基于無人機(jī)的大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

近年來,無人機(jī)的應(yīng)用越來越廣,在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多,特別是在大氣環(huán)境檢測中的應(yīng)用更為廣泛。無人機(jī)具有高空俯瞰的視角、超大的監(jiān)控范圍、快速的響應(yīng)能力,因而得以將傳統(tǒng)的只能地面作業(yè)的大氣污染檢測擴(kuò)展到立體空間,這就為基于無人機(jī)實(shí)現(xiàn)污染源快速溯源提供了技術(shù)保障,為大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)框架

如圖1所示,基于無人機(jī)的大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)可分為三大部分:天空端、地面端和系統(tǒng)端。

天空端由氣體檢測儀系統(tǒng)和無人機(jī)系統(tǒng)組成,地面端由地面站系統(tǒng)和可視化展示系統(tǒng)組成,系統(tǒng)端由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成。氣體檢測系統(tǒng)將傳感器獲取的氣體濃度數(shù)據(jù)通過無人機(jī)系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)降孛嬲鞠到y(tǒng),地面站系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,將分析結(jié)果以web方式進(jìn)行展示。

1.2功能模塊

根據(jù)實(shí)際需要,整個(gè)系統(tǒng)可分成多個(gè)子系統(tǒng),具體包括無人機(jī)系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、無線通信系統(tǒng)、地面站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和可視化展示系統(tǒng),各個(gè)子系統(tǒng)有相應(yīng)的子模塊,如圖2所示。

下面對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行簡要說明:

(1）氣體檢測系統(tǒng):氣體檢測系統(tǒng)可以同時(shí)安裝6組氣體檢測模塊,一次進(jìn)行多種氣體的檢測,通過不同的組合適用不同的應(yīng)用場景,在不同場景下進(jìn)行污染源追溯。比如在大氣環(huán)境中同時(shí)檢測PM2.5、PM10、SO₂、CO、NO₂、O₃和VOCs,通過配置6組高精密傳感器同時(shí)檢測多種氣體濃度。

(2）無人機(jī)系統(tǒng):無人機(jī)系統(tǒng)作為氣體檢測的搭載平臺(tái),攜帶氣體檢測系統(tǒng)完成立體空間的氣體檢測工作,整個(gè)系統(tǒng)由鋰電池供電提供動(dòng)力,通過GNSS系統(tǒng)完成系統(tǒng)定位,通過飛控系統(tǒng)完成無人機(jī)的自主飛行,通過數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)將無人機(jī)數(shù)據(jù)和氣體檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲鞠到y(tǒng)。

(3）無線通信系統(tǒng):無線通信系統(tǒng)把天空端、地面端和系統(tǒng)端連接起來,形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。通過數(shù)傳系統(tǒng)無人機(jī)把天空端的無人機(jī)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和氣體檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬲鞠到y(tǒng),地面站系統(tǒng)把航線數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o人機(jī)系統(tǒng):4G/5G網(wǎng)絡(luò)將地面站接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。

(4）地面站系統(tǒng):地面站系統(tǒng)能實(shí)時(shí)查看無人機(jī)的飛行姿態(tài)信息、位置信息、氣象信息和氣體檢測數(shù)據(jù)信息,同時(shí)可以規(guī)劃無人機(jī)的飛行航線,控制無人機(jī)根據(jù)飛行航線自主飛行。

(5）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng):數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)庫組成,實(shí)時(shí)解析地面站發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,并存儲(chǔ)解析后的無人機(jī)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、氣體檢測的濃度數(shù)據(jù)和用戶數(shù)據(jù),通過設(shè)備SN號(hào)和用戶UID號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

(6）數(shù)據(jù)分析系統(tǒng):數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)基于無人機(jī)的GNSS定位數(shù)據(jù)、速度、方向,氣象數(shù)據(jù)中的風(fēng)速、風(fēng)向,氣體檢測儀的氣體濃度值,通過高斯擴(kuò)散模型,結(jié)合傳感器特性和無人機(jī)飛行數(shù)據(jù),分析出空間點(diǎn)污染物濃度值。

(7）可視化展示系統(tǒng):可視化展示系統(tǒng)利用無人機(jī)的GNSS定位信息,將污染物濃度分布圖在GIS系統(tǒng)上進(jìn)行二維可視化展示和三維可視化展示,并定位出污染源。

2大氣污染擴(kuò)散數(shù)據(jù)修正

使用無人機(jī)搭載氣體檢測傳感器對(duì)氣體濃度值進(jìn)行檢測的過程中會(huì)受到諸多因素影響,污染源和污染物的類型、氣象條件和地理環(huán)境特征在污染物的擴(kuò)散中都起著重要作用:無人機(jī)的飛行速度和傳感器檢測的響應(yīng)時(shí)間則影響著檢測點(diǎn)位置的準(zhǔn)確獲取。因此,需要對(duì)無人機(jī)獲取到的氣體濃度數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,以減小污染源定位的誤差。

2.1位置修正公式

無人機(jī)是在飛行過程中通過氣體傳感器檢測氣體濃度數(shù)據(jù),傳感器從接觸當(dāng)前氣體到檢查出數(shù)值有一個(gè)時(shí)間,這就造成檢測數(shù)值和實(shí)際濃度值位置點(diǎn)存在偏差,因此需要通過下列公式對(duì)位置偏差進(jìn)行修正:

式中:X為實(shí)際濃度值位置X坐標(biāo)點(diǎn):Y為實(shí)際濃度值位置Y坐標(biāo)點(diǎn):X'為無人機(jī)系統(tǒng)反饋的濃度位置X坐標(biāo)點(diǎn):Y'為無人機(jī)系統(tǒng)反饋的濃度位置Y坐標(biāo)點(diǎn):H_s為無人機(jī)飛行的水平速度:t₉₀為氣體傳感器檢測時(shí)間:α為無人機(jī)飛行的方向角。

2.2高斯擴(kuò)散模型

在均勻、定常的湍流大氣中污染物濃度滿足正態(tài)分布,由此可導(dǎo)出高斯型擴(kuò)散公式。因?yàn)楦咚鼓Ｐ褪且活惡唵螌?shí)用的大氣擴(kuò)散模型,所以在大氣環(huán)境影響評(píng)估的實(shí)際工作中,大氣擴(kuò)散計(jì)算通常以高斯大氣擴(kuò)散模型為主。

由于要考慮風(fēng)向?qū)ξ廴疚飻U(kuò)散的影響,采用污染源所在區(qū)域的風(fēng)向建立坐標(biāo)軸,可以計(jì)算周邊影響點(diǎn)的坐標(biāo)X和Y,計(jì)算公式如下:

式中:β為風(fēng)向角度,β=-90^o。

污染源位于坐標(biāo)原點(diǎn)O處,平均風(fēng)向與x軸平行,并與x軸正向同向。假設(shè)污染源在沒有任何障礙物的自由空間擴(kuò)散,不考慮下墊面的存在。大氣中的擴(kuò)散是具有y與z兩個(gè)坐標(biāo)方向的二維正態(tài)分布,當(dāng)兩個(gè)坐標(biāo)方向的隨機(jī)變量獨(dú)立時(shí),分布密度為每個(gè)坐標(biāo)方向的一維正態(tài)分布密度函數(shù)的乘積,計(jì)算公式如下:

式中:C為空間點(diǎn)(x,y,z）的污染物的濃度值(mg/m³）:x為風(fēng)向軸上空間點(diǎn)到源的距離:y為風(fēng)向軸垂直方向上空間點(diǎn)到源的距離:z為空間點(diǎn)的高度:u為平均風(fēng)速:q為污染源的源強(qiáng)(mg/s）:σ_y、σ_z分別為水平、垂直方向的標(biāo)準(zhǔn)差,即y、z方向的擴(kuò)散參數(shù)。

3大氣污染源溯源可視化

3.1視頻與檢測數(shù)據(jù)同步顯示

系統(tǒng)采用B/S模式,服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù)并處理,通過瀏覽器訪問和查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)。無人機(jī)地面端軟件通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)、無人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)和氣體檢測濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到服務(wù)器端。

為實(shí)現(xiàn)視頻信息和氣體濃度數(shù)據(jù)的實(shí)況同步,在方案中使用氣體檢測和直播聯(lián)動(dòng)處理,在點(diǎn)擊氣體檢測按鈕時(shí),視頻直播同步開啟,在開啟視頻直播時(shí),氣體檢測同步進(jìn)行,通過數(shù)據(jù)疊加的形式在地圖上實(shí)時(shí)顯示無人機(jī)位置信息和氣體檢測數(shù)據(jù),通過設(shè)備sN和用戶的UID綁定進(jìn)行權(quán)限控制,完成整個(gè)實(shí)時(shí)顯示功能。

3.2二維/三維可視化顯示

為使數(shù)據(jù)可以直觀地二維可視化顯示,采用方格圖表示氣體采集的點(diǎn),將整個(gè)氣體采集的區(qū)域使用方格圖連接起來形成柵格圖,每個(gè)方格圖內(nèi)填充顏色,使用不同的顏色代表不同的濃度,將氣體的濃度劃分為6個(gè)等級(jí),通過柵格顏色的不同可視化顯示同平面不同的濃度值,同時(shí)使用采集點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息與方格疊加到衛(wèi)星地圖上進(jìn)行顯示,實(shí)現(xiàn)位置和濃度高低的可視化顯示。

為了實(shí)現(xiàn)三維可視化顯示,在平面可視化的基礎(chǔ)上,將方格圖設(shè)計(jì)成立方體,同時(shí)使用采集點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息和高度信息將立方體在3D地圖上進(jìn)行顯示,使氣體濃度數(shù)據(jù)可以直觀地三維可視化顯示。

3.3大氣污染源溯源

為了實(shí)現(xiàn)排污點(diǎn)的溯源分析,使用瀏覽器在地圖上進(jìn)行區(qū)域航線巡航規(guī)劃,建立等間距的巡航平面網(wǎng)格線路和間高的空間巡航線路,將規(guī)劃完成的航線下發(fā)到現(xiàn)場飛行人員的地面站控制軟件上,地面站軟件將收到的航線上傳到無人機(jī)上,無人機(jī)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的航線飛行。

環(huán)保無人機(jī)將獲取的氣體濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)狡脚_(tái)系統(tǒng),通過調(diào)用三維可視化顯示方法將數(shù)據(jù)在3D衛(wèi)星地圖上進(jìn)行可視化顯示,結(jié)合大氣污染數(shù)據(jù)位置修正算法和高斯擴(kuò)散模型進(jìn)行可視化分析,自動(dòng)計(jì)算出氣體濃度最高區(qū)域,并在地圖上標(biāo)注對(duì)應(yīng)位置,實(shí)現(xiàn)大氣污染源溯源分析。

4大氣污染源溯源可視化實(shí)例

系統(tǒng)使用高德地圖JS API,該API是一套基于JavaScript語言開發(fā)的地圖應(yīng)用編程接口,調(diào)用該接口在web頁面顯示衛(wèi)星地圖,使用接口函數(shù)完成地圖覆蓋物的二維和三維柵格繪制,如圖3、圖4所示。

圖3二維可視化污染濃度區(qū)域分布

圖4三維可視化污染濃度區(qū)域分布

5結(jié)語

基于無人機(jī)的大氣污染源溯源可視化系統(tǒng),利用無人機(jī)作為飛行平臺(tái),結(jié)合其立體空間的巡查能力,搭載多合一高精度氣體檢測儀進(jìn)行污染物濃度的檢測,采用檢測數(shù)據(jù)位置修正公式和高斯擴(kuò)散模型精確獲取檢測點(diǎn)污染物濃度數(shù)值,結(jié)果由GIS系統(tǒng)使用二維和三維可視化方法進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為一定區(qū)域內(nèi)氣體排污點(diǎn)溯源分析提供了一套完整的系統(tǒng)方案,可以服務(wù)于實(shí)際的環(huán)保污染源溯源工作。