一种杆式高光谱多参数水环境监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种水环境监测装置，具体涉及一种杆式高光谱多参数水环境监测装置及方法，解决传统水环境监测技术难以实现在野外水环境中非接触式实时多参数监测并远距离高分辨率传输的技术问题。该杆式高光谱多参数水环境监测装置包括支撑杆、支架、灯体、控制箱、供电单元以及检测单元；支架设于支撑杆上，灯体设在支架前，控制箱设于支撑杆上，控制灯体和检测单元；供电单元包括太阳能板和蓄电池；太阳能板设于支撑杆顶，给蓄电池充电及给控制箱、灯体和检测单元供电；蓄电池设于支撑杆底，在非太阳能板供电时给控制箱、灯体和检测单元供电；检测单元包括可见光球机、雷达流量计和光谱仪；可见光球机、雷达流量计和光谱仪从左到右依次设在支架内。右依次设在支架内。右依次设在支架内。

【技术实现步骤摘要】
一种杆式高光谱多参数水环境监测装置及方法


[0001]本专利技术涉及一种水环境监测装置，具体涉及一种杆式高光谱多参数水环境监测装置及方法。

技术介绍

[0002]众所周知，地球上的水域面积达到了百分之七十以上的覆盖率，而淡水资源却只占到其中的2.7％。近年来水资源污染问题越来越受到人们的重视，随着工业化的发展，江、河、湖、海的水质污染越来越严重，水质监测是水治理的重要保证，是水治理不可或缺的环保措施，也是可持续发展的重要途径。
[0003]水质监测技术是预防水体污染的一项关键技术。随着科学技术的发展，水质监测技术日益成熟，目前主要的方式包含卫星遥感反演、手持便携式仪器和柜机测量等；传统的卫星遥感技术时空分辨率低，需要大气校正；手持测量需要大量的人工手段，实时性差，费时费力；柜机测量时需要长期接触水体，仪器易受到腐蚀，经常需要维护。
[0004]综上所述，目前传统的水质监测技术在野外工作情况下，对水环境监测难难以实现多参数监测并远距离实时传输。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针传统的水环境监测技术难以实现在野外水环境中非接触式实时多参数监测并远距离高分辨率传输的技术问题，而提供一种杆式高光谱多参数水环境监测装置及方法，实现野外水环境实时多参数监测及远距离高分辨率传输。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：
[0007]一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特殊之处在于：包括支撑杆、支架、灯体、控制箱、供电单元以及检测单元；
[0008]支架固定于支撑杆上；灯体设置在支架前端；控制箱设置于支撑杆上，用于控制灯体和检测单元；
[0009]供电单元包括太阳能板和蓄电池；太阳能板底部设置于支撑杆顶端，用于给蓄电池充电以及给灯体、控制箱和检测单元供电；蓄电池设置于支撑杆(1)底端，用于非太阳能板供电时给控制箱、灯体和检测单元供电；
[0010]检测单元位于在支架的中部，包括从左到右依次设置的可见光球机、雷达流量计和光谱仪；可见光球机、雷达流量计和光谱仪分别与控制箱电连接。
[0011]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，所述支架为下端敞口的空心载物架，检测单元位于空心载物架的空腔内。
[0012]进一步地，所述检测单元还包括电动伸缩杆和校正板；所述电动伸缩杆设置在支架上，并与供电单元和控制箱电连接，所述校正板设置在电动伸缩杆的伸缩端。
[0013]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，所述校正板靠近光谱仪安装，为光谱仪测量过程提供校正。
[0014]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，还包括设置在支架顶部且与控制箱电连接的传输天线，用于远程接收和发送信号。
[0015]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，所述可见光球机为球面摄像机。
[0016]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，所述雷达流量计的水位测量误差为3mm，其水流速测量误差为0.01m/s。
[0017]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，所述光谱仪测量水质误差<20％，其水质监测间隔设置为秒级。
[0018]进一步地，上述高光谱多参数水环境监测杆式装置，所述支撑杆为3
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5米的载荷线杆。
[0019]本专利技术还提供一种杆式高光谱多参数水环境监测方法，基于上述杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特殊之处在于：包括采用如权利要求1
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9任一所述的杆式高光谱多参数水环境监测装置，具体监测步骤如下：
[0020]步骤1：准备K个测试水样样本，K≥20，通过传统方法得到每个测试水样样本的水质参数，所述水质参数包括T个参数指标，T＞1；所述参数指标包括叶绿素a、总氮、总磷、透明度、化学需氧量、浊度、悬浮物浓度及高锰酸盐指数；
[0021]步骤2：由于光谱强度分布不均匀，因此需要对反射光谱曲线进行黑白板校正；选取任意一个测试水样样本，通过光谱仪采集该测试水样样本水面反射的高光谱图像，提取反射光谱曲线后进行黑白板校正，得到校正后的反射光谱曲线；
[0022]步骤3：为了使不同水样样本提取出的反射光谱曲线具有可比性,对黑白板校正后的反射光谱曲线的数据进行归一化处理；
[0023]步骤4：按照步骤2
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3的方式分别对K个测试水样样本进行处理，得到K条归一化反射光谱曲线；
[0024]步骤5：然后将步骤4得到的K条归一化反射光谱曲线进行波段组合或多阶微分计算，得出带有波段信息的数据；
[0025]步骤6：根据带有波段信息的数据和步骤1获得的K个测试水样样本水质参数的任意一个参数指标i进行皮尔森相关性分析，得到光谱仪所能采集的所有波长和皮尔森相关系数的曲线图，i∈T；
[0026]步骤7：根据步骤6中的曲线图，获得最大的皮尔森相关系数所对应的波长，将该波长记为所述参数指标i的敏感波长，获取参数指标i的敏感波长在每条归一化反射光谱曲线中所对应的反射率；
[0027]步骤8：将步骤7得到的每个反射率和所述参数指标i通过S种不同的拟合方式分别进行拟合，从而得到S个精度指标组；每个精度指标组的精度指标均为五个，分别为R方值、F统计量、均方根误差、平均相对误差和平均绝对误差；S≥2；
[0028]所述不同的拟合方式采用的曲线方程包括指数方程、对数方程、幂函数方程、线性函数方程、二次多项式方程；
[0029]步骤9：将步骤8中最优的精度指标组所对应的曲线方程，作为参数指标i的最佳曲线方程；
[0030]步骤10：重复步骤6
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9，获得T个参数指标所对应的T个敏感波长，以及T个参数指标
所对应的T个最佳曲线方程；
[0031]步骤11：光谱仪采集实际水环境的高光谱图像，并按照上述步骤2和3得到该实际水环境的高光谱图像的归一化反射光谱曲线，在该归一化反射光谱曲线中找到多个敏感波长及其对应的反射率，将所得每个反射率分别代入步骤10中所对应的最佳曲线方程中，获得该实际水环境的所有水质参数指标。
[0032]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0033]1、本专利技术提供的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，采用近端遥感，在非接触水体的情况下测量，其中球面摄像机可以得到水面的彩色高清画面，用来观察水的颜色以及水面漂浮物的特征；雷达流量计可以得到水位、流速、流量的参数；光谱仪可以得到水面区域的高光谱图像，从中提取出的光谱曲线利用算法定量反演出叶绿素a、总氮、总磷、透明度、化学需氧量、浊度、悬浮物浓度及高锰酸盐指数等含量参数，实现高光谱多参数水环境远距离高分辨率的实时数据。
[0034]2、本专利技术提供的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，控制箱支持远程平台控制，可以远程得到精确的数据方便查看和处理，也可以实时汇集多点信息，设定各个点的阈值报警，还可以做区域的历史信息回顾和全局趋势判断。
[0035]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：包括支撑杆(1)、支架(2)、灯体(3)、控制箱(4)、供电单元以及检测单元(10)；所述支架(2)固定于支撑杆(1)上；所述灯体(3)设置在支架(2)前端；所述控制箱(4)设置于支撑杆(1)上，用于控制灯体(3)和检测单元(10)；所述供电单元包括太阳能板(5)和蓄电池(6)；太阳能板(5)底部设置于支撑杆(1)顶端，用于给蓄电池(6)充电以及给灯体(3)、控制箱(4)和检测单元(10)供电；蓄电池(6)设置于支撑杆(1)底端，用于非太阳能板(5)供电时给控制箱(4)、灯体(3)和检测单元(10)供电；所述检测单元(10)位于在支架(2)的中部，包括从左到右依次设置的可见光球机(7)、雷达流量计(8)和光谱仪(9)；可见光球机(7)、雷达流量计(8)和光谱仪(9)分别与控制箱(4)电连接。2.根据权利要求1所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述支架(2)为下端敞口的空心载物架，所述检测单元(10)位于空心载物架的空腔内。3.根据权利要求2所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述检测单元(10)还包括电动伸缩杆(11)和校正板(12)；所述电动伸缩杆(11)设置在支架(2)上，并与供电单元和控制箱(4)电连接，所述校正板(12)设置在电动伸缩杆(11)的伸缩端。4.根据权利要求3所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述校正板(12)靠近光谱仪(9)安装，为光谱仪(9)测量过程提供校正。5.根据权利要求4所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：还包括设置在支架(2)顶部且与控制箱(4)电连接的传输天线(13)，用于远程接收和发送信号。6.根据权利要求5所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述可见光球机(7)为球面摄像机。7.根据权利要求6所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述雷达流量计(8)的水位测量误差为3mm，其水流速测量误差为0.01m/s。8.根据权利要求7所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述光谱仪(9)测量水质误差<20％，其水质监测间隔设置为秒级。9.根据权利要求8所述的一种杆式高光谱多参数水环境监测装置，其特征在于：所述支撑杆(1)为3
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【专利技术属性】
技术研发人员：于涛，赵宇博，刘宏，王雪霁，钟菁菁，元晨，张周锋，胡炳樑，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：