CN114018317B - 一种用于海洋环境的数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于海洋环境的数据采集装置，包括控制模块、数据采集模块、北斗授时模块和存储模块；数据采集模块用于采集一维海洋环境数据；北斗授时模块用于确定数据的时间和位置；存储模块用于存储气象环境效能可信性模型；控制模块用于解析远程控制系统发送的任务指令，并根据一维海洋环境数据、时间和位置生成三维海洋环境数据；同时还用于评估当前时段采集数据的可信性。本发明通过气象环境效能可信性模型，评估气象环境对数据采集任务的影响，摒弃不可信数据，提高数据采集的准确性和装置的续航里程。

Description

一种用于海洋环境的数据采集装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋环境监测领域，特别是涉及一种用于海洋环境的数据采集装置及方法。

背景技术

海洋环境指地球上广大连续的海洋的总水域，包括海水、溶解和悬浮于海水中的物质、海底沉积物和海洋生物。海洋环境数据主要包括海洋地貌数据、海洋水文数据和海洋气象数据。海洋环境监测是关系海洋灾害预警、海洋安全和海洋资源开发的重要依据。目前，海洋环境数据监测主要是通过载体搭载采集装置进行数据采集，但是数据采集任务受气象环境因素影响严重，导致监测数据的可信性不高，同时由于监测的不间断性，导致部分能源用于无效数据的监测，浪费了能源，且效率较低。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种用于海洋环境的数据采集装置，包括：控制模块、数据采集模块、北斗授时模块和存储模块；

数据采集模块用于根据解析后的任务指令采集一维海洋环境数据；

北斗授时模块用于根据解析后的任务指令确定数据采集模块开始采集一维海洋环境数据的时间和位置；

存储模块用于存储气象环境效能可信性模型；

控制模块分别与数据采集模块、北斗授时模块和存储模块连接，其用于解析远程控制系统发送的任务指令，还用于评估当前时段采集数据的可信性，还用于根据一维海洋环境数据、时间和位置生成三维海洋环境数据；

控制模块从存储模块提取气象环境效能可信性模型，对采集数据进行气象环境效能评估，当气象环境不适于数据采集时，停止水文、地貌数据采集单元工作，而海洋气象数据采集单元继续工作；当气象环境适于数据采集时，水文、地貌数据采集单元和海洋气象数据采集单元同时工作。

可选地，所述数据采集装置，还包括：数据传输模块，数据传输模块分别与控制模块和远程控制系统连接；数据传输模块用于将指令传输至控制模块，并将三维海洋环境数据传输至远程控制系统。

可选地，所述数据采集装置，其中存储模块分别与控制模块和数据传输模块连接，存储模块还用于存储传输失败的三维海洋环境数据。

可选地，所述数据采集装置，还包括：电源模块，其分别与控制模块、数据采集模块、北斗授时模块、数据传输模块和存储模块连接。

可选地，所述数据采集装置，还包括：防水外壳，数据传输模块、存储模块、电源模块、控制模块、数据采集模块和北斗授时模块均设置在防水外壳内，防水外壳搭载于载体上，所述载体为浮标或探测船。

可选地，所述数据采集装置，其中数据采集模块具体包括：海洋地貌数据采集单元、海洋水文数据采集单元和海洋气象数据采集单元；控制模块分别与海洋地貌数据采集单元、海洋水文数据采集单元、海洋气象数据采集单元连接并对它们进行控制。

可选地，所述数据采集装置，其中海洋地貌数据采集单元，具体包括：浅海回声测深仪、深海回声测深仪、海底浅层剖面仪、测流仪、重力仪和磁力仪。

可选地，所述数据采集装置，其中海洋水文数据采集单元，具体包括：水位计、工业照相机、流速传感器、海洋化学传感器、海洋微生物传感器和多参数水质传感器。

可选地，所述数据采集装置，其中海洋气象数据采集单元，具体包括：风速计、气压传感器、湿度计、CTD温盐深测量仪、雨量传感器、测波仪。

本发明还提供一种用于海洋环境的数据采集方法，包括如下步骤：

S1，建立气象环境效能可信性模型，得到各项气象环境要素相对于海洋数据采集任务的复合度权重矩阵；

S2，对既定海域的气象环境要素进行预采集，将气象环境要素按范围划分为5个等级；

S3，利用上述数据采集装置进行数据采集，对采集的各项气象环境要素数据分级，并利用气象环境效能可信性模型对海洋数据采集的可信性进行评估，以确定采集数据的可信性；

S4，将采信的海洋数据、时间、位置数据生成三维海洋环境数据，并将该数据传输至远程控制系统。

根据本发明提供的方案，本发明具有以下技术效果：

本发明提供的一种用于海洋环境的数据采集装置及方法，通过气象环境效能可信性模型，评估气象环境对数据采集任务的影响，摒弃不可信数据，进而生成更加准确的三维海洋环境数据，同时提高了数据采集装置的续航里程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的用于海洋环境的数据采集装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的用于海洋环境的数据采集方法的流程图；

图3为本发明实施例所提供的气象环境效能可信性评估体系。

附图说明：1-数据采集模块，2-北斗授时模块，3-数据传输模块，4-存储模块，5-电源模块，6-控制模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种用于海洋环境的数据采集装置，包括：控制模块6、数据采集模块1、北斗授时模块2和存储模块4；

数据采集模块1用于根据解析后的任务指令采集一维海洋环境数据；

北斗授时模块2用于根据解析后的任务指令确定数据采集模块1开始采集一维海洋环境数据的时间和位置；

存储模块4用于存储气象环境效能可信性模型；

控制模块6分别与数据采集模块1、北斗授时模块2和存储模块4连接，其用于解析远程控制系统发送的任务指令，还用于评估当前时段采集数据的可信性，还用于根据一维海洋环境数据、时间和位置生成三维海洋环境数据；

控制模块6从存储模块4提取可信性模型，对采集数据进行气象环境效能评估，当气象环境不适于数据采集时，停止水文、地貌数据采集单元工作，而海洋气象数据采集单元继续工作；当气象环境适于数据采集时，水文、地貌数据采集单元和海洋气象数据采集单元同时工作。

本发明提供的数据采集装置，还包括数据传输模块3，数据传输模块3分别与控制模块6和远程控制系统连接；数据传输模块3用于将指令传输至控制模块6，并将三维海洋环境数据传输至远程控制系统。

本发明提供的用于海洋环境的数据采集装置，其中存储模块4分别与控制模块6和数据传输模块3连接，存储模块4还用于存储传输失败的三维海洋环境数据。

本发明提供的用于海洋环境的数据采集装置，还包括：电源模块5，其分别与控制模块6、数据采集模块1、北斗授时模块2、数据传输模块3和存储模块4连接。

本发明提供的用于海洋环境的数据采集装置，还包括：防水外壳，数据传输模块3、存储模块4、电源模块5、控制模块6、数据采集模块1和北斗授时模块2均设置在防水外壳内；防水外壳搭载于浮标或探测船上。

数据采集模块1具体包括：海洋地貌数据采集单元、海洋水文数据采集单元和海洋气象数据采集单元；控制模块6分别与海洋地貌数据采集单元、海洋水文数据采集单元、海洋气象数据采集单元连接并对它们进行控制；控制单元根据海洋地貌数据、海洋水文数据和海洋气象数据生成一维海洋环境数据。

海洋地貌数据采集单元，具体包括：浅海回声测深仪、深海回声测深仪、海底浅层剖面仪、测流仪、重力仪和磁力仪。

海洋水文数据采集单元，具体包括：水位计、工业照相机、流速传感器、海洋化学传感器、海洋微生物传感器和多参数水质传感器。

海洋气象数据采集单元，具体包括：风速计、气压传感器、湿度计、CTD温盐深测量仪、雨量传感器、测波仪。

如图2所示，本发明还公开了一种用于海洋环境的数据采集方法，其具体步骤如下：

S1，建立气象环境效能可信性模型，得到各项气象环境要素相对于海洋数据采集任务的复合度权重矩阵。

海洋数据采集任务由不同层级的要素而制约，如，气象环境要素(如风向、风速、气压、湿度、温度、降水、海浪、盐度等)、水文地貌数据采集单元要素(传感器类型)、采集目的要素(如数据采集装置的巡航、监测数据采集)，通过各个要素对整个数据采集任务的影响进行评价，构建多层的数据采集任务评价体系，进而决定采集到的数据的可信性。

假设数据采集任务中，存在m种不同的气象环境要素S₁，S₂……S_m，它们构成了数据采集装置的气象环境，气象环境要素S_j(j＝1……m)对不同层级的数据采集效果的影响称为要素效能复合度p_j(j＝1……m)。上级要素效能复合度由下级要素效能复合度聚合得到。整个数据采集任务的要素效能复合度由多级要素效能复合度聚合得到。气象环境要素对水文地貌数据采集单元要素的数据采集影响程度称为一级要素效能复合度p_1j，聚合到采集目的要素上，得到二级要素效能复合度p_2j，最后聚合到数据采集任务整体，得到三级要素效能复合度p_3j，即为气象环境要素对整个数据采集任务的效能复合度，如图3所示。

以上述气象环境效能可信性评估体系为基础，建立气象环境效能可信性模型：

一级要素效能复合度由加入气象环境影响前后数据采集效能的变化来描述。假设有n个水文地貌数据采集单元效能指标，即n个一级要素。在不考虑气象环境影响时，某水文地貌数据采集单元效能指标V_i(i＝1，2，……，n)的采集效能为

不加入气象环境影响时的一级要素效能矩阵为：

当加入气象环境影响要素后，由层次分析法得到V_i的采集效能为x_ij，x_ij越小，表示水文地貌数据采集单元效能发挥越低，气象环境要素对整体采集效果影响越大。加入气象环境影响要素后，一级要素效能矩阵为：

根据欧式距离公式，得到加入气象环境影响要素前后的一级要素效能

与x_ij的距离为：

令

得到采集效能距离矩阵D为：

则d_max＝max_i max_j d_ij， (4)

d_min＝min_i min_j d_ij， (5)

分别表示最大距离和最小距离。

根据灰度关联理论，加入气象环境影响要素前后采集效能

与x_ij的灰度关联系数为：

其中，ξ为分辨系数，一般取ξ＝0.5。

基于上述公式，结合海洋数据采集任务气象环境要素复合度特征，则一级要素效能复合度公式为：

p_1ij表示在气象环境要素S_j下，水文地貌数据采集单元效能指标V_i的效能复合度，0≤p_1ij≤1，p_1ij随x_ij的递减而递增，即水文地貌数据采集单元效能越低，气象环境要素的一级要素效能复合度越高。p_1ij越高，该气象环境要素对水文地貌数据采集单元效能发挥越不利。一级要素效能复合度矩阵为：

假设存在r个二级要素，由于各个水文地貌数据采集单元效能指标间重要性不同，因此利用层次分析法确定一级要素组成各二级要素时的权重矩阵：

上级要素效能复合度由下级要素效能复合度加权聚合得到，二级要素效能复合度矩阵为：

设三级要素的权重向量为：

A₃₂＝[a₁…a_r] (11)

三级要素效能复合度矩阵，即气象环境要素的效能复合度矩阵为：

P₃＝A₃₂·P₂＝[p₃₁…p_3m] (12)

其中，p_3j(j＝1，2，…，m)表示气象环境要素S_j的复合度，0≤p_3j≤1，p_3j越大，表明该气象环境要素对海洋数据采集任务的影响越不利。

在此基础上得到气象环境要素S_j相对于海洋数据采集任务的复合度权重矩阵，

S2，对既定海域的气象环境要素进行预采集，将气象环境要素按范围划分为5个等级。

对需要进行数据采集的海域的各项气象环境要素进行预采集，得到各项气象环境要素的极值，按照从初始值到极值等间距进行划分，将各项气象环境要素的范围划分为5个等级。

S3，利用上述数据采集装置进行数据采集，对采集的各项气象环境要素数据分级，并利用气象环境效能可信性模型对海洋数据采集的可信性进行评估，以确定采集数据的可信性。

数据采集装置通过数据传输模块3接收到远程控制系统的指令后，开始对预定海域进行海洋环境的数据采集任务，在实际数据采集过程中，海洋气象数据采集单元采集各项气象环境要素的值，并按照S2划分的等级对各个气象环境要素进行分级，用每项气象环境要素的等级乘以该种气象环境要素的权重，之后对所有气象环境要素的上述乘积求和，当结果大于等于4，则认为该气象环境已经严重影响到海洋环境数据采集的可信性，该时间内采集的数据不可信，此时停止水文、地貌数据采集单元工作，而海洋气象数据采集单元继续工作；当结果小于4，则认为该气象环境不足以影响海洋数据采集的可信性，该时间内采集的数据可信，此时水文、地貌数据采集单元和海洋气象数据采集单元同时工作。

S4，将采信的海洋数据、时间、位置数据生成三维海洋环境数据，并将该数据传输至远程控制系统。

将采信的一维海洋环境数据，包括海洋地貌数据、海洋水文数据以及海洋气象数据，与时间、位置数据结合通过控制模块6生成三维海洋环境数据，并将生成的三维海洋环境数据通过数据传输模块3传输至远程控制系统。而上传失败的三维海洋环境数据，以及不予采信的海洋气象数据都被储存在存储模块4中。

针对于本实施例的具体情况而言，海洋数据采集任务包括两种采集目的要素：数据采集装置巡航和监测数据采集，分别为二级要素v_2i(i＝1，2)，即上述公式(9)中，r＝2；还包括传感器类型要素：海洋水文数据采集单元(水位计、工业照相机、流速传感器、海洋化学传感器、海洋微生物传感器和多参数水质传感器)以及海洋地貌数据采集单元(浅海回声测深仪、深海回声测深仪、海底浅层剖面仪、重力仪和磁力仪)，分别为一级要素v_1i(i＝1，2，…，11)，即上述公式(1)中n＝11；气象环境要素包括：风向、风速、气压、湿度、温度、降水、海浪、盐度，即上述公式(1)中m＝8。

本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，包括：控制模块、数据采集模块、北斗授时模块和存储模块；

数据采集模块用于根据解析后的任务指令采集一维海洋环境数据；

北斗授时模块用于根据解析后的任务指令确定数据采集模块开始采集一维海洋环境数据的时间和位置；

存储模块用于存储气象环境效能可信性模型；

控制模块分别与数据采集模块、北斗授时模块和存储模块连接，其用于解析远程控制系统发送的任务指令，还用于评估当前时段采集数据的可信性，还用于根据一维海洋环境数据、时间和位置生成三维海洋环境数据；

控制模块从存储模块提取气象环境效能可信性模型，对采集数据进行气象环境效能评估，当气象环境不适于数据采集时，停止海洋水文、海洋地貌数据采集单元工作，而海洋气象数据采集单元继续工作；当气象环境适于数据采集时，海洋水文、海洋地貌数据采集单元和海洋气象数据采集单元同时工作；

其中，气象环境效能可信性模型以此基础建立，气象环境要素对海洋水文、海洋地貌数据采集单元要素的数据采集影响程度称为一级要素效能复合度，聚合到采集目的要素上，得到二级要素效能复合度，最后聚合到数据采集任务整体，得到三级要素效能复合度，即为气象环境要素对整个数据采集任务的效能复合度。

2.根据权利要求1所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，还包括：数据传输模块，其分别与控制模块和远程控制系统连接；数据传输模块用于将指令传输至控制模块，并将三维海洋环境数据传输至远程控制系统。

3.根据权利要求2所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，存储模块分别与控制模块和数据传输模块连接，存储模块还用于存储传输失败的三维海洋环境数据。

4.根据权利要求3所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，还包括：电源模块，其分别与控制模块、数据采集模块、北斗授时模块、数据传输模块和存储模块连接。

5.根据权利要求4所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，还包括：防水外壳，数据传输模块、存储模块、电源模块、控制模块、数据采集模块和北斗授时模块均设置在防水外壳内，防水外壳搭载于载体上，所述载体为浮标或探测船。

6.根据权利要求1所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，数据采集模块具体包括：海洋地貌数据采集单元、海洋水文数据采集单元和海洋气象数据采集单元；控制模块分别与海洋地貌数据采集单元、海洋水文数据采集单元、海洋气象数据采集单元连接并对它们进行控制。

7.根据权利要求6所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，海洋地貌数据采集单元具体包括：浅海回声测深仪、深海回声测深仪、海底浅层剖面仪、测流仪、重力仪和磁力仪。

8.根据权利要求6所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，海洋水文数据采集单元具体包括：水位计、工业照相机、流速传感器、海洋化学传感器、海洋微生物传感器和多参数水质传感器。

9.根据权利要求6所述的用于海洋环境的数据采集装置，其特征在于，海洋气象数据采集单元具体包括：风速计、气压传感器、湿度计、CTD温盐深测量仪、雨量传感器、测波仪。

10.一种用于海洋环境的数据采集方法，其采用如权利要求1-9之一所述的数据采集装置，包括如下步骤：

S1，建立气象环境效能可信性模型，得到各项气象环境要素相对于海洋数据采集任务的复合度权重矩阵；

S2，对既定海域的气象环境要素进行预采集，将气象环境要素按范围划分为5个等级；

S3，利用上述数据采集装置进行数据采集，对采集的各项气象环境要素数据分级，并利用气象环境效能可信性模型对海洋数据采集的可信性进行评估，以确定采集数据的可信性；

S4，将采信的海洋数据、时间、位置数据生成三维海洋环境数据，并将该数据传输至远程控制系统。

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