CN111122816B - 基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法 - Google Patents

基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法，该系统包括包括在线采集装置和后台预警平台；在线采集装置悬浮于待测水体中，包括理化指标检测模板与图像采集模块，理化指标检测模块用于采集待测水体的水质理化指标，图像采集模块用于采集待测水体的水中图像；后台预警平台将各水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定待测水体的富营养化程度，结合水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据爆发风险等级进行水华预警。通过水质理化指标自动在线监测，结合图像识别技术，在实现准确预测水华的同时，降低了人力时间成本，可广泛应用于河流、湖泊、水库等水源监测地，具有较高的实际使用价值。

Description

基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法。
背景技术
“水华”又称为水体富营养化，它是由于水体受到污染，引起某些藻类爆发性繁殖，致使水体颜色发生变化，并在水面形成或薄或厚的藻类漂浮物的现象。引起水华的藻类大多为蓝藻，还有绿藻、裸藻和硅藻等。它既是水污染的明显表现，又是水污染的进一步恶化，造成水体缺氧，导致水生动物窒息死亡；同时有些藻类产生藻毒素，造成水生动物甚至人、畜等中毒，最终使水环境系统收到破坏。
目前“水华”的预测大多是基于水体理化参数进行实地监测，在“水华”现象出现前进行预测，从而提前采取适当整治措施避免大规模爆发。由于水华生成周期较短，从开始生长到完全爆发通常只需要几天时间，因此为了保证预警效果，需要派专门工作人员频繁进行实地监测，例如每间隔两天需要工作人员到现场监测，人力时间成本高，无法保证预警稳定性。
发明内容
本发明提供的基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法，主要解决的技术问题是：降低人力时间成本，保证预警稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统，包括在线采集装置和后台预警平台；
所述在线采集装置悬浮于待测水体中，包括理化指标检测模板与图像采集模块，所述理化指标检测模块用于采集所述待测水体的水质理化指标，所述图像采集模块用于采集所述待测水体的水中图像，并将所述水质理化指标与所述水中图像传输给所述后台预警平台；所述水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；
所述后台预警平台接收所述水质理化指标与所述水中图像，将各所述水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定所述待测水体的富营养化程度，结合所述水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据所述爆发风险等级进行水华预警。
可选的，所述在线采集装置还包括白色壳体，所述白色壳体包括上层的密封舱和下层的沉水舱；所述沉水舱侧壁相对位置分别设置一开槽，作为进水口和出水口，所述理化指标检测模块设置于所述沉水舱内，所述图像采集模块设置于所述密封舱中，用于采集进入所述沉水舱内的待测水体。
可选的，所述沉水舱内还设置有环境亮度传感器，用于采集所述沉水舱内内的环境亮度；所述密封舱内还设置有控制模块和照明模块，所述控制模块用于在所述图像采集模块采集所述沉水舱内的水中图像之前，根据所述环境亮度传感器反馈的环境亮度，调节所述照明模块的光照强度，使得所述沉水舱内的环境亮度保持在设定环境亮度。
可选的，所述在线采集装置还包括设置于所述密封舱上端的太阳能供电模块，用于对所述理化指标检测模块、所述图像采集模块、所述控制模块、所述照明模块以及所述环境亮度传感器进行供电。
可选的，所述在线采集装置还包括设置于所述沉水舱底部的稳定部件。
可选的，所述在线采集装置还包括无线传输模块，用于与所述后台预警平台通讯连接。
可选的，所述色彩相似度基于如下方式确定：
分析计算所述水中图像的平均RGB值，将其与各所述参考老水图像的平均RGB值进行相似度计算，得到所述色彩相似度。
可选的，所述确定所述待测水体的富营养化程度，结合所述水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级包括：
在所述富营养化程度达到设定富营养化等级，且所述色彩相似度达到设定色彩相似度阈值时，判定水华爆发风险等级为高风险。
可选的，所述将各所述水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定所述待测水体的富营养化程度包括：
在各所述水质理化指标均达到所述对应的设定阈值时，确定所述待测水体的富营养化程度达到所述设定富营养化等级。
本发明还提供一种基于在线监测与图像识别相结合的水华预警方法，包括：
采集所述待测水体的水质理化指标以及水中图像，所述水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；
将各所述水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定所述待测水体的富营养化程度，结合所述水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据所述爆发风险等级进行水华预警。
本发明的有益效果是：
根据本发明提供的一种基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统及方法，该系统包括包括在线采集装置和后台预警平台；在线采集装置悬浮于待测水体中，包括理化指标检测模板与图像采集模块，理化指标检测模块用于采集所述待测水体的水质理化指标，图像采集模块用于采集待测水体的水中图像，并将水质理化指标与水中图像传输给后台预警平台；水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；后台预警平台接收水质理化指标与水中图像，将各水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定待测水体的富营养化程度，结合水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据爆发风险等级进行水华预警。通过水质理化指标自动在线监测，结合图像识别技术，在水华现象出现前进行预警，在实现准确预测的同时，降低了人力时间成本，可广泛应用于河流、湖泊、水库等水源监测地，具有较高的实际使用价值。
附图说明
图1为本发明实施例一的基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统结构示意图；
图2为本发明实施例一的在线采集装置结构示意图；
图3为本发明实施例二的基于在线监测与图像识别相结合的水华预警方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
请参见图1，图1为本实施例的基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统结构示意图，该水华预警系统包括在线采集装置10和后台预警平台20；
在线采集装置10悬浮于待测水体中，请参见图2，包括理化指标检测模板11与图像采集模块12。其中，理化指标检测模块11用于采集待测水体的水质理化指标，图像采集模块12用于采集待测水体的水中图像，并将水质理化指标与水中图像传输给后台预警平台20。实现了水质理化指标的自动在线采集，无需工作人员到待测水体现场采集，提高了工作效率，同时降低了人力时间成本。
水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；或者仅包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度这四个指标。
后台预警平台20接收在线采集装置10发送的水质理化指标与水中图像，并将各水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定待测水体的富营养化程度，结合水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据爆发风险等级进行水华预警。通过将待测水体的水质理化指标与图像识别相结合，使得可以更精确地对水华现象进行预测，提高准确性。
为了实现水质理化指标与水中图像的自动在线监测，在线采集装置10具体还包括一白色壳体13，请继续参见图2，白色壳体13用于容纳理化指标检测模块11和图像采集模块12。另外，白色壳体13可以保证图像采集模块12在拍摄水中图像时，便于观察水体颜色变化，降低外界环境、倒影等壳体内造成干扰。
白色壳体13分为上下两层，其中上层为密封舱，下层为沉水舱，密封舱用于设置图像采集模块12，图像采集模块12镜头投过密封舱与沉水舱之间的透明隔板，采集下方沉水舱中的水中图像。理化指标检测模块11设置于沉水舱内，以实现水质理化指标的在线自动检测。
沉水舱设置至少设置一开孔或者开槽，用于水体进入到沉水舱内；可选的，为了保证水体流通，使得采集的水质理化指标和水中图像更能真实反映待测水体特性，可在沉水舱侧壁相对位置分别设置一开槽(也可称之为开孔)，即设置两个开槽，位置相对，以作为进水口和出水口，保证水体流通。可选的，进水口和出水口设置在沉水舱上端，靠近密封舱的位置，但应保证密封舱密封不进水。应当理解，进水口和出水口的位置和设置数量可以灵活确定。
为了避免不同时刻采集的水中图像由于环境亮度差异所带来的的色差影响，提高预测准确性，在本发明的其他实施例中，沉水舱内还设置有环境亮度传感器，用于采集沉水舱内内的环境亮度；密封舱内还设置有控制模块和照明模块，控制模块用于在图像采集模块12采集沉水舱内的水中图像之前，根据环境亮度传感器反馈的环境亮度，调节照明模块的光照强度，使得沉水舱内的环境亮度保持在设定环境亮度。保证了每一次图像采集的外界环境亮度是相同的。
应当理解，图像采集模块12可以按照设定时间间隔对待测水体进行拍摄，例如每间隔12小时、每间隔1天，每间隔2天等；控制模块控制图像采集模块12在设定时间间隔达到时，将沉水舱中环境亮度调节至设定环境亮度，进而触发图像采集模块12采集水中图像，并发送给后台预警平台。可选的，在线采集装置10还包括无线传输模块，用于与后台预警平台通讯连接。例如，4G/5G模块。
当环境亮度传感器反馈当前沉水舱中环境亮度较低，未达到设定环境亮度值时，控制模块控制照明模块开启，并逐渐增大光照亮度，直到环境亮度传感器反馈的亮度达到该设定环境亮度值；此时，控制模块控制图像采集模块12采集沉水舱中的水中图像；待水中图像采集完成后，控制模块控制照明模块关闭，同时还可以控环境亮度传感器关闭，减少电量消耗。
在本发明的其他实施例中，在线采集装置10还包括设置于密封舱上端的太阳能供电模块14，通过将太阳能转化为电能并存储，继续参见图2，用于对理化指标检测模块11、图像采集模块12、控制模块、照明模块以及环境亮度传感器进行供电；无需设置供电线缆，提高了水华预警系统的实用性。
为了提高水华预警系统对户外暴风暴雨等恶劣环境的适应能力，在线采集装置10还包括设置于沉水舱底部的稳定部件，保证在暴风雨等极端条件下保持正常悬浮不倾倒。其中，稳定部件可以选择质量密度相对较大的材质，例如铁；稳定部件的总量可根据密封舱的浮力大小灵活设置，至少保证在线采集装置能够悬浮在水面上。可选的，稳定部件可设置于锥形或者椭球型等。
后台预警平台20将各水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定待测水体的富营养化程度，以水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度为例，设定PH阈值为8～9，设定溶解氧浓度Do阈值为大于等于2mg/L，设定氮元素N浓度为0.1～45mg/L，设定磷元素P浓度0.009～45mg/L，且N:P浓度比为4:1～124:1；若采集得到的各类水质理化指标均处于对应设定阈值范围内，确定待测水体的富营养化程度达到设定富营养化等级，也表明了当前水质爆发水华的可能性极高。对应的，若存在某些或者全部理化指标未达到设定阈值，则确定待测水体未达到设定富营养化等级，表明爆发水华的可能性较低。
后台预警平台20还基于图像识别技术，结合当前水中图像色彩情况，对待测水体爆发水华的概率进行综合考虑，提高预测准确性。具体的，后台预警平台20分析计算图像采集模块12采集的水中图像的平均RGB值，将其与各参考老水图像的平均RGB值进行相似度计算，得到色彩相似度；在待测水体的富营养化程度达到设定富营养化等级，且色彩相似度达到设定色彩相似度阈值时，判定水华爆发风险等级为高风险，进而触发自动预警。
可选的，后台预警平台20可以针对所获取水中图像的所有像素点或者某些特定像素点，进行加权平均处理，得到平均RGB值，将其与各参考老水图像的平均RGB值进行相似度计算，得到色彩相似度。其中参考老水图像可能存在多张，例如嫩绿色、铜绿色、暗绿色、绿色、灰绿色、绿褐色、绿黄色、蓝色等老水图像，不同色彩的老水图像对应得到一参考平均RGB值。
例如，待测水中图像的平均RGB值为R1G1B1，其中一张参考老水图像对应的平均RGB值为R2G2B2，通过如下公式计算得到色彩相似度S：
Figure BDA0002345606750000061
当然，完全可以采用现有其他任意方式计算待测水中图像与参考老水图像之间的色彩相似度。
将待测水中图像分别与库中预先存储的各参考老水图像进行色彩相似度计算，选择色彩相似度最大的参考老水，确定其是否达到设定色彩相似度阈值，如果达到，则表明当前水体色彩与老水色彩相似或相近，表明当前水体存在初始的水华生产现象，进而触发预警。若待测水中图像与最相似的参考老水图像之间，相似度仍未达到设定相似度阈值，表明待测水体当前水体色彩未发生较大变化，处于正常状态，故而不进行预警。
进一步的，在对待测水体进行水华预警时，还可根据与待测水中图像最相似的老水图像，确定当前水体发生水华的藻类型；例如，与嫩绿色老水最相似，表明最有可能是绿藻和硅藻；与灰绿色老水最相似，表明最有可能是裸藻；与蓝色老水最相似，表明最有可能是蓝藻等。
根据本实施例提供的基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统，包括在线采集装置和后台预警平台；在线采集装置悬浮于待测水体中，包括理化指标检测模板与图像采集模块，理化指标检测模块用于采集所述待测水体的水质理化指标，图像采集模块用于采集待测水体的水中图像，并将水质理化指标与水中图像传输给后台预警平台；水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；后台预警平台接收水质理化指标与水中图像，将各水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定待测水体的富营养化程度，结合水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据爆发风险等级进行水华预警。通过水质理化指标自动在线监测，结合图像识别技术，在水华现象出现前进行预警，在实现准确预测的同时，降低了人力时间成本，可广泛应用于河流、湖泊、水库等水源监测地，具有较高的实际使用价值。
实施例二：
本实施例在上述实施例一的基础上，提供一种基于上述水华预警系统所实现的水华预警方法，请参见图,3，该方法主要包括如下步骤：
S301、采集所述待测水体的水质理化指标以及水中图像，所述水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种。
S302、将各水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定待测水体的富营养化程度，结合水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据爆发风险等级进行水华预警。
具体请参见上述实施例一的描述，在此不再赘述。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在计算机存储介质(ROM/RAM、磁碟、光盘)中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。所以，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统，其特征在于，包括在线采集装置和后台预警平台；所述在线采集装置悬浮于待测水体中，包括理化指标检测模块与图像采集模块，所述理化指标检测模块用于采集所述待测水体的水质理化指标，所述图像采集模块用于采集所述待测水体的水中图像，并将所述水质理化指标与所述水中图像传输给所述后台预警平台；所述水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；所述后台预警平台接收所述水质理化指标与所述水中图像，将各所述水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定所述待测水体的富营养化程度，结合所述水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据所述爆发风险等级进行水华预警；所述在线采集装置还包括白色壳体，所述白色壳体包括上层的密封舱和下层的沉水舱；所述沉水舱侧壁相对位置分别设置一开槽，作为进水口和出水口，所述理化指标检测模块设置于所述沉水舱内，所述图像采集模块设置于所述密封舱中，用于采集进入所述沉水舱内的待测水体；所述沉水舱内还设置有环境亮度传感器，用于采集所述沉水舱内的环境亮度；所述密封舱内还设置有控制模块和照明模块，所述控制模块用于在所述图像采集模块采集所述沉水舱内的水中图像之前，根据所述环境亮度传感器反馈的环境亮度，调节所述照明模块的光照强度，使得所述沉水舱内的环境亮度保持在设定环境亮度；所述在线采集装置还包括设置于所述密封舱上端的太阳能供电模块，用于对所述理化指标检测模块、所述图像采集模块、所述控制模块、所述照明模块以及所述环境亮度传感器进行供电；所述在线采集装置还包括设置于所述沉水舱底部的稳定部件；所述在线采集装置还包括无线传输模块，用于与所述后台预警平台通讯连接；所述色彩相似度基于如下方式确定：分析计算所述水中图像的平均RGB值，将其与各所述参考老水图像的平均RGB值进行相似度计算，得到所述色彩相似度；所述确定所述待测水体的富营养化程度，结合所述水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级包括：在所述富营养化程度达到设定富营养化等级，且所述色彩相似度达到设定色彩相似度阈值时，判定水华爆发风险等级为高风险；所述将各所述水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定所述待测水体的富营养化程度包括：在各所述水质理化指标均达到所述对应的设定阈值时，确定所述待测水体的富营养化程度达到所述设定富营养化等级。
2.一种基于权利要求1所述的基于在线监测与图像识别相结合的水华预警系统的水华预警方法，其特征在于，包括以下步骤：采集待测水体的水质理化指标以及水中图像，所述水质理化指标包括PH值、溶解氧浓度、氮元素浓度以及磷元素浓度中的至少一种；将各所述水质理化指标与对应的设定阈值进行比较，确定所述待测水体的富营养化程度，结合所述水中图像与参考老水图像的色彩相似度，评估水华爆发风险等级，根据所述爆发风险等级进行水华预警。
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