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

劉奎

摘要：當(dāng)前，規(guī)模化的工業(yè)園區(qū)越來越多地出現(xiàn)，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(zhì)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(xì)顆粒物、揮發(fā)性有機(jī)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(dǎo)致當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量檢測數(shù)據(jù)上升。而面對突發(fā)性的投訴和階段性檢測數(shù)據(jù)上升時，由于園區(qū)內(nèi)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(zhǔn)確來源而無法實施針對性管理。鑒于此，利用無人機(jī)高空俯瞰的視角、超大的監(jiān)控范圍、快速的響應(yīng)能力，設(shè)計和實現(xiàn)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(kuò)展到了立體空間。

關(guān)鍵詞：可視化;污染源;大氣;溯源;無人機(jī)

0 ? ?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(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)存儲系統(tǒng)，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)通過對數(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)實際需要，整個系統(tǒng)可分成多個子系統(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(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(jī)系統(tǒng)：無人機(jī)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(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)存儲系統(tǒng)。

（4）地面站系統(tǒng)：地面站系統(tǒng)能實時查看無人機(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(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號和用戶UID號對數(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氣體濃度值進(jìn)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(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)時間則影響著檢測點(diǎn)位置的準(zhǔn)確獲取。因此，需要對無人機(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)值有一個時間，這就造成檢測數(shù)值和實際濃度值位置點(diǎn)存在偏差，因此需要通過下列公式對位置偏差進(jìn)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(biāo)點(diǎn);Y為實際濃度值位置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);HS為無人機(jī)飛行的水平速度;t90為氣體傳感器檢測時間;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。因為高斯模型是一類簡單實用的大氣擴(kuò)散模型，所以在大氣環(huán)境影響評估的實際工作中，大氣擴(kuò)散計算通常以高斯大氣擴(kuò)散模型為主。