一种着生藻生长带的原位监测装置的制作方法

本实用新型涉及水生态环境监测技术领域，更具体涉及一种着生藻生长带的原位监测装置。适用于近岸水体着生藻类监测及其分布与生长变化规律研究。

背景技术：

着生藻类也被称为底栖藻类，是附着在水体基质上生活的一些微型附着藻类。着生藻类营固着生活，拥有较大的生物膜面积，与水体物质交换迅速，是指示河流生态系统健康状况常用指示生物。着生藻通常生长在靠近岸边阳光较易透入的浅水地带。

南水北调工程是世界上最大的跨流域调水工程，其中水质安全是工程发挥供水效益的前提，是南水北调保障工作中的重中之重，同时也是检验调水工程成败的核心指标。南水北调中线工程全长1432千米，总干渠为全钢筋水泥结构，不与外界水系连通，全线以明渠为主，并建有隧洞、管道、暗涵和渡槽等工程设施。中线通水后，坡岸线春季出现了着生藻类大量增殖现象，着生藻类快速生长形成群体着生藻生长带，可高达十几厘米，与自然河道的着生藻类生长情况显著不同。着生藻类大量增殖死亡上浮后可能对总干渠水质造成影响，因此，需要监测、研究总干渠着生藻类的分布与生长变化规律，需要对着生藻类进行高密度的监测工作。

传统的着生藻类监测方法有三种，如《水库渔业资源调查规范》(sl167-2014)规定有基质法(水草法或石块法)、载玻片法和聚酯薄膜法。其中水草法或石块法是采集完整水草或石块，带回实验室，用小刀刮取着生藻类，然后在显微镜下测试。载玻片法是将载玻片固定在固定架上，用绳索绑在它物上或加重物使之沉入水中或用棍棒插在水底，其顶端用浮子使之漂浮水面。聚醋薄膜法是将聚醋薄膜一端固定在浮子上，另一端缚上重物使之沉下。待生长一段时间后捞起然后刮取着生藻类带回实验室测量。念宁等人在2009年10月于环境科技上发表的“不同基质上着生生物群落生态学特性比较研究”提供了水草法和石块法监测着生藻类，例如当河流渠道为水泥底质时，大型水生植物无法生存，也无石块可供采集，水草法或石块法采样无法使用；赵雨峰等人发表在黑龙江环境通报.2014.12的“自然水体中不同人工基质上着生藻类的比对分析”公布了利用载玻法和聚脂薄膜法进行采样分析，由于着生藻的生长需要一定的时间，采样架一般需要在水中放置14天，所需时间长，时效性低，难以满足研究所需的高密度采样监测需求。而且载玻法和聚脂薄膜上着生藻类的生长量与渠底的生长量存在差异，这主要可能是生长时间及材质差异造成的。传统着生藻类监测工作往往采用先采样再分析的监测方式，采样适用性、时效性和可信度往往无法满足研究和监测的需求。所得结果用密度或生物量表示，密度为单位面积内着生藻类的个体或细胞数量(ind./cm²或cell/cm²)，生物量为单位面积内着生藻类质量(mg/cm²)。缺乏描述着生藻类的生长高度指标、覆盖度指标以及颜色指标等等，难以准确描述着生藻类的生长变化规律。再者，传统监测方法耗时耗力，一般需要14天以上，难以满足研究所需的高密度采样需求。迫切需要研发新的着生藻类监测方法与设备，以满足着生藻类生长变化规律研究需求。

随着视频监测技术的发展，为满足高密度采样、长时间连续监测的需求，视频装置正在逐步应用到藻类监测中。现有的藻类视频监测装置为钢结构立杆主体顶部安装摄像机，固定于渠段岸边，自水面上方拍摄藻类生长情况，观测影像可通过网络传输并储存至服务器中，后续由专家分析判断水藻生长的各类指标。然而，该类监测装置用于着生藻的量化监测时存在多个局限。例如该视频监测装置观测角度局限，立杆顶部安装的摄像机仅能从水上顶视拍摄着生藻类，水下实际着生藻类生长情况如生长高度、侧向形貌细节等无法获得，从而无法获得足够信息判断藻类类别、生长期、生物量等指标。同时，该类装置主要通过人眼观察摄像机传输影像，进而判断藻类生长情况，耗时耗力，难以连续监测，并且难以准确量化。

技术实现要素：

本实用新型提出了一种着生藻生长带的原位监测装置，该监测装置包含置于监测现场立杆顶部的水上摄像机，和由舵机、连杆机构、压藻板和水下摄像机组成的水下监测平台。

进一步地，所述连杆机构包括互相铰接的转动副和移动副，转动副受舵机驱动绕舵机驱动轴在垂直于坡岸面和着生藻生长带的竖直平面内摆动，移动副以移动副与转动副的铰接点为圆心摆动，推动与移动副另一端铰接的压藻板携水下摄像机沿坡岸线下滑。

进一步地，所述监测装置还包括控制器、网络交换机、监测服务器，水上摄像机、水下摄像机与网络交换机通信连接，控制器与舵机、补光灯、水上摄像机、水下摄像机电性连接，监测服务器与网络交换机通信连接。

进一步地，所述移动副的长度大于转动副垂直于坡岸地基时转动副和移动副的铰接点到坡岸地基的垂直距离。

进一步地，所述连杆机构还包括由辅助转动副、第二辅助移动副、第三辅助移动副依次铰接组成的平面连杆机构，所述第二辅助移动副呈v型，第二辅助移动副的三个顶点分别铰接辅助转动副、转动副远离舵机的一端、第三辅助移动副，第三辅助移动副的另一端与移动副远离压藻板的一端铰接，辅助转动副的另一端与舵机远离驱动轴的一端铰接。

进一步地，所述移动副具有固定端与自由端，自由端与固定端滑动连接，固定端与转动副铰接，自由端与压藻板铰接。

进一步地，所述移动副靠近压藻板的一端还通过弹簧连接压藻板。

水上摄像机用于获取着生藻生长带在视野内的覆盖范围和顶视轮廓。水下摄像机在水下监测平台的运动配合下可获得着生藻生长带的水下侧视轮廓和细节。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、与传统的水上视频监测装置相比，本实用新型增加了搭载水下摄像机和压藻板的水下监测平台和连杆机构等装置，大幅提升获得信息的全面性和细致度。单一的水上视频监控仅可获得着生藻生长带的生长范围的信息，无法得知着生藻生长高度、生物量、形貌特征等。本实用新型可实现水上水下多角度清晰摄像，观测准确度提高，并为后续着生藻类生长指标的分析判断提供可靠依据。

2、与现有监测技术相比，本实用新型可节省大量人力物力。现有技术要想获得着生藻的准确形貌信息及其变化，需专业人员频繁往来于各采样现场。本实用新型基于远程监测并具备准确细致的特点，可大大减少现场采样的次数。另一方面，现有方法基于专业人员的耗时观测和实验，本实用新型可由计算机对远程采集的细致图像进行分析，自动进行数据化且监测数据和量化参数将不断更新至数据库，从而使系统具备对藻类生长演替动态过程进行稳定监测的能力。

3、本实用新型能更好地支撑对河流渠道全段着生藻生长规律状况和治理的研究。传统方法受限于其要求的专业人力物力以及其较差的时效性和准确度，难以对全河段渠段的着生藻生长状况进行高密度多点监测。本实用新型因其实时准确且节省人力，可规模化部署于各监测渠段内，通过藻类在线监测系统，对各监测点数据进行汇总整合。不仅可实现监测系统的数据库持续更新、完善、升级，同时可根据不同流域的着生藻类生长情况，配合总结出相应的最优治理措施。

附图说明

图1为本实用新型的装置整体示意图；

图2为着生藻生长带顶视轮廓示意图；

图3为本实用新型的功能模块示意图；

图4为本实用新型的实施例2示意图；

图中1-立杆，2-坡岸地基，3-水上摄像机，4-舵机，5-连杆机构，6-水下监测平台，7-水下摄像机，8-压藻板，9-着生藻生长带，10-水面，11-太阳能供电备电系统，12-避雷系统，13-监测服务器，14-转动副，15-主关节，16-连接杆，17-水体，18-控制器，19-网络交换机，20-网络，21-滚轮，22-坡岸线，23-第二关节，24-驱动轴，25-水岸线，26-着生藻从顶视轮廓，31-辅助转动副，32-第二辅助移动副，33-第三辅助移动副，34-弹簧。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步详细描述。

实施例1：

如图1～图3，一种着生藻生长带的原位监测装置包含固定在立杆1横梁顶端的水上摄像机3和搭载在水下观测平台6上的水下摄机7和压藻板8，以及带动水下观测平台6运动的连杆机构5和舵机4。连杆机构5由多个杆件例如转动副14、移动副16组成，转动副14和移动副16通过主关节15铰接。移动副16可以被主关节15带动平移，也可以绕主关节15转动。连接杆另一端通过第二关节23与水下监测平台铰接，可以带动水下监测平台6进出水面10并停留在不同位置。转动副14另一端固定连接驱动轴24。转动副14在驱动轴24的旋转带动下可以沿驱动轴24的轴心摆动并停留在不同角度。舵机4和立杆1固定在河流或渠道的坡岸地基2上。舵机4内置电机，变速箱和摇把等，可以受控制地转动驱动轴24以带动转动副14摆动。控制器18与舵机4、水上摄像机3、水下摄像机7、网络交换机19电性连接，监测服务器通过网络20通信连接网络交换机19。监测服务器13包含存储设备和执行影像分析和远程控制的计算机和软件。装置也可包含避雷系统12、太阳能供电备电系统11等其他功能性部件，以及受监测服务器13和控制器18控制的的水下补光灯、水下摄像机罩电动清洁刷等辅助设备。移动副16长度大于转动副14垂直于坡岸地基2时主关节15到坡岸地基2的垂直距离。

本实用新型的装置在进行着生藻的监控时，水上摄像机3通过预设或受控的云台和变焦操作，从顶视角度拍摄立杆1位置上下游近岸区域的一系列影像。这些影像经过监控服务器13计算机内置软件的图像处理，可以获得近岸上下游一段区域内的顶视照片并提取出着生藻覆盖面的轮廓26。另一方面，连杆机构5驱动水下监测平台6滑入水中，其搭载的矩形压藻板8将水下摄像机7位置附近的着生藻压平在压藻板8下，从而为摄像机清除出视野并露出着生藻生长带9的侧切面。水下摄像机7通过云台和变焦操作可获得显露着的着生藻生长带9的侧面细节和轮廓。当着生藻生长带9生长带的宽度大于压藻板8的长度时，水下摄像机7及水下监测平台6在连杆机构5驱动下，沿岸坡的运动扫描可以保证获取着生藻生长带完整的侧视剖面影像。当不进行水下拍摄时，连杆机构5可自动将水下监测平台6拖出水体17，从而避免着生藻附着生长在压藻板8和水下摄像机罩7上，对后续监测造成影响。

实施例2：

如图4，一种着生藻生长带的原位监测装置包含搭载在水下监测平台6上的水下摄像机7和压藻板8，以及带动水下监测平台6运动的连杆机构5和舵机4。连杆机构5包含转动副14、移动副16、主关节15、辅助转动副31、第二辅助移动副32、第三辅助移动副33。辅助转动副31、第二辅助移动副32、第三辅助移动副33相互铰接形成平面连杆机构，第二辅助移动副32呈v型，第二辅助移动副32的交叉点与辅助转动副31的一端铰接，辅助转动副31的另一端与舵机4的外壳铰接，第二辅助移动副32的两角点分别与转动副14远离舵机的一端铰接、及与第三辅助移动副33的一端铰接，第三辅助移动副33的另一端与移动副16靠近主关节的一端铰接，平面连杆机构限制了移动副16绕主关节15的自由下垂摆动，使得在转动副14向上摆动时，移动副16尾端的第二关节23处离开坡岸线22，从而带动水下监测平台6进出水面10并停留在空中不同位置，而不是沿坡岸线22滑动。舵机4固定在河流或渠道的坡岸地基2上。舵机4内置电机，变速箱和摇把等，可以受控制地带动转动副14摆动。移动副16可以伸缩调整以适应着生藻生长带随季节、水位或监测点的位置变化。第二关节23铰接移动副16和水下监测平台6。装置还可包含限制水下监测平台摆动的弹簧34。弹簧34一端连接在移动副16的下部，一端连接在水下监测平台6上，其弹簧拉力使得水下监测平台6在离开岸坡22以后保持翘起的状态，方便再次入水。

本实用新型的装置在进行着生藻的监控时，连杆机构5在多个连杆和关节的共同作用下，驱动水下监测平台6从空中悬停位置进入水中并压向坡岸线22，其搭载的矩形压藻板8将水下摄像机7位置附近的着生藻压平在板下，从而为摄像机清除出视野并露出着生藻生长带9的侧切面。水下摄像机7通过云台和变焦操作可获得显露着的着生藻生长带9的侧面细节和轮廓。当不进行水下拍摄时，连杆机构5可自动将水下监测平台6带水体17，从而避免着生藻附着生长在压藻板8和水下摄像机罩7上，对后续监测造成影响。

其他与实施实例1相同。

在本实施实例中，多个杆件和关节构成的连杆机构5可以带动水下监测平台6悬停在空中不同位置以及在伸展状态压实在着生藻从9所在位置的河床上。由于无需沿坡岸线22滑动，本实施案例不要求坡岸硬化品质，适用于坡岸和河床为软质或不平整的情况。