CN108061583B - 一种水文数据获取方法和虚拟水文站 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水文数据获取方法，包括获取需要发送水文数据的V个GPS范围数据并存储在漂浮球内的存储模块中；从待测的起始位置向待测河流中投放漂浮球，漂浮球沿水流流动过程中，通过GPS定位模块的通信电路实时或以设定时间间隔获取当前的GPS数据；处理器将当前的GPS数据与存储模块中存储的GPS范围数据进行对比，如果落入存储的某个GPS范围数据内，则依次相隔设定的发送时间间隔通过北斗定位模块的通信电路向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据，所述水文数据包括通过GPS模块获取的当前位置的三维定位信息和时间信息。本发明提高了水文监测能力，能够适应防灾减灾、水资源管理的需要，为水文信息系统的建设提供了科学的数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及流量监测领域,尤其涉及一种基于卫星三维定位的虚拟水文站及应用虚拟水文站进行水文数据获取的方法。
背景技术
由于我国一些水库、河提设施存在老化、坝体渗水、坝身薄弱等现象，在遇到强降雨时很容易发生溃坝事件，引起山洪灾害重大事故，破坏下游农庄、桥梁、电力等设施，甚至还会给当地居民的人身财产安全构成极大的威胁。特别是各种严重灾害发生后，地面通信网络可能遭受破坏，无法及时将水文信息通报给外界。
发明内容
为了解决的现有技术存在的不足，本发明提供一种一种基于卫星三维定位的虚拟水文站及应用虚拟水文站进行水文数据获取的方法。
本发明的技术方案是：
一种水文数据获取方法，包括：
获取需要发送水文数据的V个GPS范围数据并存储在漂浮球内的存储模块中；
从待测的起始位置向待测河流中投放漂浮球，漂浮球沿水流流动过程中，通过GPS定位模块的通信电路实时或以设定时间间隔获取当前的GPS数据；
处理器将当前的GPS数据与存储模块中存储的GPS范围数据进行对比，如果落入存储的某个GPS范围数据内，则依次相隔设定的发送时间间隔通过北斗定位模块的通信电路向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据，所述水文数据包括通过GPS模块获取的当前位置的三维定位信息和时间信息。
所述需要发送水文数据的GPS范围数据按照河流流向顺序存储在存储模块中，处理器将当前的GPS数据与顺序存储在存储模块中的前W个GPS范围数据进行对比；所述W＜V，且W不小于1；
若当前的GPS数据范围已经发送三维定位信息完毕，则标记或删除该GPS范围数据，下一测得的GPS数据与该标记或删除GPS范围数据之后的W个GPS范围数据进行对比；直到发送完顺序存储的最后一个GPS数据范围对应的三维定位信息。
每隔设定的时钟校准时间，处理器获取GPS定位模块的时钟晶振电路产生的时钟信息和北斗定位模块获取的时钟晶振电路产生的时钟信息，同时计算北斗定位模块的时钟信息与处理器的时钟信息的差值A、北斗定位模块的时钟信息与GPS定位模块的时钟信息差值B、GPS定位模块的时钟信息与处理器模块的时钟信息的差值C，如果差值A、差值B、差值C中至少两个超出设定的时间阈值范围，则处理器通过北斗定位模块的通信电路发送校时请求信息给管理平台，管理平台通过北斗定位模块的通信电路发送当前标准时间给处理器，处理器根据该标准信息对处理器、北斗定位模块、GPS定位模块的时钟信息进行校准。
从所述待测的起始位置向河流中投放至少两个漂浮球；
每个漂浮球均向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据和当前漂浮球的ID编号；
管理平台对获取的同一发送点的每个ID编号的漂浮球的多个相邻数据的时间间隔进行计算，时间间隔相同或者在设定阈值范围内的三个相邻数据作为最终的有效水文数据。
获取所述水文数据后，通过水文数据获取当前位置河道流量，其步骤具体如下：
步骤1，建立需要监测长度的河流的河道三维数学模型；
a，根据已知条件和经验确定初始水位，以下游的水位为起点，然后根据河床的平均插值计算水位初值，将初始流速设为零；
b，基于连续性方程求解水位H；
c，网格边长0.5m，平面上采用非结构网格，垂直分层，建立三维河道表面的网格模型，坐标记为（x,y,z），其中x表示当前位置的横轴坐标，y表示当前位置纵轴坐标；z表示当前位置的水位；采用冻结法对河道边界进行处理；
步骤3，设置时间间隔T=t1-t2，根据获取的同一漂浮球测得的三组水文数据，计算当前漂浮球的漂浮速度；根据漂浮球的漂浮速度计算至少一个水流速度，并求得水流速度的平均值；
所述步骤2，根据测速仪的漂浮速度计算至少一个水流速度，并求得到的水流速度的平均值，具体包括：i，测速仪第一次发射定位信号时，并记录当前的位置d1和时间t1；ii，当测速仪到达指定位置时，第二次发射定位信号时，并记录当前的位置d2和时间t2；iii，根据得到的信息计算河道长度为，测速仪漂浮的时间为t=t2-t1，根据速度计算公式得到测速仪在所测河道内的漂浮速度为；vi，投放至少一个测速仪，重复上述过程，求测速仪在所测河道内的平均漂浮速度，该速度即为水流速度的平均值；
步骤3，根据河道数学模型和水流速度的平均值计算河道流量；
所述步骤3中，根据河道数学模型和水流速度的平均值计算河道流量，所监测长度的河道流量为，其中Q指的是河道流量，h1和h2为相应测点的水深度，v1和v2水流速度的平均值。
所述待测的起始位置，设置有漂浮球自动发射装置，所述漂浮球自动发射装置包括控制器和控制器上连接的自动投放装置，所述漂浮球自动发射装置的控制器上连接有北斗通信模块；
若管理平台接收不到待测河流中的所有漂浮球的信息，或者管理平台计算待测河流中的所有漂浮球在单位时间内行进的距离，假如当前待测河流中所有漂浮球在单位时间内行进的距离均低于设置的最低距离，则判断该条河流中所有的漂浮球均失效；
管理中心向漂浮球自动发射装置发送指令，漂浮球的控制器接收到指令后，控制自动投放装置对待测河流中重新投放漂浮球。
一种虚拟水文站，包括漂浮球，所述漂浮球包括球状壳体，所述球状壳体内部设置有处理器，处理器上连接有定位模块、电源模块、时钟模块、存储模块、天线，所述天线与定位模块的射频信号端连接，定位模块通过天线将三维定位信号和时间信息传输至管理平台。
所述定位模块包括GPS定位模块和北斗定位模块；
所述北斗定位模块包括处理器电路，处理器电路上连接用于北斗短报文双向通信的通信电路、用于为北斗定位模块提供时钟信息的时钟晶振电路、复位电路、存储电路；
所述GPS定位模块包括处理器电路，处理器电路上连接用于GPS定位导航的通信电路、用于为GPS定位模块提供时钟信息的时钟晶振电路、复位电路、存储电路。
所述球状壳体采用聚氨酯材质制成，定位模块、计时装置和电源包裹在聚氨酯材质内。相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明提高了水文监测能力，能够适应防灾减灾、水资源管理和水生态保护工作的需要，为水文信息系统的建设提供了科学的数据支持。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图2是本发明的方法流程图。
具体实施方式
本发明首先提供一种虚拟水文站，该虚拟水文站不依赖于现有需要铺设基站的通信系统，直接通过卫星进行信息的传递，可应用于环境偏僻无基站信号覆盖的区域。该虚拟水文站通过漂浮在河流中的漂浮球来实现。该漂浮球包括球状壳体，球状壳体内部设置有处理器，处理器上连接有定位模块、电源模块、时钟模块、存储模块、天线，其中天线与定位模块的射频信号端连接，定位模块通过天线将三维定位信号和时间信息传输至管理平台。该管理平台可选择水文监测站的服务器或者移动终端。
为了实现本发明应用于偏僻环境的需求，本发明的定位模块包括GPS定位模块和北斗定位模块。GPS定位模块精度可达到非常高的级别，方便进行数据的获取，而北斗定位模块可用于进行水文数据的远程传递。
上述北斗定位模块包括处理器电路，处理器电路上连接用于北斗短报文双向通信的通信电路、用于为北斗定位模块提供时钟信息的时钟晶振电路、复位电路、作为扩展存储的存储电路；GPS定位模块包括处理器电路，处理器电路上连接用于GPS定位导航的通信电路、用于为GPS定位模块提供时钟信息的时钟晶振电路、复位电路、作为扩展存储的存储电路。
球状壳体采用聚氨酯材质制成，定位模块、计时装置和电源包裹在聚氨酯材质内并进行密封，避免漏水导致的损坏。
本发明还提供一种应用上述的虚拟水文站进行水文数据获取的方法，包括：
ST1：由于河流长度很长，因此需要发送水文数据的点需要事先进行设定，该设定可依据待测河流的河流模型进行设定，也可进行实地探测获取。即首先获取需要发送水文数据的V个GPS范围数据并存储在漂浮球内的存储模块中；
ST2：从待测河流的投放起始位置向河流中投放漂浮球，漂浮球沿水流流动过程中，通过GPS定位模块的通信电路实时或以设定的时间间隔获取当前的GPS数据；
ST3：处理器将当前的GPS数据与存储模块中存储的GPS范围数据进行对比，如果落入存储的某个GPS范围数据内，则依次相隔设定的发送时间间隔通过北斗定位模块的通信电路向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据，该水文数据包括通过GPS模块获取的当前位置的三维定位信息和时间信息。
上述的ST1中，由于漂浮球是按照水流漂浮的，因此需要发送水文数据的发送点：即GPS范围数据，按照河流流向顺序存储在存储模块中，处理器将当前的GPS数据与顺序存储在存储模块中的前W（W＜V，且W不小于1）个GPS范围数据进行对比：
若当前的GPS数据范围已经发送三维定位信息完毕，则标记或删除该GPS范围数据，下一测得的GPS数据与该标记或删除GPS范围数据之后的W个GPS范围数据进行对比；直到发送完顺序存储的最后一个GPS数据范围对应的三维定位信息。该操作能够避免每次对发送点进行确定时，均需将所有的GPS数据范围进行比对造成的运算冗余。
由于晶振的内部元件精度问题和不同厂家生产的晶振的质量问题，长时间的运行下，时钟信息可能不准确，因此，为了使漂浮球发送的时间信息更加标准，需要对漂浮球的时钟进行校正，每隔设定的时钟校准时间，处理器获取GPS定位模块的时钟晶振电路产生的时钟信息和北斗定位模块获取的时钟晶振电路产生的时钟信息，同时计算北斗定位模块的时钟信息与处理器的时钟信息的差值A、北斗定位模块的时钟信息与GPS定位模块的时钟信息差值B、GPS定位模块的时钟信息与处理器模块的时钟信息的差值C，如果差值A、差值B、差值C中至少两个超出设定的时间阈值范围，则处理器通过北斗定位模块的通信电路发送校时请求信息给管理平台，管理平台通过北斗定位模块的通信电路发送当前标准时间给处理器，处理器根据该标准信息对处理器、北斗定位模块、GPS定位模块的时钟信息进行校准。
由于河道情况复杂，漂浮球在漂浮过程中可能损坏或者停在某个范围内不在前进，因此从所述待测的起始位置投放时，需要向河流中投放多个漂浮球，或者在漂浮球出现故障无法进行测量时，进行漂浮球的补充投放。
投放多个漂浮球时，每个漂浮球均向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据和当前漂浮球的ID编号；管理平台对获取的同一发送点的每个ID编号的漂浮球的多个相邻数据的时间间隔进行计算，时间间隔相同或者在设定阈值范围内的三个相邻数据作为最终的有效水文数据。
同样由于河道情况复杂，有可能出现漂浮球全部无法前进或者全部损坏的情况，此时，在待测的起始位置，设置漂浮球自动发射装置，漂浮球自动发射装置包括控制器和控制器上连接的自动投放装置，漂浮球自动发射装置的控制器上连接有北斗通信模块；上述的自动投放装置选用现有的自动投放类的装置，例如用于自动投放球类的自动投球器等。该装置至少包括用于盛放漂浮球的箱体，箱体底部为便于漂浮球向出口处运动的斜坡形状，箱体内部设置供漂浮球向外发射的通道，该通道处还设置通过控制器控制开合的挡板，在挡板打开时，通道打开，漂浮球进入通道发射出箱体外的河流。
若管理平台接收不到待测河流中的所有漂浮球的信息，或者管理平台计算待测河流中的所有漂浮球在单位时间内行进的距离，假如当前待测河流中所有漂浮球在单位时间内行进的距离均低于设置的最低距离，则判断该条河流中所有的漂浮球均失效；管理中心向漂浮球自动发射装置发送指令，漂浮球的控制器接收到指令后，控制自动投放装置对待测河流中重新投放漂浮球。
本发明应用上述的水文数据进行水文流量的测量包括以下步骤：
获取所述水文数据后，通过水文数据获取当前位置河道流量，其步骤具体如下：
步骤1，建立需要监测长度的河流的河道三维数学模型；
a，根据已知条件和经验确定初始水位，以下游的水位为起点，然后根据河床的平均插值计算水位初值，将初始流速设为零；
b，基于连续性方程求解水位H；
c，网格边长0.5m，平面上采用非结构网格，垂直分层，建立三维河道表面的网格模型，坐标记为（x,y,z），其中x表示当前位置的横轴坐标，y表示当前位置纵轴坐标；z表示当前位置的水位；采用冻结法对河道边界进行处理；
步骤3，设置时间间隔T=t1-t2，根据获取的同一漂浮球测得的三组水文数据，计算当前漂浮球的漂浮速度；根据漂浮球的漂浮速度计算至少一个水流速度，并求得水流速度的平均值；
所述步骤2，根据测速仪的漂浮速度计算至少一个水流速度，并求得到的水流速度的平均值，具体包括：i，测速仪第一次发射定位信号时，并记录当前的位置d1和时间t1；ii，当测速仪到达指定位置时，第二次发射定位信号时，并记录当前的位置d2和时间t2；iii，根据得到的信息计算河道长度为，测速仪漂浮的时间为t=t2-t1，根据速度计算公式得到测速仪在所测河道内的漂浮速度；vi，投放至少一个测速仪，重复上述过程，求测速仪在所测河道内的平均漂浮速度，该速度即为水流速度的平均值；
步骤3，根据河道数学模型和水流速度的平均值计算河道流量；
所述步骤3中，根据河道数学模型和水流速度的平均值计算河道流量，所监测长度的河道流量为，其中Q指的是河道流量，h1和h2为相应测点的水深度，v1和v2水流速度的平均值。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种水文数据获取方法，其特征在于：包括：
获取需要发送水文数据的V个GPS范围数据并存储在漂浮球内的存储模块中；
从待测的起始位置向待测河流中投放漂浮球，漂浮球沿水流流动过程中，通过GPS定位模块的通信电路实时或以设定时间间隔获取当前的GPS数据；
处理器将当前的GPS数据与存储模块中存储的GPS范围数据进行对比，如果落入存储的某个GPS范围数据内，则依次相隔设定的发送时间间隔通过北斗定位模块的通信电路向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据，所述水文数据包括通过GPS模块获取的当前位置的三维定位信息和时间信息；
所述需要发送水文数据的GPS范围数据按照河流流向顺序存储在存储模块中，处理器将当前的GPS数据与顺序存储在存储模块中的前W个GPS范围数据进行对比；所述W＜V，且W不小于1；
若当前的GPS数据范围已经发送三维定位信息完毕，则标记或删除该GPS范围数据，下一测得的GPS数据与该标记或删除GPS范围数据之后的W个GPS范围数据进行对比；直到发送完顺序存储的最后一个GPS数据范围对应的三维定位信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
每隔设定的时钟校准时间，处理器获取GPS定位模块的时钟晶振电路产生的时钟信息和北斗定位模块获取的时钟晶振电路产生的时钟信息，同时计算北斗定位模块的时钟信息与处理器的时钟信息的差值A、北斗定位模块的时钟信息与GPS定位模块的时钟信息差值B、GPS定位模块的时钟信息与处理器模块的时钟信息的差值C，如果差值A、差值B、差值C中至少两个超出设定的时间阈值范围，则处理器通过北斗定位模块的通信电路发送校时请求信息给管理平台，管理平台通过北斗定位模块的通信电路发送当前标准时间给处理器，处理器根据该标准信息对处理器、北斗定位模块、GPS定位模块的时钟信息进行校准。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
从所述待测的起始位置向河流中投放至少两个漂浮球；
每个漂浮球均向管理平台发送至少三组当前漂浮球测得的水文数据和当前漂浮球的ID编号；
管理平台对获取的同一发送点的每个ID编号的漂浮球的多个相邻数据的时间间隔进行计算，时间间隔相同或者在设定阈值范围内的三个相邻数据作为最终的有效水文数据。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于：
获取所述水文数据后，通过水文数据获取当前位置河道流量，其步骤具体如下：
步骤1：建立需要监测长度的河流的河道三维数学模型；
a，根据已知条件和经验确定初始水位，以下游的水位为起点，根据河床的平均插值计算水位初值，将初始流速设为零；
b，基于连续性方程求解水位H；
c，网格边长0.5m，平面上采用非结构网格，垂直分层，建立三维河道表面的网格模型，坐标记为（x,y,z），其中x表示当前位置的横轴坐标，y表示当前位置纵轴坐标；z表示当前位置的水位；采用冻结法对河道边界进行处理；
步骤2：设置时间间隔T=t1-t2，根据获取的同一漂浮球测得的三组水文数据，计算当前漂浮球的漂浮速度；根据漂浮球的漂浮速度计算至少一个水流速度，并求得水流速度的平均值；
所述步骤2中，根据测速仪的漂浮速度计算至少一个水流速度，并求得到的水流速度的平均值，具体包括：
测速仪第一次发射定位信号时，记录当前的位置d1和时间t1；
当测速仪到达指定位置时，第二次发射定位信号，同时记录当前的位置d2和时间t2；
根据得到的信息计算河道长度为，测速仪漂浮的时间为t=t2-t1，根据速度计算公式得到测速仪在所测河道内的漂浮速度；
投放至少一个测速仪，重复上述过程，求测速仪在所测河道内的平均漂浮速度，该速度即为水流速度的平均值；
步骤3：根据河道数学模型和水流速度的平均值计算河道流量；
所述步骤3中，根据河道数学模型和水流速度的平均值计算河道流量，所监测长度的河道流量为，其中Q指的是河道流量，h1和h2为相应测点的水深度，v1和v2为水流速度的平均值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：
所述待测的起始位置，设置有漂浮球自动发射装置，所述漂浮球自动发射装置包括控制器和控制器上连接的自动投放装置，所述漂浮球自动发射装置的控制器上连接有北斗通信模块；
若管理平台接收不到待测河流中的所有漂浮球的信息，或者管理平台计算待测河流中的所有漂浮球在单位时间内行进的距离，假如当前待测河流中所有漂浮球在单位时间内行进的距离均低于设置的最低距离，则判断该条河流中所有的漂浮球均失效；
管理中心向漂浮球自动发射装置发送指令，漂浮球的控制器接收到指令后，控制自动投放装置对待测河流中重新投放漂浮球。
6.一种应用权利要求1~5任一项所述的方法的一种虚拟水文站，其特征在于：包括漂浮球，所述漂浮球包括球状壳体，所述球状壳体内部设置有处理器，处理器上连接有定位模块、电源模块、时钟模块、存储模块、天线，所述天线与定位模块的射频信号端连接，定位模块通过天线将三维定位信号和时间信息传输至管理平台。
7.根据权利要求6所述的一种虚拟水文站，其特征在于：所述定位模块包括GPS定位模块和北斗定位模块；
所述北斗定位模块包括处理器电路，处理器电路上连接用于北斗短报文双向通信的通信电路、用于为北斗定位模块提供时钟信息的时钟晶振电路、复位电路、存储电路；
所述GPS定位模块包括处理器电路，处理器电路上连接用于GPS定位导航的通信电路、用于为GPS定位模块提供时钟信息的时钟晶振电路、复位电路、存储电路。
8.根据权利要求6所述的一种虚拟水文站，其特征在于：所述球状壳体采用聚氨酯材质制成，定位模块、计时装置和电源包裹在聚氨酯材质内。
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