河流实时监测网络课件.ppt

1、河流实时监测网络河流实时监测网络河流实时监测网络v水是生命之源，作为淡水水源主要组成之一的河流对人类的重要性不言而喻。v然而人们却一直无法透过河流或是平静或是波澜的水面看到河流内部的持续的、微小的各种变化，不能了解河流变化原因、过程、规律和影响。v我们需要找到一个新的方法来解决以上的问题。内容提要1.背景2.总体结构3.子系统介绍4.情景设计5.总结1.背景v1.1河流生态系统监测的重要性多种水生生物栖息地流域为人口密集区域，受自然和人类活动影响大生态系统复杂而且敏感：生态的变化发生时间短，影响时间长。无法被人们观察和认识。深入的认识和了解河流生态系统的变化状态和规律，预测和管理河流的水质和水

2、量，有助于人们更好采取措施规范自身行为，减少对河流生态系统的危害，从而进一步保护河流的生态系统。1.背景v1.2 河流项目监测现状沿着河流域布置不同的水质监测站数量少，采样分析，时间周期长。研究对象限于重点关注的某些河流，不能大规模地对河流体系进行监测。因而对流域系统缺乏综合的了解。传统的监测是点测，监测对象只是河流时间和空间上某一点的数据，不能多维度、连续、动态地全面反映河流水质、水量随时空的变化。传统监测不能在每个监测时间点都反映出监测对象从微观尺度到宏观尺度的变化。1.背景v1.3 河流实时监测网络就是针对以上问题提出一套解决方案的体系。旨在通过广泛、连续、多时空尺度地监测河流系统，深入

3、、全面地了解河流系统的状态参数、发生的变化，以及通过建立关键环境问题的模型，预测可能产生的影响，为其他科研、教育和决策者提供有效可靠的数据支持，从而正确指导人们的行为。2.总体结构河流实时监测网络体系技术结构示意图智能分析决策云计算、数据流计算等技术支持标 准化数据提供 无线网络数据传输2.总体结构 物理参数 化学参数 生物参数 生态参数感应系统 存储以及智能化管理包括所有传感器采集的和其他渠道获得的数据。数据管理 数据建模 数据趋势分析 影响预测科学分析 科学研究 宣传教育 决策制定高级应用卫星遥感数据气象监测数据其他机构监测数据数据反馈信息、完善优化河流实时监测网络体系功能结构示意图地理信

4、息数据3.子系统介绍3.1感应系统3.2数据管理3.3科学分析3.4高级应用3.1 感应系统v感应系统主要包括各种参数的传感器、检测仪器、激发器以及数据发送模块。v感应系统的主要功能为感应监测对象的代表性参数。v感应系统的要求包括准确感知、时间和空间上连续感知以及实时感知。v感应数据类型传感器直接感应的数据v物理参数、化学参数、生物参数、生态指标等其他来源数据v卫星遥感数据、地理信息数据、气象监测数据、水利监测数据3.1 感应系统感应系统3.1.1传感器3.1.2激发器3.1.3传感器布置3.1.4数据发送3.1.1 传感器感应系统3.1.1.1物理参数传感器3.1.1.2化学参数传感器3.1

5、.1.3生物参数传感器3.1.1.4多功能集成传感器3.1.1.5商业化的传感器产品3.1.1.6传感器的发展要求 传感器分类测定参数种类 物理参数传感器 化学参数传感器 生物参数传感器感应原理 声学传感器 光学传感器 热学传感器 力学传感器集成方式 单一传感器 集成传感器3.1.1.1 物理参数传感器 v测量参数体积流量、流速、水头、温度、水分蒸发速率、光透射率、光质、土壤水势以及土壤含水量等。v特点可靠性高、成熟应用于野外实地监测、价格便宜。河流监测物理传感器示意图河流监测物理传感器示意图 A:回声湿度传感器 B:HOBO水位数据记录仪 C:声学多普勒测速仪 D:物理采样设备 E:HOBO

6、温度和光照数据记录仪。3.1.1.2 化学参数传感器v测量参数：DO、指示盐度的电导率、TDS、PH、氧化还原电位、指示叶绿素的荧光以及浮游生物质量。v特点：目前只能测量基本的水质参数，能够用于较为苛刻的环境，但离子选择电极等传感器在野外的应用非常受限。河流监测化学传感器示意图河流监测化学传感器示意图 A:多功能水下数据探测仪 B:原位紫外分光度计 C:离子选择电极3.1.1.3 生物参数传感器v测量参数：致病菌、原生动物、病毒、爆发性蓝细菌、藻类、微生物产生的毒素、内分泌干扰物等。v特点：受到时间和预处理程序的限制，生物指标的测量主要局限于实验室，不易移植到野外自动监测。不同类型传感器比较传

7、感器类型传感器类型测量参数测量参数野外实野外实用性用性可扩展可扩展性性价格（价格（USD）物理参数传感器温度高高50-100含水率高高100-500流速高中-高1000-10000水头高高500-1000透光率（浊度）高高800-2000溶解氧高高800-2000电导率高高800-2000化学参数传感器PH高高300-500氧化还原电位中高300-500主要离子类型中-低高500-800含氮化合物（氨氮、硝态氮）中-低低-高500-3500重金属低低NA小分子有机化合物低低NA大分子有机化合物低低NA生物传感器微生物低低NA生物活性物质低低NA传感器感应原理及输出参数Physical prop

8、erty SensorOutput Temperature Thermocouple Voltage Silicon Voltage/CurrentResistance temperature detector(RTD)Resistance Thermistor Resistance Force/Pressure Strain Gauge Resistance Piezoelectric Voltage Acceleration Accelerometer Capacitance Flow Transducer Voltage Transmitter Voltage/CurrentPositi

9、on Linear Variable Differential Transformers(LVDT)AC Voltage Light Intensity Photodiode Current 传感器的种类和输出传感器的种类和输出3.1.1.4 多功能集成传感器固定监测平台 盐度、温度、浊度、压力、叶绿素、有色溶解有机物、DO、荧光、硝酸盐等常规监测指标。滑翔机监测平台 海鸟CT、DO仪、CDOM、叶绿素和散射的测定传感器。自主式水下航行器 声学多普勒海流剖面仪、多普勒辅助航位推算器、长基线和超短基线的声导航系统、全球定位系统以及铱星通讯系统，美国金泉（YSI）公司水质检测仪器、热敏电阻和电导率

10、传感器LOBO,Land/Ocean Biogeochemical Observatory 每小时提供硝酸盐浓度、盐度、温度、叶绿素、浊度、电导、深度、DO、氧饱和度、有色可溶性有机物的水质监测传感器。3.1.1.5 商业化的传感器产品v主要仪器公司美国哈希（HACH）、美国金泉（YSI）、Hydroid、WET Labs。3.1.1.6 传感器的发展要求 v更多监测指标含碳化合物、重金属、大分子物质（如可溶性有机物、致病菌、生物标记物、生物活性物质等）v更高的准确度v更高的集成化多个传感器集成到芯片上“lab-on-a-chip”传感器v野外应用商业化最小化人工维护量、解决电能供应、自动仪器

11、校正以及生物污损等问题。3.1.2 激发器v激发器：将电信号转化为机械信号，用以驱动执行自动程序的设备，比如采集环境样本等。传感器和激发器共同组成监测网络的感应端。3.1.3 传感器布置v理想的监测应该是遍布于监测对象的整个三维空间，以及保证采样时间的连续。v对于实际监测网络，由于受到资源和环境条件的限制，不能达到理想的监测状态。v因此需要考虑传感器的有效而合理的布置，而不是让其均匀分布于监测对象中。3.1.3.1 传感器布置的考虑因素所在地点的实际地理和环境条件v固定v供电v布线v防腐v防污在有限资源的条件下优化布置方案，更高效地监测。3.1.3.2 传感器基本布置方案v静态布置方案适用于中

12、等面积的区域、对测量精度要求不高的情形；空间密度较小，数据的时间密度较大。例如几平方公里的区域，每几十米设置一个静态监测点，数据采集频率为分钟级。v移动机器人式布置方案适用于小范围区域的集中监测，空间布点密度大，测量精度高。v便携式移动布置方案适用于覆盖范围很广、对检测的精度要求不高的监测项目。不同布置方案的空间和时间测量精度随空间覆盖范围的变化3.1.3.3 传感器布置原则v与周围环境相适将更多资源投入到变化大、变化快或是影响较大的地方。v监测对象的环境中某些空间区域或某些时间段变化更为显著；或者一些地方比其他地方更敏感、更易受到影响。v多尺度、多级布置对于一个监测对象，根据其特征，进行不同

13、时空尺度的、不同精确度级别的监测。v大的区域可以采用卫星遥感或便携式移动传感器，中等尺度区域布置静态传感器，重要的小面积区域进行移动机器人式布置。v自适应性采样允许系统动态调整采样地点或采样时间间隔，以适应监测对象本身的环境的变化。3.1.3.4 传感器布置示例多级传感器布置示意图上图橙色区域代表的是不同的监测类型在满足一定精确度的条件下所覆盖的监测范围。从大到小依次为：卫星遥感、便携式可移动监测、静态监测和可移动机器人监测。多尺度感器布置示意图下图为多尺度的布置方案，不同检测类型和检测精度的传感器布置在不同的空间尺度上。移动式传感器可以弥补空间密度小的缺点，对于布置较少的静态传感器则具有更短

14、的时间间隔。3.1.4 数据发送v无线传感器与激发器网络（WSANs）是一个既可以感知又能控制周围环境的节点（nodes）网络。v一个传感结点通常由五部分组成：一个或多个结点从环境中收集数据，中心单元作为微处理器管理这些数据，一个无线收发设备（包括通讯模块）与周围环境通讯，还有一个存储器用来存储临时数据以及这过程中产生的数据。电池用来提供所用部件的能量，为了保证较长的网络寿命，各个网络对能源的高效使用很关键。3.1.4 数据发送v传感器具有计算芯片和天线v传感器可以每隔一定时间向后台发送数据v无线数据传输网络是此监测网络区别于传统监测的一个主要特点。3.2 数据管理系统数据管理系统3.2.1

15、数据传输3.2.2 数据同性化3.2.3 数据流计算3.2.4 数据存储管理3.2.1 数据传输v数据传输要求双向传输v传感器采集的数据传至后台数据存储库v来自后台的指令信号传输至激发器，激发传感器或其他设备工作。时间延迟最小保证数据质量v具有纠错机制：及时停止传输错误信号，启动传感器重新采样检测。连续传输数据安全和隐私v数据传输方式结合互联网和3G等，建立专业VPN数据管理平台示意图3.2.2 数据同性化v异质数据来自不同厂商、不同类型的传感器输出不同的数字信号，为了方便管理和统一利用，需要消除数据的异质性使其同性化和标准化。v联合的数据基础设施IBM公司的中间软件iCS（互联网尺度的控制系

16、统）能够通过封装的抽象化现有的事件，以用于新集成的网络的物理环境，从而消除数据异质性。3.2.3 数据流计算v调度诸如过滤、集合、相关联和建模等分析功能，实时分析不断输入的数据流。v高负荷和动态输入的条件下良好运行，并且系统能够持续自主调节资源的分配以支持最高优先级的行为。3.2.4 数据存储管理v实时接收的数据通过流计算处理后，进行分类、相关联，存储于于数据仓库。3.3 科学分析系统v分析方法3.3.1 时间顺序分析v将收集的数据按照时间顺序分析，找出某些参数随时间变化的规律。3.3.2 空间维度分析v对不同空间位置的某一参数进行分析，找出其随空间变化的规律。v分析用途3.3.3 过程机理分

17、析v通过全面、动态的观察数据，找出河流生态系统中生物、化学变化发生的原因、过程机理等。3.3.4 影响预测分析v通过大量观测数据的支持，利用模型预测系统动态运动，物理、生物和化学变化的趋势、对生态系统的影响。3.3.1 时间顺序分析v单一指标随时间的变化趋势右图反应了不同年份，某河流水温随时间的变化趋势。3.3.1 时间顺序分析v不同随时间变化参数相互影响关系考查不同物理、化学参数之间的相互影响关系，找出变化的根本原因。v例如水温的变化会导致溶解氧的变化，从而影响水生生物种群的变化。3.3.2 空间维度分析v空间维度分析常用于分析污染物在三维空间扩散的情况污染物浓度梯度分布、水流速场、盐度梯度

18、场等，也包括鱼类等生物的迁徙。河流入海口盐度浓度梯度图3.3.3 过程机理分析v通过监测河流系统中化学、生物指标的变化规律，综合分析生化变化的发生过程、机理。比如探究当河流中水温、溶解氧、营养物质、的浓度比例到达某一阈值时，会发生怎样的生化变化，会引起某种浮游植物的大规模爆发等。或者研究污染物排入河流后的迁移过程和降解机理。v包括难降解的化合物如多氯联苯、多环芳烃以及环境激素等。v其迁移路径、富集渠道、随颗粒物沉淀于底泥的过程、降解的条件和机理等。3.3.4 影响预测分析v根据已有的常年的观测信息，进行统计分析找出规律或者建立模型标准基线，在此基础上进行每日预测。哥伦比亚河口每日海水盐度预测3

19、.3.4 影响预测分析v影响预测必须基于长期、大量的观测数据和有效的统计规律或者模型进行。饮用水水源突发性污染事故发生后预测饮用水污染范围，河流或湖泊生态系统所受的影响。有毒化学品泄露到河流中，预测下游河段的污染长度，河流流域土壤的污染程度等。河流中重金属沉积的预测，研究重金属对河流底泥污染的影响。3.4 智能化应用3.4.1教育宣传 针对研究生、本科生专业的、系统的教育 针对中小学生以及普通人民的大众宣传性教育。3.4.2科学研究 联合各个大专院校、科研单位的研究力量，进行跨学科合作，解决各个领域中的技术问题。3.4.3工程应用 将实际的科学研究成果应用于实际工程项目，产生直接的环境效应。3

20、.4.4政策制定长期监测和观察的结果和在此基础上的研究结果作为政府制定决策的科学依据。3.4.1 教育宣传v高级人才培育本项目为研究生提供了一个特殊的跨学科的训练机会，因为这个研究项目综合了河流生态学、环境微生物学、生物化学、流体学、计算机科学、信息科学。教育和训练项目，就是为了在这个迅速发展的领域中培育更多人才。对于环境领域内的教育和更多。不仅涉及传统的水污染控制、环境微生物、环境化学等，还涉及环境模型、环境法规政策等教育研究内容。3.4.1 教育宣传v公众宣传教育将科学研究成果通过博客、演讲等形式，以报纸、杂志、多媒体方式普及给公众。以使公众更多地了解到河流环境的质量、规范自身行为保护环境

21、、节约水资源等。3.4.2 科学研究v对于这样一个复杂而庞大的系统需要强大的科学研究作为理论基础。而这样的研究需要结合多个学科、多个科研院校的力量解决。v其研究领域既包括传感器的开发、集成，分布式传感网络的通信，及其大量数据的实时计算和标准化以及环境学科领域内的一系列问题的研究。v河流监测网络的建立对污染物减排、防止偷排以及污染物泄漏到河流中。对河流排污口多项水质指标进行严格监测，以防止工厂违规排放污染物。对位于河流流域的工厂的排污口进行实时监测，能够真实了解到其排放污染物量，监督其减排任务的完成情况。对于突发性污染事故，如化工厂爆炸、有毒物质泄漏到河流中，可以在实时监测数据的基础上进行有效的

22、应急处理，如人员疏散，应急处置等。3.4.3 工程应用3.4.4 政策制定v河流实时监测网络的监测和研究结果的最终目的是形成环境保护政策，规范国民生产生活行为，以有效保护环境。在大量监测数据上计算环境容量和环境承载力，用于政府对河流流域土地用途的合理规划。在实时监测网络的基础上，对于工业、农业和生活污水实行严格的譬如排污收费等排污管理措施。对河流上游水源地进行严格的水质监测和控制，保护饮用水源地。以历史监测数据为基础，制定合理的节能减排目标。形成各种法律、规定，以更好、更有效地保护河流及其流域环境。4.河流实时监测网络情景案例情景案例4.1 纽约Hudson河4.2 哥伦比亚河口4.3 应用案

23、例设计4.1 纽约Hudson河实时监测案例IBM与贝肯研究所合作，为美国哈德逊河进行实时监控。在315英里的河流上布置传感器，实时收集与分析河流的生物、水质、化学物质等信息，并可以可视化整条河流。根据这些信息，政府有关部门可以指导农业灌溉、污水处理、捕捞等。4.1 纽约Hudson河监测案例检测传感器特点v可移动的用于深水探测的机械手臂的传感器阵列。v沿着河的不同位置的断面的深度布置。v常规测定参数：盐度、浊度、温度、电导率溶解氧、叶绿素、颗粒物粒径、有色可溶性有机物以及总石油碳氢化合物。v其他传感器：声学多普勒海流剖面仪用以测定水流构造和气象传感包用以监测气象条件，比如风速、风向和气压等。

24、4.1 纽约Hudson河监测案例关键技术v高性能计算，流计算技术，实时地捕获、处理从传感器网络中收集到的连续数据流，以及数据可视化技术等。其中的流计算技术，可以完成对河流实时监控的任务。目前，该技术已经实现的系统中，最快的系统能够每秒钟处理一百万条监控信息，而且每条信息的处理时间仅有千分之一秒。对于河流监控系统而言，由于地域的广阔性，考虑到数据在网络上的传输延迟，流技术可以达到分钟级的响应时间。也就是说，从数据被传感器采集到开始，几分钟内管理中心就能知道该地区水源的详细信息。从而可以及时、动态地掌握水资源信息。4.2 哥伦比亚河口实时监测案例v项目名称Coastal Margin Obser

25、vation&Prediction（CMOP）vCMOP项目是针对哥伦比亚河下游、河口以及近海区域进行的实时监测系统。CMOP是沿海地区监测与预测中心建立的一套新的用于沿海地区的环境研究模式。vCMOP是一个非常庞大的项目，其数据资源来自于哥伦比亚河口地区、全球海洋观测中的东北部太平洋，以及风速和气压等气象数据。但其最核心的观测位于哥伦比亚河口的传感网络，除此之外感应体系还包括遥测系统和雷达系统。4.2 哥伦比亚河口实时监测案例v监测平台概况：v监测指标：哥伦比亚河口区域一共23个监测点。其中21个固定监测站一个滑翔监测站（glider）一个自主式水下航行器（AUVfleet）监测指标：盐度2

26、1个监测点、温度20个、浊度3个、压力17个、叶绿素2个、有色溶解有机物质(CDOM)2个、DO2个、荧光4个、硝酸盐3个。4.2 哥伦比亚河口实时监测案例4.2 哥伦比亚河口实时监测案例盐度图月平均盐度月平均流速日平均温度4.3 应用案例设计v情境设计针对一条流经一个或几个城镇的河流进行实时监测。河流流域不仅有城镇、还有农村。河流沿岸的污染源包括工业废水、生活污水和农业废水，以及可能的突发性污染事故。4.3 应用案例设计排污口监测v通过对河流沿岸所有排污口包括物理、化学、生物等多种参数的监测，可以实时掌握河流污染物负荷的信息，了解各个单位的排放情况，各种污染物的排放负荷等。v根据监测到的排放

27、信息，可以监督包括企业、市政污水和农业污染源排放，防止偷排和超标排放，整治和关闭污染严重 的企业等。v统计各种污染物的年排放负荷，通过模型计算出河流对各种污染物的容量，制定出相应的针对行业、污染物的年排放量等规定。4.3 应用案例设计v饮用水管理对河流上游水源地的实时监测，可以确保对水源地水质信息的掌握，为饮用水的安全提供有力保障，预防突发性饮用水污染事故。在实时的监测体系下，可以实行对河流上游不发达城镇提出严格的水资源保护政策规定，以保证下游发达城市饮水安全。下游发达城市给予上游城镇相应的经济补偿。对河流的监测系统可以进一步延伸到给水管网。实时监测给水管网中水质，预防饮用水在官网运输过程中受

28、污染。4.3 应用案例设计v河流保护政策计划资源保护和管理v合理计划灌溉、工业和生活等用水量，节约淡水资源。v监测并保护生物多样性，防止大规模捕鱼等。提出河流治理目标、措施和方案v防止河流的进一步污染，并对以前的污染进行一定治理。底泥重金属污染、难降解有机物等治理水体富营养化的治理，防止大规模藻类爆发河流沿岸用地的规划v新用地合理根据环境质量和环境容量等因素规划土地用途，计划不同产业比例以及分布等。使新开发的地区对环境影响尽可能减小。v对于已有的城镇进行评估，对于污染严重的企业进行整治、迁址或者关闭。4.3 应用案例设计v河流突发性污染事故应急响应饮用水源受到微生物污染有毒物质在储存或运输过程中泄漏或者爆炸，污染河流v准确确定污染源，堵住源头泄漏v实时监测确定污染范围v及时采取不同级别的应急响应措施：疏散安置人群、及时采取处理处置措施等。5.总结v河流需要实时、全面、动态的监测。v根据国外现有的监测网络案例的调研，总结了河流实时监测网络的主要组成和结构，以及其中各个部分的关键思想和技术。v总结了现有的比较成熟的监测案例，包括它们的目的、实施方式和技术难点。v设计了在此河流监测体系下可能的应用案例。THE END