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实时远程水质监测：对于当前应用的总结以及传感器、遥感、计算机技术上的优势

摘要

近年来交互方式以及传感技术的进步推动了远程监测水质能力的提高。

因此，充分实时性和大空间范围的描述活性水文特性的能力大大提升。

这些进步促使了地方，河口，区域范围对于淡水，河水，海洋生态系统的水质趋势监测模型在统计和机械上的进步。

另外，意识到早期及时报警系统和对于有害藻类繁殖活动的快速反应，它们极大的增强了对于水文可变性的探测。

这里，我们展示一些对促使实时远程水质监测出现有里程碑意义的发展和科技成就。

我们得出结论，对于实时远程监测（RTRM）和传感技术越来越多的使用和持续的进步将变成对水质评估的一种越来越重要的先进工具。

联邦政府，州立办事处，工厂，学术界，实验室最近对于实时远程监测的工业发展现在可以对面临逐渐增长的养分负荷以及缺氧区域，有毒物质，有害藻类的增长等这些可以导致鱼类死亡或者潜在影响人类健康的因素的环境威胁做出迅速的探测和反应。

2.1 海陆界线系统和卫星

1972年，美国地理调查协会（USGS）开始进行用卫星遥感技术收集远程水文数据的实验。

采用卫星传递系统的好处十分明显，它显著的减少了操作大量数据网络和处理数据的人力资源。

在1977-1978年，USGS在西部中心佛罗里达进行了一个研究，它们用9个工作站构成了3个数据传输系统。

远程获取的水文数据将会和周期处理的在线分析数字记录器记录的数据进行对比，从而评估水的质量，稳定性以及远程获取的数据的准确性。

15个月后，激流的数据被海陆界线系统所收集到，那个地方的数据通过电话线被手动传输到了有限的储存器上。

电话线的影响，低电压以及人为破坏导致了只有94%的数据准确率，令人失望。

同时实行的还有另一项监管活动，NASA（国际空间管理局）1972年在范登堡空间空军基地通过德尔塔火箭发射了被称为地球资源科技卫星的第一颗陆地卫星。

降雨量通过卫星以3分钟的间隔传输数据的方式被监管了17个月。

数据通常要从现场经过12小时以内的传输后变得可用。

然而，在海陆界线系统，由于卫星轨道作用，硬件故障，储存器的故障，器材测试的终端，电池的损坏，人为干扰等等因素，只有2%的观察数据能被成功传输。

landsat一号卫星还搭载了一种可视相机，它是一种被称为多谱段观察器的实验装置。同时还搭载了一种对于地面遥感的卫星传输系统。

这种数字多谱段天气观测器图片的作用很快的收到了认可，这个传感器的某个版本在接下来的四颗卫星上都有搭载。

在一号卫星1978年停用之前，它的多谱段观测器获得了超过300000幅图片来提供地球地球表面的反覆报道。

结果处理信息的高质量和影响加速了人们对它的期待，它也让对地球观察的实时远程监控能力和通过卫星传递系统的陆地远程监控水质和空气质量的参数得到了更远的发展和更宽广的应用。

Landsat-2号卫星在1975年的1月发射（在1982年2月停用），Landsat3号卫星在1978年3月5号发射（1983年3月停用）。

他们的多谱段观测器建立了大陆表面环境和变化的历史记录，同时还在继续提供关于当前各个国家陆地的有价值信息。

Landsat-4号卫星在1982年六月发射，搭载了一个称为“主题制图者”（thematic mapper）的更先进的新型传感器。相较于最初的传感器，它更加有意义更加先进，它可以提供在可视和近红外线地区提供更加好的分辨率（精确到30m，之前为80m）以及3种额外的光谱段待。

第二个“主题制图者”被搭载在Landsat-5号卫星上载1984年3月1号发射，在2004年它依然在工作。它被一家叫做“空间图像地球观测卫星”（EOSAT）的经济公司所管理，比它原有设计的工作周期多工作的8年。

EOSAT管理的Landsat-6号卫星在范德堡空军基地通过搭载在泰坦II火箭（Titan II）上被发射，但是在1993年10月发射却失败了，火箭没有能成功到达轨道。

Landsat-2号卫星在1975年的1月发射（在1982年2月停用），Landsat3号卫星在1978年3月5号发射（1983年3月停用）。

他们的多谱段观测器建立了大陆表面环境和变化的历史记录，同时还在继续提供关于当前各个国家陆地的有价值信息。

Landsat-4号卫星在1982年六月发射，搭载了一个称为“主题制图者”（thematic mapper）的更先进的新型传感器。相较于最初的传感器，它更加有意义更加先进，它可以提供在可视和近红外线地区提供更加好的分辨率（精确到30m，之前为80m）以及3种额外的光谱段待。

第二个“主题制图者”被搭载在Landsat-5号卫星上载1984年3月1号发射，在2004年它依然在工作。它被一家叫做“空间图像地球观测卫星”（EOSAT）的经济公司所管理，比它原有设计的工作周期多工作的8年。

EOSAT管理的Landsat-6号卫星在范德堡空军基地通过搭载在泰坦II火箭（Titan II）上被发射，但是在1993年10月发射却失败了，火箭没有能成功到达轨道。

Landsat-7号卫星是最后一代为了USGS而使用的远程传感卫星。它为了满足NASA的要求而建造，它在1999年4月被发射。搭载在Landsat-7号卫星上的地球观测工具是增强型“主题制图者”（ETM ），它复制了在Landsat-4号和五号上“主题制图者”的功能。ETM 还有一些新特色让它成为一个更多样性更有效的观测地球改变、陆地检测和评估、比之间设计更大范围制图的工具。

这些在Landsat-7上的最新的特性是：

分辨率为15-m区域全彩色带

飞船板上的全透光圈，5%的绝对放射性测量校正

一个有60-m地区分辨率的热力学IR通道

Landsat任务是美国国籍远程传感能力的核心，它已经提供了关于地球表面详细的观测超过了29年。

农业评估，森林库存管理，地理调查，水资源估量，海岸地区评估以及器械其他的应用通过Landsat的数据来实现它们在商业，政治，科研，教育上的需求。

除了美国关于地球图像的存档，很多其他国家也和USGS达成了一致，可以从Landsat-7卫星上直接获取数据。

Landsat科技激发了很多新的商业卫星的诞生来为地面通过卫星传输系统和地面遥感远程管理水质参数来提供具体实时的遥感操作。

第一颗相对静止天气卫星，美国静止操作环境卫星（GOES-1）在1975年10月发射升空，并且迅速成为了国际气象服务的关键一环。

除了放置卫星的主要原因，部署一个随卫星移动的可视红外旋转扫描放射器来为国际气象服务提供白天和黑夜的云层情况图像，一个空间环境监察装置和数据采集系统也被安装了。

在1975-1976年，17个月的降水数据通过一个可转换的数据收集平台（CDCP）搭载的一个卫星传输系统收集了起来，这个平台被用来储存传感数据在储存器中，然后每三个小时通过GOES-1来传输数据，数据通常在首次传输的8小时以内是有效的。

CDCP大约80%的数据通过GOES-1被成功传输，导致了对所有降水观察的88%的处理准确率。

而地面接收站的硬件失灵是导致传输不完整的主要原因。

第一个GOES卫星在工作了10年后被NASA在1985年回收退役。

在过去的30年里，环境科学家，国际委员会和联邦州际服务机构已经认识到了持续，可靠，及时和高质量的对于地球及其环境的观察的必要性。

最后一代的GOES卫星有效地的满足了所有的要求。

这些卫星装备了传感器，通过大气温度，风，湿度，覆盖的云层来测量地球放出和反射的辐射。

GOES-8和GOES-9是新一代发射的卫星的最初的成员，他们代替了GOES-6号和GOES-7号飞行器。

国际环境卫星数据信息服务（NESDES）管理，操作，维护了美国地理相对静止可操作环境卫星系统。

GOES系统的十年任务是持续的观察变化的天气状况以及（1）提高水质和水质评估（2）预测降水和日常的农业用水，节约灌溉用水（3）以及对于每季度最适宜植被的预测提高水资源利用效率。

GOES系统还有一个附属功能，GOES系统支持无线电传输或者DCS传输。

DCS传输能使各种类型的环境数据从被叫做的数据收集系统（DCPs）的点源，传输到GOES然后又返回地球。

这些点源通常是基于地面，基于海面或者可移动的，这些数据也是从点源发散给各系统使用者。

由当地的地面读出站收集（LRGSs）的来自附近的DCP传输测量站和其他站点的实时数据，经过处理后进入美国地质调查局国家水资源信息系统（NWIS），然后

更新到万维网。

从现场传输到网络的总时间通常为7 - 8分钟。

2.2 计算机接口技术

除了卫星技术外，计算机技术的进步对水质监测科学研究的影响最大。

由于新的传感器技术，自动化控制和数据遥测技术的进步，使得现在的监测能力达到了前所未有的高度，加强在减灾设计和管理策略的视野。

如果没有计算机科学的进步，这种水质监测的电子革命就不可能实现。

为此，我们需要对计算机接口技术的发展历史进行了简要的论述。

在20世纪60年代初，一个被称为电子工业协会（EIA）的被视为标准的委员会开发了一个接口用来连接计算机终端（I / O端口）到调制解调器。

多年来，该委员会推荐的标准已经更新：标准的常用的版本是RS232C（有时被称为eia232），和最新的版本是rs232e。

该标准定义了I / O连接的电气和机械特性，包括信号的功能，以及它们如何与设备进行电压电平和最大比特率的交互。

由于新型接口的发展，仪器仪表和传感器水准上的进步，计算机技术已经产生了与更先进的仪器设备连接的需要。

在上世纪80年代初，对于自动化仪表系统，科学家和工程师广泛使用的通用接口总线（GPIB，I/O端口），被称为IEEE 488（电气电子工程师学会，2003）。

像通用串行总线（USB）通信总线，以太网和火线（IEEE，1394）被认为是连接工具，它们作为流行的计算机技术进入测试设备和测量领域，然而关于GPIB未来什么作为仪器控制的首选通信总线却出现了问题。

因为具有较强的稳定性和庞大的现有用户群，GPIB将继续工作几年；然而，仪表控制行业也已经开始利用混合I/O系统。

在未来，实时远程检测（RTRM）仪器系统可能会依靠与GPIB和其他总线的结合。

2.3处理器和软件

随着286计算机处理器的出现，个人电脑首次成为对于大众群体可以使用且容易获得的工具。

新型的DOS操作系统在新型的PC构架上运行。

随后的处理器，如386和486，很快就过时了，许多在DOS操作系统基础上的修改版本满足了这些计算机日益增长的性能和需求。

到上世纪90年代中期，奔腾级处理器系统第一次面世时，微软的windows系统因为其图形用户界面而成为大多数PC用户的首选操作系统。

由于奔腾处理器通过第二、第三、第四代芯片组德进化，微软Windows成为一个更稳定和更强大的软件包，能够应付日益增长的通信和网络的需求，但是其成本花费还不到十年前所需的一小部分。

这些在计算能力的变化，以软件、通信技术的改进、成本的降低，使实时资源关系系统和传感器技术可能在经济上实现规范使用。

2.4通用串口总线（USB）接口

USB的设计主要是为了连接PC外设，如键盘、扫描仪和磁盘驱动器。

在过去的2年中，通过USB连接的设备数量也急剧增加，由苹果电脑采用USB在 1998年作为其唯一的串行总线。

USB 1.1标准的传输速度最大值达到1.5 MB /秒。

USB 2.0规格的接口现在进一步将总线传输速率增加到了480兆字节/秒，使设备之间的通信速率是RS232和GPIB工业标准的数千倍。

USB 2.0规格接口对USB 1.1设备兼容，他们可以使用相同的I/O端口连接器。

因为通用串行总线是一种即插即用技术，主机会自动检测，查询其识别装置，并配置适当的设备驱动程序。

它允许多达127个设备可以在一个端口上同时运行，而RS232和GPIB总线只能与许几台设备同时使用。

至于微软的Windows操作系统，USB连接目前只实现了在微软Windows 2000 / XP /ME/ 98上的使用。

USB提供了一个将设备和个人电脑之间连接起来的廉价而又易于实用的方式。

此外，USB通过提供更快的性能，以及“热插拔”功能（允许控制器在将装置新的外设的时候保持原有状态），内置操作系统的配置，以及从一个端口或者通过纤细的柔性电缆来和多个设备连接这些方式来改进通用串行端口技术。

虽然USB具有许多吸引人的好处，但是它在仪表控制的应用上有一些弊端。

首先，USB电缆达不到工业级的标准，使电缆容易在高电磁干扰领域的环境下造成数据丢失和噪声，并且容易在不受控制和露天的环境下产生严重的磨损。

此外，USB电缆没有闭锁装置，因此可以从PC或仪器上比较容易的将它拔下来

在USB系统里电缆的最大长度为30米，即使是使用了内部的转接器。

最后，没有专门为USB仪器控制设计的行业标准协议；控制USB设备需要仪器制造商的个人安装实现。

尽管USB端口有一些缺点，但是它在计算机接口上广泛的适用性以及USB 2.0的高传输速率使它在未来仪器控制的选择上成为了先驱者。

虽然目前

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