一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法

本发明涉及一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，属于无人机控制和大气污染监测领域。

背景技术：

1、环境污染问题日益严重，人们赖以生存的家园正在遭受环境污染的侵袭。环境污染中最常见的就是大气污染，在我们的工作和生活中大气污染无处不在，防不胜防，而且我们生活中的很多行为都会造成大气污染。随着我国工业化的快速发展，越来越多的制造型工厂投入到紧张的生产当中，这在一定程度上了增加了我国整体的废气排放量，对大气环境造成了严重的污染，在这种严峻的情势下，为了防止大气环境进一步恶化，需要我国相关治理部门加大环境整治力度，降低由于经济发展对大气环境所造成的污染程度。做好污染治理的第一步便是污染监测，只有高精度高效的监测才能促进污染治理。目前大气污染监测主要依赖设置的监测站点，其数量少，频率低，不足以提供高精度实时污染数据。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，本发明解决了当前大气污染监测结果滞后性强的问题，进一步增强了大气污染浓度监测结果的时效性。并且本发明适用范围广，使用环境多样，可以提供广域多类型污染物浓度实时监测结果，大大提升了传统大气污染监测的精度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、步骤s1: 主控单元（无人机地面站）增加大气污染监测模块接口，采用主控单元集中处理数据的方式，通过地面站统一调度控制无人机集群;

4、步骤s2: 根据待监测区域遥感影像进行无人机集群协同任务分工，采用泰森多边形分割监测区域，通过地面站设置飞行计划分配给集群中每一架无人机；

5、步骤s3: 无人机集群搭载大气污染监测仪器执行监测任务，实时回传各采样点各类别大气污染数据和位置信息；

6、步骤s4: 通过主控单元实时插值计算，在规定时间内获取待测区域的高精度大气污染浓度分布情况。

7、进一步的，所述步骤s1中还搭载有4g通讯模块，用于实现20km范围内的实时控制和通信。

8、进一步的，所述步骤s1中，大气污染监测设备要求尺寸小于标准范围:100 mm x100 mm x 50 mm，质量小于等于300g，其中采集数据所用的传感器测量频率大于等于1hz，并且可以将采集数据输出为json数据格式。

9、进一步的，所述步骤s2具体为：

10、s21：获取待测区域遥感影像数据，要求影像空间分辨率达到30m及以上；

11、s22：提取待测区域的roi（感兴趣区）样本，通过监督分类根据lcz（局部气候分区）规则，将监测样区分为17个基本类型，包含10个以建筑、厂房为主要地物的建成环境型（built types，lcz 1-10），7个以植被、水体为主要地物的自然环境型（land cover types，lcz a-g）；

12、s23：根据lcz分类结果，为不同类型地区分配不同体量大小的无人机集群；根据不同区域平均飞行速度分配单个无人机监测范围：建成环境型每架次无人机承担不超过625m2采样区域，自然环境型每架次承担不超过900m2采样区域；

13、s24：根据测算的监测区域面积确定无人机集群数量，编写用于设置无人机起飞点的算法：根据监测区域lcz的类型设置小于无人机承担面积的圆形区域，不重叠的填充监测区域，根据圆形的数量与无人机数量的差异调整圆形区域大小，差异小于等于2时，以圆心作为无人机的起飞点；

14、s25：针对无人机集群如何合理协同执行任务的问题，考虑到监测范围地物类型多样，高程差异大，使用规则划分的方法可行性小，且飞行风险大；使用系统采样方法，通过无人机起飞点设置泰森多边形；

15、s26：使用voronoi图分割监测区域，以集群中每一个无人机位置作为各泰森多边形内的唯一点，便于无人机集群高效协同完成采集任务；

16、s27：主控单元（无人机地面站）将划分好的区域分配给集群中每一架无人机，设置相应的飞行计划。

17、进一步的，所述步骤s3具体为：

18、s31：使用前对无人机集群进行试飞，确保监测时通信模块可以正常回传实时数据；

19、s32：根据已经分配的监测任务，分别对集群中各无人机进行航迹规划；

20、s33：选择使用航向重叠度和旁向重叠度均较高的s型航线，并根据各采样区域的地理环境设置安全飞行速度；

21、s34：校准无人机集群搭载的大气污染监测模块，确保各模块在特定点监测数值相同；

22、s35：测试无人机旋翼启动与关闭时空气质量监测仪读数差异，综合集群内多组数据，剔除飞行测量时因为桨叶造成的气流扰动对实验数据的影响；

23、s36：实验人员第一视角实时观察无人机集群是否按照预设航线飞行，并及时纠正个别无人机飞行问题，手动修正飞行路线和速度。

24、s37：收集无人机的信息和环境信息，无人机负责数据的输入和输出，主控单元负责数据的存储和控制。

25、进一步的，所述步骤s4具体为：

26、s41：主控单元执行数据的存储和控制处理，实时计算无人机集群采集的信息；

27、s42：基于集群中无人机回传的位置信息和大气污染浓度数据，采用插值算法，得到监测区域高精度的实时污染浓度分布情况。

28、本发明的有益效果是：该方法利用了无人机集群多点布控和机动性强的特征，解决了当前监测站点数量少，监测精度低，覆盖范围小的问题，进一步增强了大气污染浓度监测结果的时效性。无人机集群采集实时多点大气污染数据，解决了因为飞行时间过长导致的数据不同步的问题，相较于单个无人机监测有较大的优势，污染监测更加精准。并且本发明适用范围广，使用环境多样，可以提供广域多类型污染物浓度实时监测结果，大大提升了广域大气污染监测的精度。

技术特征：

1.一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，所述步骤s1中还搭载有4g通讯模块，用于实现20km范围内的实时控制和通信。

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，所述步骤s1中，大气污染监测设备要求尺寸小于标准范围:100 mm x 100 mm x 50mm，质量小于等于300g，其中采集数据所用的传感器测量频率大于等于1hz，并且可以将采集数据输出为json数据格式。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，所述步骤s2具体为：

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，所述步骤s3具体为：

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，其特征在于，所述步骤s4具体为：

技术总结
本发明公开一种基于无人机集群的广域大气污染实时监测方法，主控单元增加大气污染监测模块接口，通过地面站统一调度控制无人机集群；其次，根据待监测区域遥感影像进行无人机集群协同任务分工，采用泰森多边形分割监测区域，通过地面站设置飞行计划分配给集群中每一架无人机；再次，无人机集群搭载大气污染监测仪器执行监测任务，实时回传各采样点各类别大气污染数据和位置信息；最后，通过主控单元实时插值计算，在规定时间内获取监测区域的高精度大气污染浓度分布情况。该方法利用了无人机集群多点布控和机动性强的特征，解决了当前监测站点数量少，监测精度低，覆盖范围小的问题，进一步增强了大气污染浓度监测结果的时效性。

技术研发人员：冷宏骏,周侗,陶菲,李响,项益航,耿子良,陈皓喆
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13