基于無人機的大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)設計與實現

劉奎

摘要：當前，規(guī)模化的工業(yè)園區(qū)越來越多地出現，園區(qū)企業(yè)的廢氣排放不僅是重要的空氣污染源，也是影響本地空氣質量考核、引起居民投訴信訪量上升等的最重要因素。園區(qū)大氣污染物中的細顆粒物、揮發(fā)性有機物、硫氧化物和氮氧化物等對于人體健康有著極大的危害，會直接或間接導致當地空氣質量檢測數據上升。而面對突發(fā)性的投訴和階段性檢測數據上升時，由于園區(qū)內的排放源很多，排放物隨著大氣流動，管理者常常因不能確定大氣污染物準確來源而無法實施針對性管理。鑒于此，利用無人機高空俯瞰的視角、超大的監(jiān)控范圍、快速的響應能力，設計和實現了大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的只能地面作業(yè)的大氣污染檢測擴展到了立體空間。

關鍵詞：可視化;污染源;大氣;溯源;無人機

0 ? ?引言

近年來，無人機的應用越來越廣，在環(huán)保領域的應用也越來越多，特別是在大氣環(huán)境檢測中的應用更為廣泛。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污染源快速溯源提供了技術保障，為大氣污染源溯源可視化系統(tǒng)的設計和實現奠定了基礎。

1 ? ?系統(tǒng)設計

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)端由數據存儲系統(tǒng)和數據分析系統(tǒng)組成。氣體檢測系統(tǒng)將傳感器獲取的氣體濃度數據通過無人機系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)傳輸到地面站系統(tǒng)，地面站系統(tǒng)將數據通過4G/5G網絡傳輸到系統(tǒng)端的數據存儲系統(tǒng)，數據分析系統(tǒng)通過對數據進行分析，將分析結果以Web方式進行展示。

1.2 ? ?功能模塊

根據實際需要，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)、數據存儲系統(tǒng)、數據分析系統(tǒng)和可視化展示系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)有相應的子模塊，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，通過數據鏈路系統(tǒng)將無人機數據和氣體檢測數據傳輸到地面站系統(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)。通過數傳系統(tǒng)無人機把天空端的無人機數據、氣象數據和氣體檢測數據傳輸到地面站系統(tǒng)，地面站系統(tǒng)把航線數據傳輸到無人機系統(tǒng);4G/5G網絡將地面站接收到的數據傳輸到數據存儲系統(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據信息，同時可以規(guī)劃無人機的飛行航線，控制無人機根據飛行航線自主飛行。

（5）數據存儲系統(tǒng)：數據存儲系統(tǒng)由數據解析和數據庫組成，實時解析地面站發(fā)送的數據信息，并存儲解析后的無人機數據、氣象數據、氣體檢測的濃度數據和用戶數據，通過設備SN號和用戶UID號對數據進行關聯(lián)。

（6）數據分析系統(tǒng)：數據分析系統(tǒng)基于無人機的GNSS定位數據、速度、方向，氣象數據中的風速、風向，氣體檢測儀的氣體濃度值，通過高斯擴散模型，結合傳感器特性和無人機飛行數據，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 ? ?大氣污染擴散數據修正

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時間則影響著檢測點位置的準確獲取。因此，需要對無人機獲取到的氣體濃度數據和位置數據進行修正，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據，傳感器從接觸當前氣體到檢查出數值有一個時間，這就造成檢測數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：

X=X′-（HS×t90）sin α ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Y=Y′-（HS×t90）cos α ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：X為實際濃度值位置X坐標點;Y為實際濃度值位置Y坐標點;X′為無人機系統(tǒng)反饋的濃度位置X坐標點;Y′為無人機系統(tǒng)反饋的濃度位置Y坐標點;HS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。