基于無人機的大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

引言

近年來,無人機的應(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)的大氣污染檢測擴展到立體空間,這就為基于無人機實現(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)計和實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1系統(tǒng)框架

如圖1所示,基于無人機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)存儲系統(tǒng),數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)進行分析,將分析結(jié)果以web方式進行展示。

1.2功能模塊

根據(jù)實際需要,整個系統(tǒng)可分成多個子系統(tǒng),具體包括無人機系統(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)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)和可視化展示系統(tǒng),各個子系統(tǒng)有相應(yīng)的子模塊,如圖2所示。

下面對各個模塊的功能進行簡要說明:

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

(2）無人機系統(tǒng):無人機系統(tǒng)作為氣體檢測的搭載平臺,攜帶氣體檢測系統(tǒng)完成立體空間的氣體檢測工作,整個系統(tǒng)由鋰電池供電提供動力,通過GNSS系統(tǒng)完成系統(tǒng)定位,通過飛控系統(tǒng)完成無人機的自主飛行,通過數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)將無人機數(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,形成一個完整的系統(tǒng)。通過數(shù)傳系統(tǒng)無人機把天空端的無人機數(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)存儲系統(tǒng)。

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

(5）數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng):數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)由數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)庫組成,實時解析地面站發(fā)送的數(shù)據(jù)信息,并存儲解析后的無人機數(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號和用戶UID號對數(shù)據(jù)進行關(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,通過高斯擴散模型,結(jié)合傳感器特性和無人機飛行數(shù)據(jù),分析出空間點污染物濃度值。

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

2大氣污染擴散數(shù)據(jù)修正

使用無人機搭載氣體檢測傳感器對氣體濃度值進行檢測的過程中會受到諸多因素影響,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散中都起著重要作用:無人機的飛行速度和傳感器檢測的響應(yīng)時間則影響著檢測點位置的準(zhǔn)確獲取。因此,需要對無人機獲取到的氣體濃度數(shù)據(jù)和位置數(shù)據(jù)進行修正,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)值有一個時間,這就造成檢測數(shù)值和實際濃度值位置點存在偏差,因此需要通過下列公式對位置偏差進行修正:

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

2.2高斯擴散模型

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)出高斯型擴散公式。因為高斯模型是一類簡單實用的大氣擴散模型,所以在大氣環(huán)境影響評估的實際工作中,大氣擴散計算通常以高斯大氣擴散模型為主。

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

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散,不考慮下墊面的存在。大氣中的擴散是具有y與z兩個坐標(biāo)方向的二維正態(tài)分布,當(dāng)兩個坐標(biāo)方向的隨機變量獨立時,分布密度為每個坐標(biāo)方向的一維正態(tài)分布密度函數(shù)的乘積,計算公式如下:

式中:C為空間點(x,y,z）的污染物的濃度值(mg/m³）:x為風(fēng)向軸上空間點到源的距離:y為風(fēng)向軸垂直方向上空間點到源的距離:z為空間點的高度:u為平均風(fēng)速:q為污染源的源強(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)。無人機地面端軟件通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將視頻數(shù)據(jù)、無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)和氣體檢測濃度數(shù)據(jù)實時傳遞到服務(wù)器端。

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

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,將整個氣體采集的區(qū)域使用方格圖連接起來形成柵格圖,每個方格圖內(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個等級,通過柵格顏色的不同可視化顯示同平面不同的濃度值,同時使用采集點的經(jīng)緯度位置信息與方格疊加到衛(wèi)星地圖上進行顯示,實現(xiàn)位置和濃度高低的可視化顯示。

為了實現(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)計成立方體,同時使用采集點的經(jīng)緯度位置信息和高度信息將立方體在3D地圖上進行顯示,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

為了實現(xiàn)排污點的溯源分析,使用瀏覽器在地圖上進行區(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上,無人機執(zhí)行對應(yīng)的航線飛行。

環(huán)保無人機將獲取的氣體濃度數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)狡脚_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散模型進行可視化分析,自動計算出氣體濃度最高區(qū)域,并在地圖上標(biāo)注對應(yīng)位置,實現(xiàn)大氣污染源溯源分析。

4大氣污染源溯源可視化實例

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

基于無人機的大氣污染源溯源可視化系統(tǒng),利用無人機作為飛行平臺,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散模型精確獲取檢測點污染物濃度數(shù)值,結(jié)果由GIS系統(tǒng)使用二維和三維可視化方法進行顯示。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為一定區(qū)域內(nèi)氣體排污點溯源分析提供了一套完整的系統(tǒng)方案,可以服務(wù)于實際的環(huán)保污染源溯源工作。