CN113960275B - 一种流域水生态环境监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流域水生态环境监测系统，通过固定在水域基底上的支架进行水域环境监测，水上检测部分中的摄像机通过图像处理提取出水域的水体颜色和水岸线，从而检测出水体是否存在富营养化、藻类富集等现象，同时通过采集水岸线检测是否存在水土流失、岸基消退等现象；支架下方的水体检测部分通过负压产生器和水体采样管对水体进行采用，利用多种传感器检测水体的无机物浓度、透光率、PH值、含氧量等参数，对水体本身的指令进行自动检测；同时太阳能供电，可以长时间使用，检测的数据通过通信模块远程发送，使用便利；本发明可以对流域的近岸的水生态环境进行有效检测，可以对近岸水生态的保护和改善提供支撑数据。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测领域，具体是一种流域水生态环境监测系统。
背景技术
人类社会诞生发展于河流生态系统，河流、湖泊与人类的生活和发展息息相关，为人类提供了丰富的生态服务。然而近年来，由于流域经济的快速发展和人类不合理的资源开发和利用，湖泊生态系统承受的外部压力不断增加，生态系统呈现逐渐退化的趋势，环境问题日益突出。流域环境问题在一定程度上已经严重威胁到人类的身体健康和社会经济的可持续发展，提出适宜的生态环境整治方案是解决上述问题的有效手段和前提。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种流域水生态环境监测系统，能够对流域近岸的水生态环境进行监测，从而为流域水生态环境的保护和改善提供支撑数据。
本发明的一种流域水生态环境监测系统，包括支架、水上检测部分和水体检测部分；
水上检测部分设置在支架上，包括运算控制主机、摄像头、超声波液位计和通信模块，摄像头、超声波液位计和通信模块均与运算控制主机连接；
水体检测部分包括漂浮体、控制器、含氧量传感器、PH传感器和电导率传感器，漂浮体内部设有透明的水体采样管，水体采样管的两侧分别设有光通道，光通道的两端分别设有射灯和光线传感器，水体采样管的一端穿透并设置在漂浮体的底部，水体采样管的另一端设有负压产生器；含氧量传感器、PH传感器和电导率传感器的探头设置在水体采样管的内壁上；射灯、光线传感器、含氧量传感器、PH传感器和电导率传感器均与控制器连接；
主控制器连接至运算控制主机；
支架的底部边缘设有多根立杆，立杆插入并固定在水域基底上，漂浮体设置在支架下方并限制在多根立杆之间；
摄像头用于采集流域水体图像，并发送至运算控制主机分析水岸线和水体颜色，分析过程包括：
(1)将获取的RGB图像进行二值化处理，获得灰阶图像；
(2)对水岸线进行轮廓提取，逐行和逐列扫描像素点，并计算像素的梯度，并与预设的梯度阈值进行对比，像素梯度大于梯度阈值时将该像素定义为轮廓像素；
(3)当多个轮廓像素从图像的一个边缘延续至图像的另一个边缘，即将其定义为水岸轮廓，计算水岸轮廓两侧图像的像素值均匀度，均匀度较高的一侧为水域图像；
(4)将图像还原为RGB图像，并提取水域部分的颜色并与标准值进行对比，判断水域颜色是否正常。
进一步地，所述支架的顶部设有太阳能供电模块，太阳能供电模块通过电缆与水上检测部分和水体检测部分连接。
进一步地，所述水体采样管竖直设置，所述负压产生器包括横向的负压腔和直线电机，负压腔与所述水体采样管的另一端密封连接，负压腔内设有活塞，直线电机的活动轴与活塞固定连接。
进一步地，所述射灯采用光线波长为560-720nm的单色光灯管。
进一步地，所述光通道的内部镀有聚光涂层。
本发明的有益效果是：本发明的一种流域水生态环境监测系统，通过固定在水域基底上的支架进行水域环境监测，水上检测部分中的摄像机通过图像处理提取出水域的水体颜色和水岸线，从而检测出水体是否存在富营养化、藻类富集等现象，同时通过采集水岸线检测是否存在水土流失、岸基消退等现象；支架下方的水体检测部分通过负压产生器和水体采样管对水体进行采用，利用多种传感器检测水体的无机物浓度、透光率、PH值、含氧量等参数，对水体本身的指令进行自动检测；同时太阳能供电，可以长时间使用，检测的数据通过通信模块远程发送，使用便利；本发明可以对流域的近岸的水生态环境进行有效检测，可获得多种参数且可以远程数据采集，可以对近岸水生态的保护和改善提供支撑数据。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图：
图1为本发明的物理结构示意图；
图2为本发明的内部检测和控制结构示意图；
图3为本发明的流域图像的处理和判断流程图；
附图标记如下：1-支架、11-设备平台、12-立杆；2-漂浮体、21-水体采样管、22-光通道、221-射灯、222-光线传感器、23-活塞、24-直线电机、25-含氧量传感器、26-PH传感器、27-电导率传感器、3-太阳能供电模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1-图3所示：本实施例的一种流域水生态环境监测系统，包括支架1、水上检测部分和水体检测部分；
支架1的顶部为设备平台11，水上检测部分安装在设备平台11上，支架1的底部边缘设有多个立杆12，水体检测部分设置在之间之间，设备平台11之下。
水上检测部分包括运算控制主机、摄像头、超声波液位计和通信模块，摄像头、超声波液位计和通信模块均与运算控制主机连接；具体地，通信模块采用4G模块，型号为EC20；摄像头通过支架1安装在设备平台11顶部，并朝向水岸线，采集带有水岸线的图像；超声波液位计设置在设备平台11的底部，朝向水面，利用超声波遇水反射计算液位；
水体检测部分包括漂浮体2、控制器、含氧量传感器25、PH传感器26和电导率传感器27；
漂浮体2采用树脂外壳+发泡材料填充结构，漂浮体2内部设有竖直的且透明的水体采样管21，水体采样管21的两侧分别设有光通道22，光通道22镀铬以聚集灯光，光通道22的两端分别设有射灯221和光线传感器222，射灯221产生的光线透过水体采样管21内部的水体后，由光线传感器222接收，射灯221采用光线波长为560-720nm的单色光灯管，产生的560-720nm的光线容易被水体中的杂质吸收；对比穿透前后的光强即可获得透光率，透光率是用于检测水体清澈度的重要参数，透光率越高，则说明水质越清澈，透光率在90％以上时，水质较好。
水体采样管21的一端穿透并设置在漂浮体2的底部，水体采样管21的另一端设有负压产生器，所述负压产生器包括横向的负压腔和直线电机24，负压腔与所述水体采样管21的另一端密封连接，负压腔内设有活塞23，直线电机24的活动轴与活塞23固定连接，通过直线电机24带动活塞23，即可在负压腔内产生负压，进而将水吸入至水体采样管21中进行水体检测。
检测项目包括含氧量、PH值和无机物浓度，因此将含氧量传感器25、PH传感器26和电导率传感器27的探头设置在水体采样管21的内壁上，水体被吸入至水体采样管21内时即可进行检测，检测完毕时，将水排出，避免水体长时间浸泡传感器探头产生损坏；
射灯221、光线传感器222、含氧量传感器25、PH传感器26和电导率传感器27均与控制器连接，主控制器连接至运算控制主机；
支架1的底部边缘设有多根立杆，立杆插入并固定在水域基底上，漂浮体2设置在支架1下方并限制在多根立杆之间，从而保证漂浮体2被限制在支架1内部，采用漂浮体2可以避免水进入至控制器电路或者传感器电路中，引起电路短路。
由于水体采集后颜色会稀释，因此在水体采样管21中的水体颜色不能作为水域的颜色，水域的颜色能够反映很多问题，比如：
1、黄褐色水质(包括褐色水、褐绿色水)：此种颜色的水体中所含的藻类以硅藻门、绿藻门的藻类为主。硅藻是许多水生动物及其幼体的优质饵料。当硅藻大量繁殖时，水体的颜色呈黄褐色，该种水色是养鱼的上好水色。
2、黄绿色水、草绿色水：此种颜色的水体中所含的藻类主要以绿藻门的藻类为主，如球藻、新朋藻、多芒藻等藻类。一般情况下，生长绿藻的水体颜色呈黄绿色，绿藻繁殖较多时水色呈鲜绿色。绿藻可以大量吸收氮肥，起到净化水体的作用，所以以绿藻为主的水体是较稳定的，是养殖者所期望的水色。
3、黑绿色水：此种水色的水体在天气较热时，池塘的下风处常浮有一层绿膜，这说明水体中的浮游植物较多。水体中所生长的浮游植物以裸藻门的藻类(如双鞭藻、棘刺囊裸藻等)为主，这是鱼类不易消化的藻类品种。
4、红棕色水：池水在阳光照射下呈红棕色，且藻类在水中分布不均匀，成团成缕。此种颜色的水体中含有大量甲藻门的藻类，如裸甲藻、多甲藻等。当它们大量繁殖时水色呈酱油色，是水质变坏的标志。
5、翠绿色水当水体的颜色呈翠绿色时，水体的透明度降低。当水温升高时，在池塘四周(尤其在下风处)的水面上浮有一层翠绿色的浮膜。此种颜色的水体中常常含有大量的蓝藻(主要种类为铜绿微囊藻、不定微囊藻等藻类)，该水色是水质老化的标志。
因此，本实施例中，通过摄像头用于采集流域水体图像，并发送至运算控制主机分析水岸线和水体颜色，通过图像处理技术分析水质，分析过程包括：
S1、将获取的RGB图像进行二值化处理，获得灰阶图像，RGB转灰阶图像的公式为：gray＝R*0.3+G*0.59+B*0.11；转换后的灰阶图像进行处理和运算时效率更高；
S2、对水岸线进行轮廓提取，逐行扫描像素点，并计算像素在从左往右进行扫描时的一维梯度，即T(A1)＝gray(A1)-gray(A2),A1和A2为相邻的两个像素点，T(A1)为A1像素的一维梯度值，并与预设的梯度阈值进行对比，删选出属于一般情况下图像中水域和岸边存在的灰度值差值，像素梯度大于梯度阈值时将该像素定义为轮廓像素；
然后按照上述过程逐列扫描，同样获得一维梯度，将逐行和逐列扫描获得的结果结合获得二维平面上的轮廓像素，结合过程采用或算法，即该像素在逐行扫描或者逐列扫描中被定义为轮廓像素时，即将该像素定义为二维平面上的轮廓像素；
此时提取出的轮廓像素大部分为用于描述水岸线的轮廓像素，但是还是会存在许多杂乱的像素点满足上述筛选条件；
S3、因此，这里规定当多个轮廓像素在二维平面上从图像的一个边缘延续至图像的另一个边缘，即将其定义为水岸轮廓，例如拍摄的水岸线是竖直的，轮廓像素需要从图像的顶部延续至底部时即可推断该位于上述连续线上的像素点为轮廓像素，构成的为水岸线轮廓；然后计算水岸轮廓两侧图像的像素值均匀度，均匀度较高的一侧为水域图像，均匀度计算采用方差计算，即
S4、将图像还原为RGB图像，并提取水域部分的颜色并与标准值进行对比，判断水域颜色是否正常，标准值为黄褐色水质、黄绿色水或者草绿色水质对应的颜色；同时由于摄像头位置时不变的，通过对比多次采集的水岸线，对比水域面积与图像面积的占比，即可得到水岸线变化数据，判断出是否存在岸基消退、水土流失的情况。
此外，支架1的顶部设有太阳能供电模块28，太阳能供电模块28通过电缆与水上检测部分和水体检测部分连接，通过太阳能供电可以有效延长本发明的使用时间。
综上所述，本发明的一种流域水生态环境监测系统，通过固定在水域基底上的支架1进行水域环境监测，水上检测部分中的摄像机通过图像处理提取出水域的水体颜色和水岸线，从而检测出水体是否存在富营养化、藻类富集等现象，同时通过采集水岸线检测是否存在水土流失、岸基消退等现象；支架1下方的水体检测部分通过负压产生器和水体采样管21对水体进行采用，利用多种传感器检测水体的无机物浓度、透光率、PH值、含氧量等参数，对水体本身的指令进行自动检测；同时太阳能供电，可以长时间使用，检测的数据通过通信模块远程发送，使用便利；本发明可以对流域的近岸的水生态环境进行有效检测，可获得多种参数且可以远程数据采集，可以对近岸水生态的保护和改善提供支撑数据。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种流域水生态环境监测系统，其特征在于：包括支架、水上检测部分和水体检测部分；
水上检测部分设置在支架上，包括运算控制主机、摄像头、超声波液位计和通信模块，摄像头、超声波液位计和通信模块均与运算控制主机连接；
水体检测部分包括漂浮体、控制器、含氧量传感器、PH传感器和电导率传感器，漂浮体内部设有透明的水体采样管，水体采样管的两侧分别设有光通道，光通道的两端分别设有射灯和光线传感器，水体采样管的一端穿透并设置在漂浮体的底部，水体采样管的另一端设有负压产生器；含氧量传感器、PH传感器和电导率传感器的探头设置在水体采样管的内壁上；射灯、光线传感器、含氧量传感器、PH传感器和电导率传感器均与控制器连接；
主控制器连接至运算控制主机；
支架的底部边缘设有多根立杆，立杆插入并固定在水域基底上，漂浮体设置在支架下方并限制在多根立杆之间；
所述水体采样管竖直设置，所述负压产生器包括横向的负压腔和直线电机，负压腔与所述水体采样管的另一端密封连接，负压腔内设有活塞，直线电机的活动轴与活塞固定连接；
摄像头用于采集流域水体图像，并发送至运算控制主机分析水岸线和水体颜色，分析过程包括：
将获取的RGB图像进行二值化处理，获得灰阶图像；
对水岸线进行轮廓提取，逐行和逐列扫描像素点，并计算像素的梯度，并与预设的梯度阈值进行对比，像素梯度大于梯度阈值时将该像素定义为轮廓像素；
当多个轮廓像素从图像的一个边缘延续至图像的另一个边缘，即将其定义为水岸轮廓，计算水岸轮廓两侧图像的像素值均匀度，均匀度较高的一侧为水域图像；
将图像还原为RGB图像，并提取水域部分的颜色并与标准值进行对比，判断水域颜色是否正常。
2.根据权利要求 1 所述的一种流域水生态环境监测系统，其特征在于：所述支架的顶部设有太阳能供电模块，太阳能供电模块通过电缆与水上检测部分和水体检测部分连接。
3.根据权利要求 1 所述的一种流域水生态环境监测系统，其特征在于：所述射灯采用光线波长为560-720nm的单色光灯管。
4.根据权利要求 1 所述的一种流域水生态环境监测系统，其特征在于：所述光通道的内部镀有聚光涂层。
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| CN115494200A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-12-20 | 河北科技大学 | 一种水域生态环境检测系统 |
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|---|---|
| CN113960275A (zh) | 2022-01-21 |
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