海洋監(jiān)測平臺研究綜述

蔡立鵬 蔣海陽 謝卓冉 楊淼

摘要：該文總結(jié)了海洋監(jiān)測平臺的發(fā)展和應(yīng)用。文中按時間線回顧了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)、基于物聯(lián)網(wǎng)以及基于視覺監(jiān)測的海洋監(jiān)測平臺的演進與應(yīng)用。此外，還對監(jiān)測平臺軟件進行了分類，包括電腦桌面端軟件、Andriod端App以及Web平臺軟件。在最后部分得出結(jié)論：基于視覺監(jiān)測的Web平臺在海洋監(jiān)測方面表現(xiàn)出更佳的效果，并設(shè)計了水下目標(biāo)監(jiān)測可視化Web平臺。該結(jié)論與設(shè)計對于未來海洋監(jiān)測平臺的發(fā)展和設(shè)計具有重要的參考意義。

關(guān)鍵詞：海洋監(jiān)測；視覺監(jiān)測；Web平臺

中圖分類號：TP29? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0114-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

海洋的覆蓋范圍遼闊，海洋深處存儲了大量的資源，它是人類生存和進步的重要資源。但隨著各國大力開發(fā)海洋資源，造成海洋資源浪費以及環(huán)境的破壞。因此為了海洋資源的可持續(xù)使用，科學(xué)合理的海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的重點方向[1-3]。海洋監(jiān)測平臺按照時間線的發(fā)展分為基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的、利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊的、基于物聯(lián)網(wǎng)的、基于視覺監(jiān)測的。海洋監(jiān)測平臺軟件主要有桌面軟件、Android 端App和 Web 平臺軟件。平臺監(jiān)測的信息又主要分為水文參數(shù)、水下聲吶信號和水下光視頻信息三種。

1 海洋監(jiān)測平臺發(fā)展

1.1 基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測平臺

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信的快速發(fā)展，監(jiān)測手段逐漸從人工粗放型轉(zhuǎn)向無線監(jiān)測與智能控制方向。在這種平臺中，傳感器節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)相互連接，并通過算法對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和分析，最終展示在網(wǎng)絡(luò)上。例如，J.V.Capella等人設(shè)計了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接各個節(jié)點，在網(wǎng)絡(luò)上顯示處理后的監(jiān)測數(shù)據(jù)[4]。此外，美國研究人員還運用了傳感器技術(shù)來構(gòu)建一個自組織的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過量測某特定區(qū)域的溫度和酸堿度等多個因素，以便確定哪類生物能在那個區(qū)域內(nèi)生活并繁衍[5]。

1.2 基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測平臺

相較于傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于GPRS無線網(wǎng)絡(luò)的海洋監(jiān)測平臺在覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸速度、靈活性、可擴展性、定位功能以及自動化程度等方面具有明顯的優(yōu)勢。這些優(yōu)點使得GPRS無線網(wǎng)絡(luò)成為海洋監(jiān)測領(lǐng)域中廣泛采用的通信技術(shù)之一。Antoin Lawlor率先引入了特定頻段無線電或者直接運用GPRS模塊的技術(shù)，在預(yù)定的時間內(nèi)，將相關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至既定服務(wù)器，并在工業(yè)控制系統(tǒng)上進行數(shù)據(jù)的分析和處理[6]。此外，解來濱代表哈爾濱工業(yè)大學(xué)借助BD2和GPRS研發(fā)出一套海水質(zhì)量多項指數(shù)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集終端以STM32為主處理器，通過BD2定位模塊收集地點信息，并通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送至控制中心。控制中心軟件使用LabView開發(fā)設(shè)計[7]。

1.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)測平臺

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，其逐漸應(yīng)用于海洋監(jiān)測中。在2015年，J. Rui等人闡述了基于云計算的物聯(lián)網(wǎng)概念，從而引起了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起。相對于前兩種技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)具有一些獨特的優(yōu)勢。通過連接多種設(shè)備和傳感器，物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)海洋監(jiān)測系統(tǒng)的全面覆蓋和信息共享，使監(jiān)測更加全面和精確。物聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)更高級的數(shù)據(jù)分析和處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過云計算或邊緣計算進行處理和分析，從而提供更多的洞察和決策支持。S.F. Shaikh和他的團隊針對海洋物聯(lián)網(wǎng)進行了研究，并將物聯(lián)網(wǎng)的科技手段應(yīng)用在海洋領(lǐng)域。他們成功創(chuàng)建了一種以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的海洋物聯(lián)網(wǎng)無損探測平臺。通過將無損探測材料置于海洋生物的表皮上，能夠有效地監(jiān)控海洋環(huán)境。

1.4 基于視覺監(jiān)測的監(jiān)測平臺

隨著通信網(wǎng)絡(luò)速度的提升和視覺監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，基于視覺的監(jiān)測方法逐漸得到應(yīng)用。通過攝像頭獲取的圖像或視頻可以直觀地反映海洋環(huán)境的狀況，使得監(jiān)測人員可以實時了解海洋中的各種變化和問題，以便及時做出決策和采取行動，并且視覺信息具有全面性。通過視覺監(jiān)測，可以同時獲取多個監(jiān)測指標(biāo)和參數(shù)，例如水文參數(shù)、水質(zhì)狀況、海洋生物等，從而實現(xiàn)對海洋環(huán)境的全面監(jiān)測。另外，視覺監(jiān)測可以提供實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)。如張小磊等人進行了關(guān)于海洋環(huán)境的視覺監(jiān)控研究。利用攝像頭進行實時水面監(jiān)測，將視頻監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于海洋觀測領(lǐng)域[8]。這使得視覺監(jiān)測成為海洋監(jiān)測領(lǐng)域中一種重要且有潛力的技術(shù)方法，為實現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的海洋監(jiān)測提供了新的途徑。

2 平臺監(jiān)測信息

2.1 水文參數(shù)

水文參數(shù)是描述水體狀態(tài)、特性和變化的物理量或指標(biāo)，用于定量研究水文過程和水資源管理。在水資源領(lǐng)域，水文參數(shù)是評估水環(huán)境的重要指標(biāo)，可以幫助人們理解和分析水體的水量、水質(zhì)和水動力學(xué)特征。例如：溶解氧、pH值、濁度、流速、流量、水位等

2.2 水下聲吶信號

水下聲吶信號用于獲取水下目標(biāo)的相關(guān)信息以及進行水下通信和測量。其廣泛應(yīng)用于水下目標(biāo)的探測與成像。通過發(fā)射聲波信號并接收回波信號，可以分析回波的特征，從而推斷目標(biāo)的位置、形狀及運動狀態(tài)。這為海洋監(jiān)測及水下探測提供了重要工具。

2.3 水下光視頻信號

水下光視頻信號可以提供高分辨率的圖像和視頻，使得水下目標(biāo)的細節(jié)和特征更為清晰可見。相比水文參數(shù)和聲吶信號，光視頻信號可以提供更直觀、精準(zhǔn)的視覺信息，方便觀察目標(biāo)形態(tài)、顏色和紋理等特征。可以通過適當(dāng)?shù)膫鬏敺绞綄崟r的水下圖像傳送到地面或指揮中心，同時進行實時監(jiān)控和判斷。

3 平臺軟件

3.1 電腦桌面端軟件

電腦桌面端軟件可以整合各種數(shù)據(jù)源，包括傳感器、衛(wèi)星觀測和模型模擬等，幫助用戶實時了解海洋環(huán)境的狀態(tài)并進行數(shù)據(jù)分析和處理。在海洋監(jiān)測系統(tǒng)中，比較常見的檢測平臺設(shè)計軟件有Matlab GUI、LabVIEW、QT等。其中，LabVIEW是一種主要用于控制方向的編程語言。解來濱在基于BD和GPRS的海水多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)研究中，使用LabVIEW完成控制中心命令發(fā)送和數(shù)據(jù)解析程序設(shè)計，以及電腦桌面端軟件設(shè)計[7]。J.V. Capella等人設(shè)計出了基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式系統(tǒng)，其中每個節(jié)點都通過無線網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，然后運用算法處理和分析收集來的數(shù)據(jù)，最終在其自行設(shè)計的電腦桌面軟件上進行展示[4]。

3.2 Android端App

安卓App的平臺可以實現(xiàn)便捷的數(shù)據(jù)采集和傳輸。通過在移動設(shè)備上安裝監(jiān)測App，監(jiān)測人員可以輕松地收集和記錄海洋環(huán)境數(shù)據(jù)。這一過程可以實時進行，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)可以快速傳輸至遠程服務(wù)器或云端存儲，以便后續(xù)分析和使用。另外，安卓App的平臺還具備靈活性和可擴展性。通過App的設(shè)計，監(jiān)測人員可以隨時選擇所需的監(jiān)測模塊和功能，并根據(jù)實際需要進行定制和擴展，并且安卓App的平臺還支持與其他設(shè)備和系統(tǒng)的集成。通過使用現(xiàn)代化的通信技術(shù)，App可以與傳感器、攝像頭、數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備進行連接和交互，從而實現(xiàn)更全面的海洋監(jiān)測能力。曾凡俊在基于Andriod的海洋環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用中，開發(fā)了一款基于Andriod的海域環(huán)境監(jiān)控App。通過傳感器把監(jiān)測到的環(huán)境信息傳輸至后端服務(wù)器，再由 Android 調(diào)用后端的接口獲取這些數(shù)據(jù)，然后在應(yīng)用中呈現(xiàn)[9]。

3.3 Web平臺

隨著科技的不斷進步，Web海洋監(jiān)測軟件在過去幾年里取得了顯著的發(fā)展。這些軟件利用互聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，提供了全面而高效的海洋環(huán)境監(jiān)測解決方案。Web海洋監(jiān)測軟件實現(xiàn)了實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)共享。傳感器和監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)可以通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到云服務(wù)器，從而實現(xiàn)實時監(jiān)測和遠程訪問。并且依賴于計算機的強大算力，Web軟件可以提供高度可視化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和分析功能。此外，Web海洋監(jiān)測軟件還具備靈活性和擴展性。它們的實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)共享、可視化呈現(xiàn)以及靈活擴展的特點使得海洋監(jiān)測工作更加精確、全面和可持續(xù)。根據(jù)監(jiān)測平臺軟件和監(jiān)測內(nèi)容的不同，將監(jiān)測平臺做以下劃分，如表1所示。

從表1中可以看出，隨著近幾年網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速，監(jiān)測平臺逐漸向安卓和 Web 端發(fā)展，其中Web通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸實現(xiàn)服務(wù)端與用戶之間的數(shù)據(jù)交互，Web 平臺可以借助開源的前端可視化函數(shù)庫，實現(xiàn)海洋數(shù)據(jù)信息的多樣表達，極大地提高海洋科學(xué)數(shù)據(jù)展示的直觀性和靈活性，使得海洋科學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)揮更大的研究價值。如表1所示，于淼設(shè)計了一套基于Web的海洋監(jiān)測系統(tǒng)，可以通過Web登錄查詢數(shù)據(jù)[10]。

4 基于視覺監(jiān)測的Web平臺設(shè)計

本文設(shè)計近岸水下目標(biāo)監(jiān)測可視化Web平臺。該監(jiān)測平臺的是用Python結(jié)合Web應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)建一個應(yīng)用程序，以便于開發(fā)和模塊更新。一個兼容Windows的服務(wù)器便可以運行整個監(jiān)測平臺。本平臺主要包括視頻信號的接收及存儲、天氣情況查詢地圖、目標(biāo)監(jiān)測模塊和數(shù)據(jù)顯示模塊4個模塊。功能模塊設(shè)計如圖1所示。

4.1 視頻信號的接收及存儲模塊

網(wǎng)絡(luò)攝像頭拍攝到的視頻通過映射好的RTSP視頻流端口，將視頻信號傳輸?shù)椒?wù)器，監(jiān)測平臺后端Python程序獲取實時視頻流。服務(wù)器將視頻幀發(fā)送到后端的推理算法模型，推理模型會分析識別它們，將檢測到的生物對象以候選框的形式框起來，并自動保存。模塊的存儲功能主要是將接收處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)其數(shù)據(jù)類型存儲到數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)數(shù)據(jù)庫表格中。

4.2 天氣情況查詢及地圖模塊

天氣情況查詢模塊可以獲取用戶輸入的近岸水下監(jiān)測點地點名稱信息，默認地點為連云港秦山島，網(wǎng)站的JavaScript調(diào)用天氣API接口，查詢到需要的天氣信息時，使用Ajax更新網(wǎng)站上實時天氣信息，來展示監(jiān)測點的實時天氣狀況。地圖模塊嵌入百度地圖API接口，可以查看衛(wèi)星圖及地圖，通過點擊按鈕或者滾動鼠標(biāo)對地圖放大縮小和移動。

4.3 目標(biāo)監(jiān)測模塊

監(jiān)測平臺后端目標(biāo)檢測模型獲取實時視頻流，對視頻逐幀推理，將檢測到的海蝦用錨框的形式框起來，推理后的視頻流通過Flask框架函數(shù)渲染后，HTML前端頁面調(diào)用推理后的視頻流地址，將實時的監(jiān)測視頻展示在Web頁面，用戶可以通過電腦或者平板電腦訪問監(jiān)測平臺查看實時視頻，還可以通過點擊目標(biāo)監(jiān)測模塊的功能按鈕來保存圖片、保存視頻、畫面放大、畫面縮小、增大焦距、減小焦距、開關(guān)燈、啟動清潔刷。

4.4 數(shù)據(jù)展示模塊

數(shù)據(jù)展示模塊是對水下監(jiān)測平臺檢測到的海蝦數(shù)量、生物分布情況以及環(huán)境水文參數(shù)的直觀體現(xiàn)，用戶可以看到當(dāng)前一周每天檢測到海蝦數(shù)量柱形圖、各生物在總生物數(shù)量的占比的生物分布餅圖以及監(jiān)測點環(huán)境水文參數(shù)柱狀圖。其中環(huán)境水文參數(shù)來源于中國海洋預(yù)報網(wǎng)。

該平臺實現(xiàn)效果如圖2所示。

5 總結(jié)

本文首先闡述了海洋監(jiān)測系統(tǒng)的研究背景和意義，從時間線上介紹了國內(nèi)外海洋監(jiān)測系統(tǒng)的現(xiàn)狀。并描述了常見的三種監(jiān)測信息。最后分析了三種不同監(jiān)測系統(tǒng)軟件各自的優(yōu)點，基于視覺監(jiān)測的Web平臺在海洋監(jiān)測方面表現(xiàn)出更佳的效果，并設(shè)計了水下目標(biāo)監(jiān)測可視化Web平臺。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】