CN117636579A - 一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法，包括：监测预警设备和监测预警系统；所述监测预警设备包括安装座，所述安装座的上方连接有固定支架，所述固定支架的上方连接有连接支架，所述连接支架的上方连接有延长支架，所述固定支架的两端与延长支架和固定支架均连接有法兰盘，所述延长支架的顶部连接有气象观测仪器，所述延长支架的两侧均连接有太阳能电池板和摄像机。本发明的监测数据判断模块通过统计方法判断数据的异常情况，所述监测数据判断模块与信息预警模块相连接，根据数据异常，判断发生气象灾害、水文动力灾害以及生态灾害的具体类型，并向特定用户发送预警信息，实现无人值守的近岸灾害预警。

Description

一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法
技术领域
本发明涉及海洋灾害预警技术领域，具体为一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法。
背景技术
近地面实时气象参数(气温、气压、风速、风向、湿度)与近岸水文参数(水温、盐度、水位)对于提高短时天气预报的准确度起着至关重要的作用，国家在近岸布设了很多固定观测站点用以实时观测上述参数，上述固定站位多为有人值守站位，观测出错较少，但成本及维护费用巨大。
随着无线通信(4G、5G通信)的普及、提速、资费的降低，无人值守的多参数站位开始普及。目前的无人值守、实时观测多参数站位使用高度为约2米的钢管作为支架集成气象站等观测仪器，并将观测到的参数实时发送回基站。由于观测支架高度基本固定，无法针对观测位置进行观测高度调节。而国际上通行的标准近海气象参数均定义为10米高度处的气象参数。上述实时无人值守观测气象站只能提供海面2米左右的气象参数，实际使用时需要利用经验公式进行换算，然而因为观测场地的复杂性，换算后的参数存在很大的误差。
我国沿岸各地均布设有海洋监测站，但这些监测站密度较低，相距50甚至100公里以上，这对于部分海域特别是人迹罕至的近岸海域的水文、气象数据监测是极为不利的，同样，数量较少的监测站，对于气象、水文等灾害的预警也是不利。
综上所述的问题，为此，我们提出一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法，解决了现有的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种近岸自动海气灾害监测预警系统，包括：监测预警设备和监测预警系统；
所述监测预警设备包括安装座，所述安装座的上方连接有固定支架，所述固定支架的上方连接有连接支架，所述连接支架的上方连接有延长支架，所述固定支架的两端与延长支架和固定支架均连接有法兰盘，所述延长支架的顶部连接有气象观测仪器，所述延长支架的两侧均连接有太阳能电池板和摄像机；
其中，所述信号发送机通过线缆连接水位、水温、盐度可直接读取的数据采集器；所述传感器和摄像机与所述监测数据读取模块连接，上述风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温、盐度参数读入系统后，监测数据判断模块通过统计方法判断数据的异常情况，所述监测数据判断模块与信息预警模块相连接；根据数据异常类型判断发生气象灾害、水文动力灾害或是生态灾害，并向特定用户发送预警信息；所述的监测传感器用于实时采集数据信号以4G网络传输给后台数据存储系统；所述摄像机用于间隔采集现场的图片以传输给后台数据存储系统；预警信息发送后，由人工对回传的数据进行判别，如果灾害发生，上报灾害类型，如灾害未发生，取消预警；
所述监测预警系统包括监测数据读取模块、监测数据判断模块、信息预警模块和信息存取模块；
监测数据读取模块的数据读取系统，可用于获取风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温及盐度的监测数据；
监测数据判断模块的灾害判定系统，可用于监测气象参数异常、水文参数异常，以及图像颜色异常；
信息预警模块可用于发出预警信息；
信息存取模块的数据储存系统可用于收集灾害监测数据。
优选的，所述延长支架上还安装有信号发送机，所述信号发送机连接有电缆，所述电缆的底部连接有数据采集器。
优选的，所述太阳能电池板连接有蓄电池。
优选的，所述数据采集器包括在线监测水位计、温度计及盐度计。
优选的，所述监测数据读取模块连接有4G发送模块，所述4G发送模块连接有数据接收基站的后台信息存储模块。
一种近岸自动海气灾害监测预警方法，包括以下步骤：
步骤1：通过直读的方式获得实时的监测数据，包括风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温及盐度；
步骤2：对观测得到的风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度数据求其前一个月的均值及标准差；
步骤3：对获取的海面彩色照片RGB及各灰度值像素数量进行统计；
步骤4：将当前时间的观测数据减去步骤2中的所求的均值，并与其标准差相比较；
步骤5：判断海面彩色照片RGB及各灰度亮度值是否异常；
步骤6：根据步骤4及步骤5的结果，如果数据异常，发布预警信息；
步骤7：将风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温、盐度数据通过4G信号回传到数据库中；
步骤8：根据预警信息进行人为判断；
步骤9：如确定数据异常，将预警信息再次发布。
优选的，所述步骤2中的均值及标准差计算如下:
其中，aj为j时刻观测的数据，mi为观测数据的平均值，i＝1,2,3,4,5,6,7，分别代表风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。
其中，aj为j时刻观测的数据，σi为观测数据的标准差，i＝1,2,3,4,5,6,7，分别代表风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。
优选的，所述步骤6的监测数据异常，按如下标准进行划分：
其中，aj+1为j+1时刻观测的数据，分别为风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。abnor为异常值判断系数；
其中，在abnor大于3，判断数据发生异常，根据参数类别，发布气象或水文灾害预警。
优选的，所述步骤5的RBG像素平均亮度计算如下：
其中，DNji通道i的亮度值，i＝1,2,3分别代表图像R、G、B。j为图像某像素点的索引；
图像RGB数据异常，按照3倍标准差原则，设定亮度阈值为150，如果Ii大于150，发布水华预警，其中R通道值过大，发布赤潮爆发信息，G通道值过大，发布绿潮爆发信息，B通道值过大，发布蓝藻爆发信息。
优选的，所述步骤5的RBG灰度计算如下：
其中，DNji通道i的亮度值，i＝1,2,3分别代表图像R、G、B。j为图像某像素点的索引；
图像灰度数据异常，按照3倍标准差原则，设定亮度阈值为150，如果G大于150，发布大浪预警。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明所采用的技术方案中，使用数据量较低的多传感器实时采集近岸水文气象图像数据，并且每隔一定时间，通过装置内的数据读取模块以及传输模块向后台监控中心传输数据及图片。
本发明的监测数据判断模块通过统计方法判断数据的异常情况，所述监测数据判断模块与信息预警模块相连接，根据数据异常，判断发生气象灾害、水文动力灾害以及生态灾害的具体类型，并向特定用户发送预警信息，实现无人值守的近岸灾害预警。
本发明可以调节观测高度的气象、水文多参数观测系统，实时对气象、水文参数进行测量，同时将观测数据发送回基站，达到无人值守进行近岸风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温、盐度观测的目的，可为进一步开展研究提供连续的数据基础。
附图说明
图1为本发明的设备结构示意图；
图2为本发明的预警监测方法工作状态流程示意图；
图3为本发明的预警系统模块组成及工作流程；
图4为本发明的预警系统灾害预警的判断模式示意图；
图5为本发明的水位异常风暴潮发生实例示意图；
图6为本发明的数据采集模块电路图；
图7为本发明的4G发送模块电路图。
图中：1、气象观测仪器；2、太阳能电池板；3、摄像机；4、延长支架；5、信号发送机；6、连接支架；7、法兰盘；8、固定支架；9、电缆；10、安装座；11、数据采集器。
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。
本发明采用的技术方案基本实施如下：
图1为预警系统的硬件组装示意图。组装时，将气象观测仪器1通过卡槽固定在延长支架4的最顶点，摄像机3安装在太阳能电池板2的上方,气象观测仪器1的下方，并与延长支架4通过螺栓固定，太阳能电池板2固定在气象观测仪器1下方，并与延长支架4通过螺栓固定，以防止太阳能电池板2对气压仪器干扰，信号发送机5通过U型卡环固定在延长支架4上，该仪器位于太阳能电池板2下方，以防止对其遮挡，根据观测地点距离水面的距离，有选择性地选择调节延长支架4长度，使得气象观测仪器1处于距离水面10米的高度处，固定支架8的安装座10通过膨胀螺栓固定在混凝土等质地的基底上，气象观测仪器1通过数据线与数据采集器11相连，通过轧带固定在固定支架8上。
气象观测仪器1由气象及水文采集探头组成，可以观测气象参数气温、气压、风速、风向、近岸水文参数水温、盐度、水位、海水照片。
整套系统通过太阳能电池板2供电，太阳能电池板2集成了蓄电池，存储闲置电力，用以夜晚、阴天时的不间断观测，最长可以实现无关条件下的15天连续实时在线观测。
图2为预警监测方法工作状态流程示意图。使用时，数据采集器11通过线缆与观测仪器相连。
通过图3预警系统模块的监测数据读取模块，采集数据水文、气象及海面照片，每一小时，通过4G信号将观测数据实时发送回数据接收基站的后台信息存储模块，其中，间隔采集可以修改为5-10分钟，进行更高频率的监测。预警系统模块的监测数据读取模块电路图见图6所示，监测数据可通过4G信号发送回后台信息存储模块的电路见图7所示。
通过图4的预警系统灾害预警的判断模式，对观测得到的风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度数据求其前一个月的均值及标准差；对获取的海面彩色照片RGB及各灰度值像素数量进行统计。
均值及标准差计算如下:
其中，aj为j时刻观测的数据，mi为观测数据的平均值，i＝1,2,3,4,5,6,7，分别代表风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。
其中，aj为j时刻观测的数据，σi为观测数据的标准差，i＝1,2,3,4,5,6,7，分别代表风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。
风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度的异常，按如下标准进行划分：
其中，aj+1为j+1时刻观测的数据，分别为风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。abnor为异常值判断系数。
特别地，通过图3的监测数据判断模块，如果abnor大于3，判断数据发生异常，根据参数类别，通过图3的信息预警模块发布气象或水文灾害预警。RBG像素平均亮度计算如下：
其中，DNji通道i的亮度值，i＝1,2,3分别代表图像R、G、B。j为图像某像素点的索引。
图像灰度计算如下：
其中，DNji通道i的亮度值，i＝1,2,3分别代表图像R、G、B。j为图像某像素点的索引。
通过图3的监测数据判断模块，图像RGB数据异常，按照3倍标准差原则，设定亮度阈值为150，特别地，R通道值过大，通过图3的信息预警模块发布赤潮爆发信息，G通道值过大，通过图3的信息预警模块发布绿潮爆发信息，B通道值过大，通过图3的信息预警模块发布蓝藻爆发信息。
通过图3的监测数据判断模块，图像灰度数据异常，按照3倍标准差原则，设定亮度阈值为150，如果G大于150，通过图3的信息预警模块发布大浪预警。
预警信息发布后，根据预警信息进行人为判断；如确实发生异常数据，将预警信息再次发布。预警信息发布后，将上述数据入库存储。
本申请提供一种水位数据异常检测案例可以应用在前述方法实施。
实施案例：
如图5所示监测的水位曲线变化结果，为水位异常风暴潮发生一实例。通过计算水位的均值与方差，可以发现，2023年9月2日的水位均值增加，特别地，水位数据方差增加到三倍以上，通过阈值法进行判断，此时，发生了风暴潮灾害。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种近岸自动海气灾害监测预警系统，其特征在于，包括：监测预警设备和监测预警系统；
所述监测预警设备包括安装座(10)，所述安装座(10)的上方连接有固定支架(8)，所述固定支架(8)的上方连接有连接支架(6)，所述连接支架(6)的上方连接有延长支架(4)，所述固定支架(8)的两端与延长支架(4)和固定支架(8)均连接有法兰盘(7)，所述延长支架(4)的顶部连接有气象观测仪器(1)，所述延长支架(4)的两侧均连接有太阳能电池板(2)和摄像机(3)；
所述监测预警系统包括监测数据读取模块、监测数据判断模块、信息预警模块和信息存取模块；
监测数据读取模块的数据读取系统，可用于获取风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温及盐度的监测数据；
监测数据判断模块的灾害判定系统，可用于监测气象参数异常、水文参数异常，以及图像颜色异常；
信息预警模块可用于发出预警信息；
信息存取模块的数据储存系统可用于收集灾害监测数据。
2.根据权利要求1所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法，其特征在于，所述延长支架(4)上还安装有信号发送机(5)，所述信号发送机(5)连接有电缆(9)，所述电缆(9)的底部连接有数据采集器(11)。
3.根据权利要求1所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法，其特征在于，所述太阳能电池板(2)连接有蓄电池。
4.根据权利要求1所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法，其特征在于，所述数据采集器(11)包括在线监测水位计、温度计及盐度计。
5.根据权利要求1所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统与方法，其特征在于，所述监测数据读取模块连接有4G发送模块，所述4G发送模块连接有数据接收基站的后台信息存储模块。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统的监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：通过直读的方式获得实时的监测数据，包括风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温及盐度；
步骤2：对观测得到的风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度数据求其前一个月的均值及标准差；
步骤3：对获取的海面彩色照片RGB及各灰度值像素数量进行统计；
步骤4：将当前时间的观测数据减去步骤2中的所求的均值，并与其标准差相比较；
步骤5：判断海面彩色照片RGB及各灰度亮度值是否异常；
步骤6：根据步骤4及步骤5的结果，如果数据异常，发布预警信息；
步骤7：将风速、风向、气压、气温、海面照片、水位、水温、盐度数据通过4G信号回传到数据库中；
步骤8：根据预警信息进行人为判断；
步骤9：如确定数据异常，将预警信息再次发布。
7.根据权利要求6所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统，其特征在于，所述步骤2中的均值及标准差计算如下:
其中，aj为j时刻观测的数据，mi为观测数据的平均值，i＝1,2,3,4,5,6,7，分别代表风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。
其中，aj为j时刻观测的数据，σi为观测数据的标准差，i＝1,2,3,4,5,6,7，分别代表风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。
8.根据权利要求6所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统，其特征在于，所述步骤6的监测数据异常，按如下标准进行划分：
其中，aj+1为j+1时刻观测的数据，分别为风速、风向、气压、气温、水位、水温、盐度。abnor为异常值判断系数；
其中，在abnor大于3，判断数据发生异常，根据参数类别，发布气象或水文灾害预警。
9.根据权利要求6所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统，其特征在于，所述步骤5的RBG像素平均亮度计算如下：
其中，DNji通道i的亮度值，i＝1,2,3分别代表图像R、G、B。j为图像某像素点的索引。
10.根据权利要求6所述的一种近岸自动海气灾害监测预警系统，其特征在于，所述步骤5的RBG灰度计算如下：
其中，DNji通道i的亮度值，i＝1,2,3分别代表图像R、G、B。j为图像某像素点的索引。
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