海洋监测平台研究综述

蔡立鹏 蒋海阳 谢卓冉 杨淼

摘要：该文总结了海洋监测平台的发展和应用。文中按时间线回顾了基于传感器网络、基于GPRS无线网络、基于物联网以及基于视觉监测的海洋监测平台的演进与应用。此外，还对监测平台软件进行了分类，包括电脑桌面端软件、Andriod端App以及Web平台软件。在最后部分得出结论：基于视觉监测的Web平台在海洋监测方面表现出更佳的效果，并设计了水下目标监测可视化Web平台。该结论与设计对于未来海洋监测平台的发展和设计具有重要的参考意义。

关键词：海洋监测；视觉监测；Web平台

中图分类号：TP29      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0114-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

0 引言

海洋的覆盖范围辽阔，海洋深处存储了大量的资源，它是人类生存和进步的重要资源。但随着各国大力开发海洋资源，造成海洋资源浪费以及环境的破坏。因此为了海洋资源的可持续使用，科学合理的海洋环境监测技术已经成为世界各国关注的重点方向[1-3]。海洋监测平台按照时间线的发展分为基于传感器网络的、利用GPRS无线网络模块的、基于物联网的、基于视觉监测的。海洋监测平台软件主要有桌面软件、Android 端App和 Web 平台软件。平台监测的信息又主要分为水文参数、水下声呐信号和水下光视频信息三种。

1 海洋监测平台发展

1.1 基于传感器网络的监测平台

随着无线传感器网络和无线通信的快速发展，监测手段逐渐从人工粗放型转向无线监测与智能控制方向。在这种平台中，传感器节点通过无线网络相互连接，并通过算法对采集到的数据进行处理和分析，最终展示在网络上。例如，J.V.Capella等人设计了基于传感器网络的分布式系统，通过无线网络连接各个节点，在网络上显示处理后的监测数据[4]。此外，美国研究人员还运用了传感器技术来构建一个自组织的环境监控系统，该系统通过量测某特定区域的温度和酸碱度等多个因素，以便确定哪类生物能在那个区域内生活并繁衍[5]。

1.2 基于GPRS无线网络的监测平台

相较于传感器网络，基于GPRS无线网络的海洋监测平台在覆盖范围、数据传输速度、灵活性、可扩展性、定位功能以及自动化程度等方面具有明显的优势。这些优点使得GPRS无线网络成为海洋监测领域中广泛采用的通信技术之一。Antoin Lawlor率先引入了特定频段无线电或者直接运用GPRS模块的技术，在预定的时间内，将相关节点的数据信息发送至既定服务器，并在工业控制系统上进行数据的分析和处理[6]。此外，解来滨代表哈尔滨工业大学借助BD2和GPRS研发出一套海水质量多项指数探测系统，该系统的数据收集终端以STM32为主处理器，通过BD2定位模块收集地点信息，并通过GPRS模块将数据传送至控制中心。控制中心软件使用LabView开发设计[7]。

1.3 基于物联网的监测平台

随着物联网技术的发展，其逐渐应用于海洋监测中。在2015年，J. Rui等人阐述了基于云计算的物联网概念，从而引起了物联网技术的兴起。相对于前两种技术，物联网具有一些独特的优势。通过连接多种设备和传感器，物联网可以实现海洋监测系统的全面覆盖和信息共享，使监测更加全面和精确。物联网可以实现更高级的数据分析和处理。物联网技术可以将大量的监测数据通过云计算或边缘计算进行处理和分析，从而提供更多的洞察和决策支持。S.F. Shaikh和他的团队针对海洋物联网进行了研究，并将物联网的科技手段应用在海洋领域。他们成功创建了一种以物联网为基础的海洋物联网无损探测平台。通过将无损探测材料置于海洋生物的表皮上，能够有效地监控海洋环境。

1.4 基于视觉监测的监测平台

随着通信网络速度的提升和视觉监测技术的发展，基于视觉的监测方法逐渐得到应用。通过摄像头获取的图像或视频可以直观地反映海洋环境的状况，使得监测人员可以实时了解海洋中的各种变化和问题，以便及时做出决策和采取行动，并且视觉信息具有全面性。通过视觉监测，可以同时获取多个监测指标和参数，例如水文参数、水质状况、海洋生物等，从而实现对海洋环境的全面监测。另外，视觉监测可以提供实时的监测数据。如张小磊等人进行了关于海洋环境的视觉监控研究。利用摄像头进行实时水面监测，将视频监测技术应用于海洋观测领域[8]。这使得视觉监测成为海洋监测领域中一种重要且有潜力的技术方法，为实现高效、精准的海洋监测提供了新的途径。

2 平台监测信息

2.1 水文参数

水文参数是描述水体状态、特性和变化的物理量或指标，用于定量研究水文过程和水资源管理。在水资源领域，水文参数是评估水环境的重要指标，可以帮助人们理解和分析水体的水量、水质和水动力学特征。例如：溶解氧、pH值、浊度、流速、流量、水位等

2.2 水下声呐信号

水下声呐信号用于获取水下目标的相关信息以及进行水下通信和测量。其广泛应用于水下目标的探测与成像。通过发射声波信号并接收回波信号，可以分析回波的特征，从而推断目标的位置、形状及运动状态。这为海洋监测及水下探测提供了重要工具。

2.3 水下光视频信号

水下光视频信号可以提供高分辨率的图像和视频，使得水下目标的细节和特征更为清晰可见。相比水文参数和声呐信号，光视频信号可以提供更直观、精准的视觉信息，方便观察目标形态、颜色和纹理等特征。可以通过适当的传输方式将实时的水下图像传送到地面或指挥中心，同时进行实时监控和判断。

3 平台软件

3.1 电脑桌面端软件

电脑桌面端软件可以整合各种数据源，包括传感器、卫星观测和模型模拟等，帮助用户实时了解海洋环境的状态并进行数据分析和处理。在海洋监测系统中，比较常见的检测平台设计软件有Matlab GUI、LabVIEW、QT等。其中，LabVIEW是一种主要用于控制方向的编程语言。解来滨在基于BD和GPRS的海水多参数监测系统研究中，使用LabVIEW完成控制中心命令发送和数据解析程序设计，以及电脑桌面端软件设计[7]。J.V. Capella等人設计出了基于传感器网络的分布式系统，其中每个节点都通过无线网络互联，然后运用算法处理和分析收集来的数据，最终在其自行设计的电脑桌面软件上进行展示[4]。

3.2 Android端App

安卓App的平台可以实现便捷的数据采集和传输。通过在移动设备上安装监测App，监测人员可以轻松地收集和记录海洋环境数据。这一过程可以实时进行，使得监测数据可以快速传输至远程服务器或云端存储，以便后续分析和使用。另外，安卓App的平台还具备灵活性和可扩展性。通过App的设计，监测人员可以随时选择所需的监测模块和功能，并根据实际需要进行定制和扩展，并且安卓App的平台还支持与其他设备和系统的集成。通过使用现代化的通信技术，App可以与传感器、摄像头、数据服务器等设备进行连接和交互，从而实现更全面的海洋监测能力。曾凡俊在基于Andriod的海洋环境监控系统的研究与应用中，开发了一款基于Andriod的海域环境监控App。通过传感器把监测到的环境信息传输至后端服务器，再由 Android 调用后端的接口获取这些数据，然后在应用中呈现[9]。

3.3 Web平台

随着科技的不断进步，Web海洋监测软件在过去几年里取得了显著的发展。这些软件利用互联网和传感器技术，提供了全面而高效的海洋环境监测解决方案。Web海洋监测软件实现了实时监测和数据共享。传感器和监测设备的数据可以通过互联网上传到云服务器，从而实现实时监测和远程访问。并且依赖于计算机的强大算力，Web软件可以提供高度可视化的数据呈现和分析功能。此外，Web海洋监测软件还具备灵活性和扩展性。它们的实时监测、数据共享、可视化呈现以及灵活扩展的特点使得海洋监测工作更加精确、全面和可持续。根据监测平台软件和监测内容的不同，将监测平台做以下划分，如表1所示。

从表1中可以看出，随着近几年网络技术的高速，监测平台逐渐向安卓和 Web 端发展，其中Web通过网络数据传输实现服务端与用户之间的数据交互，Web 平台可以借助开源的前端可视化函数库，实现海洋数据信息的多样表达，极大地提高海洋科学数据展示的直观性和灵活性，使得海洋科学数据发挥更大的研究价值。如表1所示，于淼设计了一套基于Web的海洋监测系统，可以通过Web登录查询数据[10]。

4 基于视觉监测的Web平台设计

本文设计近岸水下目标监测可视化Web平台。该监测平台的是用Python结合Web应用技术创建一个应用程序，以便于开发和模块更新。一个兼容Windows的服务器便可以运行整个监测平台。本平台主要包括视频信号的接收及存储、天气情况查询地图、目标监测模块和数据显示模块4个模块。功能模块设计如图1所示。

4.1 视频信号的接收及存储模块

网络摄像头拍摄到的视频通过映射好的RTSP视频流端口，将视频信号传输到服务器，监测平台后端Python程序获取实时视频流。服务器将视频帧发送到后端的推理算法模型，推理模型会分析识别它们，将检测到的生物对象以候选框的形式框起来，并自动保存。模块的存储功能主要是将接收处理后的数据根据其数据类型存储到数据库中的对应数据库表格中。

4.2 天气情况查询及地图模块

天气情况查询模块可以获取用户输入的近岸水下监测点地点名称信息，默认地点为连云港秦山岛，网站的JavaScript调用天气API接口，查询到需要的天气信息时，使用Ajax更新网站上实时天气信息，来展示监测点的实时天气状况。地图模块嵌入百度地图API接口，可以查看卫星图及地图，通过点击按钮或者滚动鼠标对地图放大缩小和移动。

4.3 目标监测模块

监测平台后端目标检测模型获取实时视频流，对视频逐帧推理，将检测到的海虾用锚框的形式框起来，推理后的视频流通过Flask框架函数渲染后，HTML前端页面调用推理后的视频流地址，将实时的监测视频展示在Web页面，用户可以通过电脑或者平板电脑访问监测平台查看实时视频，还可以通过点击目标监测模块的功能按钮来保存图片、保存视频、画面放大、画面缩小、增大焦距、减小焦距、开关灯、启动清洁刷。

4.4 数据展示模块

数据展示模块是对水下监测平台检测到的海虾数量、生物分布情况以及环境水文参数的直观体现，用户可以看到当前一周每天检测到海虾数量柱形图、各生物在总生物数量的占比的生物分布饼图以及监测点环境水文参数柱状图。其中环境水文参数来源于中国海洋预报网。

该平台实现效果如图2所示。

5 总结

本文首先阐述了海洋监测系统的研究背景和意义，从时间线上介绍了国内外海洋监测系统的现状。并描述了常见的三种监测信息。最后分析了三种不同监测系统软件各自的优点，基于视觉监测的Web平台在海洋监测方面表现出更佳的效果，并设计了水下目标监测可视化Web平台。

参考文献：

[1] 张云海.海洋环境监测装备技术发展综述[J].数字海洋与水下攻防，2018，1（1）：7-14.

[2] 赵树平.海洋环境资源3S监测管理系统研究[J].电脑知识与技术，2019，15（14）：8-9.

[3] 杨坚，孙兴年，刘田田.海洋环境监测数据质量计算机控制方法研究[J].电脑知识与技术，2019，15（30）：7-8.

[4] CAPELLA J V，BONASTRE A，ORS R，et al.A Wireless Sensor Network Approach for distributed in-line chemical analysis of water[J].Talanta，2010，80（5）：1789-1798.

[5] 李德尧.海上环境监测系统中的自动化架构设计[J].舰船科学技术，2017，39（6）：174-176.

[6] 杨守波.基于B/S架构的智能水质监测系统设计及数据质量控制研究[D].北京：北方工业大学，2015.

[7] 解来滨.基于BD2和GPRS的海水多参数监测系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[8] 张小磊，管万春，姜涛，等.基于物联网的海洋环境监测研究[J].电子制作，2019（19）：26，46-47.

[9] 曾凡俊.基于Android的海洋环境监控系统的研究與应用[D].舟山：浙江海洋大学，2018.

[10] 于淼.基于Web的海洋环境监测系统设计[D].青岛：山东科技大学，2018.

【通联编辑：谢媛媛】