基于物联网的大气环境监测系统

技术领域

本申请属于环境监测技术领域，具体涉及基于物联网的大气环境监测系统。

背景技术

大气环境监测系统主要由环境管理部分管理，对存在于大气中的污染物进行定点、连续的测量和分析。分局监测结果实施存储并加以分析，之后，合理评估空气质量，并提供寻求污染源的判断依据。

目前采用的主要技术是在现场安装点式颗粒物检测仪和摄像机，通过他们对现场进行检测，再将监测到的数据和视频图像采集、存储到控制主机利，然后通过有线网络或者无线网络上传到远程监控平台，从而实现远程监控。但是由于摄像机性能单一，无法实现远距离的检测，颗粒物检测仪和摄像机各自运行，没有合理的联动，采集的数据单一，给监控平台的分析处理增加了难度。

发明内容

本申请旨在解决现有技术的不足，提出基于物联网的大气环境监测系统，包括：气象背景模块、污染源监测模块、污染物监测模块、植被监测模块和环境监测模块；

所述气象背景模块用于根据当前气象与背景环境对大气环境进行初步监测；

所述污染源监测模块用于利用所述初步监测结果监测存在的污染源；

所述污染物监测模块用于利用无人机在污染源地区的不同高度进行污染物采集；

所述植被监测模块用于利用两种不同的方式获取彩色图像中包括的植被像素点集合；

所述环境监测模块用于基于所述植被监测模块和所述污染物监测模块进行环境监测。

可选的，所述气象背景模块包括季节子模块、背景环境子模块和气象信息子模块；

所述季节子模块用于记录当前季节；

所述背景环境子模块用于记录当前被监测地区的地理环境；

所述气象信息子模块用于获取当前被监测地区的气象数据。

可选的，所述气象数据包括气温、气压、风速、降水量、空气湿度。

可选的，所述污染源监测模块包括图像获取子模块和图像处理子模块；

所述图像获取子模块用于根据无人机拍摄目标区域的广角照片；

所述图像处理子模块用于根据所述广角照片进行污染源识别与分析。

可选的，所述图像处理子模块包括图像储存单元和图像分析单元；

所述图像储存单元用于存储摄像设备发送的污染源图像；

所述图像分析单元用于读取所述图像储存单元所储存的污染源信息。

可选的，所述污染物监测模块包括：采样子模块、污染物含量检测子模块、污染物含量变化监测子模块；

所述采样子模块用于利用无人机在不同高度的目标区域进行大气采样；

所述污染物含量监测模块用于根据采集的样本进行污染物含量的计算；

所述污染物含量变化监测子模块用于根据计算得到的污染物含量与前次的计算结果进行折线统计。

可选的，所述植被监测模块包括植被像素获取子模块和植被覆盖率变化子模块；

所述植被像素获取子模块用于利用阈值分割算法对被监测区域的彩色图像进行分割处理，获得植被像素点；

所述植被覆盖率计算子模块用于基于所述植被像素点与历史植被覆盖率进行比对，获取植被覆盖率的变化情况。

可选的，所述环境监测模块包括污染物含量阈值子模块、告警模块、应急处理模块；

所述污染物含量阈值子模块用于根据所述污染物含量和植被覆盖的情况判断当前污染物含量是否超标；

所述告警模块用于根据所述污染物含量阈值子模块进行告警信息的发送与公示；

所述应急处理模块用于监测突发环境事故导致的大气污染物超标，并对其进行相应的处理措施。

与现有技术相比，本申请的有益效果为：

本申请根据无人机采集的样本进行污染物的检测；结合植被覆盖率实现对大气环境的监测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例基于物联网的大气环境监测系统的系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例一

在本实施例中，如图1所示，基于物联网的大气环境监测系统，具体包括：气象背景模块、污染源监测模块、污染物监测模块、植被监测模块和环境监测模块；

气象背景模块用于根据当前气象与背景环境对大气环境进行初步监测；可选的，气象背景模块包括季节子模块、背景环境子模块和气象信息子模块；季节子模块用于记录当前季节；背景环境子模块用于记录当前被监测地区的地理环境；气象信息子模块用于获取当前被监测地区的气象数据。气象数据包括气温、气压、风速、降水量、空气湿度。

污染源监测模块用于利用无人机监测当前背景环境下存在的污染源；污染源监测模块包括图像获取子模块和图像处理子模块；图像获取子模块用于根据无人机拍摄目标区域的广角照片；图像处理子模块用于根据广角照片进行污染源识别与分析。图像处理子模块包括图像储存单元和图像分析单元；图像储存单元用于存储摄像设备发送的污染源图像；图像分析单元用于读取图像储存单元所储存的污染源信息。

无人机采集的图像进行预处理，得到观测数据；对无人机的观测数据进行差分计算得到观测方程和误差方程，并对观测方程和误差方程进行滤波得到整周模糊度；使用两种整周模糊度处理方法分别在两个线程中结算该整周模糊度，并将该整周模糊度代回该误差方程中，得到两组初步定位结果；使用两种整周模糊度处理方法分别在两个线程中解算整周模糊度，并将整周模糊度代回误差方程中，以得到两组初步定位结果；根据两组初步定位结果和定位结果类型对两组初步定位结果进行融合以得到无人机精准定位结果，即污染源的位置信息。

污染物监测模块用于利用无人机在污染源地区的不同高度进行污染物采集；污染物监测模块包括：采样子模块、污染物含量检测子模块、污染物含量变化监测子模块；采样子模块用于利用无人机在不同高度的目标区域进行大气采样；污染物含量监测模块用于根据采集的样本进行污染物含量的计算；污染物含量变化监测子模块用于根据计算得到的污染物含量与前次的计算结果进行折线统计。

具体的，采样子模块的采样过程为：将采集装置安装在无人机上；根据待测地设置无人机的飞行高度；待无人机升空值指定高度后，将无人机中的采集装置进行大气采集；采集完毕后，关闭采集装置的驱动器和空气入口阀门，无人机返航。其中，采样子模块需要根据目标地区不同高度进行大气采样。具体的，采集高度为50米，100米，200米，500米，1000米。在本实施例中，采集装置的进气通道连接采集腔，采集腔的右侧设有一个方形凹槽，该方形凹槽为真空仓，气体采集完毕后，利用针管从真空仓中进行气体提取，避免打开其他通道导致周围空气倒流，可以保持空气的纯净，确保计算结果的精确度。

污染物含量检测子模块还包括样本扩散单元、颗粒物含量单元和有害气体含量单元；其中样本扩散单元用于进行大气污染扩散实验；颗粒物含量单元用于检测大气中悬浮颗粒物的含量；所述有害气体含量单元用于检测大气样本中氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳等有害物质的含量。

具体的，样本扩散单元将样本气体的一部分放入风动通道中，并利用水产生的水蒸气作为示踪物，根据计算水重量的变化得到污染物排放速度。

颗粒物含量单元将样本气体的一部分通入光学散射腔；将激光光源照射进入光学探测区的颗粒物；分别同时连续采集颗粒物散射平面内四个角度散射光的光强；计算八个指标；统计八个指标偏振分指标在(-1,1)的范围内，步长为0.02的概率分布，并将八个概率分布曲线按照顺序拼接以组成标准颗粒物偏振分；计算环境颗粒物偏振分布；利用标准颗粒物偏振分不与环境颗粒物偏振分布得到采样区域大气汇中颗粒物含量。

污染物含量变化监测子模块将之前计算得到的污染物含量数据与本次计算得到的污染物含量数据放入数据中保存，并生成条形图观察污染物含量的变化。

植被监测模块用于利用两种不同的方式获取彩色图像中包括的植被像素点集合；植被监测模块包括植被像素获取子模块和植被覆盖率变化子模块；植被像素获取子模块用于利用阈值分割算法对被监测区域的彩色图像进行分割处理，获得植被像素点；植被覆盖率计算子模块用于基于植被像素点与历史植被覆盖率进行比对，获取植被覆盖率的变化情况。

具体的，植被像素获取子模块根据遥感图像得到的彩色图像；采用阈值分割算法获得彩色图像中的植被像素点的第一集合，将彩色图像输入预先训练好的神经网络中进行图像分割处理，获得彩色图像中的植被像素点的第二集合；获取第一集合与第二集合的交集的第三集合；获取第三集合在第二集合重对应的补集第四集合点，将第四集合点的元素组成待分割图像；采用阈值分割算法对待分割图像进行图像分割，获得前景像素点的集合第五集合和背景像素点的集合第六集合；分别计算第三集合、第四集合、第五集合、第六集合的像素值均值，得到第三集合、第四集合、第五集合和第六集和的均值像素；计算根据第三集合的均值像素与第五集和的均值像素之间的差值的绝对值；计算根据第四集合的均值像素与第六集和的均值像素之间的差值的绝对值；比较两个绝对值，将绝对值小的对应的原始集合进行合并，得到植被像素的最终集合。

植被覆盖率变化子模块基于植被像素的最终集合计算采样区域的当前植被覆盖率。

环境监测模块用于基于植被监测模块和污染物监测模块进行环境监测。环境监测模块包括污染物含量阈值子模块、告警模块、应急处理模块；污染物含量阈值子模块用于根据污染物含量和植被覆盖的情况判断当前污染物含量是否超标；告警模块用于根据污染物含量阈值子模块进行告警信息的发送与公示；应急处理模块用于监测突发环境事故导致的大气污染物超标，并对其进行相应的处理措施。

具体的，告警模块根据当前采样得到污染物含量在污染物含量阈值中进行比较，若超出正常值，则进行告警，告警方式为发送短信给采样区域的居民并通过居民手机的IP归属地在天气预报中进行同步告警。

应急模块对于突发的大气污染进行告警与紧急处理；当污染物含量严重超标时，对附件的污染源进行排查，并进行人为干预。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。