水域冰情监测研究系统的制作方法
【专利说明】
(一)
技术领域
[0001]本发明属水域监测范畴，特别涉及水域冰情监测。
(二)
【背景技术】
[0002]位于我国高寒地区的水电大坝冬季库区结冰及春季上游河道冰凌的冲击都会给水电大坝安全运行和河边人们的生活带来很大影响。密切监测结冰期冰体和春季上游河道冰凌流动，是确保水电站和人民生命财产安全的重要环节。海边的冰情状况也是海域航行的关键因素。因而，每年国家需要消耗大量的人力监测冰情，防范安全事故。
[0003]由龙欣，程琦，秦建敏撰写的《黃河万家寨水利枢纽水库冰情定点连续自动监测系统的设计与应用》[J].发表在《数学的实践与认识》，第2014，44(2)期，第71-78页。文中介绍了采用分布式电极测电阻的方法测量冰厚。这种方法只是测量冰厚，而且由于测量精度与电极的分布相关，不是十分准确。
[0004]在由徐超，张永利撰写的《基于OpenCV图像处理技术在冰情监测中的应用[J]》发表在《信息技术》2014年第5期第175-177页。本文介绍了一种采样拍摄照片，并通过采用数字图像处理技术分析照片，得到结冰的宽度的方法。
[0005]上述这些方法只能观察冰情的某一个参数，即冰的厚度或宽度，不能观察多个参数，也没法得到冰情与其他因素的相互关系，对分析判断冰情有较大局限性，不能适应现有水域冰情监测的实际需要。
(三)
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种能够实时监测水域各区域冰情的发生，发展的水域冰情监测系统，能够监测水域冰情发生发展与温度、风速、流速的关系。为研宄水域冰情的发生发展与环境变量的关系提供科学数据。
[0007]本发明的目的是这样达到的:监测研宄系统由监测服务器与若干监测站组成，监测站数量和分布根据需要选择，监测服务器为带有无线通信能力的计算机，监测服务器与监测站间采用无线通信方式进行通信。
[0008]监测站包括固定线、固定锚、浮箱，安装有测量设备和仪器后的浮箱需要有1/5以上浮在水面，且水下的深度大于可能的最大结冰厚度。固定锚沉入水底，重量远大于水对浮箱产生的浮力，浮箱固定在监测位置上。浮箱和固定锚通过固定线连接，固定线的一端通过浮箱底面上的固定线安装孔连接在浮箱上，另一端连接固定锚。
[0009]浮箱为正多边立柱体，顶面和底面为相同形状、相同大小的正多边型，正多边形边数用m表示。浮箱侧面为透明材料做成的矩形，宽度等于顶面或底面正多边形的边长，顶面和底面水平安装，浮箱内部为空心密封结构。在浮箱内部安装监测与控制器，监测与控制器安装在监测与控制器安装支架上，并处于浮箱中轴线上，监测与控制器安装支架固定在浮箱的底面上。在浮箱顶面安装气象参数测量仪、太阳能风能电源、GPS测量仪、无线天线，在浮箱矩形侧面每条边的外侧竖向等距安装k个温度传感器，共计安装mk个。在固定线上等距安装η个温度流速测量仪，η大于等于I。
[0010]监测与控制器的控制芯片是微处理器，微处理器连接视频数据采集模块和无线通信系统，并设置温度流速测量仪接口、温度传感器接口、GPS测量仪接口、气象参数测量仪接口，微处理器通过无线通信系统接收监控服务器命令，采集与其连接的温度流速测量仪、温度传感器、视频数据采集模块、GPS测量仪、气象参数测量仪的数据，并通过无线通信系统向监控服务器发送所采集的数据。
[0011]视频数据采集模块是在可编程门阵列以及外围电路上连接图像传感器以及外围电路、视频压缩处理芯片以及外围电路、闪光控制电路；通过通信接口与微处理器连接，通信接口传输微处理器命令给现场可编程门阵列，向微处理器发送视频压缩信号。
[0012]视频压缩处理芯片及其外围电路接收可编程门阵列的视频输出信号，将视频输出信号进行视频压缩，将压缩后的视频压缩信号送给可编程门阵列。
[0013]可编程门阵列及其外围电路通过场同步信号，行同步信号，时钟信号，驱动时序信号，曝光控制信号控制图像传感器的图像采集时间，进行曝光控制，控制闪光控制电路的闪光时刻，并接收图像传感器传来的亮度像素信号，将像素亮度信号按行同步和场同步组合成视频输出信号；将视频输出信号传输给视频压缩处理芯片，并接收视频压缩处理芯片的视频压缩信号，将视频压缩信号通过通信接口传输给微处理器。
[0014]系统的控制包括监控服务器控制、微处理器控制、视频数据采集模块的现场可编程门阵列控制:
[0015]监控服务器控制:
[0016]I)、向各监测站发送监控命令，监控命令内容包括:是否启动或停止工作、数据采集间隔时间、数据采集类型，
[0017]2)、接收各监测站发来的数据，
[0018]3)、存储接收到的各监测站数据并进行数据运算和处理。
[0019]微处理器控制:
[0020]I)、接收监控服务器命令，
[0021]2)、解析监控服务器命令，并根据监控服务器命令向视频数据采集模块发送视频数据采集命令，接收采集各视频数据采集模块系统的视频数据，
[0022]3)、解析监控服务器命令，并根据监控服务器命令采集各温度流速测量仪的流速与水温数据，采集各温度传感器的温度数据，采集GPS测量仪的位置数据和时间数据，采集气象参数测量仪的气温、气压、散射辐射、直接辐射、风速、风向、湿度、雨量等各种数据，
[0023]4)、将采集的数据传输给监控服务器。
[0024]视频数据采集模块的现场可编程门阵列控制:
[0025]I)、接收微处理器命令，
[0026]2)、根据微处理器命令构造场同步信号、行同步信号、时钟信号、驱动时序信号、曝光控制信号，将上述信号送给图像传感器，产生闪光同步信号控制闪光控制电路闪光，
[0027]3)、接收图像传感器的像素亮度信号，并根据场同步信号和行同步信号构造视频输出信号送给视频压缩处理芯片，
[0028]4)、接收视频压缩处理芯片传来的视频压缩信号，
[0029]5)、将视频压缩信号送给微处理器。
[0030]太阳能风能电源包括风力发电机、太阳能光伏板、风光控制器、蓄电池，风力发电机通过风力发电机支架固定在立杆上，太阳能光伏板固定在立杆上，立杆将风力发电机和天阳能光伏版固定在基座上，立杆通过基座将太阳能风能电源固定在浮箱上，立杆为空心圆柱，中间安装风光控制器和蓄电池，风光控制器控制风力发电机和太阳能光伏板对蓄电池充电，蓄电池对系统供电。
[0031]视频数据采集模块共安装m个，浮箱的每个侧面对应安装一个，视频数据采集模块图像传感器与对应侧面平行，各视频数据采集模块图像传感器与对应侧面的距离相等，且采用相同的镜头，镜头焦距的选择要保证所拍浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中，摄像机水平安装使得浮箱侧面图像的上下两边在拍摄图像中呈水平位置。
[0032]监测研宄系统对冰厚进行监测，冰厚监测数据处理由监控服务器实现，或者由监测与控制器的微处理器或视频数据采集模块的现场可编程门阵列实现。
[0033]冰厚监测数据处理过程如下:
[0034]I)根据所拍浮箱侧面图像在拍摄图像的位置，选择图像计算区域。计算区域的最上边的行稍微低于浮箱侧面的上边并高于水面，设其为It，计算区域的最下边行稍微高于浮箱侧面的下边并低于可能的最深冰底面，设其为lb。如果拍摄图像不能包含浮箱侧面的左右两边，则计算区域最左可以为拍摄图像的左边一列，最右可以为拍摄图像的右边一列。如果拍摄图像包含浮箱侧面的左右两边，则计算区域最左可以为浮箱侧面的左边，最右可以为浮箱侧面的右边。设计算区域最左的列为J1，最右边的列为Jr.
[0035]2)设视频数据采集模块所拍图像为A，在图像A中，取出It到Ib行与Jl到Jr列之间的图像，设其为图像B.设Ic = Ib-1t, Jc = Jr-Jl ;则图像B的像素有Ic行Jc列
[0036]3)计算图像B的灰度，设图像B的灰度为图