水位自动监测系统论文文献综述

智能视频分析系统内置智能算法，能排除气候与环境因素的干扰，有效弥补人工监控的不足，减少视频监控系统整体的误报率和漏报率。基于智能视频分析和深度学习神经网络技术，对地下水、河道、水库、水池等区域水位进行实时监测，当监测到水位异常时，立即触发报警，报警信息可显示在监控客户端界面，也可将报警信息推送到移动端。智能视频监控系统可对监控画面进行7×24不间断的分析，大大提高了视频资源的利用率，减少人工监控的工作强度。对地下水、河道、水库、水池等区域水位进行实时监测，当监测到水位异常时，立即触发报警，并将报警信息存储到服务器数据库中，包括时间、地点、快照、视频等。

水位自动监测预警系统基于智能视频分析，自动对视频图像信息进行分析识别，无需人工干预；对河道、湖泊等区域水位进行实时监测，监测到水位达到警戒水位时，及时进行预警，有效的协助管理人员及时掌握河流水源变化情况，并及时预防洪涝事故，在避免人员和经济损失等方面有着重要意义。

水位测量是液位测量的一种，由于水位测量涵盖水利、气象、地理、环保等多个领域，所以水位测量与一般液位测量相比又有其他特点。

水位测量方法产品包括：水尺测量、电子水尺、浮子水位计、超声波水位计、压力式水位计、激光水位计、视频水尺法等。其中水尺用于人工观测，其他方式方法用于自动观测。

本文分别对视频监测水位和雷达水位计测量做个介绍和对比，实际应用场景中，雷达水位计监测水位更有优势。

优势如下：

1、功耗优势

雷达水位计功耗低，脉冲式雷达水位计功耗低于0.5W，调频连续波式雷达水位计功耗约1W，比视频水尺法功耗低。功耗低，很适合在山区野外的太阳能供电系统中使用。

2、安装优势

雷达水位计悬空安装，无需额外的土建和占地，在渠道、管道、河道都可以安装使用。而视频水尺法在渠道、小河道安装，需要人工混凝土或镀锌钢管立柱安装水尺，然后安装视频摄像头组合形成水位监测，需要配套协调使用，相对复杂。

3、维护优势

雷达水位计测量水位比超视频水尺法监测水位少很多，特别是在渠道和河道应用上，雷达水位计基本上免维护，而视频水尺法监测水位，平时水尺附近不能有水草杂物遮挡，长远来说水尺老化折损更严重，可能辨识不明确，影响测量。

4、测量精度高、不受水位变化影响

雷达水位计精度可达到3mm,分辨率1mm。一般的水尺用于地表水的监测。它是由金属或非金属材料制作而成，上面标有刻度，精度一般以厘米计（最小刻度1cm），水利上一般以1米为一节，以纯红、蓝为一块，方便阅读。误差和精度不如雷达水位计。5、可扩展和集成度雷达水位计可集成接入到流量监测系统、水雨情监测系统、山洪预警监测系统等，可扩展和集成度高；视频水尺监测水位，方式比较单一。6、对网络依赖程度低，资费低，环境适应性更好

雷达水位计结合监测系统，设备数据量小，对信号要求低，2G网络下也可使用，兼顾一些恶劣的使用环境。视频水尺法监测水位，需要视频摄像头的网络环境良好，流量资费较高。

雷达水位计记录脉冲波经历的时间T，而电磁波的传输速度为常数C，则可计算出雷达天线到水面的距离D=C*T/2；水底到雷达天线的距离是L，计算可得出水位高度H=L-D

一、 雷达水位计

一、内容概述

中国地质调查局水文地质环境地质调查中心在国土资源部环境司、中国地质调查局、科学技术部、中国地质环境监测院的项目支持下，针对国内在地下水监测仪器方面的不足，综合考虑野外环境和人为破坏等各种因素，自主研发了地下水动态自动化监测技术。研发工作可分为三个阶段。

1.2002～2004年

研究解决的主要核心技术：

（1）应用国外先进的传感器技术研制出水位/水温复合式探头，为克服大气压变化的影响，研制了独特的气压平衡装置，使传感器与大气连通，有效地克服了大气压变化对测量值的影响，使探头稳定性得到了充分对保证。

（2）设计了全密封圆筒式结构，便于野外安装及保管，密封、防潮问题的解决，使仪器系统可靠性得到了保证。

（3）研制了低功耗、高稳定的主机电路。为了解决野外长期自动监测设备，既要求连续工作，又要求直流（电池）供电问题，仪器系统全部采用低功耗的元器件，对功耗较大的传感器、放大器、A/D转换器以及单片机等采用了间断供电方式。

（4）研制了单片机控制和数据处理软件，并针对仪器在推广使用中出现的各种问题，对软件进行了修改，针对几种由于用户操作不当等人为因素造成的影响，增加了防范措施。

上述成果于2004年获国土资源科学技术奖二等奖，2007年荣获中国仪器仪表学会2007年度优秀产品奖。2008年获得了“地下水动态自动监测仪”（专利号：ZL200820108674.3）、“水位监测气压平衡装置”（专利号：ZL200820108673.9）两项实用新型专利。

2.2009年

“WS-1040地下水动态监测仪”被列入科技部“国家重点新产品计划”，依托国家重点新产品项目，对地下水动态监测仪器进行了升级改造。通过核心器件的升级换代、信号调理电路的改进，进一步降低了整机功耗，提高系统的集成性、稳定性和可靠性。其功能已达同类产品水平。

3.2010年至今

依托地质调查项目，开展了实用地下水监测技术研究，完成了地下水动态远程监测系统的研制。取得了如下成果：

（1）与国际知名品牌联合，研发了地下水动态远程监测实用产品，实现地下水动态监测数据的自动采集、传输、远程监控。

（2）开发了多级多源设备远程管理系统，实现了基于多源、多方式、多级别的监测数据接收和同步更新。与地下水远程监测设备联合，实现了监测设备的远程管理。

（3）地下水动态远程监测系统通过了国内外相关部门的检测，得到了国内外同行的好评。特别是在美国地下水监测展会上，引起了业内人士的广泛关注。

（4）工程化是保证产品质量的关键环节，通过产品的工程化工作，提高了质量，降低了成本，实现了科研样机向产品化的真正转变。同时，通过工程化工作，积累了经验，锻炼了人才，规范了产品的研发，提高了技术人员的工程化能力。为今后科技成果的转化奠定了基础。

（5）依托地调项目，开展项目延伸，地下水远程监测系统在南水北调沿线地下水监测工作中发挥了作用。

地下水动态远程监测系统主要由现场监测仪器、商用公共服务网络和监测中心站组成。在系统中，中心站通过公共服务网络与各监测仪器进行信息交换，完成监测数据回收和监测设备管理。现场监测设备包括水位水温传感器、数传仪器、井口保护装置。各监测仪器通过传感器实现了地下水水位和水温长期自动监测，测量数据自动保存在存储单元。通过数传仪器将数据定时发送到控制中心。数传仪器采用不锈钢圆筒结构，通过电缆配接传感器，传感器及数传仪器均可放入监测井中，因此便于保护，并克服了气候及天气的影响。整套仪器通过井口保护装置，实现了野外监测设备的安全管理。监测中心站包括数据接收系统、终端服务器和控制软件。可定期通过公共网将监测数据传入中心站并完成仪器的参数设置。该系统具有自动存储、远程传输、接收、解译、入库、管理和监测井信息、监测设备信息、通讯设备信息管理以及异常报警等功能，数据可对国家级、省级、地市级三级机构同步传输和更新。此外，该监测仪器还具有高精度、高分辨率、抗干扰、微功耗等优点，可全天候无人值守工作。内置大气压传感器，除独立测量气压、气温外，可以在无通气管条件下进行就地大气压力补偿。

二、应用范围及应用实例

该系统能对地下水水位和水温动态变化进行长期自动监测，可广泛应用于水文地质、环境地质、地质灾害预测预报、环境保护、水资源管理、地热井的监测、水利、矿区水文等领域。

1.地下水动态远程监测系统在南水北调工程地下水监测中发挥作用

南水北调作为国家重大战略工程，掌握其沿线区域地下水基础资料，将为今后的调蓄、工程管理等后续工作提供重要依据。由中国地质调查局水文地质环境地质调查中心自主研发、具有国际先进水平的10套S-GRT-1型地下水远程动态监测仪安装在了南水北调工程河南、河北段，分别在河南鹤壁、安阳和河北邯郸、邢台、石家庄等地区，监测区域全长350km，可以对地下水的水位、水温、气压、气温等数据进行动态采集。该批仪器自2012年9月1日安装完毕并启动以来，已经成功运行两个多月，传回的数据精准可靠。

未来，我国自主研发的相关地下水远程动态监测系列仪器将陆续安装在南水北调工程的沿线，为监测区域内地下水的安全提供持续有力保障。

2.黑河流域地下水监测

黑河流域地下水动态监测始于20世纪80年代，监测区域主要有张掖、高台、临泽、酒泉4个县市，主要对地下水水位、水质、水温、泉水流量等进行监测，监测手段以人工监测为主。水环地调中心结合自然科学基金重点项目“黑河流域地表水与地下水相互转化的观测与机制研究”，将自主研发的地下水动态远程监测系统应用于黑河平原区，其目的一是为该项目的科学研究提供监测数据支撑，二为黑河流域的地下水科学管理提供决策依据。该系统可对地下水水位和水温的动态变化进行长期自动监测。测量数据自动保存在仪器内部的存储单元内，可定期通过公共服务网，将监测数据传入终端管理平台并完成监测数据、监测设备的动态管理。实现了地下水动态数据自动采集、存储、传输、远程管理。极大方便了监测部门的相关工作。为黑河流域地表水与地下水相互转化的观测与机制研究提供了基础数据。

三、推广转化方式

地下水监测技术成果的推广转化可通过宣传报道、会议交流、人员培训、技术咨询等方式向用户推荐并引入市场。成果将通过局部试点示范，并逐步在全国范围内推广应用，可广泛应用于地下水长期观测、水资源调查、地表水监测、抽水井水位监测、工业用水管理等多种场合。

技术依托单位：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心

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