一种基于大数据的水质实时智能监测分析管理系统的制作方法

本发明属于湖泊水质监测技术领域，具体涉及一种基于大数据的水质实时智能监测分析管理系统。

背景技术：

湖泊是地表水资源的重要载体，是维系生态系统健康的重要因子，具有调节河川径流、发展灌溉、提供工业和饮用水源等多种功能。近年来，由于人类的活动，湖泊水质遭到破坏，随着湖泊水污染的日益加剧，对湖泊水质进行实时监测成为迫切需要进行的行动。对于流速较慢的湖泊，当湖泊湖面上存在污染物时，由于湖泊流速较慢，其湖面上的污染物可能就漂浮在湖面上，未能深入湖泊水体，在这种情况下，只是对湖泊的水体进行水质监测，就会存在监测片面化的问题，导致监测可靠性低，其得到的水质监测结果无法反映湖泊的综合污染状况。为了解决以上问题，现设计一种基于大数据的水质实时智能监测分析管理系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于大数据的水质实时智能监测分析管理系统，通过对湖泊湖面存在的污染物进行分析，并对湖泊水体进行水质参数检测，进而根据湖泊湖面污染物分析结果和湖泊水体水质检测结果统计湖泊水质综合污染系数，有效地解决了目前湖泊水质监测过程中存在的监测片面化、监测可靠性低的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种基于大数据的水质实时智能监测分析管理系统，包括湖泊区域划分模块、区域水体取样模块、区域图像采集模块、水质数据库、水质参数采集模块、图像初步处理模块、图像识别分析模块、建模分析模块、水质服务器、显示终端和智能监管中心，其中湖泊区域划分模块分别与区域水体取样模块和区域图像采集模块连接，区域图像采集模块与图像初步处理模块连接，图像初步处理模块与图像识别分析模块连接，区域水体取样模块与水质参数采集模块连接，建模分析模块分别与图像识别分析模块、水质参数采集模块和水质数据库连接，水质服务器分别与建模分析模块、图像识别分析模块和显示终端连接，智能监管中心与图像识别分析模块连接；

所述湖泊区域划分模块用于将待监测的湖泊区域按照平面网格划分方式划分为若干面积相同且相互连接的子区域，划分的各子区域按照预设的顺序进行编号，分别标记为1,2...i...n；

所述区域水体取样模块包括若干取样采集管，用于同时对划分的各子区域内的湖泊水体进行取样，得到各子区域的取样水体，并发送至水质参数检测模块；

所述区域图像采集模块包括摄像机，用于对各子区域湖面进行图像拍摄，得到各子区域湖面图像，并发送至图像初步处理模块；

所述图像初步处理模块接收区域图像采集模块发送的各子区域湖面图像，并对接收的各子区域湖面图像进行图像增强、噪声去除和高清滤波处理，得到处理后的各子区域湖面图像，并发送至图像识别分析模块；

所述水质数据库用于存储标准湖面图像，存储各种污染物对应的外形特征，存储各种污染物对应的单位污染面积污染系数，并存储各水质参数对应的标准数值；

所述图像识别分析模块接收图像初步处理模块发送的处理后的各子区域湖面图像，并对接收的处理后的各子区域湖面图像与水质数据库中标准湖面图像进行初步对比，分析是否存在污染物，若存在污染物，则统计存在污染物的子区域编号，分别记为1,2...j...m，并将存在污染物的子区域编号发送至智能监管中心，同时对存在污染物的各子区域湖面图像进行污染物种类分析，得到存在污染物的各子区域对应的污染物种类，并发送至建模分析模块，同时对存在污染物的各子区域湖面污染面积进行统计，其统计方法具体如下：

步骤S1：对存在污染物的各子区域湖面图像聚焦到污染物所在区域，并进行图像分割，得到存在污染物的各子区域对应的污染物所在区域图像，记为各子区域的污染物所在区域图像；

步骤S2：将各子区域的污染物所在区域图像进行灰度化处理得到灰度图像，利用边缘检测技术提取所述灰度图像的污染边缘轮廓线，其中污染边缘轮廓线作为污染区域与非污染区域的分界线，将污染区域分割出来；

步骤S3：对提取出污染边缘轮廓线的污染灰度图像进行二值化处理，利用种子点填充方法将污染灰度图像填充像素，进而确定存在污染物的各子区域图像污染面积；

步骤S4：根据该摄像机的摄像比例，计算存在污染物的各子区域的图像污染面积对应的湖面污染面积，计算得到的存在污染物的各子区域湖面污染面积构成区域湖面污染面积集合S(s1,s2,...,sj,...,sm)，图像识别分析模块将区域湖面污染面积集合发送至水质服务器；

所述水质参数采集模块包括若干水体参数检测终端，用于对区域水体取样模块发送的各子区域的取样水体的水质参数进行检测，其水质参数包括水温、酸碱度、溶氧量、浑浊度、氨含量、氮含量、磷含量和细菌总数，并将检测的各子区域取样水体的水质参数构成区域水质参数集合Pw(pw1,pw2,...,pwi,...,pwn)，pwi表示为第i个子区域取样水体的第w个水质参数对应的数值，w表示为水质参数，w＝g1,g2,…,gk,…,g8，g1,g2,…,gk,…,g8分别表示为水温、酸碱度、溶氧量、浑浊度、氨含量、氮含量、磷含量、细菌总数，水质参数采集模块将区域水质参数集合发送至建模分析模块；

所述建模分析模块接收图像识别分析模块发送的存在污染物的各子区域对应的污染物种类，并将接收的存在污染物的各子区域对应的污染物种类与水质数据库中各种污染物对应的单位污染面积污染系数进行对比，筛选出存在污染物的各子区域污染物种类对应的单位污染面积污染系数，构成区域单位污染面积污染系数集合μ(μ1,μ2,...,μj,...,μm)，并将区域单位污染面积污染系数集合发送至水质服务器；

同时，建模分析模块接收水质参数采集模块发送的区域水质参数集合，并提取水质参数数据库中各水质参数对应的标准数值，同时将区域水质参数集合中各子区域取样水体的水质参数与各水质参数对应的标准数值进行对比，得到区域水质参数对比集合ΔPw(Δpw1,Δpw2,...,Δpwi,...,Δpwn)，并将区域水质参数对比集合发送至水质服务器；

所述水质服务器接收图像识别分析模块发送的区域湖面污染面积集合，并接收建模分析模块发送的区域单位污染面积污染系数集合和区域水质参数对比集合，根据接收的区域湖面污染面积集合、区域单位污染面积污染系数集合和区域水质参数对比集合，统计湖泊水质综合污染系数，并发送至显示终端；

所述显示终端接收水质服务器发送的湖泊水质综合污染系数，并显示；

所述智能监管中心接收图像识别分析模块发送的存在污染物的子区域编号，并指派相关湖泊水质管理人员根据接收的存在污染物的子区域编号，及时清除污染物。

进一步地，所述划分的各子区域的编号顺序为按照从湖泊进水口到出水口的顺序进行编号。

进一步地，所述各子区域取样水体的取样水体深度及取样水体体积保持相同。

进一步地，所述图像识别分析模块对存在污染物的各子区域湖面图像进行污染物种类分析的过程包括以下两个步骤：

步骤H1：对存在污染物的各子区域湖面图像进行放大并聚集在污染物区域，并提取污染物的外形特征，其外形特征包括颜色和形状；

步骤H2：将提取的污染物外形特征与水质数据库中各种污染物对应的外形特征进行对比匹配，并统计提取的污染物外形特征与各种污染物对应的外形特征匹配的相似度，若匹配的相似度大于预设的相似度阈值，则输出该污染物种类，作为该存在污染物子区域对应的污染物种类，由此得到存在污染物的各子区域对应的污染物种类。

进一步地，所述标准湖面图像为不存在污染物的湖面图像。

进一步地，所述水体参数检测终端包括温度传感器、酸度计、溶解氧测定仪、浊度测定仪、氨氮测定仪、水质离子测定仪和细菌测定仪，所述温度传感器用于检测水体中的水温，所述酸度计用于检测水体中的酸碱度、所述溶解氧测定仪用于检测水体中的溶氧量，所述浊度测定仪用于检测水体中的浑浊度，所述氨氮测定仪用于检测水体中的氨含量和氮含量，所述水质离子测定仪用于检测水体中的磷含量，所述细菌测定仪用于检测水体中的细菌总数。

进一步地，所述湖泊水质综合污染系数的计算公式为μj表示为存在污染物的第j个子区域污染物种类对应的单位污染面积污染系数，sj表示存在污染物的第j个子区域湖面污染面积，Δpgki表示为第i个子区域取样水体的gk水质参数与其该水质参数对应的标准数值之间的差值，pgk0表示为gk水质参数对应的标准数值。

进一步地，所述建模分析模块将区域水质参数集合中各子区域取样水体的水质参数与各水质参数对应的标准数值进行对比过程中，若某子区域取样水体的某个水质参数不处在该水质参数对应的标准数值内，则该子区域水质不安全，该水质参数即为不安全水质参数，统计水质不安全的子区域编号及对应的不安全水质参数，并发送至智能监管中心，由智能监管中心指派相关湖泊水质管理人员根据接收的水质不安全的子区域编号及对应的不安全水质参数进行及时处理。

本发明的有益效果如下：

1.本发明通过对待监测的湖泊区域进行划分，并对划分的各子区域湖面进行图像采集及水体取样，进而对采集的各子区域湖面图像进行污染物分析和对各子区域取样的水体进行水质参数检测，得到存在污染的各子区域对应的污染物种类和各子区域检测的水质参数，结合水质服务器统计湖泊水质综合污染系数，不仅能够对对湖泊水体水质进行智能实时监测，而且还能够对湖泊湖面污染物进行识别分析，克服了目前湖泊水质监测过程中存在的监测片面化、监测可靠性低的问题，具有监测水平高、智能化程度高的特点，同时系统得到的湖泊水质综合污染系数实现了对湖泊综合水质污染状况的量化展示，满足了人们对湖泊综合污染监测的需求，为湖泊水质管理人员治理湖泊提供了可靠的参考依据。

2.本发明通过统计存在污染物的子区域编号和水质不安全的子区域编号及对应的不安全水质参数，并将统计的结果发送至智能监管中心，便于智能监管中心及时发现存在污染物的子区域和水质不安全的子区域，以便对存在污染物的子区域进行清理和对水质不安全的子区域进行针对性水质调整，避免湖面污染物及水质不安全未及时发现造成的湖泊水质加重污染。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1为本发明的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1所示，一种基于大数据的水质实时智能监测分析管理系统，包括湖泊区域划分模块、区域水体取样模块、区域图像采集模块、水质数据库、水质参数采集模块、图像初步处理模块、图像识别分析模块、建模分析模块、水质服务器、显示终端和智能监管中心，其中湖泊区域划分模块分别与区域水体取样模块和区域图像采集模块连接，区域图像采集模块与图像初步处理模块连接，图像初步处理模块与图像识别分析模块连接，区域水体取样模块与水质参数采集模块连接，建模分析模块分别与图像识别分析模块、水质参数采集模块和水质数据库连接，水质服务器分别与建模分析模块、图像识别分析模块和显示终端连接，智能监管中心分别与图像识别分析模块和建模分析模块连接。

湖泊区域划分模块用于将待监测的湖泊区域按照平面网格划分方式划分为若干面积相同且相互连接的子区域，划分的各子区域按照从湖泊进水口到出水口的顺序进行编号，分别标记为1,2...i...n。

本实施例通过对湖泊区域进行划分并对划分的各子区域进行编号，为后面进行子区域水体取样和湖面图像拍摄提供方便。

区域水体取样模块包括若干取样采集管，用于同时对划分的各子区域内的湖泊水体进行取样，得到各子区域的取样水体，其中各子区域取样水体的取样水体深度及取样水体体积保持相同，区域水体取样模块将得到的各子区域的取样水体发送至水质参数检测模块。

本实施例通过将若干取样采集管同时对各子区域湖泊水体进行取样，并在取样的过程中保证各子区域取样水体的取样水体深度及取样水体体积相同，避免因取样时间不同、取样水体深度不同和取样水体体积不同导致取样水体检测的水体参数准确性差，影响后期进行湖泊水质综合污染系数计算。

区域图像采集模块包括摄像机，用于对各子区域湖面进行图像拍摄，得到各子区域湖面图像，并发送至图像初步处理模块。

图像初步处理模块接收区域图像采集模块发送的各子区域湖面图像，并对接收的各子区域湖面图像进行图像增强、噪声去除和高清滤波处理，得到处理后的各子区域湖面图像，并发送至图像识别分析模块。

水质数据库用于存储标准湖面图像，存储各种污染物对应的外形特征，存储各种污染物对应的单位污染面积污染系数，并存储各水质参数对应的标准数值。

图像识别分析模块接收图像初步处理模块发送的处理后的各子区域湖面图像，并对接收的处理后的各子区域湖面图像与水质数据库中标准湖面图像进行初步对比，分析是否存在污染物，其中标准湖面图像为不存在污染物的湖面图像，若某子区域湖面图像与标准湖面图像不相同，则表面该子区域存在污染物，则统计存在污染物的子区域编号，分别记为1,2...j...m，并将存在污染物的子区域编号发送至智能监管中心，同时对存在污染物的各子区域湖面图像进行污染物种类分析，得到存在污染物的各子区域对应的污染物种类，其污染物种类分析过程包括以下两个步骤：

步骤H1：对存在污染物的各子区域湖面图像进行放大并聚集在污染物区域，并提取污染物的外形特征，其外形特征包括颜色和形状；

步骤H2：将提取的污染物外形特征与水质数据库中各种污染物对应的外形特征进行对比匹配，并统计提取的污染物外形特征与各种污染物对应的外形特征匹配的相似度，若匹配的相似度大于预设的相似度阈值，则输出该污染物种类，作为该存在污染物子区域对应的污染物种类，由此得到存在污染物的各子区域对应的污染物种类。

图像识别分析模块将分析的存在污染物的各子区域对应的污染物种类发送至建模分析模块，同时对存在污染物的各子区域湖面污染面积进行统计，其统计方法具体如下：

步骤S1：对存在污染物的各子区域湖面图像聚焦到污染物所在区域，并进行图像分割，得到存在污染物的各子区域对应的污染物所在区域图像，记为各子区域的污染物所在区域图像；

步骤S2：将各子区域的污染物所在区域图像进行灰度化处理得到灰度图像，利用边缘检测技术提取所述灰度图像的污染边缘轮廓线，其中污染边缘轮廓线作为污染区域与非污染区域的分界线，将污染区域分割出来；

步骤S3：对提取出污染边缘轮廓线的污染灰度图像进行二值化处理，利用种子点填充方法将污染灰度图像填充像素，进而确定存在污染物的各子区域图像污染面积；

步骤S4：根据该摄像机的摄像比例，计算存在污染物的各子区域的图像污染面积对应的湖面污染面积，计算得到的存在污染物的各子区域湖面污染面积构成区域湖面污染面积集合S(s1,s2,...,sj,...,sm)，图像识别分析模块将区域湖面污染面积集合发送至水质服务器。

本实施例通过图像识别分析模块识别存在污染物的子区域，并获取存在污染物子区域对应的污染物种类及湖面污染面积，为后期进行湖泊水质综合污染系数统计提供湖面污染的相关系数。

水质参数采集模块包括若干水体参数检测终端，用于对区域水体取样模块发送的各子区域的取样水体的水质参数进行检测，其水质参数包括水温、酸碱度、溶氧量、浑浊度、氨含量、氮含量、磷含量和细菌总数，所述水体参数检测终端包括温度传感器、酸度计、溶解氧测定仪、浊度测定仪、氨氮测定仪、水质离子测定仪和细菌测定仪，所述温度传感器用于检测水体中的水温，所述酸度计用于检测水体中的酸碱度，所述溶解氧测定仪用于检测水体中的溶氧量，所述浊度测定仪用于检测水体中的浑浊度，所述氨氮测定仪用于检测水体中的氨含量和氮含量，所述水质离子测定仪用于检测水体中的磷含量，所述细菌测定仪用于检测水体中的细菌总数，水质参数采集模块将检测的各子区域取样水体的水质参数构成区域水质参数集合Pw(pw1,pw2,...,pwi,...,pwn)，pwi表示为第i个子区域取样水体的第w个水质参数对应的数值，w表示为水质参数，w＝g1,g2,…,gk,…,g8，g1,g2,…,gk,…,g8分别表示为水温、酸碱度、溶氧量、浑浊度、氨含量、氮含量、磷含量、细菌总数，水质参数采集模块将区域水质参数集合发送至建模分析模块。

建模分析模块接收图像识别分析模块发送的存在污染物的各子区域对应的污染物种类，并将接收的存在污染物的各子区域对应的污染物种类与水质数据库中各种污染物对应的单位污染面积污染系数进行对比，筛选出存在污染物的各子区域污染物种类对应的单位污染面积污染系数，构成区域单位污染面积污染系数集合μ(μ1,μ2,...,μj,...,μm)，并将区域单位污染面积污染系数集合发送至水质服务器。

建模分析模块接收水质参数采集模块发送的区域水质参数集合，并提取水质参数数据库中各水质参数对应的标准数值，同时将区域水质参数集合中各子区域取样水体的水质参数与各水质参数对应的标准数值进行对比，得到区域水质参数对比集合ΔPw(Δpw1,Δpw2,...,Δpwi,...,Δpwn)，并将区域水质参数对比集合发送至水质服务器。

同时，建模分析模块将区域水质参数集合中各子区域取样水体的水质参数与各水质参数对应的标准数值进行对比过程中，若某子区域取样水体的某个水质参数不处在该水质参数对应的标准数值内，则该子区域水质不安全，该水质参数即为不安全水质参数，建模分析模块统计水质不安全的子区域编号及对应的不安全水质参数，并发送至智能监管中心。

水质服务器接收图像识别分析模块发送的区域湖面污染面积集合，并接收建模分析模块发送的区域单位污染面积污染系数集合和区域水质参数对比集合，根据接收的区域湖面污染面积集合、区域单位污染面积污染系数集合和区域水质参数对比集合，统计湖泊水质综合污染系数μj表示为存在污染物的第j个子区域污染物种类对应的单位污染面积污染系数，sj表示存在污染物的第j个子区域湖面污染面积，Δpgki表示为第i个子区域取样水体的gk水质参数与其该水质参数对应的标准数值之间的差值，pgk0表示为gk水质参数对应的标准数值，统计的湖泊水质综合污染系数实现了对湖泊综合水质污染状况的量化展示，具有分析的准确性好的特点，克服了目前湖泊水质监测过程中存在的监测片面化、监测可靠性低的问题，为湖泊水质管理人员治理湖泊提供了可靠的参考，其中湖泊水质综合污染系数越大，表明湖泊综合水质污染状况越严重，水质服务器将统计的湖泊水质综合污染系数发送至显示终端。

显示终端接收水质服务器发送的湖泊水质综合污染系数，并显示，便于湖泊水质管理人员直观了解湖泊综合水质的污染状况。

智能监管中心接收图像识别分析模块发送的存在污染物的子区域编号，并接收水质不安全的子区域编号及对应的不安全水质参数，便于相关湖泊水质管理人员及时发现存在污染物的子区域和水质不安全的子区域，以便对存在污染物的子区域进行清理和对水质不安全的子区域进行针对性水质调整，避免湖面污染物及水质不安全未及时发现造成的湖泊水质加重污染。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。