CN103616341A - 一种浅水湖泊水下光场同步监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浅水湖泊水下光场同步监测系统及监测方法，该系统包括支撑小平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统、数据中心，所述支撑小平台包括小平台及建于小平台上的系统操作控制台；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水下光场采集仪器设备、配套仪器吊装架以及电控吊装升降系统，所述数据传输系统与数据采集系统连接。本发明的系统和方法适合进行水下光场、固有光学属性以及环境要素含量的垂向剖面同步测量，为开展浮游植物垂向异质性对水下光场影响机制研究以及二类水体水色遥感生物光学模型闭合实验提供重要的野外实验平台。

Description

一种浅水湖泊水下光场同步监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于环境遥感监测领域，涉及一种浅水湖泊水下光场同步监测系统，还涉及一种利用浅水湖泊水下光场数据采集系统的监测方法。 

背景技术

通常情况下，研究人员通过分析其漫衰减系数来研究水体水下光场的，而求算漫衰减系数Kd时，大多数学者是以水体光学性质均一，下行辐照度Ed随水深呈指数衰减为前提，通过对不同深度处的下行辐照度进行指数回归得到（Mobley C D，1994；Huovinen P S等，2003；乐成峰等，2009；张运林等，2003）。 

$K_d\left(\mathrm{\λ}\right)=-\frac{\ln E_d(\mathrm{\λ},z)-\ln E_d(\mathrm{\λ},z_c)}{z-z_c}$

式中，Kd(λ)为波长λ处的漫衰减系数，m-1；zc为参考水层深度，m；z为水深，m；Ed(λ,zc)、Ed(λ,z)分别为参考水层zc和水深z处的下行辐照度，W/(m2·nm)。 

这种方法计算得到的Kd反映的仅仅是水深zc到z处的平均衰减情况（ArstH等，2000；Lee Z P等，2005），光线进入水体以后，受水体不同组分吸收、散射的影响不断的衰减，漫衰减系数Kd与水体中浮游植物、悬浮颗粒物以及有色可溶性有机物CDOM的浓度密切相关（Kirk J T O，1981，1994；Gordon H R，1989），这些组分垂向分布对Kd垂向分布的影响亟待研究。 

水体水下光场的监测是开展浮游植物垂向异质性对水下光场影响机制研究以及二类水体水色遥感生物光学模型闭合实验的基础，分析目前获取二类水体 水下光场的方法，存在以下问题： 

1.传统获取富营养化湖泊的水下光场信息的方法，是基于水体垂向均一的假设，通过目前野外监测结果分析，水体垂向均一的假设仅仅适用于风速偏大（≥3.5m/s）的气象条件下，而在风速较小甚至风平浪静等有利于藻华形成的气象条件下，会出现显著的水体垂向分布不均一的情况，这种情况下依然选择基于水体垂向均一的假设会造成监测结果的巨大偏差，乃至影响到相关研究成果的准确性； 

2.本系统利用吊装架真正实现了测量后项散射、光吸收乃至水质参数的时空的同步监测，解决了以往传统先后测量的数据同步误差，同时该系统操作简便，无需对操作人员有特殊体力要求即可完成相关监测（后项散射仪净重30kg、光吸收计净重10kg、水质仪净重5kg）。 

3.本系统配合水体表面成像光谱系统对水体表面的同步监测，可以真正实现对二类水体水色遥感生物光学模型闭合实验的野外真实性检验，是湖泊水色遥感研究的重要的野外实验场。 

参考文献 

文献1：Arst H,Reinart A,Erm A,et al.Influence of the depth-dependence of the PAR diffuse attenuation coefficient on the computation of downward irradiance in different water bodies[J].Geophysica,2000,36(1–2):129–139. 

文献2：Gordon H R.Can the Lambert-Beer law be applied to the diffuse attenuation coefficient of ocean water?[J].Limnol.Oceanogr.,1989,34:1389–1409. 

文献3：Huovinen P S,Penttol H,Soimasuo M R.Spectral attenuation of solar ultraviolet radiation in humic lake in Central Finland[J].Chemosphere，2003,51(3):205-214. 

文献4：Kirk J T O.Monte carlo study of the nature of the underwater light field in,and the relationships between optical properties of,turbid yellow waters[J].Aust.J.Mar.Freshwater Res.,1981,32:517-532. 

文献5：Kirk J T O.Light and photosynthesis in aquatic ecosystems[M].Britain:Cambridge University Press,1994. 

文献6：Lee Z P,Darecki M,Carder K L,et al.Diffuse attenuation coefficient of downwelling irradiance:An evaluation of remote sensing methods[J].J.Geophys.Res.,2005,110,C02017,doi:10.1029/2004JC002573. 

文献7：Mobley C D.Light and Water:Radiative Transfer in Natural Waters[M].San Diego:Academic Press,1994. 

文献8：乐成峰,李云梅,査勇,等.太湖水体漫射衰减系数的光学特性及其遥感反演模型[J].应用生态学报,2009,20(2):337-343. 

文献9：张运林,秦伯强,陈伟民,等.太湖水体光学衰减系数的分布及其变化特征[J].水科学进展,2003,14(4):447-453. 

发明内容

本发明的目的在于提供一种浅水湖泊水下光场系统，解决目前缺乏水下光场、固有光学属性以及环境要素含量的垂向剖面同步测量，为开展浮游植物垂向异质性对水下光场影响机制研究以及二类水体水色遥感生物光学模型闭合实验的野外实验平台，以及现场数据实时获取传输问题，是同步开展“空中传感器—水面光谱—水下光谱—水体水环境参数”的浅水湖泊遥感野外同步监测系统的重要组成部分。 

本发明的另一目的是提供一种浅水湖泊水下光场的监测方法。 

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水下光场同步测量系统及同步监测方法，该系统包括支撑小平台、供电系统、水下光场及同步环境要素数据采集系统、数据传输系统、数据中心，所述支撑小平台包括由若干桩支撑的小平台4m²及建于小平台上的系统操作控制台；所述供电系统为大平台供电系统，可为本子系统数据采集系统、数据传输系统供电；所述数据采集系统包括水下光场采集仪器设备及其配套仪器吊装架，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下光场及其环境要素属性的剖面数据传输给数据中心。本发明的系统和方法适合进行水下光场、固有光学属性以及环境要素含量的垂向剖面同步测量，为开展浮游植物垂向异质性对水下光场影响机制研究以及二类水体水色遥感生物光学模型闭合实验提供重要的野外实验平台。 

另外，根据本发明实施例的浅水湖泊水下光场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，所述系统安装固定在面积4m²小平台上，供电系统以大平台系统的供电系统为依托，为数据采集系统的数据收集控制器以及数据传输系统提供动力，小平台的一侧安装吊装架。 

根据本发明的一个实施例，数据采集系统包括仪器吊装架、电控吊装升降系统、后项散射仪、光吸收计以及水质仪等，其中，吊装塔架通过大底座安装固定在小平台一侧，主立杆上通过旋转云台安装有2个支架臂，上面分别安装液压支杆和电控升降导轨；后项散射仪安装固定在吊装架南侧的支架臂吊钩上，光吸收计和水质仪同时吊装在另一支架臂吊钩上，通过小平台上的操作控制系统可实现上述仪器在水下的上下运行以及水平180°范围内平移。 

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 述水下光场监测采集的剖面光谱信息以及同步水质信息数据接入接线盒中，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的服务器和显示器。 

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，还可以实现数据中心对该监测系统的远程控制。 

本发明提供的一种利用所述浅水湖泊水下光场监测系统的同步监测方法，该方法包括以下步骤： 

（1）在晴天利用太阳能电池板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）为了研究富营养化湖泊水下光场的剖面结构，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吸收系数、后项散射系数等光谱参数以及浊度、水温等水质参数，分别利用后项散射仪、光吸收计以及水质仪，实时高频记录光谱信息参数以及水质信息，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心； 

（3）为了考察水质垂向异质性对富营养化湖泊水下光场的影响机制，本系统后项散射仪、光吸收计以及水质仪并不像传统方式那样固定水下一定深度，而利用电控升降导轨将后项散射仪、光吸收计以及水质仪送至不同深度处，获取整个水下光场的剖面信息，为水质垂向异质性对富营养化湖泊水下光场的影响机制服务。 

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。由于湖泊水下光场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板供电保障，使得同步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、运行迅速稳定、维护方便。本系统采用吊装架辅助后项散射仪、光吸收计以及水质仪，可以在较短的时间内完成水面下不同深度处的水下光场及水质信息的同步采集工作，真正实现水下光场剖面信息的同步监测；系统所依托的平台与浮标相比，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、同步捕捉不同深度处的湖泊水下光场信息及水质信息。 

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水下光场同步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水下光场同步监测系统的结 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水下光场同步监测系统的结构示意俯视图； 

图2是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水下光场同步监测系统中的控制系统布置图； 

图3是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水下光场同步监测系统的数据采集传输流程图； 

图4a-d是基于本发明记录水下光场及其藻类（叶绿素a浓度）垂向剖面图。 

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是本发明的结构示意图，如图所示，浅水湖泊水面成像光谱同步监测系统，该系统包括支撑小平台、供电系统、水下光场数据采集系统、数据传输系统、数据中心。 

所述支撑小平台2须比所在水域历史最高水位高出1m，其由管桩1共计8根支撑，每根长8m，打入湖底约3m左右，上面铺设防腐木隔板（即小平台4m²），平台一侧安装固定有吊装架18。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。后项散射仪15、光吸收计16及水质仪17固定于吊装架18的不同吊钩下14。 

保护设施包括小平台2上四周焊接保护围栏3，并在大平台系统外围设立防护围桩。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。保护围栏由钢柱和镀锌管构成，防护围桩主要由正方形水泥桩和镀锌管构成。 

如图3所示，本系统的供电系统以大平台的太阳能供电系统为依托，可提供最大功率2kw，连续阴雨10天平均功率50W的不间断供电。整体系统由太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器组成。太阳能电池板组采用4块240W的单片电池板，单片电池板开路电压37V，工作电压29V，工作电流8.5A,电池板组采用2串2并连接，输出电压约58V。光伏控制器为智能控制器，无需配置。蓄电池组采用8块12V150AH铅酸蓄电池，电池组由4串2并组成，可提供48V，300AH的供电能力。48V逆变器提供峰值输出功率2KW的单相逆变输出。 

所述水下光场监测系统包括吊装架（3m）18、电控导轨系统6、后项散射仪15、光吸收计16和水质仪17。其中，吊装架（3m）18安装固定在小平台2的一侧，安装在吊装架上的电控导轨升降系统由钢丝绳12、吊臂8、滑轮13、电机11、云台10及控制系统6组成，由于工作环境在室外水面上，湿度较大，为了达到防腐的要求，导轨及运动部分采用304不锈钢材料，可保证长时间使用不腐蚀；驱动部分采用防护等级IP65的电动机及减速器，链条及链轮同样采用不锈钢材料；控制系统由高速单片机完成系统控制，长度传感器将滑车运动的深度实时送到单片机处理后由控制器面板上液晶显示屏显示出实时水下位置值。 

所述后项散射仪15、光吸收计16以及水质仪17可记录距离水面不同深度处的400-1000nm向上/向下辐照度、向上辐亮度、后项散射系数以及水温、浊 度、藻蓝素、叶绿素等。 

所述数据传输系统以大平台系统的数据传输系统为依托，具体包括控制系统的通信模块和接线盒，所述后项散射仪15、光吸收计16以及水质仪17接入接线盒，接线盒通过导线和数据线与蓄电池组和通信模块相连接，数据通信模12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。数据中心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3是本发明的流程图，如图所示，一种利用实施例一所述的浅水湖泊水下光场同步监测系统的监测方法，该方法包括以下步骤： 

（1）在晴天利用太阳能电池板将太阳能转换为电能并存储在蓄电池组中；蓄电池组则是为本子系统的数据采集系统、数据传输系统和后项散射仪、光吸收计、水质仪自身提供电力来源； 

（2）为了研究富营养化湖泊水下光场的剖面结构，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吸收系数、后项散射系数等光谱参数以及浊度、水温等水质参数，分别利用后项散射仪15、光吸收计16以及水质仪17，实时高频记录光谱信息参数以及水质信息，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心； 

（3）为了考察水质垂向异质性对富营养化湖泊水下光场的影响机制，本系统后项散射仪15、光吸收计16以及水质仪17并不像传统方式那样固定水下一定深度，而利用电控升降导轨11将后项散射仪、光吸收计以及水质仪送至不同深度处，获取整个水下光场的剖面信息，为水质垂向异质性对富营养化湖泊水下光场的影响机制服务。 

（4）为了不同吊臂上的后项散射仪15、光吸收计16和水质仪17真正实现同步监测，通过下降、暂停键将各仪器的测量面调制至水面，按下控制系统的水面线校准按钮实现校零，校零后吊臂的仪器可实现上升下降的同步。 

根据本发明实施例的浅水湖泊水下光场同步监测方法，所述后项散射仪15、光吸收计16以及水质仪17可记录距离水面不同深度处的400-1000nm向上/向下辐照度、向上辐亮度、后项散射系数以及水温、浊度、藻蓝素、叶绿素等。 

根据本发明实施例的浅水湖泊水下光场同步监测方法，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浏览平台湖泊水下光场信息及其同步的水质信息，并据此来获取整个水下光场的剖面信息，为水质垂向异质性对富营养化湖泊水下光场的影响机制研究服务。 

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4根直径

长度为8m为大口径管桩1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2m*2m的防腐木板。最终平台需要高出水域历史最高水位1m以上，以防止平台被洪水淹没。 

（3）在小平台四周由镀锌钢管焊接保护围栏3。 

（4）后项散射仪15、光吸收计16和水质仪17通过吊装系统18安装在小 平台一侧，通过电控系统控制上述仪器在水中的位置。 

（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能够实现同步监测，尽量少的维护操作；c更高的性价比及稳定性。据此选择吸收系数、后项散射系数等光谱参数以及浊度、水温等水质参数，分别利用后项散射仪15、光吸收计16以及水质仪17，实时高频记录光谱信息参数以及水质信息，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心。 

试验例一 

该系统可以对湖泊水下光场开展监测，包括后项散射系数、吸收系数、水质参数等连续实时自动高频记录。该系统是浅水湖泊遥感野外同步监测系统中的子系统，整个野外同步监测系统是一个真实环境下开展浅水湖泊遥感光学试验的重要平台。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。 

图4a-d是同步监测平台记录的2013年8月10日水体水下光谱以及外环境要素的同步监测情况（具体包括水下不同深度处的向下辐照度、向上辐照度、向上辐亮度以及叶绿素a浓度等），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 (6)

1.一种浅水湖泊水下光场同步监测系统，其特征在于，该系统包括支撑小平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统和数据中心，其中

所述支撑小平台包括由若干桩支撑的小平台及建于小平台上的系统操作台；

所述供电系统为大平台供电系统，并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仪器吊装架、电控吊装升降系统、后向散射仪、光吸收计以及水质仪，其中，所述仪器吊装架通过大底座安装固定在小平台一侧，所述仪器吊装架的主立杆通过旋转云台安装有2个吊臂，上面分别安装液压支杆和电控升降导轨；所述后向散射仪安装固定在所述仪器吊装塔架远离平台一侧的吊臂的吊钩上，所述光吸收计和水质仪同时吊装在靠近平台的一吊臂吊钩上，通过小平台上的操作控制系统可实现上述仪器在水下的上下移动以及水平180°范围内旋转；

所述数据传输系统与所述数据采集系统连接，并将所述数据采集系统采集的水面剖面光谱信息以及同步的水质信息传输给数据中心。

2.根据权利要求1所述的浅水湖泊水下光场同步监测系统，其特征在于，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述水下光场的信息数据通过接线盒发送至通信模块，所述通信模块将相应数据传输至所述数据中心。

3.根据权利要求1所述的浅水湖泊水下光场同步监测系统，其特征在于，所述数据中心包括数据库服务器和显示器。

4.根据权利要求1所述的浅水湖泊水下光场同步监测系统，其特征在于，所述数据传输系统通过3G无线网络连接数据中心，对该监测系统进行远程控制。

5.根据权利要求1-4所述的浅水湖泊水下光场同步监测系统，其特征在于，所述后向散射仪、光吸收计以及水质仪用于记录距离水面不同深度处的400-1000nm向上/向下辐照度、向上辐亮度、后向散射系数、水温、浊度、藻蓝素和叶绿素的相关数据。

6. 一种利用权利要求1-5任一项所述的浅水湖泊水下光场同步监测系统的监测方法，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板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）分别利用后向散射仪、光吸收计以及水质仪实时高频记录与湖体水色及藻华相关的吸收系数、后向散射系数、水体固有光学参数以及浊度、水温，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心；

（3）通过所述电控升降导轨将所述后向散射仪、光吸收计以及水质仪送至不同深度处，获取整个水下光场的剖面信息。

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