基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統設計

武 昊，李建新

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

流域作為資源管理的較為關鍵的管理部分，屬于地球系統研究的較為基礎的操作層面[1]。水文信息資料可對流域的基礎狀態進行整理分析，總結系統的水文現象。隨著水文流域的不斷發展與科學研究的開展，水文觀測技術隨之進步，并形成了較為系統的水文監測系統[2]。不少研究學者針對水文特征進行水文遙感監測系統設計研究，以此推動水文研究的進一步發展。

由于水文遙感監測系統在設計的過程中，需要大量的流域信息數據，并要求較高質量的水文特征分析系統[3]，為此，在對監測系統進行設計的同時，需收集精準的流域內水文特征數據，并按照水文特征數據調節不同空間的流域基礎信息，達到水文遙感監測的目的。目前的水文遙感監測系統設計勘測典型流域內部的水位、水流信息，在整理水文信息后調節系統硬件元件結構，打破結構固化特征，根據硬件元件結構設置相關的軟件管理平臺，獲取精準的監測結果數據[4]。傳統基于物聯網的水文遙感監測系統設計針對不同的河流以及氣象特點，通過物聯網的數據信息傳輸網進行水文特征數據的快速傳輸操作，具有較為迅速的數據傳輸能力，能夠在不同的流域環境下執行操作指令，操作性強。傳統基于4G的水文遙感監測系統設計根據4G網絡系統進行水文數據收集，并將收集后的水文數據進行特征管理，按照標準管理步驟執行流域內部的數據調整任務，并在任務完成后選擇匹配度較高的水位監測器參數，提升監測的有效性[5]。但傳統監測系統設計對于系統的查詢能力較弱，無法實現監測信息的完整收集，監測的圖像清晰度較差，監測準確率較低。

針對上述問題，本文提出了基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統。研究表明本文設計的水文遙感監測系統遙感圖像清晰度較高，具有良好的監測性能，能夠在不同的流域監測環境中使用，具備較強的水文特征分析能力，可及時轉化水文特征的數據存儲位置，提供較強的數據操作基礎信息，具有較為廣闊的發展空間。

1 基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統硬件設計

CUAHSI-HIS作為一種基于互聯網的水文數據共享系統，可對水文信息進行精準分析，并按照水文特征進行特征數據審核，并調配審核內容，最終獲取精準的水文信息[6-7]。本文利用該系統進行水文遙感監測系統的硬件設計，根據不同的硬件操作結構進行硬件整合，并獲取相關的整合內容，按照整合的數據內容進行精準分類，劃分相應的硬件操作模塊。AT91SAM9X35-CU微處理器芯片結構如圖1所示。

圖1 AT91SAM9X35-CU微處理器芯片結構圖

選用ARM9單片機，配備CPU速度為400 MHz，外圍設備為 WDT、DMA、POR、LCD以及PWM數據，可以連接到CAN、UART/USART、EBI/EMI、以太網以及USB系統，另外，系統的只讀存儲器為64 kB，輸入輸出模塊為105個，系統運行時的電源電壓為0.9～1.1 V，內部為只讀存儲器的工作狀態，CPU的數據總線寬度為16位[8]。

按照該傳感器的傳感標準進行水文信息的傳感與狀態整理，并加強對整理內容信息的科學性存儲操作，在獲取不同流域的水文特征數據后，觀測水文數據，并將水文特征數據進行遙感此刻的數據傳感狀態，收集傳感水文數據，構建水文數據傳感模塊，對傳感的信息進行集中收集，并設置數據采集模塊。

本文中的數據采集模塊是基于SEMTECH遠程大容量網絡系統解決方案SX1278的無線模塊。采用混合式數據采集模式，采用當前GFSK調制技術的同時，還利用了LoRa(遠程)擴頻技術應用于新型的SX127X平臺中[9-10]。該模塊具有高效的接收靈敏度和超強的抗干擾性能，可以非常容易地嵌入到系統中，具備半雙工通信功能，為ISM多波段，不需要申請頻率免費使用，多頻率可選，具有多種傳輸速率以及ISSI信道偵測功能，能夠為系統提供較為優良的操作環境，并集中操作方式加大內部數據管理。

選取德州儀器公司生產的CC2530F256RHAR微處理芯片，利用Zigbee技術，以8位元的單芯片微控制器為處理核心，CPU的工作頻率為1.6 GHz，系統數據能承受的最大監測速率為250 kb/s，確保輸出功率為4.5 dBm，在工作狀態時所配備的電源電壓為2～3.6 V，監測過程中可以接收的電源電流為24.3 mA，系統數據采集所配備的電源電流為 33.5 mA。按照供電電流傳導方式進行水文信息的特征轉換操作，將監測流域內部的水文特征進行集中編寫與采集操作，實現對整體采集模塊的設計，并對采集結構進行圖像設置，系統采集結構如圖2所示。

圖2 系統采集結構圖

根據獲取的采集信息進行數據監測處理，并選用水文數據信息監測器，該監測器具有聯動輸入輸出、單相交流電測量、GPRS無線以及RS485通訊功能，通過對流域內部水位高低、水流特征以及氣象特征等水文特征參數實施監控和管理，構建較為完善的數據監測系統[11]。使用先進的微控制器技術，其優點為體積小、易于安裝、集成精度較高，更加地數字化、智能化和網絡化，另外，將原RS485通訊升級成為GPRS無線通訊，能夠有效解決現場接線困難的同時，提高了工作效率，強化水文信息轉化系統主導操作性能，并按照相關的系統數據排序方式進行數據排序，提升系統的監測能力，實現對硬件系統監測模塊的設計，由此，完成整體硬件系統設計操作。

2 基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統軟件設計

利用以上硬件系統設計的數據進行系統軟件的設計，設置系統整體軟件操作流程如圖3所示。

圖3 系統軟件操作流程圖

本文系統軟件利用不同的監測平臺進行數據初始檢驗，完善流域內部的水文特征數據。分析傳輸層的程序設計模式，并加強對模式的基礎性管理力度。利用共享系統平臺將收集的流域內部水文信息進行數據標定操作，標記此時的水文數據狀態，并時刻調整與水文數據存儲狀態不符的無關數據[12]。模擬水文收集程序操作過程，將水文收集過程進行模式管理，建立水文主任務，并在主任務中修改水文特征存儲方式，執行方式平臺改造指令。避免因水文遙感監測平臺數據收集完整度不足而造成的監測失誤現象，構建水文特征數據存儲結構如圖4所示。

圖4 水文特征數據存儲結構示意圖

調整此時的水文管理狀態，將流域中的水位信息與水文流動強度相結合，匹配主任務系統水文管理原則，并按照原則內容執行軟件平臺管控任務，同時分配與管控任務相似度較高的內部操控系統數據。增強數據主導性，利用流域的水文流動模式進行平臺信息查詢，并創建水文信息傳輸任務，在獲取任務指令后，根據任務指令的所處狀態進行模式管理操作[13-14]。在數據傳輸層程序中對水文特征監測數據進行集中整理。移動整體數據傳輸與存儲的位置，并在相應的位置中標記數據操作點，由此實現對水文信息的精準掌控與數據分析性收集的操作。數據操作點標記結構如圖5所示。

圖5 數據操作點標記結構圖

在首先設計并研發簽署系統監測協議時，因為本文提出的監測系統代碼屬于基本狀態，所以，在調試初始層后，將激活該層的狀態，并逐層激活不同的狀態機層，射頻被打開并發送和接收信息[15]。在實現信息收發后，針對收發的信息內容調整水文狀態，將狀態內容與流域信息相匹配，并加強對匹配內容的監控，以此確保監控的水文信息處于安全管理狀態內，實現對系統軟件的設計操作。

3 實驗與研究

在實現以上水文遙感監測系統設計后，為檢驗本文基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統設計的監測性能，將本文監測系統設計的監測結果與傳統監測系統設計的監測結果進行實驗對比，并構建對比實驗，設置實驗參數如表1所示。

表1 實驗參數表

根據表1中的數據，檢驗監測系統的水文遙感圖像清晰度，調節監測系統的硬件結構，并加強對結構的管理力度，不斷轉換硬件系統的信息內容，訪問遙感監測界面，并對界面的信息進行平臺結構審核，結構審核如圖6所示。

圖6 結構審核圖

將審核的內容集中調整至數據收集空間中，強化收集空間的平臺信息內容，并利用投影儀器對遙感監測圖像進行圖像反射，選擇相關的圖像分析器對圖像的線條特征進行分析，最終實現對圖像的信息收集與數據檢驗。根據以上實驗操作設置遙感圖像清晰度對比如圖7所示。

圖7 不同方法的遙感圖像清晰度對比結果

根據圖7可知，相比基于物聯網和4G的水文遙感監測系統，本文基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統設計的圖像清晰度較高。因為本文監測設計在設計的過程中對監測的水文特征進行圖像管理，并分析不同圖像的內容，管理流域水文特征信息，同時將水文特征信息通過管理平臺進行集中映射與內容監控，執行水文流域氣象調整指令，并按照下達的指令內容進行信息分析與實時管理，在此基礎上強化監測內容的真實性特征。由此獲取較為精準的監測圖像數據。根據以上操作進行衛星圖像管理，時刻獲取清晰的衛星云圖像，并在流域上空進行圖像反射與特征數據查詢操作。對水文模塊進行調試，按照調試的結果數據實施調試處理，并查詢相關的處理結果，整合結果信息，掌握與水文特征關聯度較大的遙感監測匹配數據，將其轉化為遙感監測圖像，由此，在較高的程度上提升獲取的監測圖像的清晰程度。

在完成初次實驗研究后，選用相應的實驗數據進行二次實驗操作，并將實驗數據進行類型劃分，檢驗劃分的數據結果，初始化監測設備，設置網絡協調器，并采用網絡請求層實現請求發送，掃描系統完成能量監測，并監測信道信息，在掃描后選擇空閑傳輸信道，將信息傳輸到網絡層過濾數據，并選取唯一的PANID參數。協調器將在聯網過程中生成多個數據檢測，如果檢測后數據傳輸信道仍然空閑，那么可以在該節點的另一條通信信道上進行聯網；如果任何檢測出現繁忙，那么應該清除該信道信道，然后再進行檢測，直到監測信道空閑為止。并設置實驗參數如表2所示。

表2 實驗參數

根據最終獲取的監測結果，分別對比不同方法的監測準確率，監測準確率對比結果如圖8所示。

圖8 不同方法的監測準確率對比結果

在圖8中可以得出，相比基于物聯網和4G的水文遙感監測系統，本文基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統設計的監測準確率較高。造成此種差異的主要原因在于本文遙感監測系統在對水文特征進行平臺管理的同時調節不同空間的水文數據，并將不同空間的數據集中至相同的存儲空間中進行數據存儲操作。按照存儲的內容進行水文遙感傳輸。通過傳輸通道將監測的數據信息集中傳導至相應的監測空間內部，清除與傳輸信號不符的水文特征信息，加強整體監測的精準程度。并在強化水文信息的傳輸過程的基礎上執行外部管理指令，按照相應的指令特征進行水文遙感調節，利用調節后的水文數據進行監測結果對比，由此提高監測系統的監測準確率，獲取更加優良的監測結果。

綜上所述，本文基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統設計能夠在一定程度上提升遙感監測的精準程度，并按照不同的水文特征進行特征分析，具有較強的水文特征分析能力，由此能夠進一步獲取較為科學的監測數據，監測的有效性較高，有利于后續實驗研究的開展。

4 結束語

本文設計基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統，通過對水文遙感監測的元件結構特點進行數據分析，并改造硬件結構，選用嵌入式管理芯片對監測的內容進行管理，提升監測內容的真實可靠性，軟件部分按照相應的軟件調整原則進行軟件處理，利用監測算法精準計算水文特征，獲取較為完整的監測數據。實驗結果表明，本文基于CUAHSI-HIS的水文遙感監測系統遙感圖像清晰度較高，能夠有效提高監測準確率，具有較強的可操作性，監測結果科學性更強。