CN203719655U - 一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统和数据中心，所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台及建于平台上的仪器房1间；所述供电系统为数据采集系统、数据传输系统供电；所述数据采集系统包括气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光场同步监测系统以及摄像头，所述数据传输系统与数据采集系统连接，并将数据采集系统采集的各类湖水水色遥感信息传输给数据中心。本实用新型的系统适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。

Description

一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统

技术领域

本实用新型属于环境监测领域，涉及一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统。

背景技术

湖泊水环境遥感是中国科学院南京地理与湖泊研究所重点支持发展的研究方向之一，在国内遥感及湖泊水环境领域均具有鲜明的特色和优势。然而，目前缺乏一个真实环境下可以同时获取多种水环境参数及其遥感光学信号的试验平台。建设该平台，将全面提升我国湖泊水环境的定量遥感研究水平，同时将奠定我国在湖泊水环境遥感方面的领先地位。该平台的建设将实现“空中传感器—水面光谱—水下光谱—水体水环境参数”于一体的现场数据实时获取，以便更加有效地开展湖泊水环境遥感研究，推动我国湖泊水环境遥感监测的业务化水平，提升我国定量遥感的研究水平，同时为太湖流域相关水资源管理部门提供科学决策支撑与服务。

分析环境监测系统的发展历程，结合遥感技术在环境监测中的应用现状，目前环境遥感监测平台存在以下问题：

1.现有平台以利用天基的卫星数据为主，尚不成熟的二类水体的大气矫正技术，造成卫星数据的大气矫正存在着显著误差，对信号本身较弱的水体信息产生剧烈干扰，直接影响到最终监测结果准确性；尽管大气对空基遥感数据的影响有限，甚至可以忽略，但其运行成本十分高昂，难以实现对固定水域的实时动态监控；

2.缺乏将地基遥感与水环境质量监测同步的野外观测平台，传统与遥感信息同步的水质监测，是在卫星数据过境前后2-3小时内开展的，由于水体本身处于流动状态，变化迅速，监测的时间差异势必造成水质与遥感信息同步性受到影响，此外，卫星数据的空间分辨率一般为几米到几百米，而水质监测则是取某一点的水质数据，监测的空间差异也会对两者间的同步性产生影响；

3.缺乏水面光谱信息与水下光场信息联合同步监测的观测平台，该平台将可以为研究水质垂向分布对水下光场的影响机制，以及利用水面光谱信息探索单元水柱中藻类生物量提供重要实验基础；

4.缺少观测塔辅助成像光谱实现在短时间距离水面不同高度获取水体光谱信息，可以准同步的得到同意水域不同空间分辨率的光谱图像，为开展空间尺度转换研究服务。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种湖泊遥感野外自动监测系统，解决目前缺乏对富营养化大型浅水湖泊，针对湖泊水色及藻华现象缺乏“空中传感器—水面光谱—水下光谱—水体水环境参数”于一体的现场数据实时获取问题。

本实用新型通过以下技术方案实现：

本实用新型公开了一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统和数据中心，所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台及建于平台上的仪器房1间；所述供电系统通过电线与数据采集系统和数据传输系统相连；所述数据采集系统包括气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头，所述数据传输系统与数据采集系统连接。本实用新型的系统适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。

采用本实用新型实施例的湖泊遥感野外自动监测系统，通过数据采集系统提供直接表征湖泊水色及其环境要素的图像、水面/水下光谱、水体剖面固有光学属性、溶解氧、浊度、色素浓度等信息，同时可以提供用于预测预警的气象、水文等参数信息，为开展水色及藻华的遥感野外监测与研究服务。

另外，根据本实用新型实施例的湖泊遥感野外自动监测系统可以具有如下附加的技术特征：

根据本实用新型的一个实施例，所述平台上面设置防雨的仪器房，还可开展简单的室内预处理实验，平台的一侧设有梯子可至房顶，另一侧成像光谱仪观测塔架，在平台保护栏东南角设有小型操作台和支架, 其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

根据本实用新型的一个实施例，所述供电系统包括太阳能电池组以及蓄电池组，其中，太阳能电池组安装于平台仪器房顶部，蓄电池组安装在平台仪器房内部，太阳能电池组与蓄电池组相连。由于湖泊水色监测需要在晴好天气进行，因此，太阳能供电系统完全可以满足系统内所有仪器的供电要求。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头的数据接入接线盒中，接线盒与通信模块相连接，通信模块与数据中心相连接。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据中心设备主要包括一台安装有数据库和发布网站的服务器和一台用于监控的显示器。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据传输系统通过3G无线网络连接数据中心，并可实现实时报警通知功能。

根据本实用新型的一个实施例，该系统还包括保护设施，保护设施包括避雷针和/或航标灯，避雷针安装在高于水面15m的观测塔顶端，航标灯安装平台仪器房的西南角、东北角和东南角上；所述平台的四周设有保护围栏，平台的外围还设立防护围桩。

根据本实用新型的一个实施例，该系统还包括警示系统，警示系统为警示灯闪烁、警报声以及在保护围栏和防护围桩四周悬挂的警示标语。

根据本实用新型的一个实施例，所述数据传输系统组件及蓄电池组安放在仪器房内，仪器房为3 m*4m*2.4 m，作为连接仪器电缆的通道，箱体两侧开四排用于散热的透气窗，正面是一扇门，顶部为彩钢板，防止雨水渗入。

本实用新型具有以下优点：

1、系统安全稳定，由于采用大型管桩以及大量的警示及安全设施，极大的提高了整个平台系统抵御自然灾害（台风、洪水等）和人为破坏（船只碰撞、盗窃等）的能力；并能保证系统能在一种平稳的环境中运行，降低由于震动对设施设备的损耗；

2、供电系统的持久稳定，保障系统稳定运行。在水体环境中，电力供应一直是技术瓶颈。由于湖泊水色监测需要在晴好天气进行，因此，太阳能供电系统完全可以满足系统内所有仪器的供电要求。本系统采用太阳能电池组供电保障，使得自动监测系统能够在各种恶劣天气条件下维持监控和报警系统稳定运行。同时这套电力系统也足以保证多套功耗较大设施设备的能耗，极大的提高平台配置仪器设备的能力；

3、运行维护方便。与浮标相比，所建平台面积大且牢固，能够方便现场工作人员的日程维护，且能保证其安全性；

4、能够做到准确、实时高频同步捕捉水上/水下湖泊水色光谱信息及其外环境要素信息，所述外环境要素信息包括风速、风向、流速、流向、叶绿素a浓度、悬浮泥沙浓度、黄色物质含量、水温等。本监测平台是针对完全依据富营养化湖泊水色变化及藻华发生特点建立的，以最多10 min为时间间隔记录图像、气象、水文及水质等大规模涉及湖泊水色的参数，实时高频捕捉湖泊水色信息和藻华信息。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1a是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的结构示意正视图；

图1b是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的结构示意侧视图；

图1c是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的结构示意俯视图；

图1d是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的平台仪器房内部结构示意俯视图；

图2是根据本实用新型实施例的适用于浅水湖泊遥感野外自动监测系统的原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

实施例一

图1a、 1b、1c和1d是本实用新型的结构示意图，如图所示，浅水湖泊遥感野外自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统和数据中心。

所述支撑平台须比所在水域历史最高水位高出1m，其由管桩共计48根支撑，每根长8m，打入湖底约3m左右，上面铺设防腐木隔板20（即平台），平台上面设置防雨的仪器房26，同时为了方便平台作业，在仪器房2一侧焊接不锈钢梯子4可至房顶，开展房顶气象站系统13以及太阳能电池板系统12的维护，另一侧成像光谱仪观测塔架2，在平台保护栏东南角设有小型操作台和支架8,其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。此平台系统可以承受极大的负重，能够在台风洪水的袭击下保持足够的平稳性，且能够在高温高湿条件下长期存在。成像光谱仪观测塔架2用于放置水面成像光谱仪11，在平台保护栏东南角设有小型操作台8和支架用于放置水质仪18、水体后向散射仪16、水体光吸收计17等, 其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

保护设施包括焊接在成像光谱仪观测塔架上的避雷针27及安装平台仪器房的西南角、东北角、东南角上航标灯9。同时在平台上四周焊接保护围栏6，并在外围设立防护围桩7。此套保护设施可以更好的保护平台系统免受雷击、盗窃及船只碰撞等引起的破坏。保护围栏6由钢柱和镀锌管构成，防护围桩7主要由正方形水泥桩和镀锌管构成。

如图2所示，供电系统包括太阳能电池组12以及蓄电池组28。太阳能电池组12与蓄电池组28相连。蓄电池组28安放在平台上仪器房26内。太阳能电池组12固定在焊接在仪器房顶的不锈钢架29上并面向南方。所述供电系统为数据采集系统、数据传输系统供电，亦可为平台上其他大型仪器设备供电。该供电系统能够最大程度保证平台系统能够支撑更多的仪器设施设备运行及更高的采样频率。所述数据传输系统组件及蓄电池组安放在仪器房内26，仪器房为3 m*4m*2.4 m，作为连接仪器电缆的通道，箱体两侧开四排用于散热的透气窗25，正面是一扇门，顶部为彩钢板，防止雨水渗入。

所述警示系统为在保护围栏6和防护围桩7四周悬挂的警示标语。

所述数据采集系统包括感知层，感知层指的是各类传感器对各类与湖泊水色及其环境要素相关参数的采集，包括：水面/水下光谱、气象、水文和水质参数，具体说来，包括成像光谱仪11、水下光谱仪19、气象传感器13、水文传感器15、水质传感器18、水体后项散射仪16和水体吸收衰减仪17，其中，成像光谱仪11通过不锈钢螺丝固定在成像光谱仪观测塔架2的云台上；浮标式水下光谱仪19通过不锈钢缆绳与保护圈东南角柱相连；气象传感器13使用不锈钢螺丝安装平台上仪器房顶26；水文传感器15吊装在平台栈桥5之下，通过不锈钢粗缆绳与平台相连，实时记录波浪及湖流剖面；水体后向散射仪16吊装于小型吊机8的一个吊臂下，水体光衰减吸收计17和水质传感器18吊装于吊机的另一个吊臂下，通过吊机的操作台的控制，可实现上述仪器的同步在水体同一深度开展相关参数的测量工作。上述所有传感器所获取数据均通过自配数据传输及供电集成电缆与图2中的平台仪器房内的中央控制器接线盒21相连接。

本实施例的数据采集系统还包括摄像头10，2个摄像头在平台东南房檐角下分别对着平台北侧、西侧，在平台房门上安置于1个摄像头，对着平台的正面和栈桥上；所述数据传输系统与数据采集系统连接，并与数据采集系统采集的水色及其环境信息传输给数据中心（图2）。

所述成像光谱仪11可记录观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度，水下光谱仪19可记录水下剖面的向上/向下辐照度和向上辐亮度，所述后项散射仪16测定水体后项散射系数，所述水体光吸收计17测定水体的不同深度的向上/向下辐照度、向上辐亮度，所述水质传感器18可受吊机操作台控制，记录水面下不同深度处的水质的叶绿素a、藻蓝素、浊度、pH、氧化还原电位参数、溶解氧、水温等，所述水文传感器15记录平台水域的流速及波浪参数，所述摄像头9记录平台周边500m内的水色变化；所述气象传感器13记录风速、风向、气温、气压、相对湿度、降水参数，上述仪器的数据采集时间间隔均设置为10 min。

所述数据传输系统包括通信模块22和接线盒21，所述成像光谱仪11、水下光谱仪19、气象传感器13、水文传感器15、水体后项散射仪16、水体吸收计17、水质传感器18接入接线盒21，接线盒21通过导线和数据线与蓄电池组28和通信模块22相连接，数据通信模22块则负责将传感器收集数据暂存在本节点和通过3G网络传输给数据中心30。数据中心30设备主要是一台安装有数据库和发布网站的服务器及监视器构成。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨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，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集系统、数据传输系统和数据中心，其中，

所述支撑平台包括由若干桩支撑的平台，所述平台上面设置防雨的仪器房，所述平台的一侧设有上至房顶的梯子，另一侧设有成像光谱仪观测塔架，所述平台四周边缘设置有保护栏，在平台东南角设有小型操作台和支架，平台的外围还设立防护围桩；

所述供电系统通过电线与数据采集系统和数据传输系统相连；

所述数据采集系统包括气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集器、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头，其中，所述气象传感器安装固定在仪器房顶之上；水面成像光谱采集器安装在平台侧边的观测塔架上，观测塔架上固定有能180度水平转动和上下垂直移动的云台底座，观测塔架上有供所述水面成像光谱采集器进行上下运行的轨道；所述水下光场同步监测系统也安装在平台东南角上，所述小型操作台通过4根地桩固定于湖底，所述小型操作台带有2个吊臂，分别通过绳索悬挂有后向散射仪、水体衰减吸收仪和水质仪，其中，所述后向散射仪单独悬挂于一个吊臂，所述水体衰减吸收仪和所述水质仪悬挂于另一吊臂；水下光谱仪直接悬浮于于水面，通过绳索固定于所述小型操作台地桩上；

所述数据传输系统与数据采集系统连接。

2.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其中所述数据采集系统包括3个摄像头，其中2个摄像头在平台东南房檐角下分别对着平台北侧、西侧，在平台仪器房门上安置1个摄像头，对着平台的正面和栈桥, 其中所述平台仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。

3.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述供电系统包括太阳能电池组以及蓄电池组，其中，太阳能电池组安装于平台仪器房顶部，蓄电池组安装在平台仪器房内部，太阳能电池组与蓄电池组共同提供电力。

4.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述水文传感器固定在平台栈桥下方，水质传感器则固定于水下光场同步监测系统的1个吊臂上。

5.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述气象传感器、水文传感器、水质传感器、水面成像光谱采集系统、水下光谱采集器、水下光场同步监测系统以及摄像头通过相应接口与接线盒相连，接线盒与通信模块相连接，通信模块与数据中心相连接。

6.根据权利要求1所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统通过无线网络连接数据中心。

7.根据权利要求1-6任一项所述的浅水湖泊遥感野外自动监测系统，其特征在于，还包括保护装置，保护装置包括避雷针和/或航标灯，所述避雷针安装在高于水面15m及以上的观测塔顶端，所述航标灯安装在平台仪器房的西南角、东北角和东南角上, 其中所述仪器房的四角分别对应东南、东北、西北和西南方向。