基于無人機的山岳云海和江面霧漫預測預報系統

張南輝 張瀚坤

摘 要：本文論述了基于無人機的山岳云海和江面霧漫預測預報，山岳云海和江面霧漫是自然界的一大奇觀，可是由于山岳云海和江面霧漫并不是隨時隨地可以看到的，它們的形成需要一定的自然條件，如果能預測預報山岳云海和江面霧漫產生的時間和地點將對旅游業帶來非常好的效益。利用無人機的機動性可方便的檢測各種復雜地形的數據，并通過數據處理中心進行分析預測，將結果通過互聯網平臺向社會和游客發布旅游區的實時圖像和云海霧漫的形成時間和持續時間，為廣大游客通過了極大的便利條件。

關鍵詞：無人機；山岳云海；腳霧；預報預測

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0032-02

隨著人們物質文化生活水平的快速提升，旅游消費快速增長，求新求異業已成為了當代旅游新時尚。為了做大做強旅游產業，各地都爭相逐鹿。云海和腳霧為自然界兩大奇觀，浩浩蕩蕩、蔚為壯觀。可是由于云海和腳霧與氣溫、氣壓、濕度、地表溫度、水面溫度、風力、風速有關，并不是隨時可以看到的。目前基本是憑借經驗進行預報，準確率非常有限，對云海和腳霧的科學預報預測還是空白，隨著大數據、人工智能技術的高速發展，使得這些地域性小氣候預測成為了可能。加強云海和腳霧預測預報可以大幅提升旅游質量，提高旅游魅力，振興旅游產業。

云海，是指在一定的條件下形成的云層。云海的云頂高度低于山頂高度，因此，人們在高山之巔俯首，會看到如大海般波瀾壯闊、漫無邊際的云層，故稱這一現象為“云海”，云海是山岳風景的重要景觀之一。江面霧漫：水庫、湖泊等深層水形成的水流，常年保持恒定低溫，夏秋兩季氣溫較高，與水面形成較大溫差，如果空氣比較潮濕，就會在水面形成美輪美奐的霧漫。云海和腳霧都是特殊地理和氣象條件下形成的，不可多得。對此準確預測預報，一定會深受旅游愛好者、尤其是攝影愛好者的歡迎。本系統是綜合氣象、統計、大數據、物聯網、互聯網等技術。在采集大量數據的前提下，進行數據挖掘，構建指數體系。利用現代統計學原理，對數學模型進行分析、檢驗、校正。使得數學模型更加精準反映實際的云海和腳霧。利用指數體系對云海和腳霧進行質量定級，量化其質量水平。

1 系統綜述

云海和霧漫的本質都是水蒸汽分布的結果，正是因為水蒸汽的分布不同，產生千姿百態、美輪美奐、陰陽相濟的自然界神奇景觀。而分析濕度分布搞清楚水蒸汽密度分布最有效的方法，所以、濕度分布是云海和霧漫的最終結果。若要準確預測、預報云海和霧漫，無疑檢測濕度信號、分析濕度分布是首要的，因此，濕度信號是最為重要的特征變量。用傳統的定點氣象裝置檢測濕度分布是非常困難的，而無人機的快速發展和普及速度很快，以無人機作為平臺進行濕度分布采樣成為了可能。形成云海和霧漫的要素有很多，除了濕度信號以外還有地溫、氣溫、風向、風速、風力、氣流、大氣壓力的變化趨勢也是形成云海和霧漫的重要條件。因此，必須把這些指標作為分析形成云海和霧漫特征變量，通過數據處理中心用深度學習方法進行數據分析，從這些特征變量中找出云海和霧漫成因，作為云海和霧漫預測預報的依據。云海和霧漫的后續變化過程也非常重要。它們的持續時間和變化規律都是旅游愛好者、尤其是攝影愛好者必須考量的，對出現云海和霧漫后的后續變化規律也與這些特征值的變化規律密切相關。

2 系統工作原理和參數估計

2.1 云海和腳霧的形成機制

云海一般在分布在海拔較高的山岳峽谷，大雨過后，由于地表溫度較低，地表濕度較大，突然溫度升高或者受到太陽照射，地表水蒸發形成水蒸汽，由于山谷相對比較封閉，氣流比較穩定，水蒸汽逐步上升，擴散速度較慢，形成壯觀的云海形成和地表溫度、地表濕度、氣溫、氣壓、風力和風速密切相關，利用機器學習，分析這些參數的變化，可以對云海的形成進行預報。

腳霧一般分布在水庫湖泊的下游，由于壩面落差較大，水庫出水口離水面有一定落差，夏秋兩季，氣溫較高，陽光輻射較強，而陽光的輻射和溫度對水庫水溫的影響和水深有關，水越深受的影響越小，所以深層水的溫度要遠低于水面水溫。因此，下游的水流水溫與氣溫差別較大，在水面形成水蒸汽，傍晚由于氣溫下降較快，上方的水蒸汽冷凝，在水面形成腳霧。早上正好相反，氣溫升高較快，由于溫差較大，水蒸汽不斷在水面集聚，形成腳霧。腳霧和氣溫、氣壓、濕度、風速、風向、水面溫度、水流速度有密切的關系，對這些參數進行科學分析，構建指數系統，可以對其進行科學預測。

2.2 云霧和腳霧的相關環境參數和數學模型

為了簡化系統設計，確保足夠的準確度和必要的精度，本系統采用指數法進行建模，通過一系列指數的計算，消除不同傳感器量綱。這樣可以使得系統大為簡化。

2.2.1 無人機巡航子系統

云海和腳霧實際上都是一定濃度的水蒸汽在垂直方向分布并且出現突變斷面，這個斷面上方水蒸汽濃度顯著降低，這樣才會出現云海和腳霧的壯觀景象；如果不出現這樣的斷面，即使水蒸汽濃度再大，也只能影響能見度，不能形成腳霧。可見要預測云海和腳霧的行程，必須對影響所在區域空間水蒸汽分布的指標進行測量。無人機可以在三維空間運動，是非常理想的測試平臺。

2.2.2 無人機傳感器子系統

時間t時的水蒸汽的垂直分布與大氣濕度Wt，大氣溫度Tt，大氣壓力Pt密切相關，所以無人機載傳感器應該包括這三個傳感器，這三個指標和當前相對高度Ht，一并通過物聯網發送到數據處理服務器；通過數據整理、參數估計得到t空間水蒸汽分布預期指數It：

It=K1*Wt+K2*Tt+K3*Pt+K4*Ht

如果It-It1>Im（Im為出現出現水蒸汽濃度斷面的指數）

則置斷層標志a=1。

空間水蒸汽分布預期指數I1=a*（It1+It2+……Itn）

沒有出現水蒸汽斷面預期時，不會出現云海和腳霧。

相應指數I1=0。

2.2.3 小氣候預報系統

云海出現在高山之巔，腳霧出現在低溫水面，這些地域與外界相差很大，所以單純依賴公開的氣象資料，很難準確預測這些小氣候。建立小氣候預報系統，不但可以為這些獨特氣象現象提供準確預測，而且可以為當地生產生活、旅游產業發展提供便利條件。

只有在氣溫、氣壓滿足相應條件，有一定的陽光輻射，地表水和江水才會適量蒸發、并以合適的速度擴散，才能在地表和水面形成相對穩定的蒸汽層，才會出現壯觀的云海和腳霧；風速過大時，會加速水蒸汽的蒸發速度，不利于地表或者江面水蒸汽集結，也就不能形成云海或者腳霧。因此，必須建立獨立的小氣候探測預報系統，適時時點t，檢測太陽輻射St、氣溫Tt、濕度Wt、氣壓Pt、風速Ft、風向Dt，可以得到t時點的氣象指數It。

It=K1*St+K2*Tt+K3*Wt+K4*Pt+K5*Ft

綜合氣象指數I2：

I2=Dt*（It1+It2+…..+Itn）

當風向能形成云海或者腳霧時，Dt=1，相應的氣象綜合指數有效；否則，Dt=0，相應的氣象綜合指數為0。

2.2.4 地溫、地面濕度和水溫、水流速度子系統

云海的形成地溫和地表濕度有緊密相關性，只有地溫和氣溫有適度的差異，才能保持適度的水蒸汽擴散速度，才有利于水蒸汽集結；也只有地表有足夠的濕度，才有足夠的水分蒸發成水蒸汽，形成相對穩定的水蒸汽層，出現壯觀的人海。因此應該對相應區域地溫T、地面濕度W進行檢測，經參數估計，計算地表綜合指數I3。

I3=K1*T+K2*W

腳霧的形成和水溫、水流速度有緊密的相關關系。形成腳霧的江面一般來自深層水，由于深層水不易受到陽光輻射，因此水溫比較低，溫度相對穩定，但是遇到暴雨，江面表層水溫升高較快，表層水與深層低溫水熱交換需要時間較長，因而影響腳霧形成；水流速度過快，會快速帶走蒸發的水蒸汽，水蒸汽不易在江面集結，也會影響腳霧的形成。因此檢測水溫W和流速S，構建水流綜合指數I3。

I3=K1*W+K2*S

2.2.5 構建云海腳霧預報綜合總指數I

根據空氣綜合指數，氣象綜合指數，地表綜合指數或者水流綜合指數，按照不同權重，構建云海或者腳霧預報綜合指數I。

I=K1*I1+K2*I2+K3*I3

2.2.6 構建云海和腳霧的質量等級預報

本系統不但可以進行云海和腳霧的有無預報，而且可以預測云海腳霧的強度，即云海和腳霧的質量等級。那就是根據綜合總指數的取值，配合氣象傳感器的數據，結合人們對云海和腳霧的審美偏好，科學制定其質量等級。

3 傳感器的功能

濕度傳感器：形成云海和霧漫的首要條件是地表和空氣中有足夠水份，空氣濕度與其有較大的濕度差異，才能產生足夠的水蒸汽。檢測從地表到空中的濕度分布，既可獲得水蒸氣濃度分布。

溫度傳感器：采用氣溫傳感器和地溫傳感器感知氣溫和地溫變化規律。溫度是決定水蒸汽集聚和擴散速度的重要因素，只有在一定區間地溫和氣溫才能使得水分蒸發，形成足夠的水蒸汽并維持一段時間，從而形成云海和霧漫。

風速傳感器：風的強度和速度都是形成云海和霧漫的要件。強風會把水蒸汽快速吹走，風速太低不利于水蒸汽擴散，都對云海和霧漫的形成不利。因此，MC&RM;采用風力、風向、和風速傳感器采集與風相關數據，評估和預測其對形成云海和霧漫的影響。

氣壓氣流傳感器：云海在山岳形成，霧漫在溫差大的水面形成。這些地方都會形成獨特的氣流，對氣壓、氣流流量和流速進行測試，有利于弄清云海和霧漫的形成機制和擴散趨勢。

飛控傳感器：包括姿態控制、飛行控制、通訊模塊、GPS定位等傳感器，既要保障無人機平穩自動巡航，也要為溫度、濕度分布測試提供物理坐標。

攝像頭：攝像頭攝取圖像和視頻傳輸到互聯網平臺，讓美麗壯觀的云海和霧漫和網友共享。

4 數據處理中心

以深度學習為核心的數據處理中心負責對云海和霧漫的歷史數據進行處理、分析其成因和發展。采用深度分析智能化找出規律。數據處理中心還需提供無人機路線規劃等。

5 互聯網平臺

發布云海和霧漫信息：包括云海和霧漫預報、氣象信息，為旅游愛好者提供可預期的行程。

發布景點適時視頻和圖片：提供現場感強烈的視頻和圖片，調動網友游興。

發布相關景點旅游攻略：包括景點介紹、交通、住宿、餐飲等信息。

建立交互平臺：網友可通過圖像、視頻、撰文、評論等方式互動。

6 無人機保障系統

如果要實現無人機實時自動巡航，必須配置無人機自動起飛和降落、自動充電等輔助系統。還要建立無人機應急輔助系統，在無人機發生故障或者通訊、定位系統發生故障時，確保無人機安全著陸。

參考文獻

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