基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统设计

武 昊，李建新

(延安大学 物理与电子信息学院，陕西 延安 716000)

0 引言

流域作为资源管理的较为关键的管理部分，属于地球系统研究的较为基础的操作层面[1]。水文信息资料可对流域的基础状态进行整理分析，总结系统的水文现象。随着水文流域的不断发展与科学研究的开展，水文观测技术随之进步，并形成了较为系统的水文监测系统[2]。不少研究学者针对水文特征进行水文遥感监测系统设计研究，以此推动水文研究的进一步发展。

由于水文遥感监测系统在设计的过程中，需要大量的流域信息数据，并要求较高质量的水文特征分析系统[3]，为此，在对监测系统进行设计的同时，需收集精准的流域内水文特征数据，并按照水文特征数据调节不同空间的流域基础信息，达到水文遥感监测的目的。目前的水文遥感监测系统设计勘测典型流域内部的水位、水流信息，在整理水文信息后调节系统硬件元件结构，打破结构固化特征，根据硬件元件结构设置相关的软件管理平台，获取精准的监测结果数据[4]。传统基于物联网的水文遥感监测系统设计针对不同的河流以及气象特点，通过物联网的数据信息传输网进行水文特征数据的快速传输操作，具有较为迅速的数据传输能力，能够在不同的流域环境下执行操作指令，操作性强。传统基于4G的水文遥感监测系统设计根据4G网络系统进行水文数据收集，并将收集后的水文数据进行特征管理，按照标准管理步骤执行流域内部的数据调整任务，并在任务完成后选择匹配度较高的水位监测器参数，提升监测的有效性[5]。但传统监测系统设计对于系统的查询能力较弱，无法实现监测信息的完整收集，监测的图像清晰度较差，监测准确率较低。

针对上述问题，本文提出了基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统。研究表明本文设计的水文遥感监测系统遥感图像清晰度较高，具有良好的监测性能，能够在不同的流域监测环境中使用，具备较强的水文特征分析能力，可及时转化水文特征的数据存储位置，提供较强的数据操作基础信息，具有较为广阔的发展空间。

1 基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统硬件设计

CUAHSI-HIS作为一种基于互联网的水文数据共享系统，可对水文信息进行精准分析，并按照水文特征进行特征数据审核，并调配审核内容，最终获取精准的水文信息[6-7]。本文利用该系统进行水文遥感监测系统的硬件设计，根据不同的硬件操作结构进行硬件整合，并获取相关的整合内容，按照整合的数据内容进行精准分类，划分相应的硬件操作模块。AT91SAM9X35-CU微处理器芯片结构如图1所示。

图1 AT91SAM9X35-CU微处理器芯片结构图

选用ARM9单片机，配备CPU速度为400 MHz，外围设备为 WDT、DMA、POR、LCD以及PWM数据，可以连接到CAN、UART/USART、EBI/EMI、以太网以及USB系统，另外，系统的只读存储器为64 kB，输入输出模块为105个，系统运行时的电源电压为0.9～1.1 V，内部为只读存储器的工作状态，CPU的数据总线宽度为16位[8]。

按照该传感器的传感标准进行水文信息的传感与状态整理，并加强对整理内容信息的科学性存储操作，在获取不同流域的水文特征数据后，观测水文数据，并将水文特征数据进行遥感此刻的数据传感状态，收集传感水文数据，构建水文数据传感模块，对传感的信息进行集中收集，并设置数据采集模块。

本文中的数据采集模块是基于SEMTECH远程大容量网络系统解决方案SX1278的无线模块。采用混合式数据采集模式，采用当前GFSK调制技术的同时，还利用了LoRa(远程)扩频技术应用于新型的SX127X平台中[9-10]。该模块具有高效的接收灵敏度和超强的抗干扰性能，可以非常容易地嵌入到系统中，具备半双工通信功能，为ISM多波段，不需要申请频率免费使用，多频率可选，具有多种传输速率以及ISSI信道侦测功能，能够为系统提供较为优良的操作环境，并集中操作方式加大内部数据管理。

选取德州仪器公司生产的CC2530F256RHAR微处理芯片，利用Zigbee技术，以8位元的单芯片微控制器为处理核心，CPU的工作频率为1.6 GHz，系统数据能承受的最大监测速率为250 kb/s，确保输出功率为4.5 dBm，在工作状态时所配备的电源电压为2～3.6 V，监测过程中可以接收的电源电流为24.3 mA，系统数据采集所配备的电源电流为 33.5 mA。按照供电电流传导方式进行水文信息的特征转换操作，将监测流域内部的水文特征进行集中编写与采集操作，实现对整体采集模块的设计，并对采集结构进行图像设置，系统采集结构如图2所示。

图2 系统采集结构图

根据获取的采集信息进行数据监测处理，并选用水文数据信息监测器，该监测器具有联动输入输出、单相交流电测量、GPRS无线以及RS485通讯功能，通过对流域内部水位高低、水流特征以及气象特征等水文特征参数实施监控和管理，构建较为完善的数据监测系统[11]。使用先进的微控制器技术，其优点为体积小、易于安装、集成精度较高，更加地数字化、智能化和网络化，另外，将原RS485通讯升级成为GPRS无线通讯，能够有效解决现场接线困难的同时，提高了工作效率，强化水文信息转化系统主导操作性能，并按照相关的系统数据排序方式进行数据排序，提升系统的监测能力，实现对硬件系统监测模块的设计，由此，完成整体硬件系统设计操作。

2 基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统软件设计

利用以上硬件系统设计的数据进行系统软件的设计，设置系统整体软件操作流程如图3所示。

图3 系统软件操作流程图

本文系统软件利用不同的监测平台进行数据初始检验，完善流域内部的水文特征数据。分析传输层的程序设计模式，并加强对模式的基础性管理力度。利用共享系统平台将收集的流域内部水文信息进行数据标定操作，标记此时的水文数据状态，并时刻调整与水文数据存储状态不符的无关数据[12]。模拟水文收集程序操作过程，将水文收集过程进行模式管理，建立水文主任务，并在主任务中修改水文特征存储方式，执行方式平台改造指令。避免因水文遥感监测平台数据收集完整度不足而造成的监测失误现象，构建水文特征数据存储结构如图4所示。

图4 水文特征数据存储结构示意图

调整此时的水文管理状态，将流域中的水位信息与水文流动强度相结合，匹配主任务系统水文管理原则，并按照原则内容执行软件平台管控任务，同时分配与管控任务相似度较高的内部操控系统数据。增强数据主导性，利用流域的水文流动模式进行平台信息查询，并创建水文信息传输任务，在获取任务指令后，根据任务指令的所处状态进行模式管理操作[13-14]。在数据传输层程序中对水文特征监测数据进行集中整理。移动整体数据传输与存储的位置，并在相应的位置中标记数据操作点，由此实现对水文信息的精准掌控与数据分析性收集的操作。数据操作点标记结构如图5所示。

图5 数据操作点标记结构图

在首先设计并研发签署系统监测协议时，因为本文提出的监测系统代码属于基本状态，所以，在调试初始层后，将激活该层的状态，并逐层激活不同的状态机层，射频被打开并发送和接收信息[15]。在实现信息收发后，针对收发的信息内容调整水文状态，将状态内容与流域信息相匹配，并加强对匹配内容的监控，以此确保监控的水文信息处于安全管理状态内，实现对系统软件的设计操作。

3 实验与研究

在实现以上水文遥感监测系统设计后，为检验本文基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统设计的监测性能，将本文监测系统设计的监测结果与传统监测系统设计的监测结果进行实验对比，并构建对比实验，设置实验参数如表1所示。

表1 实验参数表

根据表1中的数据，检验监测系统的水文遥感图像清晰度，调节监测系统的硬件结构，并加强对结构的管理力度，不断转换硬件系统的信息内容，访问遥感监测界面，并对界面的信息进行平台结构审核，结构审核如图6所示。

图6 结构审核图

将审核的内容集中调整至数据收集空间中，强化收集空间的平台信息内容，并利用投影仪器对遥感监测图像进行图像反射，选择相关的图像分析器对图像的线条特征进行分析，最终实现对图像的信息收集与数据检验。根据以上实验操作设置遥感图像清晰度对比如图7所示。

图7 不同方法的遥感图像清晰度对比结果

根据图7可知，相比基于物联网和4G的水文遥感监测系统，本文基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统设计的图像清晰度较高。因为本文监测设计在设计的过程中对监测的水文特征进行图像管理，并分析不同图像的内容，管理流域水文特征信息，同时将水文特征信息通过管理平台进行集中映射与内容监控，执行水文流域气象调整指令，并按照下达的指令内容进行信息分析与实时管理，在此基础上强化监测内容的真实性特征。由此获取较为精准的监测图像数据。根据以上操作进行卫星图像管理，时刻获取清晰的卫星云图像，并在流域上空进行图像反射与特征数据查询操作。对水文模块进行调试，按照调试的结果数据实施调试处理，并查询相关的处理结果，整合结果信息，掌握与水文特征关联度较大的遥感监测匹配数据，将其转化为遥感监测图像，由此，在较高的程度上提升获取的监测图像的清晰程度。

在完成初次实验研究后，选用相应的实验数据进行二次实验操作，并将实验数据进行类型划分，检验划分的数据结果，初始化监测设备，设置网络协调器，并采用网络请求层实现请求发送，扫描系统完成能量监测，并监测信道信息，在扫描后选择空闲传输信道，将信息传输到网络层过滤数据，并选取唯一的PANID参数。协调器将在联网过程中生成多个数据检测，如果检测后数据传输信道仍然空闲，那么可以在该节点的另一条通信信道上进行联网；如果任何检测出现繁忙，那么应该清除该信道信道，然后再进行检测，直到监测信道空闲为止。并设置实验参数如表2所示。

表2 实验参数

根据最终获取的监测结果，分别对比不同方法的监测准确率，监测准确率对比结果如图8所示。

图8 不同方法的监测准确率对比结果

在图8中可以得出，相比基于物联网和4G的水文遥感监测系统，本文基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统设计的监测准确率较高。造成此种差异的主要原因在于本文遥感监测系统在对水文特征进行平台管理的同时调节不同空间的水文数据，并将不同空间的数据集中至相同的存储空间中进行数据存储操作。按照存储的内容进行水文遥感传输。通过传输通道将监测的数据信息集中传导至相应的监测空间内部，清除与传输信号不符的水文特征信息，加强整体监测的精准程度。并在强化水文信息的传输过程的基础上执行外部管理指令，按照相应的指令特征进行水文遥感调节，利用调节后的水文数据进行监测结果对比，由此提高监测系统的监测准确率，获取更加优良的监测结果。

综上所述，本文基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统设计能够在一定程度上提升遥感监测的精准程度，并按照不同的水文特征进行特征分析，具有较强的水文特征分析能力，由此能够进一步获取较为科学的监测数据，监测的有效性较高，有利于后续实验研究的开展。

4 结束语

本文设计基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统，通过对水文遥感监测的元件结构特点进行数据分析，并改造硬件结构，选用嵌入式管理芯片对监测的内容进行管理，提升监测内容的真实可靠性，软件部分按照相应的软件调整原则进行软件处理，利用监测算法精准计算水文特征，获取较为完整的监测数据。实验结果表明，本文基于CUAHSI-HIS的水文遥感监测系统遥感图像清晰度较高，能够有效提高监测准确率，具有较强的可操作性，监测结果科学性更强。