CN104634612B - 一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统及采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统及采样装置，自动采集系统包括：云检测模块、叠加分析模块、指令生成模块、短信收发模块、短信控制器、微型电动卷扬机、采样装置，短信控制器接收采样指令短信驱动微型电动卷扬机，所述微型电动卷扬机驱动采样装置进行水样采集；采样装置包括：采样器、吊放机构。本发明提供的一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统，实现自动化采样；采样装置结构简单、运动部件少、没有精密元件、采用弹性薄膜扭转方式密封、成本低、动作可靠、容易维护、适合野外长期值守和多点安装部署；可避免湖水对采样器的污染，也避免了采样器对水体表层浮游生物分布的干扰，提高了样本的可信度。

Description

一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统及采样装置

技术领域

本发明涉及一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统及采样装置，属于自动水样采集技术领域。

背景技术

在卫星水色遥感反演领域，为了反演建模需要和反演模型验证的需要，需要采集研究区域的水体样品。针对卫星水色遥感的采样需要满足四个基本要求：

时间上，要保证同步性，卫星图像与采样时间间隔内地物不能有显著的变化。水体水质指标，尤其是浮游生物变化速度很快，有时十几分钟内分布浓度就会有显著的变化。因此，一般要求在卫星过境半小时内要采集到表层水样，才能保证卫星图像与现场样本的同步性。

地理位置上，采样点必须在卫星覆盖范围内，并且不能布置在岸边，以免形成混淆像元。

天气条件上，由于云对太阳波段的辐射有强烈的反射，因此，采样点上空不能有云，否则卫星得不到水面地物辐射信息。

采样深度上，考虑到太阳辐射在湖水等二类水体中衰减速度很快，卫星获得的光谱信息集中在水体表层，并且湖泊中常见的蓝藻等浮游生物通常日间在水体表面富集，因此，一般需要采集表层30厘米左右的水样。

由于局部区域云量变化较快，云量分布不均匀，天气预报无法满足遥感采样要求，因此，必须根据实时获取的卫星图像来决定采样范围，水体采样必须能长期值守，快速反应。

目前水体采样方式有两种，人工采样和自动采样。

人工采样从采样组织方式上分为走航和定点两种方式。走航方式只适合较小水体，对于大型湖泊，由于耗时漫长，不能满足卫星同步采样对时间的要求。若采用定点方式，则需要多人多船同步实施，组织工作复杂，自动化水平低，人力物力耗费巨大，难以做到常规实施。采样方法上，人工采样通常采用薄膜吸附或者网兜捞取浮游生物。薄膜吸附装置成本高，对电源要求高，维护量大，不适合野外长期部署。网兜捞取方式样品必须采集后立即保存到专用容器中，不适合自动化实现。这两类采样方法由于只采浮游生物不采水样，不能用于浮游生物分布定量分析。

自动采样反应速度快，从时间上能满足卫星遥感的要求，但是，目前的自动水质采样设备只能采集水面以下样本，无法得到表层水样。自动水样采集设备采用的水泵抽吸，容易破坏表层浮游生物的分布结构，影响实验室分析结果的可靠性。

考虑到卫星水色遥感的要求，卫星同步的表层水样采集系统需要同时满足以下特性：

1、根据卫星过境时间和云层分布情况确定采样时间发布采样指令，自动进行采样。

2、结构简单，动作可靠，对电源要求低，维护容易，可以野外长期值守。

3、成本低，可以多点安装。

4、能采集表层柱状水样，且不破坏水面浮游生物分布结构。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统及采样装置。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统，包括：后台控制装置、现场装置，所述后台控制装置包括：云检测模块、叠加分析模块、指令生成模块、短信收发模块，所述云检测模块接收DVB-S提供的实时气象卫星图像和卫星过境时间表，自动生成卫星过境时刻的云边界图；所述叠加分析模块接收基础资料库提供的采样点坐标和SIM卡号码，将采样点坐标和SIM卡号码与云边界图进行叠加分析，输出没有被云覆盖的采样点的SIM卡号码；所述指令生成模块接收基础资料库提供的实时水位数据，计算出微型电动卷扬机动作时长，结合收到的SIM卡号码生成动作指令；所述短信收发模块向指定的SIM卡号码发出采样指令短信；所述现场装置包括：控制装置、采样装置，所述控制装置包括：短信控制器、微型电动卷扬机，所述短信控制器接收采样指令短信驱动微型电动卷扬机，所述微型电动卷扬机驱动采样装置进行水样采集；所述采样装置包括采样器、吊放机构，所述采样器包括：内筒、外筒、手柄、限位杆、主轴、发条弹簧、铰链、弹性薄膜，所述内筒顶部与主轴底部相连接，主轴穿过发条弹簧中心位置，主轴中部与发条弹簧中心末端相连接；所述外筒顶部设置有通孔，外筒顶部穿过主轴顶端，外筒套接在内筒外侧，外筒内壁与发条弹簧外侧末端相连接；所述主轴上部侧面设置有铰链，铰链另一端连接有手柄；所述手柄底面设置有卡口；所述限位杆下部与外筒外壁相连接，限位杆顶部设置有卡钩，与手柄卡口相卡合；所述弹性薄膜设置为管状结构，弹性薄膜一端套接在内筒开口的外壁，弹性薄膜另一端向外翻转180°套接在外筒开口的外壁；所述吊放机构包括：导轨、套筒、横杆、浮子、主绳、手柄挂绳、控制箱，所述导轨设置为两根，导轨底部固定于水面之下；所述套筒设置为两根，两根套筒均套接在导轨上，可沿导轨上下移动，两根套筒顶部之间设置有横杆，横杆可随套筒上下移动，两根套筒底部均设置有浮子，用于支撑套筒与横杆停止于水面之上；所述控制箱设置在导轨顶部之间，控制箱内设置有短信控制器、微型电动卷扬机，所述主绳一端与微型电动卷扬机相连接，主绳另一端与主轴顶部相连接；所述手柄挂绳一端与手柄末端相连接，手柄挂绳另一端与横杆相连接。

一种采样装置，包括：采样器、吊放机构，所述采样器包括：内筒、外筒、手柄、限位杆、主轴、发条弹簧、铰链、弹性薄膜，所述内筒顶部与主轴顶部相连接，主轴穿过发条弹簧中心位置，主轴中部与发条弹簧中心末端相连接；所述外筒顶部设置有通孔，外筒顶部穿过主轴顶端，外筒套接在内筒外侧，外筒内壁与发条弹簧外侧末端相连接；所述主轴上部侧面设置有铰链，铰链另一端连接有手柄；所述手柄底面设置有卡口；所述限位杆下部与外筒外壁相连接，限位杆顶部设置有卡钩，与手柄卡口相卡合；所述弹性薄膜设置为管状结构，弹性薄膜一端套接在内筒开口的外壁，弹性薄膜另一端向外翻转180°套接在外筒开口的外壁；所述吊放机构包括：导轨、套筒、横杆、浮子、主绳、手柄挂绳、控制箱，所述导轨设置为两根，导轨底部固定于水面之下；所述套筒设置为两根，两根套筒均套接在导轨上，可沿导轨上下移动，两根套筒顶部之间设置有横杆，横杆可随套筒上下移动，两根套筒底部均设置有浮子，用于支撑套筒与横杆停止于水面之上；所述控制箱设置在导轨顶部之间，控制箱内设置有微型电动卷扬机，所述主绳一端与微型电动卷扬机相连接，主绳另一端与主轴顶部相连接；所述手柄挂绳一端与手柄末端相连接，手柄挂绳另一端与横杆相连接。

作为优选方案，一种采样装置，还包括内筒排气孔，所述内筒排气孔设置在内筒上部侧壁上，用于防止内筒正压，使采样水方便进入内筒。

作为优选方案，一种采样装置，还包括外筒排水孔，所述外筒排水孔设置在外筒下部侧壁上，用于将外筒与内筒之间的余水流出。

作为优选方案，一种采样装置，还包括绳环，所述绳环设置在横杆中部，所述主绳穿过绳环与主轴顶部相连接，用于防止采样器随主绳摆动。

一种采样器，包括：内筒、外筒、手柄、限位杆、主轴、发条弹簧、铰链、弹性薄膜，所述内筒顶部与主轴底部相连接，主轴穿过发条弹簧中心位置，主轴中部与发条弹簧中心末端相连接；所述外筒顶部设置有通孔，外筒顶部穿过主轴顶端，外筒套接在内筒外侧，外筒内壁与发条弹簧外侧末端相连接；所述主轴上部侧面设置有铰链，铰链另一端连接有手柄，手柄可沿铰链上下转动；所述手柄底面设置有卡口；所述限位杆下部与外筒外壁相连接，限位杆顶部设置有卡钩，与手柄卡口相卡合固定；所述弹性薄膜设置为管状结构，弹性薄膜一端套接在内筒开口的外壁，弹性薄膜另一端向外翻转180°套接在外筒开口的外壁。

作为优选方案，一种采样器，还包括内筒排气孔，所述内筒排气孔设置在内筒上部侧壁上，用于防止内筒正压，使采样水方便进入内筒。

作为优选方案，一种采样器，还包括外筒排水孔，所述外筒排水孔设置在外筒下部侧壁上，用于将外筒与内筒之间的余水流出。

有益效果：本发明提供的一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统及采样装置，通过分析卫星过境时间和实时卫星图像，能根据卫星云层分布情况发出采样指令，实现自动化采样。采样装置采用自上而下竖直采样方式，能采集表层柱状水样，且不破坏水面浮游生物分布结构。采样器本体结构简单，运动部件少，没有精密元件，采用弹性薄膜扭转方式密封，成本低，动作可靠，容易维护，适合野外长期值守和多点安装部署。采样器采样之前悬吊在水面之上，避免湖水对采样器的污染，也避免了采样器对水体表层浮游生物分布的干扰，提高了样本的可信度。

附图说明

图1为卫星同步表层柱状水样自动采集系统的结构示意图；

图2为现场装置结构示意图；

图3为采样器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统，包括：后台控制装置1、现场装置2，后台控制装置1包括：云检测模块11、叠加分析模块12、指令生成模块13、短信收发模块14，所述云检测模块11接收DVB-S15（DVB-S 全称：Digital Video Broadcasting-Satellite数字卫星广播系统，遥感卫星地面接收站使用该系统从卫星接收遥感图像。）提供的实时气象卫星图像和卫星过境时间表，自动生成卫星过境时刻的云边界图；所述叠加分析模块12接收基础资料库16提供的采样点坐标和SIM卡号码，将采样点坐标和SIM卡号码与云边界图进行叠加分析，输出没有被云覆盖的采样点的SIM卡号码；所述指令生成模块13接收基础资料库16提供的实时水位数据，计算出微型电动卷扬机212动作时长，结合收到的SIM卡号码生成动作指令；所述短信收发模块14向指定的SIM卡号码发出采样指令短信；所述现场装置2包括：控制装置21、采样装置22，所述控制装置21包括：短信控制器211、微型电动卷扬机212，所述短信控制器211接收采样指令短信驱动微型电动卷扬机212，所述微型电动卷扬机212驱动采样装置22进行水样采集。

如图2所示，一种采样装置，包括：采样器24、吊放机构25，如图3所示，所述采样器包括：内筒221、外筒222、手柄223、限位杆224、主轴225、发条弹簧226、铰链227、弹性薄膜228，所述内筒221顶部与主轴225底部相连接，主轴225穿过发条弹簧226中心位置，主轴225中部与发条弹簧226中心末端相连接；所述外筒222顶部设置有通孔，外筒222顶部穿过主轴225顶端，外筒222套接在内筒221外侧，外筒222内壁与发条弹簧226外侧末端相连接；所述主轴225上部侧面设置有铰链227，铰链227另一端连接有手柄223；所述手柄223底面设置有卡口；所述限位杆224下部与外筒222外壁相连接，限位杆224顶部设置有卡钩，与手柄223卡口相卡合固定；所述弹性薄膜228设置为管状结构，弹性薄膜228一端套接在内筒221开口的外壁，弹性薄膜228另一端向外翻转180°套接在外筒222开口的外壁；还包括内筒排气孔229，所述内筒排气孔229设置在内筒221上部侧壁上；还包括外筒排水孔230，所述外筒排水孔230设置在外筒222下部侧壁上。

所述吊放机构25包括：导轨231、套筒232、横杆233、浮子234、主绳235、手柄挂绳236、控制箱237，所述导轨231设置为两根，导轨231底部固定于水面之下；所述套筒232设置为两根，两根套筒232均套接在导轨231上，可沿导轨231上下移动，两根套筒232顶部之间设置有横杆233，横杆233可随套筒232上下移动，两根套筒232底部均设置有浮子234；所述控制箱237设置在导轨231顶部之间，控制箱237内设置有短信控制器211、微型电动卷扬机212，所述主绳235一端与微型电动卷扬机212相连接，主绳235另一端与主轴225顶部相连接；所述手柄挂绳236一端与手柄223末端相连接，手柄挂绳236另一端与横杆233相连接；还包括绳环238，所述绳环238设置在横杆233中部，所述主绳235穿过绳环238与主轴225顶部相连接。

具体实施例如下：后台控制装置通过运算将采样指令短信发送给短信控制器；现场装置需要先将导轨固定在水面上，旋转采样器的外筒将发条弹簧拧紧，手柄与限位杆卡合固定，保持内筒与外筒之间静止不转动，此时弹性薄膜处于放松打开状态；控制箱内的短信控制器接收到采样指令短信后驱动微型电动卷扬机工作，微型电动卷扬机放下主绳，采样器向水面垂直运动，由于横杆在套筒与浮子的作用下，高度保持不变，当采样器进入水中时，与手柄相连的手柄挂绳在采样器的重力作用下牵引手柄脱离限位杆，此时发条弹簧驱动外筒相对内筒转动，弹性薄膜随外筒转动向中心旋转拧紧，将进入内筒的水样密封在内筒中，完成采样。

本发明与现有技术相比，所产生的有益效果是：

1. 采样器垂直下放，弹性薄膜扭转密封，能采集表层柱状水样，不破坏水体表层浮游生物分布，能定量分析浮游生物分布密度

2. 后台软件采用了云检测算法，通过查找卫星过境表，实现与卫星同步的多点自动并行采样。

3. 机械构造简单，运动部件少，可靠性高，适合野外长期定点部署。

4. 所有零件无需机床加工，没有精密部件，制作简单，成本低廉，适合大规模部署

5. 由于电源只需要完成下放动作和对短信控制器供电，能耗小，对电源要求低。

6. 采用薄膜旋紧方式密封，结构轻，密封性好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种卫星同步表层柱状水样自动采集系统，包括：后台控制装置、现场装置，其特征在于：所述后台控制装置包括：云检测模块、叠加分析模块、指令生成模块、短信收发模块，所述云检测模块接收DVB-S提供的实时气象卫星图像和卫星过境时间表，自动生成卫星过境时刻的云边界图；所述叠加分析模块接收基础资料库提供的采样点坐标和SIM卡号码，将采样点坐标和SIM卡号码与云边界图进行叠加分析，输出没有被云覆盖的采样点的SIM卡号码；所述指令生成模块接收基础资料库提供的实时水位数据，计算出微型电动卷扬机动作时长，结合收到的SIM卡号码生成动作指令；所述短信收发模块向指定的SIM卡号码发出采样指令短信；所述现场装置包括：控制装置、采样装置，所述控制装置包括：短信控制器、微型电动卷扬机，所述短信控制器接收采样指令短信驱动微型电动卷扬机，所述微型电动卷扬机驱动采样装置进行水样采集；所述采样装置包括采样器、吊放机构，所述采样器包括：内筒、外筒、手柄、限位杆、主轴、发条弹簧、铰链、弹性薄膜，所述内筒顶部与主轴底部相连接，主轴穿过发条弹簧中心位置，主轴中部与发条弹簧中心末端相连接；所述外筒顶部设置有通孔，外筒顶部穿过主轴顶端，外筒套接在内筒外侧，外筒内壁与发条弹簧外侧末端相连接；所述主轴上部侧面设置有铰链，铰链另一端连接有手柄；所述手柄底面设置有卡口；所述限位杆下部与外筒外壁相连接，限位杆顶部设置有卡钩，与手柄卡口相卡合；所述弹性薄膜设置为管状结构，弹性薄膜一端套接在内筒开口的外壁，弹性薄膜另一端向外翻转180°套接在外筒开口的外壁；所述吊放机构包括：导轨、套筒、横杆、浮子、主绳、手柄挂绳、控制箱，所述导轨设置为两根，导轨底部固定于水面之下；所述套筒设置为两根，两根套筒均套接在导轨上，可沿导轨上下移动，两根套筒顶部之间设置有横杆，横杆可随套筒上下移动，两根套筒底部均设置有浮子，用于支撑套筒与横杆停止于水面之上；所述控制箱设置在导轨顶部之间，控制箱内设置有短信控制器、微型电动卷扬机，所述主绳一端与微型电动卷扬机相连接，主绳另一端与主轴顶部相连接；所述手柄挂绳一端与手柄末端相连接，手柄挂绳另一端与横杆相连接。

2.一种采样装置，其特征在于：包括：采样器、吊放机构，所述采样器包括：内筒、外筒、手柄、限位杆、主轴、发条弹簧、铰链、弹性薄膜，所述内筒顶部与主轴底部相连接，主轴穿过发条弹簧中心位置，主轴中部与发条弹簧中心末端相连接；所述外筒顶部设置有通孔，外筒顶部穿过主轴顶端，外筒套接在内筒外侧，外筒内壁与发条弹簧外侧末端相连接；所述主轴上部侧面设置有铰链，铰链另一端连接有手柄；所述手柄底面设置有卡口；所述限位杆下部与外筒外壁相连接，限位杆顶部设置有卡钩，与手柄卡口相卡合；所述弹性薄膜设置为管状结构，弹性薄膜一端套接在内筒开口的外壁，弹性薄膜另一端向外翻转180°套接在外筒开口的外壁；所述吊放机构包括：导轨、套筒、横杆、浮子、主绳、手柄挂绳、控制箱，所述导轨设置为两根，导轨底部固定于水面之下；所述套筒设置为两根，两根套筒均套接在导轨上，可沿导轨上下移动，两根套筒顶部之间设置有横杆，横杆可随套筒上下移动，两根套筒底部均设置有浮子，用于支撑套筒与横杆停止于水面之上；所述控制箱设置在导轨顶部之间，控制箱内设置有微型电动卷扬机，所述主绳一端与微型电动卷扬机相连接，主绳另一端与主轴顶部相连接；所述手柄挂绳一端与手柄末端相连接，手柄挂绳另一端与横杆相连接。

3.根据权利要求2所述的一种采样装置，其特征在于：还包括内筒排气孔，所述内筒排气孔设置在内筒上部侧壁上。

4.根据权利要求2或3所述的一种采样装置，其特征在于：还包括外筒排水孔，所述外筒排水孔设置在外筒下部侧壁上。

5.根据权利要求4所述的一种采样装置，其特征在于：还包括绳环，所述绳环设置在横杆中部，所述主绳穿过绳环与主轴顶部相连接。

6.一种采样器，其特征在于：包括：内筒、外筒、手柄、限位杆、主轴、发条弹簧、铰链、弹性薄膜，所述内筒顶部与主轴底部相连接，主轴穿过发条弹簧中心位置，主轴中部与发条弹簧中心末端相连接；所述外筒顶部设置有通孔，外筒顶部穿过主轴顶端，外筒套接在内筒外侧，外筒内壁与发条弹簧外侧末端相连接；所述主轴上部侧面设置有铰链，铰链另一端连接有手柄；所述手柄底面设置有卡口；所述限位杆下部与外筒外壁相连接，限位杆顶部设置有卡钩，与手柄卡口相卡合；所述弹性薄膜设置为管状结构，弹性薄膜一端套接在内筒开口的外壁，弹性薄膜另一端向外翻转180°套接在外筒开口的外壁。

7.根据权利要求6所述的一种采样器，其特征在于：还包括内筒排气孔，所述内筒排气孔设置在内筒上部侧壁上。

8.根据权利要求6或7所述的一种采样器，其特征在于：还包括外筒排水孔，所述外筒排水孔设置在外筒下部侧壁上。