温室气体排放热点与排放通量的无人机检测系统及方法

技术领域

本发明涉及环境工程领域，具体地，涉及一种垃圾填埋场温室气体排放热点与排放通量的机载检测系统及方法。

背景技术

温室气体是垃圾填埋场的重要排放源之一，有效控制温室气体的排放需首先开展对垃圾填埋场排放情况的调查，明确排放热点以及整体的排放通量情况。传统的填埋场温室气体通量监测需要人工携带检测仪器进入场地，采用搭建通量室或手持检测等方法开展监测，但这些方法费时费力、容易遗漏排放热点且部分区域不具备可及性，无法进行监测。这就导致监测区域难以覆盖整个填埋场，无法获取整个填埋场温室气体排放的准确情况。

随着科技的发展，无人机已被广泛应用在填埋场温室气体排放监测领域中；无人机监测具有省时省力、无视场地限制等优势；设置适合的飞行参数并搭载相应的检测仪器后，能够较为全面准确的监测填埋场温室气体排放情况。现有的应用中，常用的监测仪器主要是热红外成像仪以及非接触式温室气体探测设备。热红外成像仪由于面临环境干扰因素多，仪器精度不足等问题，无法对温室气体的排放情况进行定量化表征；非接触式探测设备对飞行姿态要求高，在实际测量中面临仪器的量程、测量精度有限、测量误差大等问题，仅能对温室气体的排放情况做出半定量化分析；接触式探测设备需要接触到气体，一般能够实现更精确的温室气体排放定量化要求，但受制于填埋场表面流场复杂的客观因素，对排放通量的监测结果仍存在一定偏差。

填埋场表面温室气体的排放呈现出空间异质性，当温室气体在填埋场表面形成羽流后，极易在上升的过程中受风的作用加速向顺风方向扩散，对无人机监测过程造成干扰，是制约填埋场温室气体排放监测可靠度的重要因素之一；以往的做法至多仅能做到温室气体排放的半定量化，测量结果容易受到气象条件的影响，监测结果存在较大误差。目前，尚未有一套填埋场无人机监测情境下针对测量结果的优化算法。

在公开号为CN115060850A的中国专利文献中，公开了一种空地双场耦合的大气污染源追踪和通量测量装置及方法，包括提供了一种无人机和光谱仪耦合改装系统，并进一步基于该改装系统设计了一种对场地甲烷污染源排查定位并定量检测排放通量的方法，但该方法在测试精度与检测流程上仍存在一定的改进空间；

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种垃圾填埋场温室气体排放热点与排放通量的无人机检测系统及方法。

根据本发明提供的一种温室气体排放热点与排放通量的无人机检测系统，包括：

机载检测设备和温室气体排放通量单元；

所述机载检测设备包括：

定位模块：采集无人机位置信息，建立空间坐标系；

热红外成像模块：采集场地的表面温度信息；

温室气体传感模块：检测空气中温室气体的浓度；

所述温室气体排放通量单元包括：中央控制与数据处理模块、气象监测模块、温室气体通量建模模块、风矢量场拟合模块；

所述中央控制与数据处理模块与其他模块连接，根据表面温度信息和空间坐标系，确定温室气体排放热点的坐标；

所述气象检测模块：收集不同高度、不同位置的风速和风向数据；

所述风矢量场拟合模块：根据不同高度、不同位置的风速和风向数据，辨别主导风向，在上风向和下风向分别构建风矢量面；

所述温室气体通量建模模块：根据空间坐标系、温室气体的浓度数据和风矢量面，计算温室气体排放热点的表面气体排放通量。

优选的，所述温室气体排放热点的表面气体排放通量由高斯烟羽反演算法计算得出。

优选的，所述中央控制与数据处理模块根据克里金空间插值算法，确定温室气体排放热点的坐标。

优选的，所述中央控制与数据处理模块根据三维空间可视化模型与填埋场表面热图将场地划分为经纬分布的网格，沿网格的中心对无人机模块的飞行轨迹进行规划。

优选的，所述三维空间可视化模型由高精度测绘模块构建；所述高精度测绘模块与中央控制与数据处理模块连接，根据场地的空间坐标系、无人机本体与场地表面的相对高度和三维立体图像完成场地的三维空间可视化模型的构建；所述三维立体图像由激光雷达成像传感模块构建，所述激光雷达成像传感模块属于无人机模块，用于场地测绘。

优选的，所述埋场表面热图由中央控制与数据处理模块根据所采集的温度数据、空间坐标系和克里金空间插值算法计算得出。

优选的，所述中央控制与数据处理模块根据风速风向数据控制无人机本体的飞行状态，在风速和温度都大于预设值时发出警告，引导无人机本体返航。

根据本发明提供的一种温室气体排放热点与排放通量的无人机检测方法，包括：

步骤S1：无人机本体进行第一轮巡检，将整个填埋场监测区域进行网格划分，到达网格单元的中心点并采集场地的温度、温室气体平均浓度数据；

步骤S2：无人机本体进行第二轮巡检，根据风矢量面，选取网格的上风向与下风向为采样面，在采样面上选取多个数量的采样点，采集标定的超过填埋场表面平均温度10％以上的网格单元中不同高度的温室气体浓度值，针对不同类型的填埋场类型，采用不同的飞行轨迹；

步骤S3：根据填埋场表面上方的风矢量面与温室气体浓度，计算出泄漏点的实际位置；补充采样点之间的温室气体通量，构建每个填埋场表面网格单元的温室气体排放通量图，验证结果的合理性；

步骤S4：无人机本体在巡检达到预设次数后，对温室气体传感进行校准；将热红外成像所采集的温度数据与温室气体浓度数据进行波段叠加，与每个填埋场表面网格单元的温室气体排放通量图进行比对，对响应度偏差大于设定比例的网格单元重新监测，当计算出的大气稳定度达到预设范围时，终止监测。

优选的，所述大气稳定度包括：风速、太阳倾角、经纬度与时间践。

优选的，所述无人机本体内部嵌有定位芯片。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的温室气体排放热点与排放通量的无人机检测系统及方法能够准确的识别填埋场温室气体泄漏点的位置，并能够精确计算出泄漏点的气体排放量，充分考虑并降低了监测时所受到的干扰，提高了监测的效率和准确度，保障了设备的耐用性，大大节省了成本。

2、本发明提供的温室气体排放热点与排放通量的无人机检测系统及方法能够对目标场地进行实时连续监测，避免了数据集的离散化。

3、本发明提供的温室气体排放热点与排放通量的机载移动式检测系统及运行方法能够适用于较为广泛的环境工程领域中，为数据的采集方式提供了更为可靠的选择。

本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例中垃圾填埋场温室气体排放热点与排放通量的机载检测系统示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种机载检测系统整体结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种周长飞行模式示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种填埋场表面的网格划分示意图；

图5为本发明实施例中提供的一种通量面飞行模式示意图。

附图标记说明：

无人机本体1气象监测模块7

热红外成像仪2高精度测绘模块8

激光雷达成像传感模块3中央控制与数据处理模块9

温度/湿度传感器4 风矢量场拟合模块10

三维超声风速计模块5温室气体通量建模模块11

温室气体传感模块6

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1和图2所示，一种温室气体排放热点与排放通量的无人机检测系统，包括：机载检测系统和温室气体排放通量单元；

其中，所述机载检测系统包括：无人机本体1，以及安装在无人机本体1上的GPS定位模块、热红外成像仪2和温室气体传感模块6。

具体的，GPS定位模块：采集无人机本体1的位置信息，根据所采集的位置信息建立空间坐标系，本实施例中，GPS定位模块可以是安装在无人机本体1内部的定位芯片。

热红外成像仪2：采集场地的表面温度信息，热红外成像仪2安装于无人机本体1底部的云台上，以数字信号传输将数据实时发送至中央控制与数据处理模块9中。

温室气体传感模块6：检测空气中温室气体，包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮的浓度，并且固定安装于无人机本体1前端。

其中，所述温室气体排放通量单元包括：中央控制与数据处理模块9、气象监测模块7、温室气体通量建模模块11、风矢量场拟合模块10；

具体的，所述气象监测模块7包括：

三维超声风速计模块5：安装在不同高度与不同位置，可用于收集不同高度与不同位置的风速与风向数据。

温度/湿度传感器4：收集填埋场表面的温、湿度数据。

所述中央控制与数据处理模块9与其他模块连接，根据温度、湿度数据输出补偿系数；根据表面温度信息和空间坐标系，通过克里金空间插值算法，确定温室气体排放热点的坐标；

排放热点坐标的获取方法为：基于无人机定位模块与空间测绘三维扫描记录的空间数据与全景图像，绘制出目标场地的三维空间模型，从而根据异常采样点所在的坐标确定出潜在的排放热点位置；

空间插值法的使用步骤：基于Arcgis的Geostatistical Analyst模块，导入采样点的坐标与温室气体排放通量信息，对数据变换处理并进行趋势分析后，开展插值计算，结果通过拆半检验后，输出温室气体排放热图。

参照图4所示，根据三维空间可视化模型与填埋场表面热图将场地划分为经纬分布的网格，沿网格的中心对无人机模块的飞行轨迹进行规划，并将接收的场地三维空间和温室气体排放通量信息进行空间叠加计算。

所述高精度测绘模块8与中央控制与数据处理模块9连接，根据场地的空间坐标系、无人机本体1与场地表面的相对高度和三维立体图像完成场地的三维空间可视化模型的构建。

所述三维立体图像由激光雷达成像传感模块3构建，所述激光雷达成像传感模块3属于无人机模块，用于场地测绘，安装于无人机本体1底部的云台上，以数字信号传输将数据实时发送至中央控制与数据处理模块9。

所述埋场表面热图由中央控制与数据处理模块9根据所采集的温度数据、空间坐标系和克里金空间插值算法计算得出。

中央控制与数据处理模块9根据风速风向数据控制无人机本体1的飞行状态，例如，当风速过大时，控制无人机本体1立即返航。在一种具体的实施案例中，当风速大于10m/s，温度大于25℃时发出警告，引导无人机本体1返航。

所述风矢量场拟合模块10：根据不同高度、不同位置的风速和风向数据，辨别主导风向，在上风向和下风向分别构建风矢量面。

所述温室气体通量建模模块11：根据空间坐标系、温室气体的浓度数据和风矢量面，通过高斯烟羽反演算法计算得出温室气体排放热点的表面气体排放通量；

具体的方法为：基于逆CALPUFF模型，进行温室气体排放源强核算，输入相应的地理数据(网格化高程数据、地表参数)、气象数据(风矢量、大气温湿度、大气稳定度)与不同采样点监测到的温室气体浓度；先计算三维风场，模拟羽流在三维风场中的轨迹，耦合高斯模型进行计算，然后将多个羽流的轨迹进行叠加，从而得到排放热点的排放通量。

一种垃圾填埋场温室气体的泄漏排放检测方法，包括以下步骤：

参照图4所示，步骤S1：无人机进行第一轮巡检，将整个填埋场监测区域进行网格划分，每个网格单元大小应不大于100㎡，以最短路径到达网格单元的中心点，保持在50m以上高度飞行，停留不少于20s并采集场地的温度、温室气体平均浓度数据。

参照图5所示，步骤S2：无人机进行第二轮巡检，根据风矢量面，选取网格的上风向与下风向为采样面，在采样面上选取至少5个数量的采样点，此外，堆体上的构筑物，特别是集气井所在位置，分别在其上风向和下风向采样面的投影线上，选取至少三个采样点，采集标定的超过填埋场表面平均温度10％以上的网格单元中不同高度的温室气体浓度值，针对不同类型的填埋场类型，采用不同的飞行轨迹：山谷型填埋场采用周长飞行模式；滩涂型与平面型填埋场采用通量平面飞行模式；

参照图3所示，其中，周长飞行模式指代航线为沿网格单元的边界顺时针或逆时针盘旋上升不同高度；通量平面飞行模式指代航线以网格单元高程最高点为圆心，以圆心到网格边界最近距离为半径，顺时针或逆时针的环绕上升。

飞行高度根据实际测绘的填埋场地形动态调整，确保无人机运行过程中，飞行高度始终保持在堆体表面以上至少10m的位置，以防止传感器中毒。每个采样点应至少取五个不同高度的温室气体浓度数据，具体的高度选择应与三维超声风速计模块5相匹配。

步骤S3：根据填埋场表面上方的风矢量面与温室气体浓度，计算出泄漏点的实际位置；补充采样点之间的温室气体通量，构建每个填埋场表面网格单元的温室气体排放通量图，并将计算出的温室气体排放浓度与“中国垃圾填埋场甲烷排放因子矩阵”进行比较，差距大于20％以上则重新检测；

步骤S4：无人机在巡检达到20次后，对温室气体传感模块6进行校准；将热红外成像仪2所采集的温度数据与温室气体浓度数据进行波段叠加，与每个填埋场表面网格单元的温室气体排放通量图进行比对，对响应度偏差大于15％的网格单元重新监测，当计算出的大气稳定度达到预设范围时，终止监测；所述大气稳定度包括：风速、太阳倾角、经纬度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。