海洋監測平臺研究綜述

蔡立鵬 蔣海陽 謝卓冉 楊淼

摘要：該文總結了海洋監測平臺的發展和應用。文中按時間線回顧了基于傳感器網絡、基于GPRS無線網絡、基于物聯網以及基于視覺監測的海洋監測平臺的演進與應用。此外，還對監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。在最后部分得出結論：基于視覺監測的Web平臺在海洋監測方面表現出更佳的效果，并設計了水下目標監測可視化Web平臺。該結論與設計對于未來海洋監測平臺的發展和設計具有重要的參考意義。

關鍵詞：海洋監測；視覺監測；Web平臺

中圖分類號：TP29? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0114-03

開放科學（資源服務）標識碼（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海洋資源，造成海洋資源浪費以及環境的破壞。因此為了海洋資源的可持續使用，科學合理的海洋環境監測技術已經成為世界各國關注的重點方向[1-3]。海洋監測平臺按照時間線的發展分為基于傳感器網絡的、利用GPRS無線網絡模塊的、基于物聯網的、基于視覺監測的。海洋監測平臺軟件主要有桌面軟件、Android 端App和 Web 平臺軟件。平臺監測的信息又主要分為水文參數、水下聲吶信號和水下光視頻信息三種。

1 海洋監測平臺發展

1.1 基于傳感器網絡的監測平臺

隨著無線傳感器網絡和無線通信的快速發展，監測手段逐漸從人工粗放型轉向無線監測與智能控制方向。在這種平臺中，傳感器節點通過無線網絡相互連接，并通過算法對采集到的數據進行處理和分析，最終展示在網絡上。例如，J.V.Capella等人設計了基于傳感器網絡的分布式系統，通過無線網絡連接各個節點，在網絡上顯示處理后的監測數據[4]。此外，美國研究人員還運用了傳感器技術來構建一個自組織的環境監控系統，該系統通過量測某特定區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域內生活并繁衍[5]。

1.2 基于GPRS無線網絡的監測平臺

相較于傳感器網絡，基于GPRS無線網絡的海洋監測平臺在覆蓋范圍、數據傳輸速度、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勢。這些優點使得GPRS無線網絡成為海洋監測領域中廣泛采用的通信技術之一。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，在預定的時間內，將相關節點的數據信息發送至既定服務器，并在工業控制系統上進行數據的分析和處理[6]。此外，解來濱代表哈爾濱工業大學借助BD2和GPRS研發出一套海水質量多項指數探測系統，該系統的數據收集終端以STM32為主處理器，通過BD2定位模塊收集地點信息，并通過GPRS模塊將數據傳送至控制中心?？刂浦行能浖褂肔abView開發設計[7]。

1.3 基于物聯網的監測平臺

隨著物聯網技術的發展，其逐漸應用于海洋監測中。在2015年，J. Rui等人闡述了基于云計算的物聯網概念，從而引起了物聯網技術的興起。相對于前兩種技術，物聯網具有一些獨特的優勢。通過連接多種設備和傳感器，物聯網可以實現海洋監測系統的全面覆蓋和信息共享，使監測更加全面和精確。物聯網可以實現更高級的數據分析和處理。物聯網技術可以將大量的監測數據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網進行了研究，并將物聯網的科技手段應用在海洋領域。他們成功創建了一種以物聯網為基礎的海洋物聯網無損探測平臺。通過將無損探測材料置于海洋生物的表皮上，能夠有效地監控海洋環境。

1.4 基于視覺監測的監測平臺

隨著通信網絡速度的提升和視覺監測技術的發展，基于視覺的監測方法逐漸得到應用。通過攝像頭獲取的圖像或視頻可以直觀地反映海洋環境的狀況，使得監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。通過視覺監測，可以同時獲取多個監測指標和參數，例如水文參數、水質狀況、海洋生物等，從而實現對海洋環境的全面監測。另外，視覺監測可以提供實時的監測數據。如張小磊等人進行了關于海洋環境的視覺監控研究。利用攝像頭進行實時水面監測，將視頻監測技術應用于海洋觀測領域[8]。這使得視覺監測成為海洋監測領域中一種重要且有潛力的技術方法，為實現高效、精準的海洋監測提供了新的途徑。

2 平臺監測信息

2.1 水文參數

水文參數是描述水體狀態、特性和變化的物理量或指標，用于定量研究水文過程和水資源管理。在水資源領域，水文參數是評估水環境的重要指標，可以幫助人們理解和分析水體的水量、水質和水動力學特征。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的相關信息以及進行水下通信和測量。其廣泛應用于水下目標的探測與成像。通過發射聲波信號并接收回波信號，可以分析回波的特征，從而推斷目標的位置、形狀及運動狀態。這為海洋監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，使得水下目標的細節和特征更為清晰可見。相比水文參數和聲吶信號，光視頻信號可以提供更直觀、精準的視覺信息，方便觀察目標形態、顏色和紋理等特征?？梢酝ㄟ^適當的傳輸方式將實時的水下圖像傳送到地面或指揮中心，同時進行實時監控和判斷。

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據源，包括傳感器、衛星觀測和模型模擬等，幫助用戶實時了解海洋環境的狀態并進行數據分析和處理。在海洋監測系統中，比較常見的檢測平臺設計軟件有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的海水多參數監測系統研究中，使用LabVIEW完成控制中心命令發送和數據解析程序設計，以及電腦桌面端軟件設計[7]。J.V. Capella等人設計出了基于傳感器網絡的分布式系統，其中每個節點都通過無線網絡互聯，然后運用算法處理和分析收集來的數據，最終在其自行設計的電腦桌面軟件上進行展示[4]。

3.2 Android端App

安卓App的平臺可以實現便捷的數據采集和傳輸。通過在移動設備上安裝監測App，監測人員可以輕松地收集和記錄海洋環境數據。這一過程可以實時進行，使得監測數據可以快速傳輸至遠程服務器或云端存儲，以便后續分析和使用。另外，安卓App的平臺還具備靈活性和可擴展性。通過App的設計，監測人員可以隨時選擇所需的監測模塊和功能，并根據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備和系統的集成。通過使用現代化的通信技術，App可以與傳感器、攝像頭、數據服務器等設備進行連接和交互，從而實現更全面的海洋監測能力。曾凡俊在基于Andriod的海洋環境監控系統的研究與應用中，開發了一款基于Andriod的海域環境監控App。通過傳感器把監測到的環境信息傳輸至后端服務器，再由 Android 調用后端的接口獲取這些數據，然后在應用中呈現[9]。

3.3 Web平臺

隨著科技的不斷進步，Web海洋監測軟件在過去幾年里取得了顯著的發展。這些軟件利用互聯網和傳感器技術，提供了全面而高效的海洋環境監測解決方案。Web海洋監測軟件實現了實時監測和數據共享。傳感器和監測設備的數據可以通過互聯網上傳到云服務器，從而實現實時監測和遠程訪問。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據呈現和分析功能。此外，Web海洋監測軟件還具備靈活性和擴展性。它們的實時監測、數據共享、可視化呈現以及靈活擴展的特點使得海洋監測工作更加精確、全面和可持續。根據監測平臺軟件和監測內容的不同，將監測平臺做以下劃分，如表1所示。

從表1中可以看出，隨著近幾年網絡技術的高速，監測平臺逐漸向安卓和 Web 端發展，其中Web通過網絡數據傳輸實現服務端與用戶之間的數據交互，Web 平臺可以借助開源的前端可視化函數庫，實現海洋數據信息的多樣表達，極大地提高海洋科學數據展示的直觀性和靈活性，使得海洋科學數據發揮更大的研究價值。如表1所示，于淼設計了一套基于Web的海洋監測系統，可以通過Web登錄查詢數據[10]。

4 基于視覺監測的Web平臺設計

本文設計近岸水下目標監測可視化Web平臺。該監測平臺的是用Python結合Web應用技術創建一個應用程序，以便于開發和模塊更新。一個兼容Windows的服務器便可以運行整個監測平臺。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、目標監測模塊和數據顯示模塊4個模塊。功能模塊設計如圖1所示。

4.1 視頻信號的接收及存儲模塊

網絡攝像頭拍攝到的視頻通過映射好的RTSP視頻流端口，將視頻信號傳輸到服務器，監測平臺后端Python程序獲取實時視頻流。服務器將視頻幀發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據根據其數據類型存儲到數據庫中的對應數據庫表格中。

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測點地點名稱信息，默認地點為連云港秦山島，網站的JavaScript調用天氣API接口，查詢到需要的天氣信息時，使用Ajax更新網站上實時天氣信息，來展示監測點的實時天氣狀況。地圖模塊嵌入百度地圖API接口，可以查看衛星圖及地圖，通過點擊按鈕或者滾動鼠標對地圖放大縮小和移動。

4.3 目標監測模塊

監測平臺后端目標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框架函數渲染后，HTML前端頁面調用推理后的視頻流地址，將實時的監測視頻展示在Web頁面，用戶可以通過電腦或者平板電腦訪問監測平臺查看實時視頻，還可以通過點擊目標監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、開關燈、啟動清潔刷。

4.4 數據展示模塊

數據展示模塊是對水下監測平臺檢測到的海蝦數量、生物分布情況以及環境水文參數的直觀體現，用戶可以看到當前一周每天檢測到海蝦數量柱形圖、各生物在總生物數量的占比的生物分布餅圖以及監測點環境水文參數柱狀圖。其中環境水文參數來源于中國海洋預報網。

該平臺實現效果如圖2所示。

5 總結

本文首先闡述了海洋監測系統的研究背景和意義，從時間線上介紹了國內外海洋監測系統的現狀。并描述了常見的三種監測信息。最后分析了三種不同監測系統軟件各自的優點，基于視覺監測的Web平臺在海洋監測方面表現出更佳的效果，并設計了水下目標監測可視化Web平臺。

參考文獻：

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[5] 李德堯.海上環境監測系統中的自動化架構設計[J].艦船科學技術，2017，39（6）：174-176.

[6] 楊守波.基于B/S架構的智能水質監測系統設計及數據質量控制研究[D].北京：北方工業大學，2015.

[7] 解來濱.基于BD2和GPRS的海水多參數監測系統研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2014.

[8] 張小磊，管萬春，姜濤，等.基于物聯網的海洋環境監測研究[J].電子制作，2019（19）：26，46-47.

[9] 曾凡俊.基于Android的海洋環境監控系統的研究與應用[D].舟山：浙江海洋大學，2018.

[10] 于淼.基于Web的海洋環境監測系統設計[D].青島：山東科技大學，2018.

【通聯編輯：謝媛媛】