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引言

近年來,無人機的應用越來越廣,在環保領域的應用也越來越多,特別是在大氣環境檢測中的應用更為廣泛。無人機具有高空俯瞰的視角、超大的監控范圍、快速的響應能力,因而得以將傳統的只能地面作業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的設計和實現奠定了基礎。

1系統設計

1.1系統框架

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

天空端由氣體檢測儀系統和無人機系統組成,地面端由地面站系統和可視化展示系統組成,系統端由數據存儲系統和數據分析系統組成。氣體檢測系統將傳感器獲取的氣體濃度數據通過無人機系統的無線傳輸系統傳輸到地面站系統,地面站系統將數據通過4G/5G網絡傳輸到系統端的數據存儲系統,數據分析系統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,整個系統可分成多個子系統,具體包括無人機系統、氣體檢測系統、無線通信系統、地面站系統、數據存儲系統、數據分析系統和可視化展示系統,各個子系統有相應的子模塊,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:氣體檢測系統可以同時安裝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:無人機系統作為氣體檢測的搭載平臺,攜帶氣體檢測系統完成立體空間的氣體檢測工作,整個系統由鋰電池供電提供動力,通過GNSS系統完成系統定位,通過飛控系統完成無人機的自主飛行,通過數據鏈路系統將無人機數據和氣體檢測數據傳輸到地面站系統。

(3）無線通信系統:無線通信系統把天空端、地面端和系統端連接起來,形成一個完整的系統。通過數傳系統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,地面站系統把航線數據傳輸到無人機系統:4G/5G網絡將地面站接收到的數據傳輸到數據存儲系統。

(4）地面站系統:地面站系統能實時查看無人機的飛行姿態信息、位置信息、氣象信息和氣體檢測數據信息,同時可以規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:數據存儲系統由數據解析和數據庫組成,實時解析地面站發送的數據信息,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。

(6）數據分析系統:數據分析系統基于無人機的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:可視化展示系統利用無人機的GNSS定位信息,將污染物濃度分布圖在GIS系統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:

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'為無人機系統反饋的濃度位置X坐標點:Y'為無人機系統反饋的濃度位置Y坐標點: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。

由于要考慮風向對污染物擴散的影響,采用污染源所在區域的風向建立坐標軸,可以計算周邊影響點的坐標X和Y,計算公式如下:

式中:β為風向角度,β=-90^o。

污染源位于坐標原點O處,平均風向與x軸平行,并與x軸正向同向。假設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兩個坐標方向的二維正態分布,當兩個坐標方向的隨機變量獨立時,分布密度為每個坐標方向的一維正態分布密度函數的乘積,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為風向軸上空間點到源的距離:y為風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、垂直方向的標準差,即y、z方向的擴散參數。

3大氣污染源溯源可視化

3.1視頻與檢測數據同步顯示

系統采用B/S模式,服務器端獲取數據并處理,通過瀏覽器訪問和查看系統數據。無人機地面端軟件通過4G/5G網絡將視頻數據、無人機狀態數據和氣體檢測濃度數據實時傳遞到服務器端。

為實現視頻信息和氣體濃度數據的實況同步,在方案中使用氣體檢測和直播聯動處理,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,通過數據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據,通過設備sN和用戶的UID綁定進行權限控制,完成整個實時顯示功能。

3.2二維/三維可視化顯示

為使數據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域使用方格圖連接起來形成柵格圖,每個方格圖內填充顏色,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緯度位置信息與方格疊加到衛星地圖上進行顯示,實現位置和濃度高低的可視化顯示。

為了實現三維可視化顯示,在平面可視化的基礎上,將方格圖設計成立方體,同時使用采集點的經緯度位置信息和高度信息將立方體在3D地圖上進行顯示,使氣體濃度數據可以直觀地三維可視化顯示。

3.3大氣污染源溯源

為了實現排污點的溯源分析,使用瀏覽器在地圖上進行區域航線巡航規劃,建立等間距的巡航平面網格線路和間高的空間巡航線路,將規劃完成的航線下發到現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,無人機執行對應的航線飛行。

環保無人機將獲取的氣體濃度數據實時傳輸到平臺系統,通過調用三維可視化顯示方法將數據在3D衛星地圖上進行可視化顯示,結合大氣污染數據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域,并在地圖上標注對應位置,實現大氣污染源溯源分析。

4大氣污染源溯源可視化實例

系統使用高德地圖JS API,該API是一套基于Javascript語言開發的地圖應用編程接口,調用該接口在web頁面顯示衛星地圖,使用接口函數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域分布

圖4三維可視化污染濃度區域分布

5結語

基于無人機的大氣污染源溯源可視化系統,利用無人機作為飛行平臺,結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,采用檢測數據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值,結果由GIS系統使用二維和三維可視化方法進行顯示。該系統的實現為一定區域內氣體排污點溯源分析提供了一套完整的系統方案,可以服務于實際的環保污染源溯源工作。