一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，該系統包括支撐平臺、供電系統、數據采集器系統、數據傳輸系統和數據中心，所述支撐平臺包括由若干樁支撐的平臺及建于平臺上的儀器房；所述供電系統通過電線與數據采集器系統和數據傳輸系統相連；所述數據采集器系統包括成像光譜儀及其配套觀測塔架，所述數據傳輸系統與數據采集數據采集器系統連接。本實用新型適合對富營養化湖泊藻華發生地點相對固定，頻次高的區域開展空間尺度轉換下的湖泊水色及藻華的遙感野外監測與研究。
【專利說明】一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于環境遙感監測領域，涉及一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統。【背景技術】
[0002]水體光譜特性是水體物質組成的外在特征，利用野外實測的水體遙感反射率可以對水體物質的種類及含量進行分析。
[0003]水體從可見光至近紅外波段的水體光譜特性主要表現為:412nm左右可以反映出黃色物質和碎屑，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熒光峰，780nm以后可以用于大氣校正，水汽含量計算。
[0004]進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，儀器的精度及標定，測量結果的處理等等。
實用新型內容
[0005]本實用新型的目的在于提供一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統，解決目前缺乏對富營養化大型淺水湖泊開 展不同空間尺度湖泊水色光譜信息轉換研究的野外實驗場，以及現場數據實時獲取傳輸問題，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境參數”的淺水湖泊遙感野外自動監測系統的重要組成部分。
[0006]本實用新型通過以下技術方案實現:
[0007]本實用新型公開了一種淺水湖泊水面成像光譜采集系統，該系統包括支撐平臺、供電系統、成像光譜數據采集器系統、數據傳輸系統、數據中心，所述支撐平臺包括由若干樁支撐的平臺及建于平臺上的儀器房I間；所述供電系統通過電線與數據采集器系統和數據傳輸系統相連；所述數據采集器系統包括水面成像光譜采集系統及其配套觀測塔架，所述數據傳輸系統與數據采集器系統連接。本實用新型的系統適合對富營養化湖泊藻華發生地點相對固定，頻次高的區域開展空間尺度轉換下的湖泊水色及藻華的遙感野外監測與研究。
[0008]采用本實用新型實施例的淺水湖泊水面成像光譜采集系統，通過數據采集器系統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測提供水面基本光譜信息，同時可以開展空間尺度轉換下的湖泊水色及藻華的遙感野外監測與研究服務。
[0009]另外，根據本實用新型實施例的淺水湖泊水面成像光譜采集系統可以具有如下附加的技術特征:
[0010]根據本實用新型的一個實施例，所述平臺上面設置防雨的儀器房，供電系統的蓄電池、數據采集器系統的數據收集控制器以及數據傳輸系統設置于儀器房內，儀器房的一側成像光譜儀觀測塔架。[0011]根據本實用新型的一個實施例，所述供電系統包括太陽能電池板、光伏控制器、蓄電池組和逆變器，其中，太陽能電池板安裝于平臺儀器房頂部，蓄電池組安裝在平臺儀器房內部，太陽能電池板與蓄電池組相連。由于湖泊水色光譜監測需要在晴好天氣進行，太陽能供電系統可提供最大功率2kw，連續陰雨10天平均功率50W的不間斷供電。因此，太陽能供電系統完全可以滿足系統內所有儀器的供電要求。
[0012]根據本實用新型的一個實施例，數據采集器系統包括觀測塔架(15m)、電控升降導軌、成像光譜儀和太陽輻照度計。其中，觀測塔架(15m)安裝固定在平臺的一側，安裝在觀測塔架上的電控升降導軌由導軌、滑車、驅動系統及控制系統組成，成像光譜儀固定在升降系統的云臺底座上，安裝在平臺儀器房頂的太陽輻照度計由余弦修整器、輻射光譜采集單元、二維云臺及控制通訊電路組成。
[0013]根據本實用新型的一個實施例，所述數據傳輸系統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據接入接線盒中，接線盒與通信模塊相連接，通信模塊與數據中心相連接。
[0014]根據本實用新型的一個實施例，所述數據中心設備主要包括一臺安裝有數據庫的服務器和顯不器。
[0015]根據本實用新型的一個實施例，所述數據傳輸系統通過3G無線網絡連接數據中心，并可實現實時報警通知功能。
[0016]根據本實用新型的一個實施例，該系統還包括保護設施，保護設施包括避雷針和/或航標燈，避雷針安裝在高于水面15m的觀測塔頂端，航標燈安裝平臺儀器房的西南角、東北角和東南角上，其中所述儀器房的四角分別對應東南、東北、西北和西南方向。
[0017]根據本實用新型的一個實施例，所述數據傳輸系統組件及蓄電池組安放在儀器房內，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。
[0018]本實用新型具有以下優點:
[0019]1、系統安全穩定，由于采用大型管樁以及大量的警示及安全設施，極大的提高了整個平臺系統抵御自然災害(臺風、洪水等)和人為破壞(船只碰撞、盜竊等)的能力；并能保證系統能在一種平穩的環境中運行，降低由于震動對設施設備的損耗；
[0020]2、供電系統的持久穩定,保障系統穩定運行。在水體環境中，電力供應一直是技術瓶頸。由于湖泊水色監測需要在晴好天氣進行，因此，太陽能供電系統完全可以滿足系統內所有儀器的供電要求。本系統采用太陽能電池板供電保障，使得自動監測系統能夠在各種惡劣天氣條件下維持監控和報警系統穩定運行。同時這套電力系統也足以保證多套功耗較大設施設備的能耗，極大的提高平臺配置儀器設備的能力；
[0021]3、運行迅速穩定、維護方便。本系統采用觀測塔架輔助成像光譜儀，可以在較短的時間內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，真正實現不同空間分辨率的水體表面光譜信息的同步監測；系統所依托的平臺與浮標相比，所建平臺面積大且牢固，能夠方便現場工作人員的日程維護，且能保證其安全性；
[0022]4、能夠做到準確、同步捕捉不同空間尺度上湖泊水色光譜信息。
[0023]本實用新型的附加方面和優點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，或通過本實用新型的實踐了解到。【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]本實用新型的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0025]圖1a是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統的結構示意正視圖；
[0026]圖1b是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統的結構示意側視圖；
[0027]圖1c是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統的結構示意俯視圖；
[0028]圖1d是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統依托平臺儀器房的內部結構俯視圖；
[0029]圖2a是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統中的控制系統布置圖；
[0030]圖2b是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統中的輻照度計設計圖；
[0031]圖2c是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統中的升降系統傳動及限位設計圖；
[0032]圖3是根據本實用新型實施例的適用于淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統的原理圖。
【具體實施方式】
[0033]下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號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施例是示例性的，僅用于解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。
[0034]支撐平臺上設置一儀器房1，平臺一側固定觀測塔架2，觀測塔架頂端固定避雷針3，觀測塔架底端至頂部設置導軌4，導軌上放置一滑車+云臺5，成像光譜儀6固定在云臺底座之上，太陽輻照度計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7北側,3個航標燈9分別安裝在儀器房頂的東南角、西南角以及西北角上，其中所述儀器房的四角分別對應東南、東北、西北和西南方向。接線盒10、蓄電池組11、數據通信模塊12以及儀器驅動系統及控制系統13全部安置在儀器房內，成像光譜儀6在儀器驅動系統及控制系統13的操作下，測得數據信息通過接線盒10傳輸至數據通信模塊12，采取無線傳輸方式將數據傳輸至數據中心14。
[0035]實施例一
[0036]圖la、lb、lc和Id是本實用新型的結構示意圖，如圖所示，淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，該系統包括支撐平臺、供電系統、成像光譜數據采集器系統、數據傳輸系統、數據中心。
[0037]所述支撐平臺須比所在水域歷史最高水位高出lm，其由管樁共計48根支撐，每根長8m，打入湖底約3m左右，上面鋪設防腐木隔板(即平臺)，平臺上面設置防雨的儀器房，同時為了方便平臺作業，在儀器房一側焊接不銹鋼梯子可至房頂，另一側成像光譜儀觀測塔架2。此平臺系統可以承受極大的負重，能夠在臺風洪水的襲擊下保持足夠的平穩性，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。
[0038]保護設施包括焊接在成像光譜儀觀測塔架上的避雷針3及安裝平臺儀器房的西南角上航標燈9。同時在平臺上四周焊接保護圍欄，并在外圍設立防護圍樁。此套保護設施可以更好的保護平臺系統免受雷擊、盜竊及船只碰撞等引起的破壞。保護圍欄由鋼柱和鍍鋅管構成，防護圍樁主要由正方形水泥樁和鍍鋅管構成。
[0039]如圖3所示，供電系統包括太陽能電池板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安放在平臺上儀器房內。太陽能電池板8固定在焊接在儀器房頂的不銹鋼架上并面向南方。所述供電系統為數據采集器系統、數據傳輸系統供電，亦可為平臺上其他大型儀器設備供電。該供電系統能夠最大程度保證平臺系統能夠支撐更多的儀器設施設備運行及更高的采樣頻率。所述數據傳輸系統組件及蓄電池組安放在儀器房內，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。太陽能供電系統可提供最大功率2kw，連續陰雨10天平均功率50W的不間斷供電。整體系統由太陽能電池板、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。
[0040]所述水面成像光譜數據采集器系統包括觀測塔架(15m)、電控升降導軌、成像光譜儀和太陽輻照度計。其中，觀測塔架(15m) 2安裝固定在平臺的一側，安裝在觀測塔架上的電控升降導軌由導軌4、滑車+云臺5、驅動系統及控制系統13組成(如圖2c所示)，由于工作環境在室外水面上，濕度較大，為了達到防腐的要求，導軌及運動部分采用304不銹鋼材料，可保證長時間使用不腐蝕；驅動部分采用防護等級IP65的電動機及減速器，鏈條及鏈輪同樣采用不銹鋼材料；控制系統由高速單片機完成系統控制，長度傳感器將滑車運動的高度實時送到單片機處理后由控制器面板上液晶顯示屏顯示出實時高度值；如圖2c，本設備裝有三個行程開關，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動范圍。成像光譜儀6固定在升降系統的云臺底座5上。如圖2a，控制系統的控制柜使用標準19寸機柜，高度18U。控制柜內安裝有:升降控制器、電源控制器(成像光譜儀、云臺、輻照度計)、監控系統電源控制器、硬盤錄像機及鍵盤抽屜各一臺；硬盤錄像機實行24小時監控，請勿關閉控制柜電源。如圖2b，安裝在平臺儀器房頂的太陽輻照度計7由余弦修整器、輻射光譜采集單元、二維云臺及控制通訊電路組成，該系統由余弦修整器接收到的太陽輻射光，進入光纖，通過光纖將光線傳入輻射光譜采集單元，控制計算機通過以太網與輻照度計進行通訊，實現輻射光譜的采集、輻照度的計算及對輻照度計的控制。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上，二維云臺通過以太網(或其他)與計算機進行通訊。二維云臺使用步進電機進行驅動，驅動器放置在云臺內部。整體采用防水結構，可以達到IP65防護等級，滿足室外使用要求。
[0041]所述成像光譜儀6可記錄觀測區域內所有像素的400_1000nm的離水輻亮度和向下輻照度。
[0042]所述數據傳輸系統包括控制系統的數據通信模塊12和接線盒10，所述成像光譜儀6接入接線盒10，接線盒10通過導線和數據線與蓄電池組12和通信模塊相連接，數據通信模12塊則負責將傳感器收集數據暫存在本節點和通過3G網絡傳輸給數據中心14。數據中心14設備主要是一臺安裝有數據庫和發布網站的服務器及監視器構成。
[0043]盡管已經示出和描述了本實用新型的實施例，本領域的普通技術人員可以理解:在不脫離本實用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本實用新型的范圍由權利要求及其等同物限定。
【權利要求】
1.一種淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其特征在于，該系統包括支撐平臺、供電系統、數據采集器系統、數據傳輸系統和數據中心，其中 所述支撐平臺包括由若干樁支撐的平臺，所述平臺上面設置有用于放置設備的儀器房; 所述供電系統通過電線與數據采集器系統和數據傳輸系統相連； 所述數據采集器系統包括觀測塔架、電控升降導軌、成像光譜儀和太陽輻照度計，其中，所述觀測塔架安裝固定在所述平臺之上，其上安裝有帶有云臺的電控升降導軌；所述成像光譜儀安裝固定在所述觀測塔架的云臺底座上；所述太陽輻照度計安裝在所述儀器房頂無遮擋處； 所述數據傳輸系統與數據采集器系統連接。
2.根據權利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其特征在于，所述供電系統的蓄電池、數據采集器系統的數據收集控制器以及數據傳輸系統設置于儀器房內。
3.根據權利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其中，所述觀測塔架安裝固定在所述平臺的一側； 所述電控升降導軌安裝在觀測塔架上，其包括導軌、滑車、驅動裝置及控制裝置， 所述太陽輻照度計安裝在平臺儀器房頂，其包括余弦修整器、輻射光譜采集單元、二維云臺及通信控制裝置。
4.根據權利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其特征在于，所述供電系統包括太陽能電池板、光伏控制器、蓄電池組和逆變器，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部，太陽能電池板與蓄電池組相連。
5.根據權利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其特征在于，所述數據傳輸系統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送至數據中心。
6.根據權利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其特征在于，所述數據中心包括服務器和顯示器。
7.根據權利要求1所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其特征在于，所述數據傳輸系統通過無線網絡連接數據中心。
8.根據權利要求1-7任一項所述的淺水湖泊水面成像光譜自動監測系統，其還包括保護設施，所述保護設施包括避雷針和/或航標燈，所述避雷針安裝在高于水面的觀測塔頂端，航標燈分別安裝在平臺儀器房的西南角、東北角和東南角上，其中所述儀器房的四角分別對應東南、東北、西北和西南方向。
【文檔編號】G01J3/28GK203572577SQ201320744240
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】張玉超, 馬榮華, 王新雨 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所, 北京歐普特科技有限公司