一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统及同步自动监测方法

一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统及同步自动监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统同步自动监测方法，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集器系统、数据传输系统、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；所述供电系统为数据采集器系统、数据传输系统供电；所述数据采集器系统包括成像光谱仪及其配套观测塔架，所述数据传输系统与数据采集数据采集器系统连接，并将数据采集器系统采集的水面成像光谱遥感信息传输给数据中心。本发明的系统和方法适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展空间尺度转换下的湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。
【专利说明】一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统及同步自动监测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于环境遥感监测领域，涉及一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统及其监测方法。
【背景技术】
[0002]水体光谱特性是水体物质组成的外在特征，利用野外实测的水体遥感反射率可以对水体物质的种类及含量进行分析。
[0003]水体从可见光至近红外波段的水体光谱特性主要表现为:412nm左右可以反映出黄色物质和碎屑，443nm可以反映出中低浓度叶绿素的吸收峰，490nm左右可以反映出中高浓度叶绿素的吸收峰，510nm处可以反映出悬浮泥沙及赤潮，560nm左右可以反映出悬浮泥沙浓度，及叶绿素吸收最小值，620nm处可以反映出悬浮泥沙，665nm左右可以反映出叶绿素吸收，681nm左右可以反映出叶绿素荧光峰，780nm以后可以用于大气校正，水汽含量计笪
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[0004]进行水体光谱特性测量不是一件简单的工作，它要考虑各种情况，包括船的阴影的影响，仪器的精度及标定，测量结果的处理等等。
[0005]就大尺度区域研究而言，卫星遥感在水体光谱特性研究中起到较好的作用。由1978年发射成功的CZCS资料绘制的全球性海区色素的时空分布和变化图，验证了从空间进行海洋水色遥感的可行性，1996年日本发射了 ADE0S-1卫星，其上装有海洋水色水温扫描仪0CTS，该卫星虽然只运行了 10个月，但得到了较好的水色图像。1997年9月美国发射了配置有SeaWiFS的专门的 海洋水色卫星SeaStar，它具有低噪声，高灵敏度，合理波段配置和倾斜扫描等功能，是当今世界上最先进的海洋水色卫星之一(张兆瑛，1996;韦钧等2002)。随后在1999年发射的TERRA和2002年发射的AQUA卫星携带的MODIS传感器，也设计有海洋研究相关的波段，可以进行海洋水体研究。欧洲空间局(ESA)在2002年发射了迄今为止最大的综合性环境卫星ENVISA-1上配置的中等分辨率成像频谱仪(MERIS)，由法国和荷兰共同研制，是目前水色传感器中最有优势的传感器之一(沈宏，2012)。
[0006]而对于较小尺度区域的研究则是大多是通过停船定点的方式借助不同仪器测量水体光谱信息。孙章丽等(2013)用ASD FieldSpec Pro野外地物光谱仪(光谱覆盖范围为350~2500_，波长精度±lnm，光谱分辨率35(Tl050nm间为3nm，1400^2100间为IOnm)通过停船定点测量方式测量了达里诺尔湖水体遥感反射率，并分析其光谱信息；李铜基等人(2001)用PIS-B型瞬态光谱仪(由中国科学院上海技术物理研究所研制生产，光谱范围为0.4—1.04微米，光谱分辨率为2.5nm)在东海实验站位测量了该的离水辐射亮度、归一化离水辐射亮度和遥感反射比；陈利雄等(2010)用GER-1500型便携式地物光谱仪(工作波长范围为30(Tl050nm，有512个波段，通道带宽约为1.5nm，光谱分辨率为3nm)通过垂直测量与倾斜测量方法测量了太湖区域的遥感反射比，并用于叶绿素浓度的反演。刘剋等(2006)运用ASD FieldSpec Pro地物谱辐射计(光谱覆盖范围为282~1090mm，512个波段，光谱采样间隔为1.41nm，光谱分辨率为3nm，有效波段范围为36(T860nm)测量了水体遥感反射率并用其反演叶绿素浓度；陈清莲(1999)运用多光谱剖面/表面辐射仪(SPMR/SMSR),(波宽范围为40(T800nm，光谱带宽为IOnm,含有9个通道，分立的波长为412，443，490，510，520，555，565，670，782)测量了东海区域九个波段的向上光谱辐亮度、向下光谱辐照度和表面的入射光谱辐照度；隋晓飞(2007)等利用GER1500型地物高光谱仪以及基于GER1500型地物高光谱仪研发的光纤式剖面光谱测量系统(光谱分辨率为1.5nm，光谱范围为35(Tl050nm，有512个波段)，在台湾海峡南部海域、福建沿岸水域和两个陆地平静湖泊同步测量了表面光谱数据和剖面光谱数据，对分别由水面之上法和剖面法得到的遥感反射比结果进行比较，并分析其影响因素。汪小勇等(汪小勇，2003)等利用双通道高光谱地物波谱仪FieldSpec (波谱范围为350~1050nm，光谱分辨率为1.4nm,在700nm附近其分辨率大约为3nm)测量了南海、渤海区域遥感反射率用于水体类别的判定，结合卫星数据得到悬浮泥沙的分布。
[0007]水体水面光谱信息是开展水体表面定量遥感和空间尺度变换研究的基础，分析目前获取水体水面光谱信息的方法，现有的水面光谱获取方法存在以下问题:
1.传统获取水体表面光谱信息的仪器为非成像光谱仪，光谱仪实际获取的是水面上某点的信息，但该点具体位置无法准确判断仅能给出大致范围，对于复杂多变的富营养化水体而言，不利于准确获取与光谱信息同步的水质、水文、水下光场等信息；
2.传统开展遥感信息空间尺度转换的研究方法，是基于不同空间分辨率不同的卫星影像，然而不同卫星过境时间并不一致，而且卫星影像的空间分辨率过于粗糙(几米至几百米)，此外，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。
[0008]3.成像光谱仪的特点不仅可以得到光谱的空间分布图像，也可以同步得到每个像元内的波谱信息，可以实现光 谱信息的准确定位。成像光谱仪可以搭载在无人机等空基平台上，但是其运行成本较高，难以在较短的时间间隔内获取不同高度上的同一研究区域的不同空间分辨的遥感信息。
[0009]参考文献:
文献1:陈利雄，胡勇，巩彩兰.内陆水体水面以上光谱测量方法对比分析[J].遥感信息，2012，Ol:42-47 ；
文献2:陈清莲，唐军武，王项南，任洪启.东海试验区水体光谱特性现场测量与数据分析[J] ?海洋技术，1999，03:25-37 ；
文献3:李铜基，唐军武，陈清莲，任洪啟.光谱仪测量离水辐射亮度的方法[J].热带海洋学报，2001，04:56-60 ；
文献4:刘剋.内陆水体反射波谱测量方法研究[J].重庆师范大学学报(自然科学版)，2006,04:71-75 ；
文献5:隋晓飞，商少平，马晓鑫，商少凌.剖面法与水面之上法测量水面下遥感反射率的比较[J].厦门大学学报(自然科学版)，2007，S1:6-11 ；
文献6:孙章丽，郑文锋，谢勇，余涛，韦春竹，余新宇.达里诺尔湖水体光谱测量与分析[J].安徽农业科学，2013，09:4182-4186 ；
文献7:汪小勇，李铜基.双通道高光谱地物波谱仪测量水体的遥感反射率[J].海洋技术，2003，03:20-24 ； 文献8:韦钧，陈楚群，施平.一种实用的二类水体SeaWiFS资料大气校正方法[J].海洋学报.2002(4):118-126 ；
文献9:张兆瑛.卫星海洋资料的归档技术研宄一Sea_WiFS资料库简介[J].海洋技术.1996(1):15-22 ；
文献10:沈宏.多源卫星数据的光谱带宽和空间尺度对水色参数遥感的影响[D].华东师范大学，2012。

【发明内容】

[0010]本发明的目的在于提供一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统，解决目前缺乏对富营养化大型浅水湖泊开展不同空间尺度湖泊水色光谱信息转换研究的野外实验场，以及现场数据实时获取传输问题，是同步开展“空中传感器一水面光谱一水下光谱一水体水环境参数”的浅水湖泊遥感野外自动监测系统的重要组成部分。
[0011]本发明的另一目的是提供一种浅水湖泊水面成像光谱采集方法。
[0012]本发明通过以下技术方案实现:
本发明公开了一种浅水湖泊水面成像光谱采集系统及自动采集方法，该系统包括支撑平台、供电系统、成像光谱数据采集器系统、数据传输系统、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I间；所述供电系统为数据采集器系统、数据传输系统供电；所述数据采集器系统包括水面成像光谱采集系统及其配套观测塔架，所述数据传输系统与数据采集器系统连接，并与数据采集器系统采集的水面成像光谱遥感信息传输给数据中心。本发明的系统和方法适合对富营养化湖泊藻华发生地点相对固定，频次高的区域开展空间尺度转换下的湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究。
[0013]采用本发明实施例的浅水湖泊水面成像光谱采集系统，通过数据采集器系统提供直接表征湖泊水色的光谱信息，既可以为湖泊遥感野外监测提供水面基本光谱信息，同时可以开展空间尺度转换下的湖泊水色及藻华的遥感野外监测与研究服务。
[0014]另外，根据本发明实施例的浅水湖泊水面成像光谱采集系统可以具有如下附加的技术特征:
根据本发明的一个实施例，所述平台上面设置防雨的仪器房，供电系统的蓄电池、数据采集器系统的数据收集控制器以及数据传输系统设置于仪器房内，仪器房的一侧成像光谱仪观测塔架。
[0015]根据本发明的一个实施例，所述供电系统包括太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器，其中，太阳能电池板安装于平台仪器房顶部，蓄电池组安装在平台仪器房内部，太阳能电池板与蓄电池组相连。由于湖泊水色光谱监测需要在晴好天气进行，太阳能供电系统可提供最大功率2kw，连续阴雨10天平均功率50W的不间断供电。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。
[0016]根据本发明的一个实施例，数据采集器系统包括观测塔架(15m)、电控升降导轨、成像光谱仪和太阳辐照度计。其中，观测塔架(15m)安装固定在平台的一侧，安装在观测塔架上的电控升降导轨由导轨、滑车、驱动系统及控制系统组成，成像光谱仪固定在升降系统的云台底座上，安装在平台仪器房顶的太阳辐照度计由余弦修整器、辐射光谱采集单元、二维云台及控制通讯电路组成。[0017]根据本发明的一个实施例，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述水面成像光谱采集的湖泊水面光谱信息数据接入接线盒中，接线盒与通信模块相连接，通信模块与数据中心相连接。
[0018]根据本发明的一个实施例，所述数据中心设备主要包括一台安装有数据库的服务器和显不器。
[0019]根据本发明的一个实施例，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。
[0020]根据本发明的一个实施例，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，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。
[0021]根据本发明的一个实施例，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。
[0022]本发明提供的一种利用所述浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的自动监测方法，该方法包括以下步骤:
(O在晴天利用太阳能电池板将太阳能转换为电能并存储在蓄电池组中；蓄电池组则是数据采集器系统和数据传输系统的电力来源；
(2)针对富营养化湖泊水色变化特点，筛选了与湖体水色及藻华相关的、性价比较高的且能实现野外无人值守测量的光谱参数，并利用水面成像光谱仪实时高频记录光谱信息参数，以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心；
(3)为了开展富营养化湖泊水体水色信息的空间尺度变化研究，本系统成像光谱仪并不像传统方式那样固定距离水面高度，而利用电控升降导轨将成像光谱仪送至不同高度处，获取不同空间分辨率的成像光谱信息，为开展遥感空间尺度转化研究服务。
[0023]本发明具有以下优点:
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板供电保障，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、运行迅速稳定、维护方便。本系统采用观测塔架辅助成像光谱仪，可以在较短的时间内完成距离水面不同高度处的水体表面光谱信息的采集工作，真正实现不同空间分辨率的水体表面光谱信息的同步监测；系统所依托的平台与浮标相比，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、同步捕捉不同空间尺度上湖泊水色光谱信息。
[0024]本发明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，或通过本发明的实践了解到。【专利附图】

【附图说明】
[0025]本发明的上述和/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是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的结构示意正视图；
图1b是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的结构示意侧视图；
图1c是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的结构示意俯视图；
图1d是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统依托平台仪器房的内部结构俯视图；
图2a是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统中的控制系统布置图；
图2b是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统中的辐照度计设计图；
图2c是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统中的升降系统传动及限位设计图；
图3是根据本发明实施例的适用于浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的数据采集传输流程图；
图4是基于本发明记录成像光谱；
图5为与本发明实施例一致的单个像元光谱图。
【具体实施方式】
[0026]下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0027]支撑平台上设置一仪器房1，平台一侧固定观测塔架2，观测塔架顶端固定避雷针3，观测塔架底端至顶部设置导轨4，导轨上放置一滑车+云台5，成像光谱仪6固定在云台底座之上，太阳辐照度计7固定于仪器房顶部，太阳能电池板8亦安装仪器房顶部太阳辐照度计7北侧,3个航标灯9分别安装在仪器房顶的东南角、西南角以及西北角上，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。接线盒10、蓄电池组11、数据通信模块12以及仪器驱动系统及控制系统13全部安置在仪器房内，成像光谱仪6在仪器驱动系统及控制系统13的操作下，测得数据信息通过接线盒10传输至数据通信模块12，采取无线传输方式将数据传输至数据中心14。
[0028]实施例一
图la、lb、lc和Id是本发明的结构示意图，如图所示，浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，该系统包括支撑平台、供电系统、成像光谱数据采集器系统、数据传输系统、数据中心。[0029]所述支撑平台须比所在水域历史最高水位高出lm，其由管桩共计48根支撑，每根长Sm，打入湖底约3m左右，上面铺设防腐木隔板(即平台)，平台上面设置防雨的仪器房，同时为了方便平台作业，在仪器房一侧焊接不锈钢梯子可至房顶，另一侧成像光谱仪观测塔架2。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6。
[0030]保护设施包括焊接在成像光谱仪观测塔架上的避雷针3及安装平台仪器房的西南角上航标灯9。同时在平台上四周焊接保护围栏，并在外围设立防护围桩。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。保护围栏由钢柱和镀锌管构成，防护围桩主要由正方形水泥桩和镀锌管构成。
[0031]如图3所示，供电系统包括太阳能电池板8以及蓄电池组11。太阳能电池板8与蓄电池组11相连。蓄电池组11安放在平台上仪器房内。太阳能电池板8固定在焊接在仪器房顶的不锈钢架上并面向南方。所述供电系统为数据采集器系统、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，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。太阳能供电系统可提供最大功率2kw，连续阴雨10天平均功率50W的不间断供电。整体系统由太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器组成。太阳能电池板组采用4块240W的单片电池板，单片电池板开路电压37V，工作电压29V，工作电流8.5A,电池板组采用2串2并连接，输出电压约58V。光伏控制器为智能控制器，无需配置。蓄电池组采用8块12V150AH铅酸蓄电池，电池组由4串2并组成，可提供48V，300AH的供电能力。48V逆变器提供峰值输出功率2KW的单相逆变输出。
[0032]所述水面成像光谱数据采集器系统包括观测塔架(15m)、电控升降导轨、成像光谱仪和太阳辐照度计。其中，观测塔架(15m) 2安装固定在平台的一侧，安装在观测塔架上的电控升降导轨由导轨4、滑车+云台5、驱动系统及控制系统13组成(如图2c所示)，由于工作环境在室外水面上，湿度较大，为了达到防腐的要求，导轨及运动部分采用304不锈钢材料，可保证长时间使用不腐蚀；驱动部分采用防护等级IP65的电动机及减速器，链条及链轮同样采用不锈钢材料；控制系统由高速单片机完成系统控制，长度传感器将滑车运动的高度实时送到单片机处理后由控制器面板上液晶显示屏显示出实时高度值；如图2c，本设备装有三个行程开关，分别是上限位、零位控制、下限位，可靠地保证滑车的定位和安全运动范围。成像光谱仪6固定在升降系统的云台底座5上。如图2a，控制系统的控制柜使用标准19寸机柜，高度18U。控制柜内安装有:升降控制器、电源控制器(成像光谱仪、云台、辐照度计)、监控系统电源控制器、硬盘录像机及键盘抽屉各一台；硬盘录像机实行24小时监控，请勿关闭控制柜电源。如图2b，安装在平台仪器房顶的太阳辐照度计7由余弦修整器、辐射光谱采集单元、二维云台及控制通讯电路组成，该系统由余弦修整器接收到的太阳辐射光，进入光纤，通过光纤将光线传入辐射光谱采集单元，控制计算机通过以太网与辐照度计进行通讯，实现辐射光谱的采集、辐照度的计算及对辐照度计的控制。测量探头及光谱仪安装于铝合金密封盒中，整体安装在二维云台上，二维云台通过以太网(或其他)与计算机进行通讯。二维云台使用步进电机进行驱动，驱动器放置在云台内部。整体采用防水结构，可以达到IP65防护等级，满足室外使用要求。[0033]所述成像光谱仪6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。
[0034]所述数据传输系统包括控制系统的数据通信模块12和接线盒10，所述成像光谱仪6接入接线盒10，接线盒10通过导线和数据线与蓄电池组12和通信模块相连接，数据通信模12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14。数据中心14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。
[0035]实施例二
图3是本发明的流程图，如图所示，一种利用实施例一所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的自动监测方法，该方法包括以下步骤:
(1)在晴天利用太阳能电池板8将太阳能转换为电能并存储在蓄电池组11中；蓄电池组11则是数据采集器系统(包括航标灯9、水面成像光谱采集系统6和通信模块12的电力来源；
(2)利用摄像头采集半径500m内水面的视频图像；然后依据湖水表面藻华或水色变化特征，通过数据传输系统的内置程序将图像中出现水色变化信息提取并传输给数据中心，选择适当时机开展成像光谱仪实验工作；
(3)针对富营养化湖泊水色变化特点，筛选了与湖体水色及藻华相关的、性价比较高的水面成像光谱仪6，通过控制系统调整观测塔架升降系统高度，来获取距离水面不同高度时水面光谱信息，并以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心14 ；
根据本发明实施例的浅水湖泊水面成像光谱自动监测方法，所述成像光谱仪6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。
[0036]根据本发明实施例的浅水湖泊水面成像光谱自动监测方法,所述数据中心软件将自动完成多所采集数据的分类、插值、存储、发布的操作；研究人员和监测人员可以通过IE浏览平台实时高频捕捉的湖泊水色信息，并据此开展不同空间尺度变换的水体遥感信息研究，并为水体藻华及富营养化预测预警服务。
[0037]具体实施方法如下:
(I)选择水深较浅的且遭受藻华危害的浅水湖泊作为观测对象。平台系统所建水域水下地形平坦，基本上为坚硬的黄土物质所组成，黄土层表面仅少量深层淤泥，适合打桩固定。平台所在水域是该湖泊蓝藻水华发生最为频繁的区域之一。
[0038](2)借助工程船将五根直径0 400mm，长度为8 m为大口径管桩31打入底泥中，并横向通过“工”型钢梁相互连接，作为整个平台的基础，并在此基础上铺设5 m*5 m的防腐木板。最终平台需要高出水域历史最高水位I m以上，以防止平台被洪水淹没。此外，在平台正面有通往栈桥的Im宽的梯子，平台一侧固定有0.5 m宽的梯子通往仪器房顶，用于搬运货物及作业人员通行和开展正常的仪器维护工作。
[0039](3)在钢板四周由镀锌钢管焊接保护围栏，并在距离平台1.5 m处安装10 m*10 m的防护围桩，并在此围栏和围桩上悬挂警示标语及联系电话。在平台成像光谱仪观测塔架顶部焊接固定一根钢筋制成的避雷针3，在平台仪器房西南角以及太阳能电磁板下面安装用于警示船只勿靠近的航标灯9。
[0040](4)成像光谱仪及配套云台安装电控升降导轨的安装平台上，通过电控系统控制其升降及高度，最大上升高度为10米；太阳能供电系统采用单片240W太阳能电池板，共4片，通过专用支架安装在房间上面，朝向为正南，安装角度45°，分上下两排安装，每排2块，房间左侧预留1.5米空地，可安装其他设备；同时在平台上面向南方固定使用不锈钢架固定4块的太阳能电池板8。太阳能电池板8输出的电力被存储在4块12 V，150安时的蓄电池组11中,平台其他负载均从这组电池组中获取电力供应。
[0041](5)依据富营养化湖泊水体水色变化以及藻华现象特征，监测参数的选取依据以下原则:a与湖泊水色及藻华密切相关；b能够实现自动监测，尽量少的维护操作；c更高的性价比及稳定性。据此选择成像光谱作为监测参数。Hyperspec ? VNIR (400-1000nm)N-Series Imaging Spectrometer可记录观测区域内所有像素的400_1000nm的离水福亮度和向下辐照度。此外，传感器通过仪器自配数据传输和供电集成电缆与仪器房中的接线盒10相连接，以获取电力供应和传输数据。
[0042](6)接线盒10通过导线与蓄电池组11相连接，为平台各类负载提供电力。同时，又通过电缆与通信模块12相连接，将各类传感器收集的数据暂存在本地或者通过商用3G无线网络将数据传给数据中心14。数据中心14中的软件将自动完成多所采集数据的分类、插值、存储、发布等操作。研究人员和监测人员可以通过IE浏览平台实时高频捕捉的湖泊水色信息，并据此开展遥感信息的空间尺度转换研究，并对未来水色变化及藻华状况作出预测预警。
[0043]试验例一
该系统可以对湖泊水色变化的遥感光学信号开展监测，包括图像、光谱等连续实时自动高频记录。这是一个真实环境下可以同时获取不同空间尺度的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。
[0044]图4是自动监测平台记录的2013年I月18日水体成像光谱情况，水下光谱以及外环境要素的同步监测情况，通过该平台，可以开展湖泊水色定量遥感闭合实验、藻华的尺度效应试验、藻类水平及垂向分布异质性对水下光场影响试验，可大大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。
[0045]在本说明书的描述中，参考术语“ 一个实施例”、“ 一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0046]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明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，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，该系统包括支撑平台、供电系统、数据采集器系统、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，所述平台上面设置有用于放置设备的仪器房; 所述供电系统为数据采集器系统和数据传输系统供电； 所述数据采集器系统包括观测塔架、电控升降导轨、成像光谱仪和太阳辐照度计，其中，所述观测塔架安装固定在所述平台之上，其上安装有带有云台的电控升降导轨；所述成像光谱仪安装固定在所述观测塔架的云台底座上，所述成像光谱仪通过观测塔架上的所述电控升降导轨上下移动，在所述云台辅助下实现所述成像光谱仪的水平180度转动；所述太阳辐照度计安装在所述仪器房顶无遮挡处； 所述数据传输系统与数据采集器系统连接，并将数据采集器系统采集的不同高度和角度的湖泊水面光谱信息传输给数据中心。
2.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述供电系统的蓄电池、数据采集器系统的数据收集控制器以及数据传输系统设置于仪器房内。
3.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其中，所述观测塔架安装固定在所述平台的一侧； 所述电控升降导轨安装在观测塔架上，其包括导轨、滑车、驱动装置及控制装置， 所述太阳辐照度计安装在平台仪器房顶，其包括余弦修整器、辐射光谱采集单元、二维云台及通信控制装置。`
4.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述供电系统包括太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组、逆变器，其中，太阳能电池板安装于所述仪器房顶部，蓄电池组安装在所述仪器房内部，太阳能电池板与蓄电池组相连。
5.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述数据传输系统包括接线盒和通信模块，所述水面成像光谱采集的湖泊水面光谱信息通过接线盒传送至通信模块，并由通信模块将其发送至数据中心。
6.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述数据中心包括服务器和显示器。
7.根据权利要求1所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，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。
8.根据权利要求1-7任一项所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其还包括保护设施，所述保护设施包括避雷针和/或航标灯，所述避雷针安装在高于水面的观测塔顶端，航标灯分别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。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统的方法，所述方法包括以下步骤: (1)在晴天利用太阳能电池板将太阳能转换为电能并存储在蓄电池组中；蓄电池组为数据采集器系统和数据传输系统的电力来源； (2)利用摄像头采集半径500m内水面的视频图像；然后通过数据传输系统依据湖水表面藻华或水色变化特征将图像中出现水色变化信息提取并传输给数据中心；(3)通过传输至数据中心的视频信息，通过调整观测塔架升降高度，来获取距离水面不同高度时水面光谱信息，并以数据流的形式，通过数据传输系统传输给数据中心。
10.根据权利要求1-8所述的浅水湖泊水面成像光谱自动监测系统，其特征在于，所述成像光谱仪可记录距离水面不同高度时，观测区域内所有像素的400-1000nm的离水辐亮度和向下辐照度。
【文档编号】G01J3/28GK103630238SQ201310597521
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】张玉超, 马荣华, 王新雨 申请人:中国科学院南京地理与湖泊研究所, 北京欧普特科技有限公司