[發明專利]基于固定翼無人機的大氣污染監測系統及數據處理方法

有效

• 申請號: 202011133530.5
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112305163B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發明（設計）人: 劉偉;安偉剛;柳柳
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00;G01N15/06;G01D21/02;G06F30/23;G06F30/28;B64U10/25;B64D47/00;G05D1/10;B64U101/35
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 慕安榮

1.一種基于固定翼無人機的大氣污染監測系統的數據處理方法，所述大氣污染監測系統包括飛行平臺、空氣樣本采集模塊、空氣導管、大氣污染物檢測模塊、風參數測量模塊、GPS定位模塊、數據存儲模塊、數據發送模塊、地面控制與操作模塊、數據處理與顯示模塊；其中：飛行平臺中包括飛行控制模塊；數據處理與顯示模塊包括計算軟件和顯示裝置；空氣樣本采集模塊及大氣污染物檢測模塊安裝在飛行平臺的機頭內部；地面控制與操作模塊、數據處理與顯示模塊設置在地面；大氣污染物檢測模塊的信號輸出端、風參數測量模塊的信號輸出端、GPS定位模塊的信號輸出端分別通過數據線與數據存儲模塊的各信號輸入端連接；GPS定位模塊的信號輸出端通過數據線與飛行控制模塊的信號輸入端相連；數據存儲模塊的信號輸出端與數據發送模塊的信號輸入端通過數據線相連；飛行控制模塊的信號輸入端與數據發送模塊的信號輸出端通過數據線相連；地面控制與操作模塊通過4G信號與數據發送模塊相連；數據處理與顯示模塊和地面控制與操作模塊之間通過數據線相連；

其特征在于，具體過程是：

第一步：數據的收集：

空氣樣本采集模塊通過空氣導管收集空氣樣本；將空氣樣本分別導入到大氣污染物檢測模塊中的SO₂傳感器、NOx傳感器、CO傳感器、PM₁₀傳感器、PM_2.5傳感器和O₃傳感器中；各所述傳感器分別處理得到的空氣樣本，得到所述空氣樣本中的SO₂濃度數據、NOx濃度數據、CO濃度數據、PM₁₀濃度數據、PM_2.5濃度數據和O₃濃度數據；所述SO₂傳感器、NOx傳感器、CO傳感器、PM₁₀傳感器、PM_2.5傳感器和O₃傳感器處理空氣樣本的時間間隔均為1s；將得到的SO₂濃度數據、NOx濃度數據、CO濃度數據、PM₁₀濃度數據、PM_2.5濃度數據和O₃濃度數據傳輸存儲至數據存儲模塊；所述風參數測量模塊是風速傳感器與風向傳感器的集成；風速傳感器與風向傳感器在飛行平臺飛行時得到風參數數據，分別為風速數據與風向數據，并將風速數據與風向數據傳輸存儲至數據存儲模塊；風速傳感器與風向傳感器得到風參數數據的時間間隔均為1s；

通過所述GPS定位模塊得到飛行平臺經緯度數據和高度數據，并將該經緯度數據和高度數據傳輸存儲至數據存儲模塊；GPS定位模塊得到經緯度數據、高度數據的時間間隔為1s；所述大氣污染物檢測模塊、風參數測量模塊、GPS定位模塊開始工作后同步獲取數據；

第二步：數據的傳輸：

通過所述數據存儲模塊將空氣樣本數據、風參數數據、經緯度數據及高度數據的數據包通過數據發送模塊的4G信號發送至地面控制與操作模塊；

第三步：數據的整理：

地面控制與操作模塊將得到的SO₂濃度數據、NOx濃度數據、CO濃度數據、PM₁₀濃度數據、PM_2.5濃度數據和O₃濃度數據，以及得到的風速數據、風向數據、經緯度數據和高度數據分類；

第四步：數據的前處理：

所述的數據的前處理是通過MATLAB軟件繪制SO₂濃度、NOx濃度、CO濃度、PM₁₀濃度、PM_2.5濃度和O₃濃度的濃度等值線圖和風速數據、風向數據、經度數據和緯度數據的流線圖；

第五步：數據的后處理；

通過數據的后處理確定高濃度區域并確定污染源；

Ⅰ確定高濃度區域：

確定高濃度區域：通過公式(1)分別處理SO₂濃度數據、NOx濃度數據、CO濃度數據、PM₁₀濃度數據、PM_2.5濃度數據、O₃濃度數據中的最大值與最小值得到高濃度閾值T；

T_In＝(1-k)*MAX_In+k*MIN_In??????????????????????????(1)

其中：k：監測空域范圍的系數，k為0.1≤k≤0.2；

I為污染物，n為各類污染物的分類，n＝1、2、3、4、5、6；其中I1為SO₂，I2為NOx，I3為CO，I4為PM₁₀，I5為PM_2.5，I6為O₃；

MAX為污染物濃度的最大值；

MIN為污染物濃度的最小值；

定義濃度大于等于所述高濃度閾值T的等值線圖區域定義為高濃度區域，根據確定的SO₂、NOx、CO、PM₁₀、PM_2.5和O₃的高濃度閾值T分別在SO₂、NOx、CO、PM₁₀、PM_2.5和O₃的濃度等值線圖中確定高濃度區域；

通過顯示裝置顯示所述SO₂、NOx、CO、PM₁₀、PM_2.5和O₃的高濃度區域；

Ⅱ確定污染源：

通過MATLAB軟件按常規方法分別得到所述SO₂高濃度區域、NOx高濃度區域、CO高濃度區域、PM₁₀高濃度區域、PM_2.5高濃度區域和O₃高濃度區域的形心坐標分別為(x_I1,y_I1)、(x_I2,y_I2)、(x_I3,y_I3)、(x_I4,y_I4)、(x_I5,y_I5)和(x_I6,y_I6)；

通過公式(2)和(3)得到的各所述形心坐標(x?_In,y?_In)以及所述形心坐標處的高度H_In及風速矢量(u_In,v?_In)得到各形心坐標的修正坐標(x_In′,y_In′)；

x′_In?＝x?_In?-m*u?_In?*H?_In??????????????????????????????(2)

y′_In?＝y?_In?-m*v?_In?*H?_In??????????????????????????????(3)

其中：x′_In是修正后的各形心坐標的橫坐標；y′_In是修正后的各形心坐標的縱坐標；x?_In是各高濃度區域形心的橫坐標；y?_In是各高濃度區域形心的縱坐標；m是修正系數；u_In是各高濃度區域形心坐標位置風速矢量橫軸分量；

v?_In是各高濃度區域形心坐標位置風速矢量縱軸分量；H?_In是各高濃度區域形心坐標位置飛行平臺的飛行高度；

根據SO₂、NOx、CO、PM₁₀、PM_2.5和O₃的形心修正坐標(x_I1′,y_I1′)、(x_I2′,y_I2′)、(x?_I3′,y_I3′)、(x?_I4′,y?_I4′)、(x?_I5′,y?_I5′)和(x?_I6′,y?_I6′)得到所包圍的區域，該區域即為污染源區域。