一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)及同步自動(dòng)監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)同步自動(dòng)監(jiān)測方法，該系統(tǒng)包括支撐平臺(tái)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心，所述支撐平臺(tái)包括由若干樁支撐的平臺(tái)及建于平臺(tái)上的儀器房；所述供電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)供電；所述數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)包括成像光譜儀及其配套觀測塔架，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)連接，并將數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)采集的水面成像光譜遙感信息傳輸給數(shù)據(jù)中心。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法適合對(duì)富營養(yǎng)化湖泊藻華發(fā)生地點(diǎn)相對(duì)固定，頻次高的區(qū)域開展空間尺度轉(zhuǎn)換下的湖泊水色及藻華的遙感野外監(jiān)測與研究。
【專利說明】一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)及同步自動(dòng)監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境遙感監(jiān)測領(lǐng)域，涉及一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水體光譜特性是水體物質(zhì)組成的外在特征，利用野外實(shí)測的水體遙感反射率可以對(duì)水體物質(zhì)的種類及含量進(jìn)行分析。
[0003]水體從可見光至近紅外波段的水體光譜特性主要表現(xiàn)為:412nm左右可以反映出黃色物質(zhì)和碎屑，443nm可以反映出中低濃度葉綠素的吸收峰，490nm左右可以反映出中高濃度葉綠素的吸收峰，510nm處可以反映出懸浮泥沙及赤潮，560nm左右可以反映出懸浮泥沙濃度，及葉綠素吸收最小值，620nm處可以反映出懸浮泥沙，665nm左右可以反映出葉綠素吸收，681nm左右可以反映出葉綠素?zé)晒夥澹?80nm以后可以用于大氣校正，水汽含量計(jì)笪
o
[0004]進(jìn)行水體光譜特性測量不是一件簡單的工作，它要考慮各種情況，包括船的陰影的影響，儀器的精度及標(biāo)定，測量結(jié)果的處理等等。
[0005]就大尺度區(qū)域研究而言，衛(wèi)星遙感在水體光譜特性研究中起到較好的作用。由1978年發(fā)射成功的CZCS資料繪制的全球性海區(qū)色素的時(shí)空分布和變化圖，驗(yàn)證了從空間進(jìn)行海洋水色遙感的可行性，1996年日本發(fā)射了 ADE0S-1衛(wèi)星，其上裝有海洋水色水溫掃描儀0CTS，該衛(wèi)星雖然只運(yùn)行了 10個(gè)月，但得到了較好的水色圖像。1997年9月美國發(fā)射了配置有SeaWiFS的專門的 海洋水色衛(wèi)星SeaStar，它具有低噪聲，高靈敏度，合理波段配置和傾斜掃描等功能，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的海洋水色衛(wèi)星之一(張兆瑛，1996;韋鈞等2002)。隨后在1999年發(fā)射的TERRA和2002年發(fā)射的AQUA衛(wèi)星攜帶的MODIS傳感器，也設(shè)計(jì)有海洋研究相關(guān)的波段，可以進(jìn)行海洋水體研究。歐洲空間局(ESA)在2002年發(fā)射了迄今為止最大的綜合性環(huán)境衛(wèi)星ENVISA-1上配置的中等分辨率成像頻譜儀(MERIS)，由法國和荷蘭共同研制，是目前水色傳感器中最有優(yōu)勢的傳感器之一(沈宏，2012)。
[0006]而對(duì)于較小尺度區(qū)域的研究則是大多是通過停船定點(diǎn)的方式借助不同儀器測量水體光譜信息。孫章麗等(2013)用ASD FieldSpec Pro野外地物光譜儀(光譜覆蓋范圍為350~2500_，波長精度±lnm，光譜分辨率35(Tl050nm間為3nm，1400^2100間為IOnm)通過停船定點(diǎn)測量方式測量了達(dá)里諾爾湖水體遙感反射率，并分析其光譜信息；李銅基等人(2001)用PIS-B型瞬態(tài)光譜儀(由中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研制生產(chǎn)，光譜范圍為0.4—1.04微米，光譜分辨率為2.5nm)在東海實(shí)驗(yàn)站位測量了該的離水輻射亮度、歸一化離水輻射亮度和遙感反射比；陳利雄等(2010)用GER-1500型便攜式地物光譜儀(工作波長范圍為30(Tl050nm，有512個(gè)波段，通道帶寬約為1.5nm，光譜分辨率為3nm)通過垂直測量與傾斜測量方法測量了太湖區(qū)域的遙感反射比，并用于葉綠素濃度的反演。劉剋等(2006)運(yùn)用ASD FieldSpec Pro地物譜輻射計(jì)(光譜覆蓋范圍為282~1090mm，512個(gè)波段，光譜采樣間隔為1.41nm，光譜分辨率為3nm，有效波段范圍為36(T860nm)測量了水體遙感反射率并用其反演葉綠素濃度；陳清蓮(1999)運(yùn)用多光譜剖面/表面輻射儀(SPMR/SMSR),(波寬范圍為40(T800nm，光譜帶寬為IOnm,含有9個(gè)通道，分立的波長為412，443，490，510，520，555，565，670，782)測量了東海區(qū)域九個(gè)波段的向上光譜輻亮度、向下光譜輻照度和表面的入射光譜輻照度；隋曉飛(2007)等利用GER1500型地物高光譜儀以及基于GER1500型地物高光譜儀研發(fā)的光纖式剖面光譜測量系統(tǒng)(光譜分辨率為1.5nm，光譜范圍為35(Tl050nm，有512個(gè)波段)，在臺(tái)灣海峽南部海域、福建沿岸水域和兩個(gè)陸地平靜湖泊同步測量了表面光譜數(shù)據(jù)和剖面光譜數(shù)據(jù)，對(duì)分別由水面之上法和剖面法得到的遙感反射比結(jié)果進(jìn)行比較，并分析其影響因素。汪小勇等(汪小勇，2003)等利用雙通道高光譜地物波譜儀FieldSpec (波譜范圍為350~1050nm，光譜分辨率為1.4nm,在700nm附近其分辨率大約為3nm)測量了南海、渤海區(qū)域遙感反射率用于水體類別的判定，結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到懸浮泥沙的分布。
[0007]水體水面光譜信息是開展水體表面定量遙感和空間尺度變換研究的基礎(chǔ)，分析目前獲取水體水面光譜信息的方法，現(xiàn)有的水面光譜獲取方法存在以下問題:
1.傳統(tǒng)獲取水體表面光譜信息的儀器為非成像光譜儀，光譜儀實(shí)際獲取的是水面上某點(diǎn)的信息，但該點(diǎn)具體位置無法準(zhǔn)確判斷僅能給出大致范圍，對(duì)于復(fù)雜多變的富營養(yǎng)化水體而言，不利于準(zhǔn)確獲取與光譜信息同步的水質(zhì)、水文、水下光場等信息；
2.傳統(tǒng)開展遙感信息空間尺度轉(zhuǎn)換的研究方法，是基于不同空間分辨率不同的衛(wèi)星影像，然而不同衛(wèi)星過境時(shí)間并不一致，而且衛(wèi)星影像的空間分辨率過于粗糙(幾米至幾百米)，此外，尚不成熟的二類水體的大氣矯正技術(shù)，造成衛(wèi)星數(shù)據(jù)的大氣矯正存在著顯著誤差，對(duì)信號(hào)本身較弱的水體信息產(chǎn)生劇烈干擾，直接影響到最終監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性。
[0008]3.成像光譜儀的特點(diǎn)不僅可以得到光譜的空間分布圖像，也可以同步得到每個(gè)像元內(nèi)的波譜信息，可以實(shí)現(xiàn)光 譜信息的準(zhǔn)確定位。成像光譜儀可以搭載在無人機(jī)等空基平臺(tái)上，但是其運(yùn)行成本較高，難以在較短的時(shí)間間隔內(nèi)獲取不同高度上的同一研究區(qū)域的不同空間分辨的遙感信息。
[0009]參考文獻(xiàn):
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)，解決目前缺乏對(duì)富營養(yǎng)化大型淺水湖泊開展不同空間尺度湖泊水色光譜信息轉(zhuǎn)換研究的野外實(shí)驗(yàn)場，以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)獲取傳輸問題，是同步開展“空中傳感器一水面光譜一水下光譜一水體水環(huán)境參數(shù)”的淺水湖泊遙感野外自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分。
[0011]本發(fā)明的另一目的是提供一種淺水湖泊水面成像光譜采集方法。
[0012]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
本發(fā)明公開了一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)及自動(dòng)采集方法，該系統(tǒng)包括支撐平臺(tái)、供電系統(tǒng)、成像光譜數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心，所述支撐平臺(tái)包括由若干樁支撐的平臺(tái)及建于平臺(tái)上的儀器房I間；所述供電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)供電；所述數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)包括水面成像光譜采集系統(tǒng)及其配套觀測塔架，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)連接，并與數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)采集的水面成像光譜遙感信息傳輸給數(shù)據(jù)中心。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法適合對(duì)富營養(yǎng)化湖泊藻華發(fā)生地點(diǎn)相對(duì)固定，頻次高的區(qū)域開展空間尺度轉(zhuǎn)換下的湖泊水色及藻華的遙感野外監(jiān)測與研究。
[0013]采用本發(fā)明實(shí)施例的淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)提供直接表征湖泊水色的光譜信息，既可以為湖泊遙感野外監(jiān)測提供水面基本光譜信息，同時(shí)可以開展空間尺度轉(zhuǎn)換下的湖泊水色及藻華的遙感野外監(jiān)測與研究服務(wù)。
[0014]另外，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的淺水湖泊水面成像光譜采集系統(tǒng)可以具有如下附加的技術(shù)特征:
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述平臺(tái)上面設(shè)置防雨的儀器房，供電系統(tǒng)的蓄電池、數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集控制器以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)置于儀器房內(nèi)，儀器房的一側(cè)成像光譜儀觀測塔架。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、光伏控制器、蓄電池組、逆變器，其中，太陽能電池板安裝于平臺(tái)儀器房頂部，蓄電池組安裝在平臺(tái)儀器房內(nèi)部，太陽能電池板與蓄電池組相連。由于湖泊水色光譜監(jiān)測需要在晴好天氣進(jìn)行，太陽能供電系統(tǒng)可提供最大功率2kw，連續(xù)陰雨10天平均功率50W的不間斷供電。因此，太陽能供電系統(tǒng)完全可以滿足系統(tǒng)內(nèi)所有儀器的供電要求。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)包括觀測塔架(15m)、電控升降導(dǎo)軌、成像光譜儀和太陽輻照度計(jì)。其中，觀測塔架(15m)安裝固定在平臺(tái)的一側(cè)，安裝在觀測塔架上的電控升降導(dǎo)軌由導(dǎo)軌、滑車、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成，成像光譜儀固定在升降系統(tǒng)的云臺(tái)底座上，安裝在平臺(tái)儀器房頂?shù)奶栞椪斩扔?jì)由余弦修整器、輻射光譜采集單元、二維云臺(tái)及控制通訊電路組成。[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括接線盒和通信模塊，所述水面成像光譜采集的湖泊水面光譜信息數(shù)據(jù)接入接線盒中，接線盒與通信模塊相連接，通信模塊與數(shù)據(jù)中心相連接。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)中心設(shè)備主要包括一臺(tái)安裝有數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器和顯不器。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過3G無線網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心，并可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警通知功能。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，該系統(tǒng)還包括保護(hù)設(shè)施，保護(hù)設(shè)施包括避雷針和/或航標(biāo)燈，避雷針安裝在高于水面15m的觀測塔頂端，航標(biāo)燈安裝平臺(tái)儀器房的西南角、東北角和東南角上，其中所述儀器房的四角分別對(duì)應(yīng)東南、東北、西北和西南方向。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組件及蓄電池組安放在儀器房內(nèi)，儀器房為3 m*4m*2.4 m，作為連接儀器電纜的通道，箱體兩側(cè)開四排用于散熱的透氣窗，正面是一扇門，頂部為彩鋼板，防止雨水滲入。
[0022]本發(fā)明提供的一種利用所述淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測方法，該方法包括以下步驟:
(O在晴天利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)在蓄電池組中；蓄電池組則是數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電力來源；
(2)針對(duì)富營養(yǎng)化湖泊水色變化特點(diǎn)，篩選了與湖體水色及藻華相關(guān)的、性價(jià)比較高的且能實(shí)現(xiàn)野外無人值守測量的光譜參數(shù)，并利用水面成像光譜儀實(shí)時(shí)高頻記錄光譜信息參數(shù)，以數(shù)據(jù)流的形式，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給數(shù)據(jù)中心；
(3)為了開展富營養(yǎng)化湖泊水體水色信息的空間尺度變化研究，本系統(tǒng)成像光譜儀并不像傳統(tǒng)方式那樣固定距離水面高度，而利用電控升降導(dǎo)軌將成像光譜儀送至不同高度處，獲取不同空間分辨率的成像光譜信息，為開展遙感空間尺度轉(zhuǎn)化研究服務(wù)。
[0023]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、系統(tǒng)安全穩(wěn)定，由于采用大型管樁以及大量的警示及安全設(shè)施，極大的提高了整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)抵御自然災(zāi)害(臺(tái)風(fēng)、洪水等)和人為破壞(船只碰撞、盜竊等)的能力；并能保證系統(tǒng)能在一種平穩(wěn)的環(huán)境中運(yùn)行，降低由于震動(dòng)對(duì)設(shè)施設(shè)備的損耗；
2、供電系統(tǒng)的持久穩(wěn)定，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在水體環(huán)境中，電力供應(yīng)一直是技術(shù)瓶頸。由于湖泊水色監(jiān)測需要在晴好天氣進(jìn)行，因此，太陽能供電系統(tǒng)完全可以滿足系統(tǒng)內(nèi)所有儀器的供電要求。本系統(tǒng)采用太陽能電池板供電保障，使得自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)能夠在各種惡劣天氣條件下維持監(jiān)控和報(bào)警系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)這套電力系統(tǒng)也足以保證多套功耗較大設(shè)施設(shè)備的能耗，極大的提高平臺(tái)配置儀器設(shè)備的能力；
3、運(yùn)行迅速穩(wěn)定、維護(hù)方便。本系統(tǒng)采用觀測塔架輔助成像光譜儀，可以在較短的時(shí)間內(nèi)完成距離水面不同高度處的水體表面光譜信息的采集工作，真正實(shí)現(xiàn)不同空間分辨率的水體表面光譜信息的同步監(jiān)測；系統(tǒng)所依托的平臺(tái)與浮標(biāo)相比，所建平臺(tái)面積大且牢固，能夠方便現(xiàn)場工作人員的日程維護(hù)，且能保證其安全性；
4、能夠做到準(zhǔn)確、同步捕捉不同空間尺度上湖泊水色光譜信息。
[0024]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
圖1a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意正視圖；
圖1b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖；
圖1c是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意俯視圖；
圖1d是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)依托平臺(tái)儀器房的內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖；
圖2a是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)布置圖；
圖2b是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的輻照度計(jì)設(shè)計(jì)圖；
圖2c是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)中的升降系統(tǒng)傳動(dòng)及限位設(shè)計(jì)圖；
圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸流程圖；
圖4是基于本發(fā)明記錄成像光譜；
圖5為與本發(fā)明實(shí)施例一致的單個(gè)像元光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0027]支撐平臺(tái)上設(shè)置一儀器房1，平臺(tái)一側(cè)固定觀測塔架2，觀測塔架頂端固定避雷針3，觀測塔架底端至頂部設(shè)置導(dǎo)軌4，導(dǎo)軌上放置一滑車+云臺(tái)5，成像光譜儀6固定在云臺(tái)底座之上，太陽輻照度計(jì)7固定于儀器房頂部，太陽能電池板8亦安裝儀器房頂部太陽輻照度計(jì)7北側(cè),3個(gè)航標(biāo)燈9分別安裝在儀器房頂?shù)臇|南角、西南角以及西北角上，其中所述儀器房的四角分別對(duì)應(yīng)東南、東北、西北和西南方向。接線盒10、蓄電池組11、數(shù)據(jù)通信模塊12以及儀器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)13全部安置在儀器房內(nèi)，成像光譜儀6在儀器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)13的操作下，測得數(shù)據(jù)信息通過接線盒10傳輸至數(shù)據(jù)通信模塊12，采取無線傳輸方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心14。
[0028]實(shí)施例一
圖la、lb、lc和Id是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括支撐平臺(tái)、供電系統(tǒng)、成像光譜數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心。[0029]所述支撐平臺(tái)須比所在水域歷史最高水位高出lm，其由管樁共計(jì)48根支撐，每根長Sm，打入湖底約3m左右，上面鋪設(shè)防腐木隔板(即平臺(tái))，平臺(tái)上面設(shè)置防雨的儀器房，同時(shí)為了方便平臺(tái)作業(yè)，在儀器房一側(cè)焊接不銹鋼梯子可至房頂，另一側(cè)成像光譜儀觀測塔架2。此平臺(tái)系統(tǒng)可以承受極大的負(fù)重，能夠在臺(tái)風(fēng)洪水的襲擊下保持足夠的平穩(wěn)性，且能夠在高溫高濕條件下長期存在。成像光譜儀觀測塔架2用于放置水面成像光譜儀6。
[0030]保護(hù)設(shè)施包括焊接在成像光譜儀觀測塔架上的避雷針3及安裝平臺(tái)儀器房的西南角上航標(biāo)燈9。同時(shí)在平臺(tái)上四周焊接保護(hù)圍欄，并在外圍設(shè)立防護(hù)圍樁。此套保護(hù)設(shè)施可以更好的保護(hù)平臺(tái)系統(tǒng)免受雷擊、盜竊及船只碰撞等引起的破壞。保護(hù)圍欄由鋼柱和鍍鋅管構(gòu)成，防護(hù)圍樁主要由正方形水泥樁和鍍鋅管構(gòu)成。
[0031]如圖3所示，供電系統(tǒng)包括太陽能電池板8以及蓄電池組11。太陽能電池板8與蓄電池組11相連。蓄電池組11安放在平臺(tái)上儀器房內(nèi)。太陽能電池板8固定在焊接在儀器房頂?shù)牟讳P鋼架上并面向南方。所述供電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)供電，亦可為平臺(tái)上其他大型儀器設(shè)備供電。該供電系統(tǒng)能夠最大程度保證平臺(tái)系統(tǒng)能夠支撐更多的儀器設(shè)施設(shè)備運(yùn)行及更高的采樣頻率。所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組件及蓄電池組安放在儀器房內(nèi)，儀器房為3 m*4m*2.4 m，作為連接儀器電纜的通道，箱體兩側(cè)開四排用于散熱的透氣窗25，正面是一扇門，頂部為彩鋼板，防止雨水滲入。太陽能供電系統(tǒng)可提供最大功率2kw，連續(xù)陰雨10天平均功率50W的不間斷供電。整體系統(tǒng)由太陽能電池板、光伏控制器、蓄電池組、逆變器組成。太陽能電池板組采用4塊240W的單片電池板，單片電池板開路電壓37V，工作電壓29V，工作電流8.5A,電池板組采用2串2并連接，輸出電壓約58V。光伏控制器為智能控制器，無需配置。蓄電池組采用8塊12V150AH鉛酸蓄電池，電池組由4串2并組成，可提供48V，300AH的供電能力。48V逆變器提供峰值輸出功率2KW的單相逆變輸出。
[0032]所述水面成像光譜數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)包括觀測塔架(15m)、電控升降導(dǎo)軌、成像光譜儀和太陽輻照度計(jì)。其中，觀測塔架(15m) 2安裝固定在平臺(tái)的一側(cè)，安裝在觀測塔架上的電控升降導(dǎo)軌由導(dǎo)軌4、滑車+云臺(tái)5、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)13組成(如圖2c所示)，由于工作環(huán)境在室外水面上，濕度較大，為了達(dá)到防腐的要求，導(dǎo)軌及運(yùn)動(dòng)部分采用304不銹鋼材料，可保證長時(shí)間使用不腐蝕；驅(qū)動(dòng)部分采用防護(hù)等級(jí)IP65的電動(dòng)機(jī)及減速器，鏈條及鏈輪同樣采用不銹鋼材料；控制系統(tǒng)由高速單片機(jī)完成系統(tǒng)控制，長度傳感器將滑車運(yùn)動(dòng)的高度實(shí)時(shí)送到單片機(jī)處理后由控制器面板上液晶顯示屏顯示出實(shí)時(shí)高度值；如圖2c，本設(shè)備裝有三個(gè)行程開關(guān)，分別是上限位、零位控制、下限位，可靠地保證滑車的定位和安全運(yùn)動(dòng)范圍。成像光譜儀6固定在升降系統(tǒng)的云臺(tái)底座5上。如圖2a，控制系統(tǒng)的控制柜使用標(biāo)準(zhǔn)19寸機(jī)柜，高度18U。控制柜內(nèi)安裝有:升降控制器、電源控制器(成像光譜儀、云臺(tái)、輻照度計(jì))、監(jiān)控系統(tǒng)電源控制器、硬盤錄像機(jī)及鍵盤抽屜各一臺(tái)；硬盤錄像機(jī)實(shí)行24小時(shí)監(jiān)控，請(qǐng)勿關(guān)閉控制柜電源。如圖2b，安裝在平臺(tái)儀器房頂?shù)奶栞椪斩扔?jì)7由余弦修整器、輻射光譜采集單元、二維云臺(tái)及控制通訊電路組成，該系統(tǒng)由余弦修整器接收到的太陽輻射光，進(jìn)入光纖，通過光纖將光線傳入輻射光譜采集單元，控制計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)與輻照度計(jì)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)輻射光譜的采集、輻照度的計(jì)算及對(duì)輻照度計(jì)的控制。測量探頭及光譜儀安裝于鋁合金密封盒中，整體安裝在二維云臺(tái)上，二維云臺(tái)通過以太網(wǎng)(或其他)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。二維云臺(tái)使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器放置在云臺(tái)內(nèi)部。整體采用防水結(jié)構(gòu)，可以達(dá)到IP65防護(hù)等級(jí)，滿足室外使用要求。[0033]所述成像光譜儀6可記錄觀測區(qū)域內(nèi)所有像素的400_1000nm的離水輻亮度和向下輻照度。
[0034]所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信模塊12和接線盒10，所述成像光譜儀6接入接線盒10，接線盒10通過導(dǎo)線和數(shù)據(jù)線與蓄電池組12和通信模塊相連接，數(shù)據(jù)通信模12塊則負(fù)責(zé)將傳感器收集數(shù)據(jù)暫存在本節(jié)點(diǎn)和通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)中心14。數(shù)據(jù)中心14設(shè)備主要是一臺(tái)安裝有數(shù)據(jù)庫和發(fā)布網(wǎng)站的服務(wù)器及監(jiān)視器構(gòu)成。
[0035]實(shí)施例二
圖3是本發(fā)明的流程圖，如圖所示，一種利用實(shí)施例一所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)測方法，該方法包括以下步驟:
(1)在晴天利用太陽能電池板8將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)在蓄電池組11中；蓄電池組11則是數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)(包括航標(biāo)燈9、水面成像光譜采集系統(tǒng)6和通信模塊12的電力來源；
(2)利用攝像頭采集半徑500m內(nèi)水面的視頻圖像；然后依據(jù)湖水表面藻華或水色變化特征，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的內(nèi)置程序?qū)D像中出現(xiàn)水色變化信息提取并傳輸給數(shù)據(jù)中心，選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)開展成像光譜儀實(shí)驗(yàn)工作；
(3)針對(duì)富營養(yǎng)化湖泊水色變化特點(diǎn)，篩選了與湖體水色及藻華相關(guān)的、性價(jià)比較高的水面成像光譜儀6，通過控制系統(tǒng)調(diào)整觀測塔架升降系統(tǒng)高度，來獲取距離水面不同高度時(shí)水面光譜信息，并以數(shù)據(jù)流的形式，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給數(shù)據(jù)中心14 ；
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測方法，所述成像光譜儀6可記錄觀測區(qū)域內(nèi)所有像素的400-1000nm的離水輻亮度和向下輻照度。
[0036]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測方法,所述數(shù)據(jù)中心軟件將自動(dòng)完成多所采集數(shù)據(jù)的分類、插值、存儲(chǔ)、發(fā)布的操作；研究人員和監(jiān)測人員可以通過IE瀏覽平臺(tái)實(shí)時(shí)高頻捕捉的湖泊水色信息，并據(jù)此開展不同空間尺度變換的水體遙感信息研究，并為水體藻華及富營養(yǎng)化預(yù)測預(yù)警服務(wù)。
[0037]具體實(shí)施方法如下:
(I)選擇水深較淺的且遭受藻華危害的淺水湖泊作為觀測對(duì)象。平臺(tái)系統(tǒng)所建水域水下地形平坦，基本上為堅(jiān)硬的黃土物質(zhì)所組成，黃土層表面僅少量深層淤泥，適合打樁固定。平臺(tái)所在水域是該湖泊藍(lán)藻水華發(fā)生最為頻繁的區(qū)域之一。
[0038](2)借助工程船將五根直徑0 400mm，長度為8 m為大口徑管樁31打入底泥中，并橫向通過“工”型鋼梁相互連接，作為整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)5 m*5 m的防腐木板。最終平臺(tái)需要高出水域歷史最高水位I m以上，以防止平臺(tái)被洪水淹沒。此外，在平臺(tái)正面有通往棧橋的Im寬的梯子，平臺(tái)一側(cè)固定有0.5 m寬的梯子通往儀器房頂，用于搬運(yùn)貨物及作業(yè)人員通行和開展正常的儀器維護(hù)工作。
[0039](3)在鋼板四周由鍍鋅鋼管焊接保護(hù)圍欄，并在距離平臺(tái)1.5 m處安裝10 m*10 m的防護(hù)圍樁，并在此圍欄和圍樁上懸掛警示標(biāo)語及聯(lián)系電話。在平臺(tái)成像光譜儀觀測塔架頂部焊接固定一根鋼筋制成的避雷針3，在平臺(tái)儀器房西南角以及太陽能電磁板下面安裝用于警示船只勿靠近的航標(biāo)燈9。
[0040](4)成像光譜儀及配套云臺(tái)安裝電控升降導(dǎo)軌的安裝平臺(tái)上，通過電控系統(tǒng)控制其升降及高度，最大上升高度為10米；太陽能供電系統(tǒng)采用單片240W太陽能電池板，共4片，通過專用支架安裝在房間上面，朝向?yàn)檎?，安裝角度45°，分上下兩排安裝，每排2塊，房間左側(cè)預(yù)留1.5米空地，可安裝其他設(shè)備；同時(shí)在平臺(tái)上面向南方固定使用不銹鋼架固定4塊的太陽能電池板8。太陽能電池板8輸出的電力被存儲(chǔ)在4塊12 V，150安時(shí)的蓄電池組11中,平臺(tái)其他負(fù)載均從這組電池組中獲取電力供應(yīng)。
[0041](5)依據(jù)富營養(yǎng)化湖泊水體水色變化以及藻華現(xiàn)象特征，監(jiān)測參數(shù)的選取依據(jù)以下原則:a與湖泊水色及藻華密切相關(guān)；b能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，盡量少的維護(hù)操作；c更高的性價(jià)比及穩(wěn)定性。據(jù)此選擇成像光譜作為監(jiān)測參數(shù)。Hyperspec ? VNIR (400-1000nm)N-Series Imaging Spectrometer可記錄觀測區(qū)域內(nèi)所有像素的400_1000nm的離水福亮度和向下輻照度。此外，傳感器通過儀器自配數(shù)據(jù)傳輸和供電集成電纜與儀器房中的接線盒10相連接，以獲取電力供應(yīng)和傳輸數(shù)據(jù)。
[0042](6)接線盒10通過導(dǎo)線與蓄電池組11相連接，為平臺(tái)各類負(fù)載提供電力。同時(shí)，又通過電纜與通信模塊12相連接，將各類傳感器收集的數(shù)據(jù)暫存在本地或者通過商用3G無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)中心14。數(shù)據(jù)中心14中的軟件將自動(dòng)完成多所采集數(shù)據(jù)的分類、插值、存儲(chǔ)、發(fā)布等操作。研究人員和監(jiān)測人員可以通過IE瀏覽平臺(tái)實(shí)時(shí)高頻捕捉的湖泊水色信息，并據(jù)此開展遙感信息的空間尺度轉(zhuǎn)換研究，并對(duì)未來水色變化及藻華狀況作出預(yù)測預(yù)警。
[0043]試驗(yàn)例一
該系統(tǒng)可以對(duì)湖泊水色變化的遙感光學(xué)信號(hào)開展監(jiān)測，包括圖像、光譜等連續(xù)實(shí)時(shí)自動(dòng)高頻記錄。這是一個(gè)真實(shí)環(huán)境下可以同時(shí)獲取不同空間尺度的遙感光學(xué)信號(hào)的試驗(yàn)平臺(tái)。建設(shè)該平臺(tái)，將全面提升我國湖泊水環(huán)境的定量遙感研究水平，同時(shí)將奠定我國在湖泊水環(huán)境遙感方面的領(lǐng)先地位。
[0044]圖4是自動(dòng)監(jiān)測平臺(tái)記錄的2013年I月18日水體成像光譜情況，水下光譜以及外環(huán)境要素的同步監(jiān)測情況，通過該平臺(tái)，可以開展湖泊水色定量遙感閉合實(shí)驗(yàn)、藻華的尺度效應(yīng)試驗(yàn)、藻類水平及垂向分布異質(zhì)性對(duì)水下光場影響試驗(yàn)，可大大推動(dòng)我國湖泊水環(huán)境遙感監(jiān)測的業(yè)務(wù)化水平，提升我國定量遙感的研究水平，同時(shí)為太湖流域相關(guān)水資源管理部門提供科學(xué)決策支撐與服務(wù)。
[0045]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“ 一個(gè)實(shí)施例”、“ 一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對(duì)上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0046]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【權(quán)利要求】
1.一種淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括支撐平臺(tái)、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心，其中 所述支撐平臺(tái)包括由若干樁支撐的平臺(tái)，所述平臺(tái)上面設(shè)置有用于放置設(shè)備的儀器房; 所述供電系統(tǒng)為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)供電； 所述數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)包括觀測塔架、電控升降導(dǎo)軌、成像光譜儀和太陽輻照度計(jì)，其中，所述觀測塔架安裝固定在所述平臺(tái)之上，其上安裝有帶有云臺(tái)的電控升降導(dǎo)軌；所述成像光譜儀安裝固定在所述觀測塔架的云臺(tái)底座上，所述成像光譜儀通過觀測塔架上的所述電控升降導(dǎo)軌上下移動(dòng)，在所述云臺(tái)輔助下實(shí)現(xiàn)所述成像光譜儀的水平180度轉(zhuǎn)動(dòng)；所述太陽輻照度計(jì)安裝在所述儀器房頂無遮擋處； 所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)連接，并將數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)采集的不同高度和角度的湖泊水面光譜信息傳輸給數(shù)據(jù)中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述供電系統(tǒng)的蓄電池、數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集控制器以及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)置于儀器房內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其中，所述觀測塔架安裝固定在所述平臺(tái)的一側(cè)； 所述電控升降導(dǎo)軌安裝在觀測塔架上，其包括導(dǎo)軌、滑車、驅(qū)動(dòng)裝置及控制裝置， 所述太陽輻照度計(jì)安裝在平臺(tái)儀器房頂，其包括余弦修整器、輻射光譜采集單元、二維云臺(tái)及通信控制裝置。`
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述供電系統(tǒng)包括太陽能電池板、光伏控制器、蓄電池組、逆變器，其中，太陽能電池板安裝于所述儀器房頂部，蓄電池組安裝在所述儀器房內(nèi)部，太陽能電池板與蓄電池組相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括接線盒和通信模塊，所述水面成像光譜采集的湖泊水面光譜信息通過接線盒傳送至通信模塊，并由通信模塊將其發(fā)送至數(shù)據(jù)中心。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)中心包括服務(wù)器和顯示器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)中心。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其還包括保護(hù)設(shè)施，所述保護(hù)設(shè)施包括避雷針和/或航標(biāo)燈，所述避雷針安裝在高于水面的觀測塔頂端，航標(biāo)燈分別安裝在平臺(tái)儀器房的西南角、東北角和東南角上，其中所述儀器房的四角分別對(duì)應(yīng)東南、東北、西北和西南方向。
9.一種利用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的方法，所述方法包括以下步驟: (1)在晴天利用太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并存儲(chǔ)在蓄電池組中；蓄電池組為數(shù)據(jù)采集器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的電力來源； (2)利用攝像頭采集半徑500m內(nèi)水面的視頻圖像；然后通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)依據(jù)湖水表面藻華或水色變化特征將圖像中出現(xiàn)水色變化信息提取并傳輸給數(shù)據(jù)中心；(3)通過傳輸至數(shù)據(jù)中心的視頻信息，通過調(diào)整觀測塔架升降高度，來獲取距離水面不同高度時(shí)水面光譜信息，并以數(shù)據(jù)流的形式，通過數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸給數(shù)據(jù)中心。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-8所述的淺水湖泊水面成像光譜自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述成像光譜儀可記錄距離水面不同高度時(shí)，觀測區(qū)域內(nèi)所有像素的400-1000nm的離水輻亮度和向下輻照度。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103630238SQ201310597521
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月22日
【發(fā)明者】張玉超, 馬榮華, 王新雨 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所, 北京歐普特科技有限公司