组与蓄电池组相连。由于湖泊水色监测需要在晴好天气进行，因此，太阳能供电系统完全可以满足系统内所有仪器的供电要求。

根据本发明的一个实施例，所述成像光谱仪可记录观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度，水下光谱可记录水下0.5m处的向上/向下辐照度和向上辐亮度，所述后向散射仪测定水体后项散射系数，所述水体光吸收计测定水体的光吸收系数，所述后向散射仪测定水下剖面后向散射系数，所述水体光吸收计测定水下剖面的光吸收系数，所述水质传感器可记录水面下不同深度处水质的叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位参数，所述水文传感器记录平台水域的流速及波浪参数，所述摄像头记录平台周边500m内的水色变化，所述气象传感器记录风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水参数。

根据本发明的一个实施例，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头的数据接入接线盒中，接线盒与通信模块相连接，通信模块与数据中心相连接。

根据本发明的一个实施例，所述数据中心设备主要包括一台安装有数据库和发布网站的服务器和一台用于监控的显示器。

根据本发明的一个实施例，所述数据传输系统通过3G无线网络连接数据中心，并可实现实时报警通知功能。

根据本发明的一个实施例，该系统还包括保护设施，保护设施包括避雷针和/或航标灯，避雷针安装在高于水面15m的观测塔顶端，航标灯安装平台仪器房的西南角、东北角和东南角上；所述平台的四周设有保护围栏，平台的外围还设立防护围桩。

根据本发明的一个实施例，该系统还包括警示系统，警示系统为警示灯闪烁、警报声以及在保护围栏和防护围桩四周悬挂的警示标语。

根据本发明的一个实施例，所述数据传输系统组件及蓄电池组安放在仪器房内，仪器房为3 m*4m*2.4 m，作为连接仪器电缆的通道，箱体两侧开四排用于散热的透气窗，正面是一扇门，顶部为彩钢板，防止雨水渗入。

本发明提供的一种利用所述浅水湖泊遥感野外自动监测系统的自动监测方法，该方法包括以下步骤：

（1）在晴天利用太阳能电池组将太阳能转换为电能并存储在蓄电池组中；蓄电池组则是数据采集系统和数据传输系统的电力来源；

（2）利用摄像头采集半径500m内水面的视频图像；通过数据传输系统的内置程序将图像中出现水色变化信息提取并传输给数据中心，所述水色变化信息为依据湖水表面藻华或或水色三要素（浮游植物色素、悬浮泥沙、黄色物质）所引发的水色变化特征；

（3）针对富营养化湖泊水色变化特点，筛选了与湖体水色及藻华相关的、性价比较高的且能实现野外无人值守测量的参数，并利用气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱仪、水下光谱仪以及水体后向散射仪、水体光吸收计和摄像头实时高频记录这些水质参数，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心。

根据本发明实施例的湖泊遥感野外自动监测方法，所述成像光谱仪可记录观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度，水下光谱可记录水下剖面的向上/向下辐照度和向上辐亮度，所述后向散射仪测定水体后向散射系数，所述水体光吸收计测定水体的光吸收系数，所述水质传感器可记录水面下不同深度处水质的叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位参数，所述水文传感器记录平台水域的流速及波浪参数，所述摄像头记录平台周边500m内的水色变化，所述气象传感器记录风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水参数，上述仪器的数据采集时间间隔均设置为10 min。

根据本发明实施例的湖泊遥感野外自动监测方法，所述数据中心软件将自动完成多所采集数据的分类、插值、存储、发布的操作；研究人员和监测人员可以通过IE浏览平台实时高频捕捉的湖泊水色信息，并据此对未来水色变化及藻华状况作出预测预警。

本发明具有以下优点：

1、系统安全稳定，由于采用大型管桩以及大量的警示及安全设施，极大的提高了整个平台系统抵御自然灾害（台风、洪水等）和人为破坏（船只碰撞、盗窃等）的能力；并能保证系统能在一种平稳的环境中运行，降低由于震动对设施设备的损耗；

2、供电系统的持久稳定，保障系统稳定运行。在水体环境中，电力供应一直是技术瓶颈。由于湖泊水色监测需要在晴好天气进行，因此，太阳能供电系统完全可以满足系统内所有仪器的供电要求。本系统采用太阳能电池组供电保障，使得自动监测系统能够在各种恶劣天气条件下维持监控和报警系统稳定运行。同时这套电力系统也足以保证多套功耗较大设施设备的能耗，极大的提高平台配置仪器设备的能力；

3、运行维护方便。与浮标相比，所建平台面积大且牢固，能够方便现场工作人员的日程维护，且能保证其安全性；

4、能够做到准确、实时高频同步捕捉水上/水下湖泊水色光谱信息及其外环境要素信息，所述外环境要素信息包括风速、风向、流速、流向、叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质含量、水温等。本监测平台是针对完全依据富营养化湖泊水色变化及藻华发生特点建立的，以最多10 min为时间间隔记录图像、气象、水文及水质等大规模涉及湖泊水色的参数，实时高频捕捉湖泊水色信息和藻华信息。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1a是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的结构示意正视图；

图1b是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的结构示意侧视图；

图1c是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的结构示意俯视图；

图1d是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的平台仪器房内部结构示意俯视图；

图2是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的数据采集传输流程图；

图3a是基于本发明记录成像光谱图；

图3b是基于本发明记录单个像元光谱图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

图1a、 1b、1c和1d是本发明的结构示意图，如图所示，浅水湖泊遥感野外自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统、数据中心。

所述支撑平台须比所在水域历史最高水位高出1m，其由管桩共计48根支撑，每根长8m，打入湖底约3m左右，上面铺设防腐木隔板20（即平台），平台上面设置防雨的仪器房26，同时为了方便平台作业，在仪器房2一侧焊接不锈钢梯子4可至房顶，开展房顶气象站系统13以及太阳能电池板系统12的维护，另一侧成像光谱仪观测塔架2，在平台保护栏东南角设有小型操作台和支架8,其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。此平台系统可以承受极大的负重，能够在台风洪水的袭击下保持足够的平稳性，且能够在高温高湿条件下长期存在。成像光谱仪观测塔架2用于放置水面成像光谱仪11，在平台保护栏东南角设有小型操作台8和支架用于放置水质仪18、水体后向散射仪16、水体光吸收计17等, 其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

保护设施包括焊接在成像光谱仪观测塔架上的避雷针27及安装平台仪器房的西南角、东北角、东南角上航标灯9。同时在平台上四周焊接保护围栏6，并在外围设立防护围桩7。此套保护设施可以更好的保护平台系统免受雷击、盗窃及船只碰撞等引起的破坏。保护围栏6由钢柱和镀锌管构成，防护围桩7主要由正方形水泥桩和镀锌管构成。

如图2所示，供电系统包括太阳能电池组12以及蓄电池组28。太阳能电池组12与蓄电池组28相连。蓄电池组28安放在平台上仪器房26内。太阳能电池组12固定在焊接在仪器房顶的不锈钢架29上并面向南方。所述供电系统为数据采集系统、数据传输系统供电，亦可为平台上其他大型仪器设备供电。该供电系统能够最大程度保证平台系统能够支撑更多的仪器设施设备运行及更高的采样频率。所述数据传输系统组件及蓄电池组安放在仪器房内26，仪器房为3 m*4m*2.4 m，作为连接仪器电缆的通道，箱体两侧开四排用于散热的透气窗25，正面是一扇门，顶部为彩钢板，防止雨水渗入。

所述警示系统为在保护围栏6和防护围桩7四周悬挂的警示标语。

所述数据采集系统包括感知层，感知层指的是各类传感器对各类与湖泊水色及其环境要素相关参数的采集，包括：水面/水下光谱、气象、水文和水质参数，具体说来，包括成像光谱仪11、水下光谱仪19、气象传感器13、水文传感器15、水质传感器18、水体后项散射仪16和水体吸收衰减仪17，其中，成像光谱仪11通过不锈钢螺丝固定在成像光谱仪观测塔架2的云台上；浮标式水下光谱仪19通过不锈钢缆绳与保护圈东南角柱相连；气象传感器13使用不锈钢螺丝安装平台上仪器房顶26；水文传感器15吊装在平台栈桥5之下，通过不锈钢粗缆绳与平台相连，实时记录波浪及湖流剖面；水体后向散射仪16吊装于小型吊机8的一个吊臂下，水体光衰减吸收计17和水质传感器18吊装于吊机的另一个吊臂下，通过吊机的操作台的控制，可实现上述仪器的同步在水体同一深度开展相关参数的测量工作。上述所有传感器所获取数据均通过自配数据传输及供电集成电缆与图2中的平台仪器房内的中央控制器接线盒21相连接。

本实施例的数据采集系统还包括摄像头10，2个摄像头在平台东南房檐角下分别对着平台北侧、西侧，在平台房门上安置于1个摄像头，对着平台的正面和栈桥上；所述数据传输系统与数据采集系统连接，并与数据采集系统采集的水色及其环境信息传输给数据中心（图2）。

所述成像光谱仪11可记录观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度，水下光谱仪19可记录水下剖面的向上/向下辐照度和向上辐亮度，所述后项散射仪16测定水体后项散射系数，所述水体光吸收计17测定水体的不同深度的向上/向下辐照度、向上辐亮度，所述水质传感器18可受吊机操作台控制，记录水面下不同深度处的水质的叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位参数、溶解氧、水温等，所述水文传感器15记录平台水域的流速及波浪参数，所述摄像头9记录平台周边500m内的水色变化；所述气象传感器13记录风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水参数，上述仪器的数据采集时间间隔均设置为10 min。

所述数据传输系统包括通信模块22和接线盒21，所述成像光谱仪11、水下光谱仪19、气象传感器13、水文传感器15、水体后项散射仪16、水体吸收计17、水质传感器18接入接线盒21，接线盒21通过导线和数据线与蓄电池组28和通信模块22相连接，数据通信模22块则负责将传感器收集数据暂存在本节点和通过3G网络传输给数据中心30。数据中心30设备主要是一台安装有数据库和发布网站的服务器及监视器构成。

实施例二

图2是本发明的流程图，如图所示，一种利用实施例一所述的湖泊遥感野外自动监测系统的湖泊水色遥感野外自动监测方法，该方法包括以下步骤：

（1）在晴天利用太阳能电池组12将太阳能转换为电能并存储在蓄电池组28中；蓄电池组28则是数据采集系统（包括航标灯9、摄像头10、气象传感器13、水文传感器15、水质传感器18、水面成像光谱采集系统11、水下光谱仪19及水下光场同步监测系统的后向散射仪16和光吸收计17和通信模块22的电力来源；

（2）利用摄像头10采集半径500m内水面的视频图像；然后依据湖水表面藻华或水色变化特征，通过数据传输系统的内置程序将图像中出现水色变化信息提取并传输给数据中心；

（3）针对富营养化湖泊水色变化特点，筛选了与湖体水色及藻华相关的、性价比较高的且能实现野外无人值守测量的参数，并利用气象传感器13、水文传感器15、水质传感器18、水面成像光谱仪11、水下光谱仪19以及水下光场同步监测系统的后向散射仪16和光吸收计17和摄像头10实时高频记录这些水质参数，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心30；

根据本发明实施例的湖泊遥感野外自动监测方法，所述成像光谱仪11可记录观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度，水下光谱仪19可记录水下50cm的向上/向下辐照度和向上辐亮度，所述后项散射仪16测定水体剖面后项散射系数，所述水体光吸收计17测定水体剖面的光吸收系数，所述水质传感器18可受吊机操作台控制，记录水面下不同深度处的水质的叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位参数、溶解氧、水温等，所述水文传感器15记录平台水域的流速及波浪参数，所述摄像头10记录平台周边500m内的水色变化；所述气象传感器13记录风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水参数，上述仪器的数据采集时间间隔均设置为10 min。

根据本发明实施例的湖泊遥感野外自动监测方法，所述数据中心软件将自动完成多所采集数据的分类、插值、存储、发布的操作；研究人员和监测人员可以通过IE浏览平台实时高频捕捉的湖泊水色信息，并据此对未来水色变化及藻华状况作出预测预警。

具体实施方法如下：

（1）选择水深较浅的且遭受藻华危害的浅水湖泊作为观测对象。平台系统所建水域水下地形平坦，基本上为坚硬的黄土物质所组成，黄土层表面仅少量深层淤泥，适合打桩固定。平台所在水域是该湖泊蓝藻水华发生最为频繁的区域之一。

（2）借助工程船将五根直径￠400mm，长度为8 m为大口径管桩31打入底泥中，并横向通过“工”型钢梁相互连接，作为整个平台的基础，并在此基础上铺设5 m*5 m的防腐木板20。最终平台需要高出水域历史最高水位1 m以上，以防止平台被洪水淹没。此外，在平台正面有通往栈桥的1m宽的梯子5，平台一侧固定有0.5 m宽的梯子4通往仪器房顶，用于搬运货物及作业人员通行和开展正常的仪器维护工作。

（3）在钢板四周由镀锌钢管焊接保护围栏6，并在距离平台1.5 m处安装10 m*10 m的防护围桩7，并在此围栏和围桩上悬挂警示标语及联系电话。在平台成像光谱仪观测塔架顶部焊接固定一根钢筋制成的避雷针27，在平台仪器房西南角以及太阳能电磁板下面安装用于警示船只勿靠近的航标灯9。

（4）同时在平台上面向南方固定使用不锈钢架29固定4块的太阳能电池组12。太阳能电池组12输出的电力被存储在4块12 V，150安时的蓄电池组28中，平台其他负载均从这组电池组中获取电力供应。

（5）依据富营养化湖泊水体水色变化以及藻华现象特征，监测参数的选取依据以下原则：a与湖泊水色及藻华密切相关；b能够实现自动监测，尽量少的维护操作；c更高的性价比及稳定性。据此选择图像、成像光谱、风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水、三维湖流、波浪、溶解氧、水温、叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位、水体固有光学属性（水体光吸收系数、后向散射系数）作为监测参数。其中监测叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位等参数记录选用美国YSI公司生产的YSI6600V2多功能水质仪18，YSI6600V2被安放在吊机的一个机械臂下，在控制台调解下，能够测量不同水深处的水质数据；湖流-波浪监测采用ADV高精度声学多普勒点速流速仪15，将此仪器放置在平台栈桥5的一侧的水底，监测平台水域的流速及波浪；水体后向散射仪16HOBI Labs HydroScat-6单独安装在吊机上的一个吊臂上，而水体吸收衰减仪17a-Sphere则与水质一起吊装的一个吊臂上；图像通过固定在摄像头10采集，可以记录平台周边500m内的水色变化；风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水等参数使用HOBO小型气象站13记录，该气象站安装在平台仪器房顶26上。为保证高时间分辨率记录湖泊水色变化时间，上述仪器的数据采集时间间隔均设置为10 min。此外，传感器通过仪器自配数据传输和供电集成电缆与仪器房26中的接线盒21相连接，以获取电力供应和传输数据。

（6）接线盒21通过导线与蓄电池组28相连接，为平台各类负载提供电力。同时，又通过电缆与通信模块22相连接，将各类传感器收集的数据暂存在本地或者通过商用3G无线网络将数据传给数据中心30。数据中心30中的软件将自动完成多所采集数据的分类、插值、存储、发布等操作。研究人员和监测人员可以通过IE浏览平台实时高频捕捉的湖泊水色信息，并据此对未来水色变化及藻华状况作出预测预警。

试验例一

该系统可以对湖泊水色变化的遥感光学信号以及外环境要素开展同步监测，包括图像、光谱、溶解氧、水温、叶绿素a，藻蓝素、氧化还原电位、浊度、湖流、波浪、水深、气温、风速、风向、大气压、降水、相对湿度等连续实时自动高频记录。这是一个真实环境下可以同时获取多种水环境参数及其遥感光学信号的试验平台。建设该平台，将全面提升我国湖泊水环境的定量遥感研究水平，同时将奠定我国在湖泊水环境遥感方面的领先地位。该平台的建设将实现“空中传感器—水面光谱—水下光谱—水体水环境参数”于一体的现场数据实时获取，以便更加有效地开展湖泊水环境遥感研究，推动我国湖泊水环境遥感监测的业务化水平，提升我国定量遥感的研究水平，同时为太湖流域相关水资源管理部门提供科学决策支撑与服务。

图3a和b是自动监测平台记录的2013年1月18日水体成像光谱情况，水下光谱以及外环境要素的同步监测情况，通过该平台，可以开展湖泊水色定量遥感闭合实验、藻华的尺度效应试验、藻类水平及垂向分布异质性对水下光场影响试验，可大大推动我国湖泊水环境遥感监测的业务化水平，提升我国定量遥感的研究水平，同时为太湖流域相关水资源管理部门提供科学决策支撑与服务。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统和数据中心，其中，

所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台，所述平台上面设置防雨的仪器房，所述平台的一侧设有上至房顶的梯子，另一侧设有成像光谱仪观测塔架，所述平台四周边缘设置有保护栏，在平台东南角设有小型操作台和支架，平台的外围还设立防护围桩；

所述供电系统为数据采集系统和数据传输系统供电；

所述数据采集系统包括气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集器、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头，其中，所述气象传感器安装固定在仪器房顶之上；水面成像光谱采集器安装在平台侧边的观测塔架上，观测塔架上固定有能180度水平转动和上下垂直移动的云台底座，观测塔架上有供所述水面成像光谱采集器进行上下运行的轨道；所述水下光场同步监测系统也安装在平台东南角上，所述小型操作台通过4根地桩固定于湖底，所述小型操作台带有2个吊臂，分别通过绳索悬挂有后向散射仪、水体衰减吸收仪和水质仪，其中，所述后向散射仪单独悬挂于一个吊臂，所述水体衰减吸收仪和所述水质仪悬挂于另一吊臂，通过所述小型操作台的控制面板控制上述3台仪器进行水体内部剖面的同步监测；水下光谱仪直接悬浮于于水面，通过绳索固定于所述小型操作台地桩上；

所述数据传输系统与数据采集系统连接，并将所述数据采集系统采集的藻类不同生长阶段的湖泊水色遥感光谱及其外环境要素信息传输给所述数据中心。

2.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其中所述数据采集系统包括3个摄像头，其中2个摄像头在平台东南房檐角下分别对着平台北侧、西侧，在平台仪器房门上安置1个摄像头，对着平台的正面和栈桥, 其中所述平台仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

3.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述供电系统包括太阳能电池组以及蓄电池组，其中，太阳能电池组安装于平台仪器房顶部，蓄电池组安装在平台仪器房内部，太阳能电池组与蓄电池组共同提供电力。

4.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述水文传感器固定在平台栈桥下方，水质传感器则固定于水下光场同步监测系统的1个吊臂上，通过所述小型操作台控制。

5.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头通过相应接口与接线盒相连，接线盒与通信模块相连接，通信模块与数据中心相连接。

6.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述数据中心包括数据库服务器和显示器。

7.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统通过无线网络连接数据中心。

8.根据权利要求1-7任一项所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，还包括保护装置，保护装置包括避雷针和/或航标灯，所述避雷针安装在高于水面15m及以上的观测塔顶端，所述航标灯安装在平台仪器房的西南角、东北角和东南角上, 其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

9.一种使用权利要求1-8任一项所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）在晴天利用太阳能电池组为数据采集系统和数据传输系统提供电力，并将转化的富余电能存储在蓄电池组中；蓄电池组在夜间或充电量低于用电量的白天为数据采集系统和数据传输系统提供电力；

（2）利用摄像头采集半径500m内水面的视频图像；通过数据传输系统提取所述视频图像中的水色变化信息，并将该信息传输给所述数据中心，所述水色变化信息为依据湖水表面藻华或水色三要素所引发的水色变化；

（3）使用气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱仪、水下光谱仪以及水下光场同步监测系统和摄像头实时高频记录与湖体水色及藻华相关的且能实现野外无人值守测量的参数，并通过数据传输系统传输给数据中心。

10.根据权利要求9所述的浅水湖泊遥感野外自动监测方法，其特征在于：

所述成像光谱仪记录观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度；

水下光谱仪记录水下50cm处的向上/向下辐照度和向上辐亮度；

所述后向散射仪测定水体后项散射系数；

所述水体衰减吸收仪测定水体的光吸收系数；

所述水质传感器记录水面下不同深度处水质的叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位参数；

所述水文传感器记录平台水域的流速及波浪参数；

所述摄像头记录平台周边500m内的水色变化；

所述气象传感器记录风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水参数；上述仪器的数据采集时间间隔同步设置为10 min。

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