CN116626255A - 一种水质应急快检系统及储能式水质应急快检移动终端 - Google Patents
一种水质应急快检系统及储能式水质应急快检移动终端 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种水质应急快检系统及储能式水质应急快检移动终端，涉及水质检测技术领域。控制空中移动终端在目标水域上空广播数据上传指令；目标水中移动终端确定目标水中移动终端的当前位置坐标，并采集当前位置坐标对应的水质数据和光谱数据；空中移动终端根据光谱数据确定以目标光谱工作波段采集预设范围的遥感图像；控制分析终端遥感图像和水质数据评估预设范围内的水质参数。通过空地结合的方式，空中移动终端和多个水中移动终端可以同时针对不同水质参数进行信息采集，由控制分析终端进行集中检测分析，而且空中移动终端可以利用多个水中移动终端的光谱数据进行校准正对不同区域的光照条件自适应选择工作波段提高遥感光谱法的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及水质检测技术领域，具体涉及一种水质应急快检系统及储能式水质应急快检移动终端。
背景技术
随着农业、工业和商业对水资源的利用,产生了大量的污水，控制水污染的前提是监测水质变化。从仪表原理上水质检测可以分为接触技术和非接触技术。前者包括水探针法、测定法和生物法,后者包括遥感光谱法、激光法和传输法，每种方法都有其适用范围和缺点。
目前针对水质应急快检系统，由于应急任务涉及到的设备众多，应急水质测试任务量大，在河流断面湖泊等户外场所涉及到的监测采样点众多，时间要求紧迫，所以造成了每次应急实验室建设维护需要的人员众多，并且目前的应急快检系统，都由人工进行设备控制，水质监测数据汇总统计也由人工手动完成，造成检测效率低下、应急数据无法得到快速有效应用等问题。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种水质应急快检系统及储能式水质应急快检移动终端。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种水质应急快检系统，所述系统包括控制分析终端和储能式水质应急快检移动终端；所述储能式水质应急快检移动终端包括空中移动终端和多个水中移动终端；目标水中移动终端为多个水中移动终端中的任意一个，其部署于目标水域中；其中：
所述控制分析终端，用于控制所述空中移动终端在所述目标水域上空飞行并广播数据上传指令；
所述目标水中移动终端，用于确定所述目标水中移动终端的当前位置坐标，并采集所述当前位置坐标对应的水质数据和光谱数据，当接收到数据上传指令向所述空中移动终端发送所述当前位置坐标、所述水质数据和所述光谱数据；
所述空中移动终端，用于将所述光谱数据作为参考光谱确定预设范围内所述空中移动终端的目标光谱工作波段，以所述目标光谱工作波段采集所述预设范围的遥感图像，向所述控制分析终端返回所述遥感图像和所述水质数据；所述预设范围以所述当前位置坐标为圆心的预设距离为半径；
所述控制分析终端，还用于所述遥感图像和所述水质数据评估所述预设范围内的水质参数。
可选的，所述空中移动终端为安装有光谱仪的无人机，所述光谱仪具有多个工作波段；所述空中移动终端包括光谱自适应模块，所述光谱自适应模块包括相关系数模块和光谱确定模块；
所述相关系数模块，用于针对每一工作波段的工作光谱，通过光谱轴的相对平移，使所述工作光谱和所述参考光谱在不同波段位置进行匹配，计算每个匹配位置上对应光谱段的线性相关系数；
所述光谱确定模块，用于根据各线性相关系数绘制交叉相关曲线图，用t检验法检验相关大小，将相关性最大的工作波段确定为目标光谱工作波段。
可选的，计算每个匹配位置上对应光谱段的线性相关系数具体为：
其中，为第i个匹配位置上的线性相关系数，/>为第i个匹配位置上所述参考光谱与所述工作光谱相吻合的频带数目，/>所述参考光谱，/>所述工作光谱。
可选的，所述目标水中移动终端包括储能电池、浮力装置、水质检测传感器、定位装置和光谱仪。
可选的，所述目标水中移动终端还包括驱动装置、航行规划模块和轨迹跟踪模块；
所述控制分析终端，还用于在所述目标水域对应的水域地图上标注所述预设范围内的水质参数，并通过所述空中移动终端向所述目标水中移动终端发送目的位置坐标，直到完成所述目标水域全域的水质检测；所述目的位置坐标在所述目标水域内且所述预设范围外；
所述航行规划模块，用于提取所述轨迹跟踪模块中记录的所述目标水中移动终端的历史移动轨迹，根据所述目的位置坐标和所述历史移动轨迹规划移动路径控制所述目标水中移动终端行驶至所述目的位置坐标。
可选的，所述目标水中移动终端左右对称，所述驱动装置包括两个对称的固定安装于所述目标水中移动终端后端第一驱动模块和第二驱动模块，所述第一驱动模块和所述第二驱动模块均包括无刷直流电机和螺旋桨；
所述航行规划模块，用于根据所述历史移动轨迹确定所述目标水中移动终端前端的当前方向，控制两个无刷直流电机以相反的方向转动调整所述当前方向，使所述当前方向指向所述目的位置坐标，控制两个无刷直流电机以相同的方向转动驱使所述目标水中移动终端至所述目的位置坐标。
可选的，所述目标水中移动终端的外边沿为圆形，所述驱动装置包括无刷直流电机和螺旋桨，螺旋桨可以在外边沿上滑动改变所述目标水中移动终端的驱动方向；
所述航行规划模块，用于根据所述历史移动轨迹确定螺旋桨的当前驱动方向，根据所述当前位置坐标和所述目的位置坐标确定目标驱动方向，确定所述当前驱动方向沿顺时针方向到所述目标驱动方向的最小夹角作为目标调整角度，将螺旋桨在外边沿上以所述目标调整角度顺时针滑动，使所述目标水中移动终端至所述目的位置坐标。
可选的，所述水质检测传感器包括温度传感器、电导率传感器、PH传感器、ORP传感器和溶解氧传感器中的至少一种；对应的所述水质数据包括温度、电导率、PH值、ORP值和溶氧量中的至少一种。
可选的，所述水质参数包括第一类参数和第二类参数，所述第一类参数为实际测量的所述水质数据；所述控制分析终端包括水质参数遥感反演模型；
所述水质参数遥感反演模型，用于将所述遥感图像和所述水质数据作为输入数据，评估所述预设范围内的第二类参数总氮量、总磷量、高锰酸盐指数、叶绿素α浓度和悬浮物浓度。
可选的，所述目标水中移动终端包括太阳能发电模块，所述太阳能发电模块用于向所述储能电池供电。
本发明的有益效果：
本发明公开了一种水质应急快检系统，系统包括控制分析终端和储能式水质应急快检移动终端；储能式水质应急快检移动终端包括空中移动终端和多个水中移动终端；目标水中移动终端为多个水中移动终端中的任意一个，其部署于目标水域中；控制分析终端，用于控制空中移动终端在目标水域上空飞行并广播数据上传指令；目标水中移动终端，用于确定目标水中移动终端的当前位置坐标，并采集当前位置坐标对应的水质数据和光谱数据，当接收到数据上传指令向空中移动终端发送当前位置坐标、水质数据和光谱数据；空中移动终端，用于将光谱数据作为参考光谱确定预设范围内空中移动终端的目标光谱工作波段，以目标光谱工作波段采集预设范围的遥感图像，向控制分析终端返回遥感图像和水质数据；预设范围以当前位置坐标为圆心的预设距离为半径；控制分析终端，还用于遥感图像和水质数据评估预设范围内的水质参数。通过空地结合的方式，空中移动终端和多个水中移动终端可以同时针对不同水质参数进行信息采集，由控制分析终端进行集中检测分析，而且空中移动终端可以利用多个水中移动终端的光谱数据进行校准正对不同区域的光照条件自适应选择工作波段提高遥感光谱法的检测精度。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例提供的一种水质应急快检系统的系统框图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种水质应急快检系统。参见图1，图1为本发明实施例提供的一种水质应急快检系统的系统框图。系统包括控制分析终端和储能式水质应急快检移动终端；储能式水质应急快检移动终端包括空中移动终端和多个水中移动终端（水中移动终端一、水中移动终端二和水中移动终端三），本发明实施例仅以包含三个水中移动终端为例进行说明，但实际情况并不限于此；目标水中移动终端为多个水中移动终端中的任意一个，其部署于目标水域中；其中：
控制分析终端，用于控制空中移动终端在目标水域上空飞行并广播数据上传指令；
目标水中移动终端，用于确定目标水中移动终端的当前位置坐标，并采集当前位置坐标对应的水质数据和光谱数据，当接收到数据上传指令向空中移动终端发送当前位置坐标、水质数据和光谱数据；
空中移动终端，用于将光谱数据作为参考光谱确定预设范围内空中移动终端的目标光谱工作波段，以目标光谱工作波段采集预设范围的遥感图像，向控制分析终端返回遥感图像和水质数据；预设范围以当前位置坐标为圆心的预设距离为半径；
控制分析终端，还用于遥感图像和水质数据评估预设范围内的水质参数。
基于本发明实施例提供的一种水质应急快检系统。通过空地结合的方式，空中移动终端和多个水中移动终端可以同时针对不同水质参数进行信息采集，由控制分析终端进行集中检测分析，而且空中移动终端可以利用多个水中移动终端的光谱数据进行校准正对不同区域的光照条件自适应选择工作波段提高遥感光谱法的检测精度。
一种实现方式中，通过将空中移动终端作为数据传输中转节点，可以快速集中接收各水中移动终端的采集数据提高水质监测的时效性，并且也扩大了水中移动终端的采集范围。
在一个实施例中，空中移动终端为安装有光谱仪的无人机，光谱仪具有多个工作波段；空中移动终端包括光谱自适应模块，光谱自适应模块包括相关系数模块和光谱确定模块；
相关系数模块，用于针对每一工作波段的工作光谱，通过光谱轴的相对平移，使工作光谱和参考光谱在不同波段位置进行匹配，计算每个匹配位置上对应光谱段的线性相关系数；
光谱确定模块，用于根据各线性相关系数绘制交叉相关曲线图，用t检验法检验相关大小，将相关性最大的工作波段确定为目标光谱工作波段。
在一个实施例中，计算每个匹配位置上对应光谱段的线性相关系数具体为：
其中，为第i个匹配位置上的线性相关系数，/>为第i个匹配位置上参考光谱与工作光谱相吻合的频带数目，/>参考光谱，/>工作光谱。
在一个实施例中，目标水中移动终端包括储能电池、浮力装置、水质检测传感器、定位装置和光谱仪。
在一个实施例中，目标水中移动终端还包括驱动装置、航行规划模块和轨迹跟踪模块；
控制分析终端，还用于在目标水域对应的水域地图上标注预设范围内的水质参数，并通过空中移动终端向目标水中移动终端发送目的位置坐标，直到完成目标水域全域的水质检测；目的位置坐标在目标水域内且预设范围外；
航行规划模块，用于提取轨迹跟踪模块中记录的目标水中移动终端的历史移动轨迹，根据目的位置坐标和历史移动轨迹规划移动路径控制目标水中移动终端行驶至目的位置坐标。
在一个实施例中，目标水中移动终端左右对称，驱动装置包括两个对称的固定安装于目标水中移动终端后端第一驱动模块和第二驱动模块，第一驱动模块和第二驱动模块均包括无刷直流电机和螺旋桨；
航行规划模块，用于根据历史移动轨迹确定目标水中移动终端前端的当前方向，控制两个无刷直流电机以相反的方向转动调整当前方向，使当前方向指向目的位置坐标，控制两个无刷直流电机以相同的方向转动驱使目标水中移动终端至目的位置坐标。
在一个实施例中，目标水中移动终端的外边沿为圆形，驱动装置包括无刷直流电机和螺旋桨，螺旋桨可以在外边沿上滑动改变目标水中移动终端的驱动方向；
航行规划模块，用于根据历史移动轨迹确定螺旋桨的当前驱动方向，根据当前位置坐标和目的位置坐标确定目标驱动方向，确定当前驱动方向沿顺时针方向到目标驱动方向的最小夹角作为目标调整角度，将螺旋桨在外边沿上以目标调整角度顺时针滑动，使目标水中移动终端至目的位置坐标。
在一个实施例中，水质检测传感器包括温度传感器、电导率传感器、PH传感器、ORP传感器和溶解氧传感器中的至少一种；对应的水质数据包括温度、电导率、PH值、ORP值和溶氧量中的至少一种。
在一个实施例中，水质参数包括第一类参数和第二类参数，第一类参数为实际测量的水质数据；控制分析终端包括水质参数遥感反演模型；
水质参数遥感反演模型，用于将遥感图像和水质数据作为输入数据，评估预设范围内的第二类参数总氮量、总磷量、高锰酸盐指数、叶绿素α浓度和悬浮物浓度。
一种实现方式中，根据各种水质检测方法的适用范围，可以分别给空中移动终端和水中移动终端设置不同的采集任务，检测不同的水质参数。
在一个实施例中，目标水中移动终端包括太阳能发电模块，太阳能发电模块用于向储能电池供电。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例的流程或功能。计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质（例如固态硬盘Solid State Disk (SSD)）等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、电子设备和计算机可读存储介质，以及计算机程序产品实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种水质应急快检系统，其特征在于，所述系统包括控制分析终端和储能式水质应急快检移动终端；所述储能式水质应急快检移动终端包括空中移动终端和多个水中移动终端；目标水中移动终端为多个水中移动终端中的任意一个，其部署于目标水域中；其中：
所述控制分析终端，用于控制所述空中移动终端在所述目标水域上空飞行并广播数据上传指令；
所述目标水中移动终端，用于确定所述目标水中移动终端的当前位置坐标，并采集所述当前位置坐标对应的水质数据和光谱数据，当接收到数据上传指令向所述空中移动终端发送所述当前位置坐标、所述水质数据和所述光谱数据；
所述空中移动终端，用于将所述光谱数据作为参考光谱确定预设范围内所述空中移动终端的目标光谱工作波段，以所述目标光谱工作波段采集所述预设范围的遥感图像，向所述控制分析终端返回所述遥感图像和所述水质数据；所述预设范围以所述当前位置坐标为圆心的预设距离为半径；
所述控制分析终端，还用于所述遥感图像和所述水质数据评估所述预设范围内的水质参数。
2.根据权利要求1所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述空中移动终端为安装有光谱仪的无人机，所述光谱仪具有多个工作波段；所述空中移动终端包括光谱自适应模块，所述光谱自适应模块包括相关系数模块和光谱确定模块；
所述相关系数模块，用于针对每一工作波段的工作光谱，通过光谱轴的相对平移，使所述工作光谱和所述参考光谱在不同波段位置进行匹配，计算每个匹配位置上对应光谱段的线性相关系数；
所述光谱确定模块，用于根据各线性相关系数绘制交叉相关曲线图，用t检验法检验相关大小，将相关性最大的工作波段确定为目标光谱工作波段。
3.根据权利要求2所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，计算每个匹配位置上对应光谱段的线性相关系数具体为：
；
其中，为第i个匹配位置上的线性相关系数，/>为第i个匹配位置上所述参考光谱与所述工作光谱相吻合的频带数目，/>所述参考光谱，/>所述工作光谱。
4.根据权利要求1所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述目标水中移动终端包括储能电池、浮力装置、水质检测传感器、定位装置和光谱仪。
5.根据权利要求4所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述目标水中移动终端还包括驱动装置、航行规划模块和轨迹跟踪模块；
所述控制分析终端，还用于在所述目标水域对应的水域地图上标注所述预设范围内的水质参数，并通过所述空中移动终端向所述目标水中移动终端发送目的位置坐标，直到完成所述目标水域全域的水质检测；所述目的位置坐标在所述目标水域内且所述预设范围外；
所述航行规划模块，用于提取所述轨迹跟踪模块中记录的所述目标水中移动终端的历史移动轨迹，根据所述目的位置坐标和所述历史移动轨迹规划移动路径控制所述目标水中移动终端行驶至所述目的位置坐标。
6.根据权利要求5所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述目标水中移动终端左右对称，所述驱动装置包括两个对称的固定安装于所述目标水中移动终端后端第一驱动模块和第二驱动模块，所述第一驱动模块和所述第二驱动模块均包括无刷直流电机和螺旋桨；
所述航行规划模块，用于根据所述历史移动轨迹确定所述目标水中移动终端前端的当前方向，控制两个无刷直流电机以相反的方向转动调整所述当前方向，使所述当前方向指向所述目的位置坐标，控制两个无刷直流电机以相同的方向转动驱使所述目标水中移动终端至所述目的位置坐标。
7.根据权利要求5所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述目标水中移动终端的外边沿为圆形，所述驱动装置包括无刷直流电机和螺旋桨，螺旋桨可以在外边沿上滑动改变所述目标水中移动终端的驱动方向；
所述航行规划模块，用于根据所述历史移动轨迹确定螺旋桨的当前驱动方向，根据所述当前位置坐标和所述目的位置坐标确定目标驱动方向，确定所述当前驱动方向沿顺时针方向到所述目标驱动方向的最小夹角作为目标调整角度，将螺旋桨在外边沿上以所述目标调整角度顺时针滑动，使所述目标水中移动终端至所述目的位置坐标。
8.根据权利要求4所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述水质检测传感器包括温度传感器、电导率传感器、PH传感器、ORP传感器和溶解氧传感器中的至少一种；对应的所述水质数据包括温度、电导率、PH值、ORP值和溶氧量中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述水质参数包括第一类参数和第二类参数，所述第一类参数为实际测量的所述水质数据；所述控制分析终端包括水质参数遥感反演模型；
所述水质参数遥感反演模型，用于将所述遥感图像和所述水质数据作为输入数据，评估所述预设范围内的第二类参数总氮量、总磷量、高锰酸盐指数、叶绿素α浓度和悬浮物浓度。
10.根据权利要求4-9任意一项所述的一种水质应急快检系统，其特征在于，所述目标水中移动终端包括太阳能发电模块，所述太阳能发电模块用于向所述储能电池供电。
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2023
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