[发明专利]一种多旋翼无人机大气污染探测系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于环境科学与环境工程、遥感科学与技术、航空与通信技术交叉领域，具体涉及一种多旋翼无人机大气污染探测系统及方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展，工业和生活污染物的大气排放总量不断增加、范围持续扩大，雾霾现象日趋严重，已成为中国和许多经济高速发展国家或区域的环境关注焦点，这种污染现象将逐渐影响全球大气环境。目前，PM2.5主要通过地面环境监测站网获得，站点覆盖有限，且无法提供垂直分布数据。卫星遥感覆盖范围大，缺乏近地面垂直分布探测数据。因此，利用无人直升机平台采集空中PM2.5及大气参数是地面监测和卫星遥感监测的有效补充手段。

PM2.5，大气中空气动力学直径小于2.5微米的颗粒物。在区域性的高浓度排放背景下，雾霾已经成为政府和公众关心的重大环境问题。准确的PM2.5时空分布信息不仅是国家环保部门评估和改善空气质量的基本需求，也是公共健康等科学研究的重要指标。PM2.5在大气中停留的时间较长，受到复合排放源、粒子特性、气象条件等多种因素的影响，其空间分布规律较一般气态污染物更为复杂。因此，建立有效的探测手段，研究城市边界层中空气污染物垂直结构特征对于深入了解雾霾污染的大气物理化学过程具有重要意义。此外，随着城市的现代化发展，高层建筑的不断涌现使人们的活动范围逐渐由单一平面发展到近地层空间，空气污染物在近地层不同高度的垂直分布特征与公共健康紧密相关。

发明内容

本发明实施例中提供了一种多旋翼无人机大气污染探测系统及方法，能够机动灵活的探测低空PM2.5和相关大气参数垂直分布数据，提升对雾霾分布状况的综合监测能力和成因分析能力，为雾霾治理提供新型监测手段。

为了实现上述目的，本发明提供一种多旋翼无人机大气污染探测系统，该系统用于低空PM2.5浓度垂直分布监测，所述系统包含：

无人机风行平台子系统，用于分航次进行低空垂直观测，同步采集不同高度光学影像、PM2.5和大气参数探测数据，通过远程无线传输方式向无人机地面监控子系统实时传输探测数据，并实时监控任务飞行状态；

数据处理子系统，用于各类探测数据进行去噪、订正和拟合处理，获得不同高度PM2.5、气压、温度和湿度分布数据；对连续光学影像进行分帧处理，获得监测区域不同高度的垂直和水平方向序列光学影像；

无人机地面监控子系统，用于进行任务规划，输入飞行参数，所述飞行参数包含飞行区域、飞行高度或航次；用于实时接收探测数据；

可选的，上述无人机风行平台子系统进一步包含：光学相机、云台、大气探测传感器、飞行控制单元和数据传导模块；

所述光学相机和云台安装在无人机平台子系统的侧下方，用于获取垂直和水平方向的连续光学影像；

所述大气探测传感器进一步包含：PM2.5、气压-温度和温度-湿度三类传感器

所述飞行控制单元用于控制飞机进行低空飞行；

所述数据传导模块用于采用无线方式向无人机地面监控子系统传输探测的数据。

上述无人机风行平台子系统还包含：移动电源；大气探测传感器与移动电源模块、数据传导模块连接集成在传感器外壳中，且大气探测传感器与移动电源模块、数据无线传输模块安装在无人机平台子系统的顶部，实现多路传感器供电与数据打包无线传输功能。

上述无人机地面监控子系统进一步包含：

任务规划模块，用于每次开展飞行任务前，输入飞行参数，所述飞行参数包含：飞行区域、飞行高度和航次；

任务监控模块，用于飞行中通实时监控飞机工作状态；

数据接收模块，用于将空中采集的数据记录在移动工作站中，进而向数据处理子系统提供数据。

上述数据处理子系统进一步包含：

数据预处理模块，用于对探测数据进行分类导出、规整、去噪，进行时间序列对齐和订正，获得时间序列分类数据，利用分帧将连续光学影像按高度间隔分帧，获得监测区域不同高度的垂直和水平方向序列光学影像；

参数提取模块，用于对完成预处理的PM2.5、温度、湿度进和气压数据，设置高度梯度间隔，按照均匀高度梯度进行数据拟合差分对齐，获得高度序列分类数据；