馬茵馳， 丁 文

(北京市水產(chǎn)科學研究所，北京，100068)

池塘養(yǎng)殖水體光譜觀測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

馬茵馳， 丁 文

(北京市水產(chǎn)科學研究所，北京，100068)

水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)狀況復雜，容易突發(fā)水質(zhì)變化，水體光譜數(shù)據(jù)可直接反映這些變化。設計了一套養(yǎng)殖水體光譜觀測系統(tǒng)，為開展養(yǎng)殖水體光譜分析并評估水質(zhì)狀況提供數(shù)據(jù)基礎和科學依據(jù)?；诟呔裙鈱W傳感器、Flash存儲技術、GPRS及RS485無線數(shù)據(jù)傳輸技術構(gòu)建一套實時、自動化的光譜觀測系統(tǒng)，用以觀測養(yǎng)殖池塘水體特定波段光譜數(shù)據(jù)。通過對5個池塘水體樣本進行連續(xù)觀測，以美國ASD公司的地物光譜儀在680 nm、700 nm和769 nm三個波段位置的同步觀測數(shù)據(jù)為標準值進行回歸分析，并對系統(tǒng)性能指標進行量化分析，得到觀測數(shù)據(jù)準確度達98%以上，且系統(tǒng)性能達標。結(jié)果表明：在針對養(yǎng)殖水體特定波段光譜觀測方面，該系統(tǒng)可以代替人工光譜儀觀測工作，實現(xiàn)遠程、實時數(shù)據(jù)觀測，減少繁瑣的觀測程序，節(jié)省人力物力，同時能夠避免人工觀測造成的誤差。

養(yǎng)殖水體；光譜；觀測；光學；傳感器

近年來，養(yǎng)殖水體狀況研究越來越引起廣泛重視。如何快速、準確地獲取水體信息也成為水環(huán)境遙感的基礎研究內(nèi)容之一[1-2]。通常使用便攜式地物光譜儀在水面進行水體光譜數(shù)據(jù)觀測，與衛(wèi)星遙感或者航空遙感方式對比，數(shù)據(jù)后期處理難度降低、機動性更強，但數(shù)據(jù)空間尺度較低，觀測程序比較繁瑣，實時性也差[3-4]。但水面光譜觀測是大尺度水體遙感研究的基礎，也是中小型水體光譜研究的高效手段[5-6]。

水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘水面多為中小型水面，規(guī)范的日常維護工作，養(yǎng)殖水體受自然條件影響較少。同時，可見光-近紅外波段范圍內(nèi)若干個波段位置的光譜數(shù)據(jù)能夠間接、客觀地反映池塘水質(zhì)狀況，而不需要獲取連續(xù)波段的光譜觀測數(shù)據(jù)[7-8]。針對水產(chǎn)養(yǎng)殖池塘環(huán)境特點，在前期研究基礎上，設計了一套基于高精度光學傳感器、Flash存儲技術、GPRS及RS485無線數(shù)據(jù)通信技術的養(yǎng)殖池塘水體光譜觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動、實時觀測水體特定波段的光譜數(shù)據(jù)，無人值守，易于維護，數(shù)據(jù)準確度較高，方便后期處理和分析，能有效替代人工光譜觀測工作，可為養(yǎng)殖池塘水質(zhì)狀況的日常監(jiān)測提供技術基礎。

1 材料與方法

1.1 水體光譜觀測基本原理

在水體光譜特性研究中，要求對水體測量的物理量能夠得到離水輻亮度Lw,歸一化離水輻亮度Lwn和遙感反射率Rrs[9-11]等。水體光譜測量的常用方法有剖面法和水面以上測量法[12-14]。剖面法是通過測量不同水深處的光學特性，推算出水體表面的光學信號，從而得到所需的物理量。該方法費時費力，要求測量水體在水深10 m以上，且設備要求高，在I類水體中有較多應用[15-16]。水面以上測量法是在水面上采用適當?shù)挠^測幾何，通過測量水面反射信號、天空光信號以及水面以上的入射信號等，從而得到所需的物理量。水面以上觀測法由于其方便的測量方式、較高的準確性，在II類水體的光譜測量中發(fā)揮著越來越大的作用[17-18]。在地物的反射光譜測量中，直接測量目標物可得到目標物的輻亮度，而該目標物表面的入射輻亮度需要通過測量標準參考板的輻亮度來得到[19-20]。

在室外測量水體光譜時，光譜儀接收到的輻亮度信號Lsw為：

Lsw=Lw+r×Lsky+Lg

(1)

式中：Lw—離水輻亮度；Lsky—由天空漫散射輻亮度；Lg—太陽直射反射輻亮度；r—水氣界面反射率，影響因素包括太陽位置、觀測角、方位角、風速和風向，經(jīng)驗取值為0.021～0.03。

以圖1水體光譜測量分析中的測量幾何為例。觀測方向與光線入射方向呈90°～135°(背向光源方向)，光纖探頭與液面法線呈30°～40°，這樣可以避免光的直射反射，即Lg近似為0。因此，當采用合適的觀測幾何后，此時光譜儀接收到的輻亮度信號Lsw可近似為：

Lsw=Lw+r×Lsky

(2)

由于很難保證在觀測時天氣情況均晴朗無云，光譜儀測量時通常需要同步觀測天空漫散射輻亮度Lsky，進而計算出水體本身的光譜信號，即離水輻亮度Lw。

圖1 水面以上信號構(gòu)成

1.2 系統(tǒng)組成

1.2.1 系統(tǒng)總體設計架構(gòu)

在水環(huán)境遙感研究中，通過對水體的光譜觀測數(shù)據(jù)可以計算水體反射率，而水體反射率可以進一步計算水體葉綠素a、總氮(TN)等水質(zhì)參數(shù)。方便、可靠的光譜觀測方法十分重要。本文設計的水體光譜觀測系統(tǒng)由光譜采集終端、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置和數(shù)據(jù)接收終端組成(圖2)。

圖2 系統(tǒng)示意圖

1.2.2 光譜采集終端

光譜采集終端(圖3)包含三組可配置的高精度光學傳感器模塊和一個Flash存儲器。在采集光譜數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)備份在存儲器中，以保障系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全性。存儲器的存儲容量可根據(jù)需要配置，通常根據(jù)系統(tǒng)時鐘保存30 d的觀測數(shù)據(jù)。存儲器通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置連接。為降低功耗、提高數(shù)據(jù)采集效率，設計一項休眠功能，可由數(shù)據(jù)接收終端發(fā)送遠程指令，休眠或喚醒光譜采集終端，控制光譜觀測工作。根據(jù)水體光譜觀測的特點，系統(tǒng)默認每天18：00至次日6：00為休眠狀態(tài)。光譜采集終端與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置共用一套供電模塊，提供兩種供電方式，既可使用220 V市電，也可使用太陽能蓄電池，以保障系統(tǒng)連續(xù)工作的可靠性。

圖3 光譜采集終端組成

不同水質(zhì)參數(shù)與不同波段的光譜數(shù)據(jù)相關。為靈活調(diào)整所觀測的光譜波段，設計了可拆裝的光學傳感器模塊，根據(jù)不同的應用需要可配置不同的觀測波段，但每次重新配置都需要對光學傳感器進行校準。光譜采集終端與光傳感器采用4針串口連接，具備3個光傳感器擴展接口(JP7、JP8、JP9)，每個接口連接一組高精度光學傳感器模塊。

根據(jù)水體反射率觀測原理，針對多通道反射觀測系統(tǒng)，設計兩種傳感器節(jié)點，分別是下行光譜輻照度觀測節(jié)點(簡稱A節(jié)點)和水體反射輻射觀測節(jié)點(簡稱B節(jié)點)。A和B節(jié)點的波段設置與電子元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全一樣，唯一的區(qū)別是B節(jié)點具有角度限制裝置，只允許特定角度的反射輻射進入視場角。這樣可以最大限度地減少水體反射環(huán)境光的干擾。A/B節(jié)點的主要功能是負載基于I2C總線的光傳感器，進行光亮度數(shù)據(jù)采集，同時，光譜采集終端可以觀測時間、記錄太陽能蓄電池剩余電量，并將這些數(shù)據(jù)一起發(fā)送給數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元。節(jié)點主要包括傳感器、實時時鐘、串口通信、供電、儀器工作狀態(tài)監(jiān)測及通信/微處理器等部分。

系統(tǒng)測試中，A、B節(jié)點均采用680 nm、700 nm和769 nm三個波段光學傳感器。B節(jié)點觀測水面反射輻射，設定視場角為25°。

1.2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置(圖4)通過數(shù)據(jù)通信串口與光譜采集終端鏈接，將采集終端flash存儲器中的實時光譜數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡及RS485無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到遠程數(shù)據(jù)終端。系統(tǒng)設計兩種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式，便于現(xiàn)場和遠程兩種數(shù)據(jù)處理工作的需要。

圖4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置組成

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)裝置中的通信單元集成一塊裝配遠距離傳輸天線的RS485數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，技術人員通過一臺裝有RS485數(shù)據(jù)接收模塊和遠距離接收天線的便攜式計算機，可在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端100 m范圍內(nèi)隨時查看養(yǎng)殖池塘水體的光譜數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析，現(xiàn)場制定水質(zhì)調(diào)控方案。在偏遠養(yǎng)殖池塘區(qū)域，GPRS網(wǎng)絡覆蓋不完善的情況下，采用現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞礁涌煽?，光譜觀測的實時性也更強。

GPRS單元通過SIM卡進入移動通訊網(wǎng)絡，將光譜數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程數(shù)據(jù)服務器，技術人員可在遠程任意計算機終端通過客戶端程序訪問數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)進行處理和分析。這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式主要面對生產(chǎn)一線以外的管理人員及監(jiān)管部門。轉(zhuǎn)發(fā)裝置同時配備一個數(shù)據(jù)存儲單元，以防止在GPRS模塊通訊異常時，可緩存采集終端flash存儲器中的部分數(shù)據(jù)，在光譜數(shù)據(jù)無法及時轉(zhuǎn)發(fā)給遠程數(shù)據(jù)服務器的情況下，保證數(shù)據(jù)的完整性。

1.2.4 數(shù)據(jù)接收終端

數(shù)據(jù)接收終端包含遠程數(shù)據(jù)服務器和客戶端數(shù)據(jù)處理分析軟件。系統(tǒng)采用微軟Windows Server服務器管理平臺和SQL Sever數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，光譜數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)為：ID-池塘編號-觀測時間-波段1-波段2-波段3?？蛻舳藬?shù)據(jù)處理分析軟件可通過兩種方式接收光譜數(shù)據(jù)。當現(xiàn)場接收數(shù)據(jù)時，RS485數(shù)據(jù)接收模塊通過轉(zhuǎn)換模轉(zhuǎn)換為RS232串口通信，軟件設置為串口通信模式，直接通過串口讀入實時觀測的光譜數(shù)據(jù)。遠程接收數(shù)據(jù)時，軟件設置為服務器訪問模式，直接訪問遠程數(shù)據(jù)服務器，從數(shù)據(jù)庫讀取光譜數(shù)據(jù)。通過客戶端軟件可以查看實時光譜數(shù)據(jù)及查詢歷史光譜數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊可以估算水體的葉綠素a、總磷(TP)、TN等水質(zhì)參數(shù)。目前，該模塊僅預留程序接口，可根據(jù)業(yè)務需要進一步開發(fā)、集成。軟件采用VC2010平臺開發(fā)，界面簡潔，操作方便?？蛻舳藬?shù)據(jù)分析處理軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件架構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)工作性能

為測試系統(tǒng)工作性能并定量評價該系統(tǒng)觀測水體光譜數(shù)據(jù)的可靠性，在晴朗、少云天氣狀況下，在北京市房山區(qū)十渡鱘魚國家良種繁育基地選擇5個連片養(yǎng)殖池塘作為水體觀測樣本，并使用美國ASD公司的FieldSpec HH光譜儀進行同步光譜測量。

通過對3組傳感器光學通道進行測試，并對觀測數(shù)據(jù)進行回歸分析，檢驗不同通道數(shù)據(jù)之間的一致性。同時，驗證1 d之內(nèi)太陽光照變化條件下高精度光學傳感器的響應能力。通過數(shù)據(jù)散點圖(圖6、圖7)分析，可以看到，不同通道之間的一致性非常好，數(shù)據(jù)的決定系數(shù)為0.9995，不同數(shù)據(jù)回歸直線的斜率非常接近1，說明在相同的光照條件下，不同的傳感器測量值之間幾乎沒有偏差。

圖6 通道1與通道2一致性分析

圖7 通道1與通道3一致性分析

為了檢驗傳感器的數(shù)據(jù)傳輸是否穩(wěn)定，做出了各通道傳感器的觀測值在1 d之內(nèi)的變化曲線(圖8)。通過觀察觀測值的變化是否與太陽光照變化曲線一致來判斷是否有數(shù)據(jù)的動蕩以及不穩(wěn)定因素。

圖8 光照強度測量的時間變化分析

通常，在晴空條件下，太陽到地面的輻射值變化與太陽天頂角成余弦函數(shù)關系，也就是說，在早晚時段最低，中午時段最高。從圖8可以看到一個類似的余弦曲線，除了早上時段略微有些變化之外，其余時段非常穩(wěn)定。圖8中的曲線比較光滑，中間沒有數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)接收率達到100%，表明該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸比較穩(wěn)定，能夠用來進行時間序列連續(xù)觀測。

2.2 水體光譜觀測

3組高精度光學傳感器濾光片中心波長分別設計為680 nm、700 nm和769 nm，濾光帶寬均為3 nm。FieldSpec HH為350 ～1050 nm連續(xù)光譜觀測，光譜分辨率為3 nm。系統(tǒng)濾光帶寬與光譜儀一致，水體反射輻射觀測節(jié)點視場角設置為25°，也與光譜儀保持一致，這樣可以保證數(shù)據(jù)比對的可靠性。

第一組對1號養(yǎng)殖池塘的觀測點進行時序觀測。系統(tǒng)分別在10：00、11：00、12：00、13：00和14：00各觀測10組光譜數(shù)據(jù)，同時使用光譜儀進行人工觀測，共采集50組對比數(shù)據(jù)，檢驗不同光照條件下，對同一目標水體觀測數(shù)據(jù)的可靠性(圖9)?？梢钥闯?，隨著時間變化，太陽輻射角度和強度均發(fā)生變化，系統(tǒng)觀測的光譜數(shù)據(jù)也隨之發(fā)生變化，光譜儀的測量結(jié)果也符合同樣的規(guī)律。兩組數(shù)據(jù)呈線性變化規(guī)律，且擬合度很好，平均擬合系數(shù)達到0.988 2。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)在時間序列光譜觀測工作中的可靠性。

圖9 時序觀測數(shù)據(jù)可靠性分析

第二組對5個養(yǎng)殖池塘進行同步觀測，分別選擇過濾池、投飼料臺、排水口、進水口、增氧泵等不同觀測位置，水質(zhì)環(huán)境狀況存在一定差異。系統(tǒng)5個光譜采集終端在10：30啟動，分別采集10組光譜數(shù)據(jù)，同時在每個觀測點使用光譜儀進行準同步光譜測量，共采集50組對比數(shù)據(jù)，檢驗相同光照條件下對不同目標水體觀測數(shù)據(jù)的可靠性(圖10)。

圖10 差異觀測目標數(shù)據(jù)可靠性分析

可以看出，對于不同養(yǎng)殖池塘，由于觀測點不同，這些區(qū)域的水質(zhì)狀況通常會有一定差異，從光譜表現(xiàn)來看也存在一定數(shù)據(jù)差異，但系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)與光譜儀測量數(shù)據(jù)在差異性變化上呈高度線性關系，且擬合度很好，平均擬合系數(shù)達到0.987 6。實驗結(jié)果驗證了系統(tǒng)在不同養(yǎng)殖水體目標光譜觀測工作中的可靠性。

3 結(jié)論

設計了一套可實時觀測養(yǎng)殖池塘水體特定波段光譜數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)達到了光譜儀觀測的效果，同時擺脫了繁瑣的人工觀測程序和光譜儀無法連續(xù)實時觀測的缺點。系統(tǒng)使用成本較低，可實現(xiàn)養(yǎng)殖區(qū)域多點聯(lián)網(wǎng)式同步觀測。連續(xù)、準確、實時的水體光譜觀測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)分析及養(yǎng)殖池水質(zhì)參數(shù)估算提供了基礎?；诘孛婀鈱W遙感觀測數(shù)據(jù)分析和建模，為系統(tǒng)定制針對各主要水質(zhì)參數(shù)的光譜波段，實現(xiàn)對水質(zhì)參數(shù)的及時、準確的定量評估，將對養(yǎng)殖生產(chǎn)中進行水質(zhì)變化預警和調(diào)控具有重要意義。

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Design and implementation of spectrum observation system for aquaculture water in pond

MA Yinchi, DING Wen

(Beijing Fisheries Research Institute, Beijing, 100068, China)

The water quality of the aquaculture is complex and easily mutated. The spectrum data of water can reflect the mutation directly. A spectrum observation system for aquaculture water is designed to provide data basis and scientific ground for spectrum analysis of aquaculture water and evaluation of water quality. A real-time and automatic spectrum observation system is constructed based on the high-precision optical sensor, Flash storage technology, GPRS and RS485 wireless data transmission technology to observe the spectrum data of specific bands in aquaculture pond. Through continuous observation of samples in 5 ponds, after regression analysis with simultaneous observation data of ASD spectrometer in the bands of 680 nm, 700 nm and 769 nm as standard value, and quantitative analysis of system performance index, it is obtained that the accuracy of the observed data is above 98%, and the system performance is up to standard. The result shows that, for spectrum observation of aquaculture water in specific band, this system could take the place of artificial spectrometer for observation, realize remote and real-time data observation, reduce tedious observation procedure, economize on manpower and material resources, and avoid error caused by artificial observation.

aquaculture water; spectrum; observation; optics; sensor

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.010

2017-06-21

北京市農(nóng)林科學院“冷水性魚類科技創(chuàng)新團隊”(JNKST201611)；北京市農(nóng)林科學院創(chuàng)新能力建設專項(KJCX20150411，KJCX20170701)

馬茵馳(1982—)，男，副研究員，研究方向：漁業(yè)信息技術及智能裝備，E-mail：mayinchi@bjfishery.com

S951.4

A

1007-9580(2017)04-062-06