CN208780697U - 一种用于水色遥感的现场同步检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种用于水色遥感的现场同步检测系统，将光谱采集分析设备及其他水体数据采集监测设备搭载于无人船上；搭建地面控制基站，与无人船之间建立数据传输，用于卫星定位导航、航线路径规划或实时显示无人船的工作状态；设置手持遥控设备，用于远程人工控制所述无人船的航行姿态，利用所述无人船对待测水域进行监测。可通过人工遥控或自主航行的模式，在内陆河流、湖泊等应用环境中，搭载专业测试设备针对水体质量进行调查、研究和分析，性能稳定可靠，可应用范围广。

Description

一种用于水色遥感的现场同步检测系统

技术领域

本发明涉及水域监测系统技术领域，具体地指一种用于水色遥感的现场同步检测系统。

技术背景

随着湖泊生态环境问题的日益突出，变革湖泊常规检测手段，利用卫星遥感技术对湖泊水体进行水环境动态检测的需求十分迫切。遥感技术具有快速、大范围和周期性的特点，可以弥补常规定时、定点测量的不足，节省大量的人力、物力和彩礼，具有常规湖泊水体检测不可比拟的优越性，已经成为水环境动态监测已经蓝藻水花预警，预测不可缺少的手段之一。湖泊水色遥感的首要目标是通过卫星遥感图像高精度获取水体的离水辐亮度(water-leaving radiance)或遥感反射比(remote sensing reflectance)，最终目标是通过离水辐亮度或反射比反演水体的水色要素参数浓度，以满足湖泊水体水质检测与预测预警的现实需求。为了评估卫星遥感数据的精确度并对其进行修正，必须进行现场同步实测，故现场的数据采集显得尤为重要。

目前对于水域测量常依赖人工划船进入水域采集水样再到岸上进行分析检测，这一方法的效率极其低下，且数据测量人为误差大。同时，污染区水域危险性位置，人工水质检测存在难度，在湖泊浅水区较多人工也无法驾船驶入进行水样采集。

人工测量的方式至少需要四个人坐船进行样点数据采集，这种方式极大的增加了数据采集的人工成本。在污染区水域进行水体观测时，人工监测难度系数大，危险度高，很容易影响外业人员身体健康，如在血吸虫频发水域进行水体观测时，由于当前还没有血吸虫疫苗，只能在外业实验做完后前往医院体检。同时在数据采集过程中，由于每个人对操作规范的理解和执行程度的差异，故人为操作的方式会产生比较大的人为误差。人工测量在原理上对天空的影响没有一个很好的观测方法或者很好的消除天空光影响的方法，在测量原理上就是存在测量误差的，这种在测量原理上的误差对测量结果是会产生较大影响的。由于乘坐的船体较大，船体会遮挡很大一部分的入射光，这会造成离水辐射量减少，会产生较大系统误差，同时为了保证安全，一般出外业的船都是较大的，船体在航行过程中会对水体有一个较大的搅动，影响了水体原本的状态，导致测量结果出现偏差。人工测量的测量规范需要在同一观测点进行三组光谱数据采集，但是在水面上无法满足三组数据测量的是同一点的水体。并且这个测量过程耗时较长，如果日照变化大一些，测量的数据基本上是不可用的。测量效率不高，测量需要的时间约10-15min/站点，这样的测量效率大大增加了科研人员的外业负担，每次出外业都是在船上呆一整天。

发明内容

本发明就是针对现有技术的不足，提供了一种适用于内陆河流、湖泊等应用环境下的用于水色遥感的现场同步检测系统。

为了实现上述目的，本发明所设计的用于水色遥感的现场同步检测系统，其特殊之处在于：包括光谱采集分析设备、水体数据采集监测设备、无人船、手持遥控器、地面控制基站；所述光谱采集分析设备拖曳于无人船尾，所述水体数据采集监测设备搭载于无人船上，所述手持遥控器用于远程人工控制所述无人船的航行姿态；所述地面控制基站与所述无人船之间建立数据传输，用于卫星定位导航、航线路径规划或实时显示无人船的工作状态。

进一步地，所述无人船包括船体、船舱和甲板，所述船舱内设置有水质采样箱、充电机、电池和控制箱；所述甲板上设置有气象监测设备、摄像头、GPS、避障传感器、电动绞缆机；所述控制箱用于控制该无人船的航行及水体数据的采集监测。

更进一步地，所述船体侧壁设置加强筋，加强筋包括与船体内壁相接的聚氨酯泡沫芯材，所述芯材表层覆盖有玻璃钢层。

更进一步地，所述控制箱包括：

绞盘控制单元，用于控制电动绞缆机的运行；

采样控制单元，用于控制所述水质采样箱的运行；

避障控制单元，根据避障传感器的回传数据控制船体的航行姿态；

通信单元，用于实现所述无人船与所述地面控制基站和/或所述手持遥控器的数据传输与通信，以及所述无人船与远程指挥中心的数据传输与通信；

船载无人控制单元，用于控制无人船的航行航线、航行姿态以及根据需要在手动控制与人工控制之间进行切换。

本发明的优点在于：

无人船水环境气象参数监测系统采用搭载高容量电池作为动力能源的无人船，可通过人工遥控或自主航行的模式，在内陆河流、湖泊等应用环境中，搭载专业测试设备针对水体质量进行调查、研究和分析，性能稳定可靠，可应用范围广。

无人船测量只需要一个人进行控制就能完成所有数据测量要求，大大减少了人工成本。测量过程无需人员随船，减少了外业人员在数据采集过程中发生意外的风险。无人船的测量过程无人为操作影响，全自动化测量保证了数据的一致性，减少测量过程中的误差。在测量原理上直接测量离水辐亮度，跳过了天空光和水汽界面的影响，保证了在测量原理上数据的精度。无人船船体小，再加上光谱仪是在离船体约15米处静止测量数据，这样大大减少了船体阴影和船体对水面的扰动对测量结果的影响，保证了数据的准确性。无人船测量方式是两通道测量，即两个传感器测量，同时测量上行辐亮度和下行辐照度，这样保证能实时测量同一点的数据，减少测量误差。测量效率高，观测一个点位约5min/站点，大大提高了工作效率，在同样的外业时间里能测得更多的站点数据，能进行更多的数据工作。

附图说明

图1为本实用新型的实施例的构成框图。

图2为本实用新型的实施例的无人船的立体结构图。

图3为本实用新型的实施例的无人船的内部结构图。

图4为本实用新型的实施例的光谱采集分析设备的结构图。

图5为本实用新型的实施例的光谱采集分析设备的结构图。

图6为本实用新型的实施例的光谱采集分析设备的结构图。

图7为本实用新型的实施例的光谱采集分析设备的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

一种用于水色遥感的现场同步检测方法，包括以下步骤：

将自动观测水体光学参数的光谱采集分析设备集成于无人船尾，其中，光谱采集分析设备置于浮力装置上，拖曳于船尾，所述水体数据采集监测设备设置在无人船上。

搭建地面控制基站，与无人船之间建立数据传输，用于卫星定位导航、航线路径规划或实时显示无人船的工作状态。

设置手持遥控设备，用于远程人工控制所述无人船的航行姿态，

利用所述无人船对待测水域进行监测。

其中，航行姿态包括转向、倒车、加速或减速。

水体数据采集监测设备包括：水PH传感器；水盐度传感器；水溶解氧传感器；水温度传感器；ORP传感器；水电导率传感器；浊度传感器；叶绿素传感器；大气温度传感器；大气压力传感器；大气湿度传感器；风速传感器；风向传感器；定制数据采集仪。

如图1-图4所示，本发明还设计了一种无人船水环境气象参数监测系统，包括无人船，手持遥控器，地面控制基站，其中，无人船上装载有用于采集水体数据的采集监测设备；手持遥控器用于远程人工控制所述无人船的航行姿态；地面控制基站其与所述无人船之间建立数据传输，以用于卫星定位导航、航线路径规划或实时显示无人船的工作状态。

具体的，手持遥控器能够控制无人船的航行姿态包括转向、倒车、加速或减速等。

具体的，所述采集监测设备包括：水PH传感器；水盐度传感器；水溶解氧传感器；水温度传感器；ORP传感器；水电导率传感器；浊度传感器；叶绿素传感器；大气温度传感器；大气压力传感器；大气湿度传感器；风速传感器；风向传感器；定制数据采集仪等。

进一步的，参照图2至图3，本实施例中，所述无人船包括船体41，所述船体41上盖设甲板42，所述甲板42上安装气象监测设备421、摄像头422、GPS423、避障传感器424、电动绞缆机425。

继续参照图3，本实施例中，所述船体41的内部沿所述船体41的宽度方向并列设置至少一根加强筋411，所述加强筋411包括与所述船体41内壁相接的聚氨酯泡沫芯材及覆盖在所述芯材表层的玻璃钢层。防水作用更好，船体整体的强度更高，能增强船体的抗撞击能力，提高无人船的安全性能。

继续参照图3，本实施例中，船体41内部的具有船舱，所述船舱中布置蓄电池412、水质采样箱413、充电机414及控制箱415，所述蓄电池412、水质采样箱413、充电机414及控制箱415在所述船舱中以能够确保船体41稳性及能够保证船舶在水中浮态处于正浮状态的分布方式分布。

进一步的，上述实施例中，为了便于维修、更换及检查，所述甲板42上设置能够开启的仓口。

具体的，所述控制箱415中设置有：绞盘控制单元，其用于控制电动绞缆机425的运行；采样控制单元，其用于控制所述水质采样箱413的运行；

避障控制单元，其根据避障传感器424的回传数据控制船体41的航行姿态；

通信单元，其用于实现所述无人船与所述地面控制基站和/或所述手持遥控器的数据传输与通信，以及所述无人船与远程指挥中心的数据传输与通信；

船载无人控制单元，其用于控制无人船的航行航线、航行姿态以及根据需要在手动控制与人工控制之间进行切换。

本实施例中，所述避障控制单元采用毫米波雷达探测与前方水面障碍物间的距离，并自主避障。船载无人控制单元能够控制无人船和载荷设备按照事先设计好的航线、测量点位等信息完成测量任务，任务完成后能够自动返航；通信中断时，主控系统能够控制无人船自动回航至指定位置；能够接收、保存并执行遥控器、地面控制基站下发的任务指令。

进一步的，本实施例中，本实施例中的采样控制单元通过串口信号控制，采用型号为TC-8000E便携式全自动水质采样器。实现通过地面站设置指定位置、指定水量、指定水瓶的水样采集过程。能够正确显示启动状态和结束状态。若TC-8000E无法返回结束状态，将采用固定间隔时间(此间隔时间用户可设置，如1-600秒钟)结束的方式进行实现。

进一步的，本实施例中，所述绞盘控制单元工作时，操控人员能够提前在地面站软件上设置，船艇到达某指定位置的时候，实现自动控制绞盘放缆绳，待当前任务执行完成后，自动收起绞盘缆绳。

进一步的，本实施例中的通信单元与地面基站之间采用无线电台进行通信，以实现对无人船的控制和监控；同时通信单元与指挥大厅之间采用4G通信，以实时监控船只运行状态。搭载的设备采用GPRS或4G通信方式，能够将设备的采集数据发送至指挥大厅，指挥大厅的PC安装专用客户端可以实现对设备状态的监控。

进一步的，参照图4只图7，本实施例还包括光谱采集分析设备200，所述光谱采集分析设备200包括：浮体，所述浮体呈环状，所述浮体环内侧面任意四个等分点位置设置用于搭载仪器的安装架；光谱采集分析设备200，所述光谱采集分析设备200通过安装架安装在所述浮体上；其中，所述浮体通过连接件挂设在所述无人船的尾部。

进一步的，所述光谱采集分析设备200包括：光学感应及传导设备，所述的光学感应及传导设备包括辐照度探头、辐亮度探头、传导光纤以及辐亮度探头遮光罩；电子测量设备，所述的电子测量设备包括辐照度分光器、辐照度光谱采集板、辐亮度分光器；控制电路和供电设备，所述的供电设备为电池。

具体的，所述的电子测量设备和控制电路放置在水密数采仓内，所述的水密数采仓固定安装在任意一个所述安装架上；所述的供电设备放置在水密电池仓内，所述的水密电池仓固定安装在与所述水密数采仓相对的安装架上；所述的水密数采仓和所述的水密电池仓之间架设有横梁，所述横梁高于所述浮体环上表面，且中间位置设置观测设备安装架；所述的辐照度探头竖直向上安装在所述观测设备安装架上；所述的辐亮度探头竖直向下安装在所述观测设备安装架上；所述的辐亮度探头遮光罩呈锥筒型，固定安装在所述观测设备安装架底端外围，由辐亮度探头位置竖直延伸至所述的浮体环上环面以下；所述的传导光纤包括两路，均沿所述横梁布设并通过设置在所述水密数采仓表面的水密接头进入水密数采仓，所述的两路传导光纤中一路将所述的辐照度探头与辐照度分光器导通、另一路将所述辐亮度探头与辐亮度分光器导通；所述的水密电池仓与所述的水密数采仓之间通过水密接头和水密线缆连接，实现供电设备与所述电子测量设备及控制电路的电连接。

具体的，参照图4所示，所述光谱采集分析设备200包括一个整体成型的中空气囊式浮体环1，在浮体环1内侧面任意四个等分点位置分别设有安装架一11、安装架二12、安装架三13和安装架四14，在浮体环1外侧面任意四个等分点位置分别设有收放环15。

本实施例所述的漂浮设备可以用于不同水体的光学观测，在所述的安装架上可以搭载各种光学观测仪器，例如辐亮度探头和辐照度探头等。所述的浮体环1是整体成型的带有空腔的气囊式浮体环，用于为整个漂浮设备提供浮力，并且可以通过充气和放气调节其浮力大小，获得不同的吃水深度。

继续参照图5至图6,所述的辐照度分光器、辐照度光谱采集板、辐亮度分光器和控制电路放置在水密数采仓21内，水密数采仓21固定安装在安装架一11上；电池放置在水密电池仓22内，水密电池仓22固定安装在安装架三13上；水密数采仓21和水密电池仓22之间架设有横梁23，横梁23两端设有支撑杆24，使横梁23高于浮体环1的上表面，横梁23中间位置设置观测设备安装架25；辐照度探头26竖直向上安装在观测设备安装架25上；辐亮度探头27竖直向下安装在观测设备安装架25上，辐亮度探头27位置高于漂浮设备的吃水线，其高度差在5-6cm；辐亮度探头遮光罩28呈两端开口的圆锥筒型，其窄口一端固定安装在辐亮度探头27端头外围，整体从辐亮度探头27的位置竖直延伸至浮体环1的上表面以下位置，其轴线与母线呈10-15°角，以最大程度地减少锥筒自身阴影带来的影响。

观测设备安装架25下段进一步设置遮光罩高度调节装置35，用于调节遮光罩的入水深度。传导光纤29包括两路，均沿所述横梁23布设并通过设置在水密数采仓21表面的水密接头20进入水密数采仓21，两路传导光纤29分别连接辐照度探头与辐照度分光器、以及辐亮度探头与辐亮度分光器；水密电池仓22与水密数采仓21之间通过水密接头和水密线缆连接，实现电池与各电子测量设备及控制电路的电连接。浮体环1的安装架二12上固定安装有无线防水通讯天线30和GPS423防水天线31，并在水密数采仓21内设置无线通讯模块和GPS423模块，观测设备安装架25上还设有姿态传感器；无线防水通讯天线30和无线通讯模块用导线通过水密数采仓21表面的水密接头电连接；GPS423防水天线和GPS423模块用导线通过水密数采仓21表面的水密接头电连接；姿态传感器与控制电路也用导线通过水密数采仓21表面的水密接头连接。

继续参照图7，每个光学探头(以辐照度探头26为例)旁边分别固定连接一组光学探头电动清洁装置，每一组的光学探头电动清洁装置均包括与观测设备安装架25固定连接的防水舵机32，防水舵机32包括电路板和电机；电路板通过水密控制线缆与水密数采仓内的控制电路电连接，接收控制电路发出的控制信号，进而控制电机转动；电机连接伸出的转轴33，转轴33端部套接条形刮擦件34，条形刮擦件34整体与相应的光学探头镜头表面紧密接触，并可以在电机带动下在相应镜头表面做往复转动。光学探头电动清洁装置保障了舱外安装的双通道光学探头镜头的清洁，使其不受溅水、尘垢、生物附着等的影响。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于水色遥感的现场同步检测系统，其特征在于：包括光谱采集分析设备、水体数据采集监测设备、无人船、手持遥控器、地面控制基站；所述光谱采集分析设备拖曳于无人船尾，所述水体数据采集监测设备搭载于无人船上，所述手持遥控器用于远程人工控制所述无人船的航行姿态；所述地面控制基站与所述无人船之间建立数据传输，用于卫星定位导航、航线路径规划或实时显示无人船的工作状态。

2.根据权利要求1所述的用于水色遥感的现场同步检测系统，其特征在于：所述无人船包括船体、船舱和甲板，所述船舱内设置有水质采样箱、充电机、电池和控制箱；所述甲板上设置有气象监测设备、摄像头、GPS、避障传感器、电动绞缆机；所述控制箱用于控制该无人船的航行及水体数据的采集监测。

3.根据权利要求2所述的用于水色遥感的现场同步检测系统，其特征在于：所述船体侧壁设置加强筋，加强筋包括与船体内壁相接的聚氨酯泡沫芯材，所述芯材表层覆盖有玻璃钢层。

4.根据权利要求2所述的用于水色遥感的现场同步检测系统，其特征在于：所述控制箱包括：

绞盘控制单元，用于控制电动绞缆机的运行；

采样控制单元，用于控制所述水质采样箱的运行；

避障控制单元，根据避障传感器的回传数据控制船体的航行姿态；

通信单元，用于实现所述无人船与所述地面控制基站和/或所述手持遥控器的数据传输与通信，以及所述无人船与远程指挥中心的数据传输与通信；

船载无人控制单元，用于控制无人船的航行航线、航行姿态以及根据需要在手动控制与人工控制之间进行切换。

5.根据权利要求1所述的用于水色遥感的现场同步检测系统，其特征在于：所述光谱采集分析设备的浮体为带空腔的气囊式浮体环，所述浮体环内侧面任意四个等分点位置设置有用于搭载仪器的安装架；所述光谱采集分析设备通过安装架安装在所述浮体上。