一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统及方法

1.本发明涉及碳通量监测领域，具体是一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统及方法。


背景技术：

2.全球气候变暖已经成为人类生存面临的最大挑战，温室气体被认为是造成这一困境的主要原因。由于其特殊的地理位置和脆弱的生态环境，地处青藏高原的三江源成为研究气候变化、分析碳通量交换的重点关注区。但是由于海拔较高、环境恶劣，除少数放牧区外，高海拔的大部分区域属于无人区，人工很难携带大型的监测设备进行多频次高效率的监测。这一难题限制了高寒无人区碳通量监测数据的代表性。
3.当前测量水气界面碳通量的方法有静态箱法、梯度法、倒置漏斗法、可调谐二极管激光吸收光谱、涡度相关法等，其中静态箱法原理简单、方便快捷，常被应用于河湖湿地的水气界面碳通量监测。但是当前的应用区主要集中在低海拔区域，高海拔低温环境应用时往往需要预热30分钟左右，且不得不依赖人工发电保障测量仪器运行，尤其在无人区，物资携带困难，往返时间长，这些问题导致在高寒无人区的碳通量监测费时费力，无法在短时间实现多频次长序列的自动测量。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题在于克服现有水气界面碳通量监测技术在高寒无人区电力保障依赖人工发电、无法远程操控、无法实时传输的缺陷，提供一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统及方法。
5.本发明技术方案为：
6.一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，包括：
7.电力保障模块，用于实时监测气象信息，根据气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，太阳能板将接收的太阳能实时转化为电能保存于蓄电池，所述蓄电池用于给水气界面碳通量自监测模块提供电力；
8.远程触发移动模块，用于远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况以及蓄电池电量，在附近状况以及蓄电池电量均符合野外测量条件后，向水气界面碳通量自监测模块发送开始测量的控制指令；
9.水气界面碳通量自监测模块，用于接收远程触发移动模块发出的控制指令，根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据；
10.数据无线传输模块，用于接收水气界面碳通量自监测模块的碳通量数据，将碳通量数据压缩后使用卫星热点设备连网将数据传输到远程数据库；
11.仪器异常预警模块，用于实时监测水气界面碳通量自监测模块是否与水面贴合、风力等级是否会破坏太阳能板，电池电量是否储满、仪器周边是否有大型野生动物靠近，当出现异常时发出设备异常警告，远程向水气界面碳通量自监测模块或电力保障模块发布停止命令。
12.进一步的，所述电力保障模块包括监控组件、与监控组件连接的气象设备、太阳入射角跟踪测量仪、太阳能板、蓄电池，所述气象设备用于实时监测风力、风速、降雨、温度信息，以判别自然条件是否具备太阳能利用条件；所述太阳入射角跟踪测量仪用于测量太阳入射角和朝向信息，所述监控组件用于根据气象设备所测气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，实现最大化接收利用太阳能。
13.进一步的，所述气象设备包括风速风向监测仪、雨量计、温度计。
14.进一步的，所述太阳能板具有折叠收缩功能，在气象设备监测日落后、或者风力大于阈值时，太阳能板自动折叠收缩。
15.进一步的，所述水气界面碳通量自监测模块包括控制器、机械臂、碳通量测量仪器、水位计、360
°
全景相机，控制器用于接收远程触发移动模块发出的控制指令，控制器根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据；所述360
°
全景相机用于实时成像拍摄监测仪器周边情况，以监测是否有遮挡物、野生动物是否靠近以及水位调整碳通量测量仪器与水面的水气界面是否完全贴合。
16.进一步的，所述远程触发移动模块远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况，其中附近状况包括是否有遮挡物、野生动物是否靠近。
17.进一步的，所述仪器异常预警模块时监测水气界面碳通量自监测模块的周边情况，所述周边情况包括是否有遮挡物、野生动物是否靠近。
18.一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测方法，其采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
19.步骤一、电力保障模块实时监测气象信息，根据气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，太阳能板将接收的太阳能实时转化为电能保存于蓄电池，所述蓄电池用于给水气界面碳通量自监测模块提供电力；
20.步骤二、远程触发移动模块远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况以及蓄电池电量，在附近状况以及蓄电池电量均符合野外测量条件后，向水气界面碳通量自监测模块发送开始测量的控制指令；
21.步骤三、水气界面碳通量自监测模块接收远程触发移动模块发出的控制指令，根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据；
22.步骤四、数据无线传输模块接收水气界面碳通量自监测模块的碳通量数据，将碳通量数据压缩后使用卫星热点设备连网将数据传输到远程数据库；
23.步骤五、仪器异常预警模块实时监测水气界面碳通量自监测模块是否与水面贴合、风力等级是否会破坏太阳能板，电池电量是否储满、仪器周边是否有大型野生动物靠近，当出现异常时发出设备异常警告，远程向水气界面碳通量自监测模块或电力保障模块发布停止命令。
24.进一步的，步骤三具体包括：
25.步骤3.1，利用机械臂将碳通量监测浮箱水平推出；
26.步骤3.2，缓慢调整碳通量监测浮箱与水面的距离，使其完全贴合，具体的，水位计实时测量水面高度；机械臂根据水面高度自动调整测量浮箱的下降高度，直至浮箱底部与水面完全贴合；360
°
全景相机观测贴合情况，根据内嵌算法自动识别浮箱和水面，可视化显示贴合情况；
27.步骤3.3，启动水气界面碳通量测量，实时保存监测数据和监测时间，具体的，机器预热10-15分钟，使仪器工作状态达到最佳；开始测量，picarro g2301分析仪自动测量水气界面温室气体甲烷、二氧化碳、水气的实时通量，并记录开始时间；自动计算测量时间，当测量时长达到15分钟后，结束测量，记录结束测量时间。
28.进一步的，步骤五具体包括：
29.步骤5.1，利用风速风向监测仪实测风速，当风力大于阈值，自动停止测量并报告后台“wind risk”异常指令；
30.步骤5.2，360
°
全景相机检测到水气界面无法完全贴合、或电池电量不足时，自动向操作人员发送是否停止命令；
31.步骤5.3，360
°
全景相机实时成像拍摄监测仪器周边情况，自动检测大型野生动物并依据多次检测的面积大小判别野生动物靠近情况，具体的，当有大型野生动物靠近时，自动发出蜂鸣声驱离，驱离无效后传输“测量暂停”到后台；改进yolov8图像通道数为1，初始读取图像大小提高到1280
×
1280，重新编译后保存，并内置到计算机；读取全景相机拍摄的最新照片；利用灰度转化函数压缩图片大小，将全景相机拍摄的rgb彩色图片经灰度转化函数进行灰度处理，降低后续监测的数据量，节约电力资源。灰度转化函数的原始公式为：
32.gray＝r*0.299+g*0.587+b*0.114
33.式中r、g、b分别表示红、绿、蓝三个通道的亮度；
34.将涉及浮点数的灰度转化函数改为16位精度，修改后的灰度转换函数为：
35.gray
16
＝(r*19595+g*38469+b*7472)＞＞16
36.调用改进的识别模型，自动检测大型野生动物，并根据目标检测外框大小和图像分辨率，统计大型动物的图内面积大小；
37.判别野生动物是否在靠近，和上一个野生动物的面积做对比，连续2次最新检测面积大于上次，启动蜂鸣器预警并传输后台提示；
38.步骤5.4，人工远程控制是否停止测量。
39.本发明提出高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测方法，能够实现高寒无人区水气界面碳通量监测的远程触发和多频次高效测量，该方法将测量仪器固定在高寒无人区欲测量水面的岸边，初始高度设置在丰水期水位高0.5米的位置,利用可伸缩太阳能板最大化利用光能进行供电，借助水位计实测水位和机械臂调整仪器监测高度与水面完全贴合，实现水气界面碳通量的自动监测,并能利用改进的yolov8自动识别野生动物存在和靠近状
态进行异常情况预警，保障一次性安装和维护即可远程多频次自动供电测量，提供监测数据的有效性和可靠性。
附图说明
40.图1为本发明实施例一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统的模块框图；
41.图2为本发明实施例的电力保障示意图；
42.图3为本发明实施例的远程触发移动示意图；
43.图4为本发明实施例的水气界面碳通量自监测示意图；
44.图5为本发明实施例的数据5g传输示意图；
45.图6为本发明实施例的仪器异常预警示意图；
46.图7为本发明实施例的野生动物自动识别和是否靠近判别示意图。
具体实施方式
47.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.如图1，本发明实施例一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，包括电力保障模块10、远程触发移动模块20、水气界面碳通量自监测模块30、数据无线传输模块40、仪器异常预警模块50。
49.所述电力保障模块10，包括气象设备、太阳入射角跟踪测量仪、太阳能板、蓄电池、监控组件，气象设备、太阳入射角跟踪测量仪、太阳能板、蓄电池与监控组件连接，所述气象设备包括风速风向监测仪、雨量计、温度计等，用于实时监测风力、风速、降雨、温度等气象信息，判别自然条件是否具备太阳能利用条件；所述太阳入射角跟踪测量仪用于测量太阳入射角和朝向信息，所述监控组件用于根据气象设备所测气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，实现最大化接收利用太阳能，太阳能板将接收的太阳能实时转化为电能保存于蓄电池，所述蓄电池用于给水气界面碳通量自监测模30块提供电力；同时，太阳能板具有折叠收缩功能，日落后、或者风力大于6级等可能损害太阳能板的情况发生时，太阳能板自动折叠收缩。
50.所述远程触发移动模块20，用于远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况以及蓄电池电量，在附近状况以及蓄电池电量均符合野外测量条件后，向水气界面碳通量自监测模块30发送开始测量的控制指令；
51.所述水气界面碳通量自监测模块30，包括控制器、机械臂、碳通量测量仪器、水位计、360
°
全景相机，控制器用于接收远程触发移动模块20发出的控制指令，控制器根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据。所述碳通量数据包括水气界面温室气体二氧化碳、甲烷、水汽的交换量，以及
仪器的预热时间、测量开始时间、测量结束时间，将记录的碳通量数据传输给数据无线传输模块40；所述360
°
全景相机用于实时成像拍摄监测仪器周边情况，以监测野生动物是否靠近以及水位调整碳通量测量仪器与水面的水气界面是否完全贴合。
52.所述数据无线传输模块40，用于接收水气界面碳通量自监测模块30的碳通量数据和传感器的数据，所述传感器包括太阳入射角跟踪测量仪、气象设备(风速风向监测仪、温度计、气压传感器等)，测量的指标分别为风速风向、温度、大气压强等，并将数据实时存储到内置存储器上，单次测量完成后，将数据压缩减小数据传输压力，使用卫星热点设备连网将数据传输到远程数据库。
53.所述仪器异常预警模块50，与太阳入射角跟踪测量仪、蓄电池、360
°
全景相机、机械臂、风速风向监测仪、温度计等相连，实时监测水气界面碳通量自监测模块30的仪器状况和周边情况，并基于监测的水气界面碳通量自监测模块30的仪器状况和周边情况，在仪器状况和周边情况出现异常时发出设备异常警告。具体的，基于改进的当前主流目标检测框架yolov8快速识别野生动物是否靠近，当野生动物靠近、水气界面无法完全贴合、存储器满等情况下，发出设备异常警告，人工远程向水气界面碳通量自监测模块30发布停止命令，保证数据有效和仪器安全。
54.本发明实施例还提供一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测方法，其采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：
55.步骤一、电力保障模块10利用可折叠可扩展太阳能板，根据太阳入射角跟踪测量仪实测的太阳入射角和朝向信息自动旋转方向，利用机械臂自动旋转太阳能板保证其与太阳光入射方向垂直，在有限面积内最大化接收利用太阳能。日落后、或者风力大于6级等可能损害太阳能板的情况发生时，太阳能板自动折叠收缩。如图2所示，步骤一的详细实施过程如下：
56.步骤1.1、利用太阳能板搜集太阳能；
57.本发明实施例利用太阳能板搜集太阳能，采集流程如图2，详细实施步骤描述如下：
58.步骤1.1.1，风速风向监测仪、雨量计、温度计等气象设备实施监测风力、风速、降雨、温度信息，判别自然条件是否具备太阳能利用条件；
59.步骤1.1.2，当步骤1.1.1判别完成，具备野外太阳能采集条件后，利用太阳入射角跟踪测量仪实时追踪太阳方向和入射角，机械臂打开太阳能板，并实时调整角度使太阳能板垂直太阳光。
60.步骤1.2：将太阳能板搜集的太阳能实时转化为电能；
61.步骤1.3：蓄电池将电能实时保存，并将电能存储量实时传输到远程触发移动模块20显示。
62.步骤二、远程触发移动模块20远程控制是否开展碳通量监测，操作人员在电脑端或手机端人工远程查看仪器状况、电能存储量，360
°
全景相机实时查看仪器四周情况，确认无遮挡、无大型野生动物后，发送开始监测指令。电量信息、360
°
全景相机识别的目标可以利用数据无线传输模块40实时传输到控制中心的服务器。如图3所示，详细实施步骤描述如下：
63.步骤2.1，接收到步骤一的电量满足测量需求通知后，在手机端或者电脑端远程利
用360
°
全景相机观测野外条件，判别是否有遮挡物、大型野生动物出没等；
64.步骤2.2，人工二次确认电量、野外条件均符合野外测量条件后，远程发布开始测量的指令。
65.步骤三、水气界面碳通量自监测模块30固定在高寒无人区欲测量水面的岸边，初始高度设置在丰水期水位高0.5米的位置，可采用picarro g2301实现。该模块接收远程触发移动模块20的指令，如图4所示。不测量时监测仪器picarro g2301保存在密闭铁箱内，减少自然环境对仪器的损伤。测量指令触发后，机械臂打开密闭铁箱，将监测仪器picarro g2301向水面垂直推出，自动化调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录水气界面温室气体二氧化碳、甲烷、水汽的交换量，并记录仪器的预热时间、测量开始时间、测量结束时间。详细实施步骤描述如下：
66.步骤3.1，利用机械臂将碳通量监测浮箱水平推出；
67.步骤3.2，缓慢调整碳通量监测浮箱与水面的距离，使其完全贴合。详细实施步骤描述如下：
68.步骤3.2.1，水位计实时测量水面高度；
69.步骤3.2.2，机械臂根据水面高度自动调整测量浮箱的下降高度，直至浮箱底部与水面完全贴合；
70.步骤3.2.3，360
°
全景相机观测贴合情况，根据内嵌算法自动识别浮箱和水面，可视化显示贴合情况。
71.步骤3.3，启动水气界面碳通量测量，实时保存监测数据和监测时间。详细实施步骤描述如下：
72.步骤3.3.1，机器预热10-15分钟，使仪器工作状态达到最佳；
73.步骤3.3.2，开始测量，picarro g2301分析仪自动测量水气界面温室气体甲烷、二氧化碳、水气的实时通量，并记录开始时间；
74.步骤3.3.3，自动计算测量时间，当测量时长达到15分钟后，结束测量，记录结束测量时间。
75.步骤四、数据无线传输模块40接收水气界面碳通量自监测模块30的碳通量数据和野外环境信息，并将数据实时存储到内置存储器上，单次测量完成后，将数据压缩减小数据传输压力，使用卫星热点设备连网将数据传输到远程数据库，如图5所示。详细实施步骤描述如下：
76.步骤4.1，接收步骤三实时测量的碳通量数据和气象参数；
77.步骤4.2，自建文件夹，按照格式“监测断面名字_开始测量时间”命名，时间为“年月日时分秒”的形式，
‘
年’用2个字段，“月日时分秒”用2个字符，如“可可西里_20240715132045”，将步骤4.1测量数据剪切到该文件；
78.步骤4.3，文件剪切完成后，自动压缩，压缩文件名与文件夹名相同；
79.步骤4.4，利用卫星热点联网将数据传输到远程服务器。
80.步骤五、仪器异常预警模块50实时监测水气界面碳通量自监测模块是否与水面贴合、风力等级(以6级为界)是否会破坏太阳能板，电池电量是否储满、仪器周边是否有大型野生动物靠近等情况，当出现异常时发出设备异常警告，远程向水气界面碳通量自监测模块或电力保障模块发布停止命令。如图6所示，详细实施步骤描述如下：
81.步骤5.1，利用风速风向监测仪实测风速，当风力大于6级，自动停止测量并报告后台“wind risk”异常指令；
82.步骤5.2，360
°
全景相机检测到水气界面无法完全贴合、电池电量储满(即电池电压≥4.2v)等情况下，自动向操作人员发送是否停止命令。
83.步骤5.3，360
°
全景相机实时成像拍摄监测仪器周边情况，基于改进的yolov8自动检测大型野生动物并依据多次检测的面积大小判别野生动物靠近情况。详细实施步骤描述如下(如图7所示)：当有大型野生动物靠近时，自动发出蜂鸣声驱离，驱离无效后传输“测量暂停”到后台；
84.步骤5.3.1，改进yolov8图像通道数为1，初始读取图像大小提高到1280
×
1280，重新编译后保存，并内置到计算机；
85.步骤5.3.2，读取全景相机拍摄的最新照片；
86.步骤5.3.3，利用灰度转化函数压缩图片大小，将全景相机拍摄的rgb彩色图片经灰度转化函数进行灰度处理，降低后续监测的数据量，节约电力资源。灰度转化函数的原始公式为：
87.gray＝r*0.299+g*0.587+b*0.114
88.式中r、g、b分别表示红、绿、蓝三个通道的亮度。
89.为了避免低速的浮点运算占用空间，将涉及浮点数的灰度转化函数改为16位精度，提高运算效率，修改后的灰度转换函数为：
90.gray
16
＝(r*19595+g*38469+b*7472)＞＞16
91.步骤5.3.4，调用改进的识别模型，自动检测大型野生动物，并根据目标检测外框大小和图像分辨率，统计大型动物的图内面积大小；
92.步骤5.3.5，判别野生动物是否在靠近，重复步骤5.3.2和5.3.4，和上一个野生动物的面积做对比，连续2次最新检测面积大于上次，启动蜂鸣器预警并传输后台提示。
93.步骤5.4，人工远程控制是否停止测量。
94.本发明提出了一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统及方法，该方法利用可伸缩可调整太阳能板最大化利用太阳能满足电力供应，借助水位计实测水位和机械臂调整仪器监测高度与水面完全贴合，进行水气界面碳通量的自动监测，并基于全景相机图片，组合灰度转化函数改进目标检测框架yolo v8，实现异常目标(野生动物)检测和靠近状态分析，保障一次性安装和维护即可远程多频次自动供电测量，保证高寒无人区水气界面碳通量多频次有效监测和仪器自身安全，为替换费时费力的传统人工单频次监测提供了新思路。
95.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于，包括：电力保障模块，用于实时监测气象信息，根据气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，太阳能板将接收的太阳能实时转化为电能保存于蓄电池，所述蓄电池用于给水气界面碳通量自监测模块提供电力；远程触发移动模块，用于远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况以及蓄电池电量，在附近状况以及蓄电池电量均符合野外测量条件后，向水气界面碳通量自监测模块发送开始测量的控制指令；水气界面碳通量自监测模块，用于接收远程触发移动模块发出的控制指令，根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据；数据无线传输模块，用于接收水气界面碳通量自监测模块的碳通量数据，将碳通量数据压缩后使用卫星热点设备连网将数据传输到远程数据库；仪器异常预警模块，用于实时监测水气界面碳通量自监测模块是否与水面贴合、风力等级是否会破坏太阳能板，电池电量是否储满、仪器周边是否有大型野生动物靠近，当出现异常时发出设备异常警告，远程向水气界面碳通量自监测模块或电力保障模块发布停止命令。2.如权利要求1所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于：所述电力保障模块包括监控组件、与监控组件连接的气象设备、太阳入射角跟踪测量仪、太阳能板、蓄电池，所述气象设备用于实时监测风力、风速、降雨、温度信息，以判别自然条件是否具备太阳能利用条件；所述太阳入射角跟踪测量仪用于测量太阳入射角和朝向信息，所述监控组件用于根据气象设备所测气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，实现最大化接收利用太阳能。3.如权利要求2所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于：所述气象设备包括风速风向监测仪、雨量计、温度计。4.如权利要求1所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于：所述太阳能板具有折叠收缩功能，在气象设备监测日落后、或者风力大于阈值时，太阳能板自动折叠收缩。5.如权利要求1所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于：所述水气界面碳通量自监测模块包括控制器、机械臂、碳通量测量仪器、水位计、360
°
全景相机，控制器用于接收远程触发移动模块发出的控制指令，控制器根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据；所述360
°
全景相机用于实时成像拍摄监测仪器周边情况，以监测是否有遮挡物、野生动物是否靠近以及水位调整碳通量测量仪器与水面的水气界面是否完全贴合。6.如权利要求5所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于：所述远程触发移动模块远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况，其中附近状况包括是
否有遮挡物、野生动物是否靠近。7.如权利要求1所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统，其特征在于：所述仪器异常预警模块时监测水气界面碳通量自监测模块的周边情况，所述周边情况包括是否有遮挡物、野生动物是否靠近。8.一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测方法，其特征在于采用权利要求1-7中任一项所述系统进行，所述方法包括如下步骤：步骤一、电力保障模块实时监测气象信息，根据气象信息判定具备野外太阳能采集条件后，根据太阳入射角和朝向信息控制太阳能板打开并自动旋转方向使太阳能板始终与太阳光入射方向垂直，太阳能板将接收的太阳能实时转化为电能保存于蓄电池，所述蓄电池用于给水气界面碳通量自监测模块提供电力；步骤二、远程触发移动模块远程监测水气界面碳通量自监测模块附近状况以及蓄电池电量，在附近状况以及蓄电池电量均符合野外测量条件后，向水气界面碳通量自监测模块发送开始测量的控制指令；步骤三、水气界面碳通量自监测模块接收远程触发移动模块发出的控制指令，根据接收的控制指令驱动机械臂将碳通量测量仪器推出，利用水位计实测水位调整碳通量测量仪器与水面的距离，在完全贴合后，碳通量测量仪器自动开展水气界面碳通量的测量，实时记录碳通量数据；步骤四、数据无线传输模块接收水气界面碳通量自监测模块的碳通量数据，将碳通量数据压缩后使用卫星热点设备连网将数据传输到远程数据库；步骤五、仪器异常预警模块实时监测水气界面碳通量自监测模块是否与水面贴合、风力等级是否会破坏太阳能板，电池电量是否储满、仪器周边是否有大型野生动物靠近，当出现异常时发出设备异常警告，远程向水气界面碳通量自监测模块或电力保障模块发布停止命令。9.如权利要求8所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测方法，其特征在于：步骤三具体包括：步骤3.1，利用机械臂将碳通量监测浮箱水平推出；步骤3.2，缓慢调整碳通量监测浮箱与水面的距离，使其完全贴合，具体的，水位计实时测量水面高度；机械臂根据水面高度自动调整测量浮箱的下降高度，直至浮箱底部与水面完全贴合；360
°
全景相机观测贴合情况，根据内嵌算法自动识别浮箱和水面，可视化显示贴合情况；步骤3.3，启动水气界面碳通量测量，实时保存监测数据和监测时间，具体的，机器预热10-15分钟，使仪器工作状态达到最佳；开始测量，picarro g2301分析仪自动测量水气界面温室气体甲烷、二氧化碳、水气的实时通量，并记录开始时间；自动计算测量时间，当测量时长达到15分钟后，结束测量，记录结束测量时间。10.如权利要求8所述的高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测方法，其特征在于：步骤五具体包括：步骤5.1，利用风速风向监测仪实测风速，当风力大于阈值，自动停止测量并报告后台“wind risk”异常指令；步骤5.2，360
°
全景相机检测到水气界面无法完全贴合、或电池电量不足时，自动向操
作人员发送是否停止命令；步骤5.3，360
°
全景相机实时成像拍摄监测仪器周边情况，自动检测大型野生动物并依据多次检测的面积大小判别野生动物靠近情况，具体的，当有大型野生动物靠近时，自动发出蜂鸣声驱离，驱离无效后传输“测量暂停”到后台；大型野生动物靠近判别依据改进的yolov8，具体改动为：改进yolov8图像通道数为1，初始读取图像大小提高到1280
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1280，重新编译后保存，并内置到计算机；读取全景相机拍摄的最新照片；利用灰度转化函数压缩图片大小，将全景相机拍摄的rgb彩色图片经灰度转化函数进行灰度处理，降低后续监测的数据量，节约电力资源。灰度转化函数的原始公式为：gray＝r*0.299+g*0.587+b*0.114式中r、g、b分别表示红、绿、蓝三个通道的亮度；将涉及浮点数的灰度转化函数改为16位精度，修改后的灰度转换函数为：gray
16
＝(r*19595+g*38469+b*7472)＞＞16调用改进的识别模型，自动检测大型野生动物，并根据目标检测外框大小和图像分辨率，统计大型动物的图内面积大小；判别野生动物是否在靠近，和上一个野生动物的面积做对比，连续2次最新检测面积大于上次，启动蜂鸣器预警并传输后台提示；步骤5.4，人工远程控制是否停止测量。

技术总结
一种高寒无人区水气界面碳通量远程操控监测系统及方法，该系统包括：电力保障模块，用于给水气界面碳通量自监测模块提供电力；远程触发移动模块，用于在附近状况以及蓄电池电量均符合野外测量条件后发送开始测量的控制指令；水气界面碳通量自监测模块，用于实时记录碳通量数据；数据无线传输模块，用于将碳通量数据传输到远程数据库；仪器异常预警模块，用于出现异常时发出设备异常警告，可远程向水气界面碳通量自监测模块或电力保障模块发布停止命令。本发明可实现高寒无人区水气界面碳通量测量的电力自供应、测量多频次、数据快传输，通过太阳能就地利用、远程监视、触发和数据传输，实现高寒无人区水气界面多频次测量各环节的安全性和可靠性。的安全性和可靠性。的安全性和可靠性。


技术研发人员：张双印 李国忠 赵保成 徐健 赵登忠 徐平 肖潇 徐坚 付珺琳 王丽华 程学军 郑学东
受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院
技术研发日：2023.05.08
技术公布日：2023/9/7