基于GXU-1001型遙測(cè)終端的水情拍照系統(tǒng)概述

梁顯俊，唐海賓

（百色水文中心，廣西 百色 533000）

0 引言

百色市水情遙測(cè)系統(tǒng)大部分遙測(cè)站都是建設(shè)在深山河谷，有的站點(diǎn)僅能通GPRS 的無(wú)線移動(dòng)通信信號(hào)，鋪設(shè)有線線路成本高，在這些站點(diǎn)建設(shè)傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)比較困難，從投資成本、實(shí)際應(yīng)用等角度來(lái)看也沒(méi)有必要對(duì)任何水情遙測(cè)站都要建立視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在一些不重要的水情遙測(cè)站或是因環(huán)境條件限制無(wú)法建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的水情遙測(cè)站，可以通過(guò)水情遙測(cè)終端采集現(xiàn)場(chǎng)照片，然后通過(guò)GPRS 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)信道傳到中心站，水情照片拍照監(jiān)測(cè)是對(duì)原有傳統(tǒng)水情遙測(cè)系統(tǒng)功能提升和擴(kuò)展，利用遙測(cè)拍照功能，可以更直觀地實(shí)時(shí)展現(xiàn)各水情遙測(cè)站雨水情實(shí)景，也能在一定程度上有效驗(yàn)證遙測(cè)站通過(guò)通信信道傳來(lái)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)的水情數(shù)據(jù)可靠性和準(zhǔn)確性。因此，在遙測(cè)水情站安裝串口攝像頭，定時(shí)或通過(guò)中心站接收系統(tǒng)遠(yuǎn)程召拍，采集拍照實(shí)時(shí)雨水情情景照片，實(shí)現(xiàn)了水情遙測(cè)站水情數(shù)據(jù)和照片信息監(jiān)測(cè)雙保險(xiǎn)。

1 系統(tǒng)組成與信息流程

系統(tǒng)由照片采集點(diǎn)（遙測(cè)站）、照片傳輸部分（GPRS通信網(wǎng)絡(luò)）、中心站等3個(gè)部分組成。

遙測(cè)站主要任務(wù)是根據(jù)設(shè)定的采樣周期采集照片，同時(shí)按照設(shè)定的段制（一般1 小時(shí)一次）或拍照時(shí)間點(diǎn)通過(guò)通信信道向中心站報(bào)送照片數(shù)據(jù)。遙測(cè)站報(bào)送照片的通信信道為GPRS。采用遠(yuǎn)程召拍、定時(shí)自動(dòng)拍報(bào)的混合工作體制。

中心站的作用是接收各遙測(cè)站報(bào)送的照片數(shù)據(jù)，按照約定的協(xié)議還原為實(shí)際的實(shí)時(shí)照片，落地后由遙測(cè)照片入庫(kù)軟件存入到原已經(jīng)建有的實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)，供查詢、分析、預(yù)測(cè)預(yù)警等使用，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控水情遙測(cè)站的運(yùn)行情況。

2 水情遙測(cè)站拍照相關(guān)設(shè)備選配

遙測(cè)站設(shè)備由供電系統(tǒng)、雨量傳感器、水位傳感器和遙測(cè)終端機(jī)、斷面拍照、站內(nèi)顯示等6部分組成。其中雨量傳感器、水位傳感器、斷面拍照、站內(nèi)顯示等部分，在建設(shè)具體的某個(gè)遙測(cè)站實(shí)例時(shí)可以根據(jù)具體需要選配。

如果要配置斷面拍照部分，由于照片拍照時(shí)間較長(zhǎng)，照片傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)日照實(shí)際情況，可以選配40 W太陽(yáng)能板、65AH蓄電池或功率更大的太陽(yáng)能板、續(xù)航能力更強(qiáng)的蓄電池。盡量保證在連續(xù)十多天陰天無(wú)陽(yáng)光的情況下能保證系統(tǒng)正常供用電。

斷面拍照由串口攝像頭及其附件組成。串口攝像頭，比較可靠的采集彩色照片分辨率為640×480（VGA）、320×240（QVGA）像素，最大可達(dá)1280×1024 像素。清晰度達(dá)到130 W 像素以上?？梢赃x配具有夜視或無(wú)夜視功能的兩種型號(hào)串口攝像頭，無(wú)夜視功能的型號(hào)串口攝像頭的白天拍照照片色彩效果更為逼真。照片存儲(chǔ)為JPEG格式文件。

廣西大學(xué)水利水電研究所研制的GXU-1001型多功能水情遙測(cè)終端，該終端于2011年通過(guò)國(guó)家水文儀器中心檢測(cè)合格。該遙測(cè)終端與我單位目前使用的其它同類終端相比，明顯優(yōu)勢(shì)在于可以控制數(shù)據(jù)報(bào)文發(fā)送模塊以休眠或?qū)崟r(shí)在線模式工作；可以控制串口攝像頭拍照；可以連接水情遙測(cè)站站內(nèi)顯示系統(tǒng)。

3 照片采集與傳輸

水情遙測(cè)站遙測(cè)終端通過(guò)操控串口攝像頭采集到的1張照片，并暫存在內(nèi)部存儲(chǔ)器內(nèi)。1張照片大小一般為幾十個(gè)kB，不可能通過(guò)GPRS 無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)以一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送完成，遙測(cè)終端要根據(jù)照片字節(jié)大小拆分為若干個(gè)子數(shù)據(jù)包，然后與中心站接收系統(tǒng)建立TCP 通信鏈接后由遙測(cè)終端按順序?qū)⒄掌訑?shù)據(jù)包通過(guò)通信模塊發(fā)送到中心站。以西林縣花貢水文站斷面拍照為例，2019年10月17日11 時(shí) 48 分采集照片分辨率為 320×240 像素時(shí)，1 張照片為25.7kB，拆分為23個(gè)子數(shù)據(jù)包；2019年10月17日 11 時(shí) 50 分采集照片分辨率為 640×480 像素時(shí)，1張照片為84.9 kB，拆分為82個(gè)子數(shù)據(jù)包。

在水情遙測(cè)終端與中心站接收系統(tǒng)發(fā)送接收照片子數(shù)據(jù)包過(guò)程中每發(fā)送一個(gè)照片子數(shù)據(jù)包前，要先通信進(jìn)行測(cè)試，在確保通信鏈路正常情況下才進(jìn)行發(fā)送和接收工作，以保證發(fā)送和接收質(zhì)量。

4 中心站照片接收和處理

中心站照片接收系統(tǒng)主要由系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)、接收服務(wù)器、接收和處理系列軟件等組成。

4.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括水情遙測(cè)站基本信息庫(kù)和實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)?；拘畔?kù)是以Access 形式建立，存儲(chǔ)接收系統(tǒng)正常運(yùn)行所必要的站名、遙測(cè)站編號(hào)、測(cè)站編碼、報(bào)汛基面等參數(shù)，各遙測(cè)站詳細(xì)的水位、雨量、電壓、固態(tài)存儲(chǔ)器狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)是以2011年發(fā)布的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》（SL323-2011）為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)，并利用水利部下發(fā)的相應(yīng)建庫(kù)腳本文件建立了SQL Server2000支持的實(shí)時(shí)雨水情表結(jié)構(gòu)，包括《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》（SL323-2001）規(guī)定的所有表結(jié)構(gòu)。

4.2 接收服務(wù)器端口映射

接收系統(tǒng)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端口接收各水情遙測(cè)站發(fā)來(lái)的照片子數(shù)據(jù)包，所以接收服務(wù)器要接入互聯(lián)網(wǎng)，最好配置有1 個(gè)公網(wǎng)IP 地址和相應(yīng)TCP 的NAT端口映射。如果接收的水情拍照遙測(cè)站數(shù)少，且因經(jīng)費(fèi)有限而沒(méi)有租用公網(wǎng)固定的IP地址，僅僅只是購(gòu)置可以上網(wǎng)的動(dòng)態(tài)IP 地址的普通寬帶，可以在nat123 官網(wǎng)下載nat123 端口映射工具，在接收服務(wù)器上安裝后進(jìn)行注冊(cè)賬號(hào)，用賬號(hào)登錄后進(jìn)行添加映射，選擇“其它（非網(wǎng)站）”應(yīng)用類型，填寫自己需要訪問(wèn)的內(nèi)網(wǎng)端口和外網(wǎng)端口，確認(rèn)保存后可通過(guò)外網(wǎng)域名和相應(yīng)端口訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)的端口。利用nat123這一功能也能接收水情遙測(cè)站的遙測(cè)拍照照片，本人曾將nat123 的端口映射方法用在某個(gè)具體的小型水情遙測(cè)系統(tǒng)上，用于接收實(shí)時(shí)遙測(cè)雨水情數(shù)據(jù)和拍照照片。

圖1 遙測(cè)信息接收軟件界面

4.3 接收和處理系列軟件

接收和處理系列軟件主要有遙測(cè)信息接收軟件、遙測(cè)照片入庫(kù)軟件、本地拍照軟件、遙測(cè)照片查詢軟件。

4.3.1 遙測(cè)信息接收軟件

遙測(cè)信息接收軟件既可以接收雨水情遙測(cè)數(shù)據(jù)也可以接收遙測(cè)照片，界面如圖1所示。

通過(guò)接收軟件，可以隨時(shí)對(duì)各個(gè)有拍照功能的水情遙測(cè)站下達(dá)拍照指令，讓遙測(cè)站實(shí)時(shí)拍照后將照片發(fā)送回來(lái)，達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程召拍的功能。一個(gè)水情遙測(cè)站按數(shù)據(jù)分包方式發(fā)來(lái)的每個(gè)照片子數(shù)據(jù)包按照協(xié)議規(guī)定，既有照片數(shù)據(jù)開(kāi)始、結(jié)束標(biāo)志，又有該遙測(cè)站編號(hào)，因此當(dāng)多個(gè)遙測(cè)站傳來(lái)照片子數(shù)據(jù)包時(shí)，接收軟件會(huì)根據(jù)接收到的遙測(cè)站編號(hào)，自動(dòng)將照片子數(shù)據(jù)包分別按遙測(cè)站編號(hào)歸類，按順序拼合還原形成各遙測(cè)站遙測(cè)拍照照片，決不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)遙測(cè)站照片子數(shù)據(jù)包亂串拼到另一個(gè)遙測(cè)站的照片數(shù)據(jù)總包的錯(cuò)誤現(xiàn)象。

接收到遙測(cè)拍照照片暫存在接收軟件安裝目錄的“JPEG”子目錄下，文件名格式為：站名_測(cè)站編碼_JPEG_拍照時(shí)間.jpeg。例如：花貢_80707130_JPEG_20191017115044.jpeg，表示是站名為花貢，測(cè)站編碼為 80707130，拍照時(shí)間為 2019年 10月 17日11時(shí)50分44秒，照片保存為JPEG格式文件。遙測(cè)拍照到的彩色照片相應(yīng)效果見(jiàn)圖2所示。

圖2 花貢水文站水情遙測(cè)拍照照片效果

4.3.2 遙測(cè)照片入庫(kù)軟件

遙測(cè)信息接收軟件，對(duì)于雨水情數(shù)據(jù)是按水利部頒布的國(guó)家水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水情信息編碼》（SL330-2011）編寫成標(biāo)準(zhǔn)碼，落地存儲(chǔ)后由水利部信息中心下發(fā)的水情信息譯碼軟件通過(guò)ODBC數(shù)據(jù)源譯入實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)，但這個(gè)水情信息譯碼軟件因發(fā)行早，沒(méi)有遙測(cè)照片解譯入庫(kù)功能，因此，只能自行編寫專門的遙測(cè)照片入庫(kù)軟件。該軟件也是通過(guò)ODBC數(shù)據(jù)源將遙測(cè)照片存入實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)。由于國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)與標(biāo)識(shí)符》（SL323-2011）沒(méi)有相應(yīng)的遙測(cè)照片數(shù)據(jù)表，本系統(tǒng)在實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)增加了遙測(cè)照片數(shù)據(jù)表ST_Photo_R，結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 遙測(cè)照片數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

遙測(cè)照片入庫(kù)軟件第一次運(yùn)行時(shí)，首先檢測(cè)所連接的實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)是否有遙測(cè)照片數(shù)據(jù)表，如果沒(méi)有則自動(dòng)創(chuàng)建，然后將有關(guān)遙測(cè)照片存入實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)，遙測(cè)照片入庫(kù)軟件界面如圖3所示。

圖3 遙測(cè)照片入庫(kù)軟件界面

4.3.3 本地拍照軟件

在水情遙測(cè)站現(xiàn)場(chǎng)，可以將安裝了本地拍照軟件的電腦通過(guò)數(shù)據(jù)線將電腦RS232 接口與GXU-1001 型水情遙測(cè)終端的專用于本地?cái)?shù)據(jù)采集的RS232接口相連接，運(yùn)行本地拍照軟件，在遙測(cè)終端上通過(guò)按鍵在顯示屏上執(zhí)行本地拍照操作，本地拍照軟件將遙測(cè)終端發(fā)來(lái)的照片子數(shù)據(jù)包接收并合成相應(yīng)的實(shí)時(shí)照片并在界面上顯示。本地拍照軟件主要用于斷面照片現(xiàn)場(chǎng)采集和安裝時(shí)調(diào)試串口攝像頭位置、方向。

圖4 遙測(cè)照片查詢界面

4.3.4 遙測(cè)照片查詢軟件

我單位開(kāi)發(fā)的水情自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件，不僅可以查詢實(shí)時(shí)雨水情數(shù)據(jù)庫(kù)里的雨水情信息，還可以查詢遙測(cè)照片信息，查詢界面見(jiàn)圖4所示。

瀏覽遙測(cè)照片時(shí)，在瀏覽窗口的最左邊方框里，其上部為報(bào)汛等級(jí)選擇框，根據(jù)需要，對(duì)所需要查詢的報(bào)汛等級(jí)站類前打“√”；其下部為縣（區(qū)）行政區(qū)域選擇框，根據(jù)需要，對(duì)所需要查詢的縣（區(qū)）行政區(qū)域前打“√”。并設(shè)定查詢?yōu)g覽的開(kāi)始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。選擇點(diǎn)擊某個(gè)遙測(cè)站名，如果這個(gè)遙測(cè)站在設(shè)定的開(kāi)始至結(jié)束時(shí)間內(nèi)有遙測(cè)照片入庫(kù)時(shí)，右邊的斷面相片窗下方的照片導(dǎo)視條框內(nèi)從左到右按拍照時(shí)間降序列出設(shè)定時(shí)間內(nèi)的照片微縮圖，點(diǎn)擊“←”或“→”按鈕，從左到右或從右到左按時(shí)間降序或升序在相片窗上大幅顯示遙測(cè)照片。點(diǎn)擊放大鏡按鈕時(shí)，可以放大相片窗上遙測(cè)照片；點(diǎn)擊縮小鏡按鈕時(shí)，可以縮小相片窗上遙測(cè)照片；點(diǎn)擊“○”按鈕時(shí)，可以使相片窗上遙測(cè)照片還原為實(shí)際大小進(jìn)行顯示。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)自2012年開(kāi)發(fā)以來(lái)，逐年地完善。2012年開(kāi)始用于百色市重要中型水庫(kù)的水情遙測(cè)站，后來(lái)不斷擴(kuò)大，逐步推廣應(yīng)用于百色市基本水文站、威后水電站水情遙測(cè)站，實(shí)踐證明，本系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果達(dá)到預(yù)期目的，有效地服務(wù)于百色市水文測(cè)報(bào)和防汛抗旱工作。