CN114324826B - 一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，具体涉及一种煤田火区空‑土垂直气体通量的监测系统及监测方法。监测系统包括地表低空监测模块、土壤表层监测模块、无人机高空监测模块和控制与数据采集模块，控制与数据采集模块包括折叠式太阳能板、数据采集器、数据显示屏、无人机监控屏、控制开关和数据传输口，地表低空监测模块、土壤表层监测模块和无人机高空监测模块监测的数据上传至数据显示屏，工作电脑主机通过数据传输口获取数据采集器所采集的数据，并基于预先设置的计算公式计算得到地表低空区域内、土壤区域内和高空区域内的气体通量。本发明能够确保实现连续性自动化监测，提高监测系统的适应性。

Description

一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统及监测方法

技术领域

本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料技术领域，具体涉及一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统及监测方法。

背景技术

煤炭在我国能源结构中依然处于主体地位，然而，我国作为世界上煤炭自燃灾害最严重的国家之一，煤田火灾不仅造成矿产资源的损失，而且产生有毒有害气体污染大气环境，破坏土壤植被、地下水，引起地表沉陷等，严重威胁着人类的生命健康和煤矿的安全生产。

随着煤田自燃的发展，不同燃烧时期，煤体自燃造成的气体排放量是不同的，且受到地表温度、大气压力等环境因素的影响，往高空不断进行扩散，进而增加全球温室气体含量。因此，需要通过长时间观测才能获得较为准确的排放信息，通常以单位时间内单位面积排放的气体质量，也即气体通量作为衡量气体排放量的标准。

目前，针对高空监测气体排放量的方法主要有模型估算法、涡度相关法、空气动力学法等，其中，模型估算法主要根据模型公式，通过测量相关数据进行估算，求得气体排放量，结果往往误差较大，一般用于研究水面通量。涡度相关法是通过测定和计算物理量的脉动与垂直风速脉动的协方差求算湍流输通量的方法，涡度相关法属于微气象法，测量高空监测气体通量时建立5m至10m的塔基，布置相关参数传感器进行监测，要求设备的精度高，但是量程通常较小。空气动力学法计算的是研究区域的平均值，适用于大面积均匀下垫面，要求在较大区域内被测气体的水平浓度梯度可忽略不计，观测期间大气条件稳定。

但是，空气动力学法仍然存在以下问题：

1）在监测高空气体通量时，需要建设固定的塔基，在完成监测任务后，塔基留在固定区域，拆除较为繁琐；

2）在监测超过10m高空气体通量时，塔基无法满足要求；

3）监测同一区域的气体通量时，进行高空监测时，土壤表层与地表表层的气体通量无法时间上的统一。

4）监测设备需要人员在现场手动控制与看管，没有实现无人化、自动化监测；

5）监测过程中，某一传感器出现问题时，需要耗费大量的人力、物力进行更换，使得监测成本大大提高；

6）监测设备所用的各部分属于单一形式，不同监测传感器之间没有形成一体，使得传感器之间的导线较为繁杂。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统及监测方法，以解决或缓解现有技术存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，所述监测系统包括：

地表低空监测模块，用于监测煤田火区内地表低空区域处的气象参数和气体浓度；

土壤表层监测模块，用于监测煤田火区内土壤区域处的气体浓度、土壤温湿度、地表风速和气压；

无人机高空监测模块，用于监测煤田火区内高空区域处的气象参数和气体浓度；

控制与数据采集模块，包括折叠式太阳能板、数据采集器、数据显示屏、无人机监控屏、控制开关和数据传输口，所述折叠式太阳能板分别通过导线连接于所述控制开关和所述数据采集器，所述数据采集器与所述数据显示屏、所述无人机监控屏和所述数据传输口通讯连接，并与所述地表低空监测模块、所述土壤表层监测模块和无人机高空监测模块无线通讯连接，所述数据传输口用于连接工作电脑主机；

所述地表低空监测模块、所述土壤表层监测模块和所述无人机高空监测模块监测的数据上传至所述数据显示屏，工作电脑主机通过数据传输口获取所述数据采集器所采集的数据，并基于预先设置的计算公式计算得到地表低空区域内、土壤区域内和高空区域内的气体通量。可选地，所述地表低空监测模块包括数据采集与无线传输箱，所述土壤表层监测模块的输出导线连接于所述数据采集与无线传输箱，所述无人机高空监测模块设置有无线传输模块，所述控制与数据采集模块还包括4G传输天线，所述数据采集与无线传输箱、所述无线传输模块和4G传输天线之间无线通讯传输；和/或，所述控制与数据采集模块还包括可旋转式支撑架，所述折叠式太阳能板安装在所述可旋转式支撑架上。

可选地，所述地表低空监测模块还包括低空气体传感器模组、气象传感器、供电太阳能板、可调式三角支架和横杆，所述横杆固定在所述可调式三角支架上部，所述低空气体传感器模组和所述气象传感器均安装在所述横杆上，所述供电太阳能板固定在所述可调式三角支架的顶部，所述数据采集与无线传输箱固定在所述可调式三角支架的中部；所述横杆和所述可调式三角支架均为中空结构，所述低空气体传感器模块和所述气象传感器模组的输出导线均容置于横杆和所述可调式三角支架的内部，并由所述可调式三角支架的中部穿出后与所述数据采集与无线传输箱连接。

可选地，所述低空气体传感器模组包括低空气体传感器防水外壳、设置于所述低空气体传感器防水外壳内的低空CO传感器、低空CH₄传感器和安装支架，所述低空气体传感器防水外壳的下端开口，所述低空CO传感器和所述低空CH₄传感器固定在所述安装支架上，所述安装支架的下端固定在所述横杆上。

可选地，所述土壤表层监测模块包括多组合传感器支架、安装在所述多组合传感器支架上的多个土壤气体传感器模组、风速传感器和气压传感器，多个所述土壤气体传感器模组分别用于监测不同土壤深度处气体的浓度，所述多组合传感器支架固定在所述可调式三角支架的下部；

所述多组合传感器支架为中空结构，多个所述土壤气体传感器、所述风速传感器和所述气压传感器的输出导线容置于所述多组合传感器支架和所述可调式三角支架的内部，并由所述可调式三角支架的中部穿出后与所述数据采集与无线传输箱连接。

可选地，所述土壤气体传感器模组包括土壤气体传感器防水外壳、设置在土壤气体传感器防水外壳内的土壤CO传感器、土壤CH₄传感器、土壤CO₂传感器、土壤温湿度传感器和传感器支撑架、各个传感器均安装在所述传感器支架上，且其传感器探头均外露于所述土壤气体传感器防水外壳的底部。

可选地，所述土壤气体传感器防水外壳的侧壁还设置有抽气让位口，所述土壤气体传感器还包括抽气管，所述抽气管通过所述抽气让位口伸入所述土壤气体传感器防水外壳的内部，所述控制与数据采集模块还包括抽气泵和抽气接收口，所述抽气泵连接于所述抽气接收口，所述抽气管位于所述土壤气体传感器防水外壳之外的一端连接于所述抽气接收口。

可选地，所述无人机高空监测模块包括机架、机翼、动力模块、机载气象一体式传感器和摄像头，所述机翼安装所述动力模块的侧面，所述机架支撑所述动力模块和所述机翼，所述机载气象一体式传感器和所述摄像头安装在动力模块上；所述动力模块包括电池，所述机载气象一体式传感器和所述摄像头均通过导线连接于所述电池。

本发明还提出了一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测方法，所述监测方法采用如上所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，所述监测方法包括以下步骤：

步骤一，在煤田火区平坦的地面上组装控制与数据采集模块，使得折叠式太阳能板朝向太阳，打开无人机监控屏；

步骤二，组装无人机高空监测模块，将控制与数据采集模块开机运行，启动无人机高空监测模块，使得无人机监控屏能正常接收到画面；

步骤三，将无人机高空监测模块升空至预设高度，拍摄煤田火区具有白烟冒出的区域，并将拍摄的画面同步传输至无人机监控屏；

步骤四，根据拍摄的画面确定研究区域，在研究区域组装地表低空监测模块和土壤表层监测模块；

步骤五，打开控制与数据采集模块的控制开关，控制各个监测模块的传感器运行，并将数据显示屏开机，待数据显示屏上的数据稳定后，设定数据采集器的采集数据的间隔时间，进行连续不间断的监测；

步骤六，工作电脑主机读取数据采集器所采集的数据，并基于预先设置的计算公式计算求取地表低空区域内、土壤区域内和高空区域内的气体通量。

可选地，步骤四中，组装地表低空监测模块具体为，首先在横杆上固定低空气体传感器模组和气象传感器，然后支起可调式三角支架，将供电太阳能板、数据采集与无线传输箱分别固定在可调式三角支架的顶部位置和中间位置，并将气象传感器、低空CO传感器、低空CH₄传感器与数据采集与无线传输箱进行导线连接；步骤四中，组装土壤表层监测模块具体为，首先在可调式三角支架下方钻取孔洞，将土壤气体传感器模组放入孔洞中，然后在可调式三角支架的立杆上旋紧多组合传感器支架，将土壤气体传感器模组、风速传感器和气压传感器安装在多组合传感器支架上。

有益效果：

本发明的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，通过在土壤表层和地表低空区域均布置气体通量监测模块，以及使用无人机监测模块，能够有效地监测土壤表层以及地表上方10m大气空间范围内的自燃产物气体通量，确保实现连续性自动化监测，提高监测系统的适应性。

本发明的监测系统采用模块设计原理，分为多个模块，方便拆卸、更换、添加型号类似的模块，且便于整体设备的包装、运输与安装操作。

本发明的监测系统中各个模块之间采用无线传输的方式，可以确保避免各部分由于导线而引起的通信异常问题。

本发明的监测系统中，控制与数据采集模块采用折叠式太阳能板供电，可以预先设定测试时间和测试时长，有效缓解由于设备因供电不足造成无法连续观测的问题，如此可以实现24小时自动监测。

本发明的监测系统的监测具有垂直分辨性，其中无人机高空监测模块可根据设定升空至设定高度，同时实现与土壤表层监测模块、地表低空监测模块实时同步监测气压、温度、气体通量等参数。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明一实施例的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统的示意图；

图2为本发明一实施例的低空气体传感器模组的结构示意图；

图3为本发明一实施例的土壤表层监测模块的结构示意图；

图4为本发明一实施例的土壤气体传感器模组的内部结构示意图；

图5为本发明一实施例的控制与数据采集模块的结构示意图；

图6为本发明一实施例的无人机高空监测模块的结构示意图。

图中标号：100-监测系统；1-地表低空监测模块；11-低空气体传感器模组；111-低空气体传感器防水外壳；112-低空CO传感器；113-低空CH4传感器；114-安装支架；12-气象传感器；13-供电太阳能板；14-数据采集与无线传输箱；15-可调式三角支架；16-立杆；17-横杆；

2-土壤表层监测模块；21,22,23-土壤气体传感器模组；221-土壤气体传感器防水外壳；222-土壤CO传感器；223-土壤温湿度传感器；224-土壤CH₄传感器；225-土壤CO₂传感器；226-抽气管；227-传感器支撑架；24-风速传感器；25-气压传感器；26-多组合传感器支架；

3-控制与数据采集模块；31-折叠式太阳能板；32-可旋转式支撑架；33-4G传输天线；34-数据显示屏；35-无人机监控屏；36-抽气接收口；37-控制开关；38-USB接口；39-备用数据传输口；

4-无人机高空监测模块；41-机载气象一体式传感器；42-机翼；43-机架；44-红外双光热成像摄像头。

具体实施方式

下面将对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统100，本发明的监测系统100能够直接监测煤火自燃时释放的不同气体产物的通量，实用性较高，监测效果较好。

如图1至图6所示，本发明的一实施例中，煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统100包括：地表低空监测模块1，用于监测煤田火区内地表低空区域处的气象参数和气体浓度；土壤表层监测模块2，用于监测煤田火区内土壤区域处的气体浓度、土壤温湿度、地表风速和气压；无人机高空监测模块4，用于监测煤田火区内高空区域处的气象参数和气体浓度；控制与数据采集模块3，包括折叠式太阳能板31、数据显示屏34、无人机监控屏35、控制开关37和数据传输口，折叠式太阳能板31分别通过导线连接于控制开关37和数据采集器，数据采集器与数据显示屏34、无人机监控屏35和数据传输口通讯连接，并与地表低空监测模块1、土壤表层监测模块2和无人机高空监测模块4无线通讯连接，数据传输口用于连接工作电脑主机；地表低空监测模块1、土壤表层监测模块2和无人机高空监测模块4监测的数据上传至数据显示屏34，工作电脑主机通过数据传输口获取数据采集器的数据，并基于预先设置的计算公式计算得到地表低空区域内、土壤区域内和高空区域内的气体通量。

本实施例中，煤田火区内地表低空区域是指地表3m范围内的区域，高空区域是指地表3m以上的区域；折叠式太阳能板31作为控制与数据采集模块3的电源，使用时朝向太阳所在方向。数据采集器用于采集各个监测模块所监测的数据，并将采集的数据传输至数据显示屏34和无人机监控屏35，数据显示屏34用于显示各个监测模块所监测的数据，无人机监控屏35用于显示无人机的运行画面；控制开关37用于数据采集的间隔时间设置和控制各个监测模块的监测操作；数据传输口用于连接工作电脑主机，以将采集的监测数据传输至工作电脑主机，以便于后续根据该监测数据计算去取各个区域的气体通量，数据传输口可选为USB接口38，当然的，还可包括备用数据传输口39。

需要说明的是，预先设置的计算公式均为现有技术，具体地，利用空气动力学法求取高空区域高度为Z ₀ m内的气体通量和低空区域高度为Z ₁ m内的气体通量，计算公式如下：

式中，F _g为被观测气体向上输送的通量，单位为mg/（m²·s）；ρ _z为观测高度z处空气密度，单位为mg/m³；k _g为被测气体在观测高度z处的湍流扩散系数，通常借助动量输送系数来确定；c _g为被观测气体的质量浓度，单位为mg/m³；z为观测高度，单位为m。

由气体状态方程，可求得ρ _z，计算公式如下：

式中：P为观测高度z处的大气压，单位为Pa；R为空气气体常数，R=287.06J/(k_g·K)；T为观测高度z处气体的绝对温度，单位为K，其数值可以通过地表低空监测模块中的气象传感器监测得到。

在中性大气条件下，热量扩散系数(k _h )，动量扩散系数(k _m )和气体扩散系数(k _g )可认为是相等的，即k _h =k _m =k _g ，这样k _g 可以从风廓线方程获得，即：

式中，U（z）为高度z处的风速，单位为m/s；z ₀ 为表面粗糙度长度，单位为m；U ^* 为摩擦风速，单位为m/s；k为卡曼常数，k=0.035；d为零平面位移，该处煤田火区属平坦区域，d=0。

需要说明的是，只要测得两个不同高度上的风速，联立解方程，即可求出U*和z ₀ ，其中，地表上空z处的风速由气象传感器21获取，地表位置处的风速由风速传感器34获取。

在实际测量中，中性大气条件往往得不到满足。因此，气体的湍流扩散与动量、热量的湍流扩散不再相同。在这种情况下，通常要求对上式进行大气稳定度修正，即

根据Monin-Obukhov相似理论，实际大气中的动量、热量和水汽交换稳定度函数均为稳定度参数的函数，且可通过梯度Richardson数R _i来表示，即：

式中，g为重力加速度，R _i 为正表示稳定大气，R _i 为负表示不稳定大气；θ为位温，是与绝对温度、大气压、空气比热相关的函数，其计算公式为：

式中，C _p 为空气比热，取值为1005J/(kg·K)。

气体交换稳定度函数Φ _g 有多种表达型式，即为：

进一步地，利用浓度梯度法求取土壤区域内不同深度的气体通量，计算公式如下：

式中，F为CO₂通量，单位为μmol·m^-2s^-1；C（z）为深度z（m）处土壤中CO₂浓度，单位为μmol·m^-3；Ds为土壤中CO₂扩散系数，单位为m²s^-1；

式中，D _a0 =1.47×10^-5；T ₀ =293.15K；P _a =101325Pa；T、P ₀ 为实际测量的温度与大气压，其中，T可以通过土壤温湿度传感器测得，P ₀ 可以通过气压传感器测得；

为相对气体扩散系数。

选择Moldrup-2000模型求取的值，公式如下：

式中，

为土壤体积含水量，即为土壤中水的体积与土壤的总体积的比值，单位为cm³·cm^-3，可以通过土壤温湿度传感器测得；

为土壤孔隙度，

，其中

为土壤容重，单位为g/cm³，使用环刀法采集研究区域的土壤样品带回实验室测得，

为土壤比重，矿质土壤

=2.65g/cm³。

可以理解的，本发明的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统100，通过在土壤表层和地表低空区域均布置气体通量监测模块，以及使用无人机监测模块，能够有效地监测土壤表层以及地表上方10mm大气空间范围内的自燃产物气体通量，确保实现连续性自动化监测，提高监测系统100的适应性性。

本发明的监测系统100采用模块设计原理，分为多个模块，方便拆卸、更换、添加型号类似的模块，且便于整体设备的包装、运输与安装操作。

本发明的监测系统100中各个模块之间采用无线传输的方式，可以确保避免各部分由于导线而引起的通信异常问题。

本发明的监测系统100中，控制与数据采集模块3采用折叠式太阳能板31供电，可以预先设定测试时间和测试时长，有效缓解由于设备因供电不足造成无法连续观测的问题，如此可以实现24小时自动监测。

本发明的监测系统100的监测具有垂直分辨性，其中无人机高空监测模块4可根据设定升空至设定高度，同时实现与土壤表层监测模块2、地表低空监测模块1实时同步监测气压、温度、气体通量等参数。

本发明的可选实施例中，地表低空监测模块1包括数据采集与无线传输箱14，土壤表层监测模块2的输出导线连接于数据采集与无线传输箱14，无人机高空监测模块4设置有无线传输模块，控制与数据采集模块3还包括4G传输天线33，所述数据采集与无线传输箱14、无线传输模块和4G传输天线33之间无线通讯传输。

如图1和图5，本实施例中，监测系统100在各个监测模块采用4G无线传输的方式，确保避免各部分由于导线而引起的通信异常问题。

本发明的可选实施例中，控制与数据采集模块3还包括可旋转式支撑架32，折叠式太阳能板31安装在所述可旋转式支撑架32上。本实施例中，可旋转式支撑架32为360°可旋转式支撑架32，折叠式太阳能板31安装在可旋转式支撑架32的上部，使用时，可以转动可旋转式支撑架32使得折叠式太阳能板31朝向太阳的方向。

如图1所示，本发明的可选实施例中，地表低空监测模块1还包括低空气体传感器模组11、气象传感器12、供电太阳能板13、可调式三角支架15和横杆17，横杆17固定在可调式三角支架15的上部，低空气体传感器模组11和气象传感器12均安装在横杆17上，供电太阳能板13固定在可调式三角支架15的顶部，数据采集与无线传输箱14固定在可调式三角支架15的中部。

本实施例中，气象传感器12可选为超声波一体式气象传感器12，用于监测煤田火区内地表上低空区域处的气相参数，气象参数包括温度、湿度、气压、风向、风速、CO₂浓度，其中将风向指针对准北方。可调式三角支架15包括立杆16，横杆17固定在立杆16的上部，供电太阳能板13固定在立杆16的顶部，数据采集与无线传输箱14固定在立杆16的中部。立杆16为高度可调式，可调节的高度为1-3m，可调式三角支架15可折叠，较为便捷。

进一步地，横杆17和可调式三角支架15均为中空结构，低空气体传感器模块和气象传感器12模组的输出导线均容置于横杆17和可调式三角支架15的内部，并由可调式三角支架15的中部穿出后与数据采集与无线传输箱14连接。如此的设置，可以保证连接导线不外漏，起到保护连接导线的作用。

可选地，横杆17和可调式三角支架15均采用防水材质，这样可以有效保证低空监测模块在户外监测不受风沙、阴雨天气、灰尘的干扰，可有效避免户外工作时雨水、细小砂石对设备的破坏。

如图1和图2所示，低空气体传感器模组11包括低空气体传感器防水外壳111、设置于低空气体传感器防水外壳111内的低空CO传感器112、低空CH₄传感器113和安装支架114，低空气体传感器防水外壳111的下端开口，低空CO传感器112和低空CH₄传感器113固定在安装支架114上，安装支架114的下端固定在横杆17上。

本实施例中，低空气体传感器防水外壳111为下端开口的圆筒状，这样各个传感器的探头可以接触外界气体，能够有效地监测气体参数。可选地，低空CO传感器112和低空CH₄传感器113通过螺帽固定连接在安装支架114上，该方式操作简单且连接较为牢固。

如图1和图3所示，本发明的可选实施例中，土壤表层监测模块2包括多组合传感器支架26、安装在多组合传感器支架26上的多个土壤气体传感器模组（21,22,23）、风速传感器24和气压传感器25，多个所述土壤气体传感器模组（21,22,23）分别用于监测不同土壤深度处气体的浓度，多组合传感器支架26固定在可调式三角支架15的下部。

本实施例中，多组合传感器支架26固定在可调式三角支架15之立杆16的下部，其固定方式具体为，多组合传感器支架26设置有连接孔，连接孔与立杆16尺寸相适配，二者旋紧固定。多个土壤气体传感模组（21,22,23）的伸长长度不同，用于监测不同土壤深度处气体的浓度，可选地，土壤气体传感器模组（21,22,23）的数量为三个，其伸入土壤的深度分别为10cm、20cm和30cm，也即是，三个土壤气体传感器模组（21,22,23）分别用来监测土壤深度为10cm、20cm和30cm处的数据。

进一步地，多组合传感器支架26为中空结构，多个土壤气体传感器、风速传感器24和气压传感器25的输出导线容置于多组合传感器支架26和可调式三角支架15的内部，并由可调式三角支架15的中部穿出后与数据采集与无线传输箱14连接。如此的设置，可以保证连接导线不外漏，起到保护连接导线的作用。并且，本实施例中，土壤表层监测模块2与地表低空监测模块1共同一个可调式三角支架15和一个数据采集与无线传输箱14，如此可以简化结构设置，进而简化组装操作。

可选地，多组合传感器支架26也为防水材质，这样可以有效保证土壤表层监测模块2在户外监测不受风沙、阴雨天气、灰尘的干扰，可有效避免户外工作时雨水、细小砂石对设备的破坏。

如图4所示，本发明的可选实施例中，土壤气体传感器包括土壤气体传感器防水外壳221、设置在土壤气体传感器防水外壳221内的土壤CO传感器222、土壤CH₄传感器224、土壤CO₂传感器225、土壤温湿度传感器223和传感器支撑架227，各个传感器均安装在传感器支撑架227上，且其传感器探头均外露于土壤气体传感器防水外壳221的底部。

本实施例中，土壤气体传感器防水外壳221的下部开口，传感器支撑架227固定于土壤气体传感器防水外壳221的下部开口处，各个传感器均安装在传感器支架上，且其下部传感器探头外露于土壤气体传感器防水外壳221的底部。

进一步地，土壤气体传感器防水外壳221的侧壁还设置有抽气让位口（未标示），土壤气体传感器还包括抽气管226，抽气管226通过抽气让位口伸入土壤气体传感器防水外壳221的内部，控制与数据采集模块3还包括抽气泵和抽气接收口36，抽气泵连接于抽气接收口36，抽气管226位于土壤气体传感器防水外壳221之外的一端连接于抽气接收口36。

需要说明的是，将通过抽气管226抽取的不同深度土壤区域的气体样品带回实验室，使用气相色谱实验检测该处气体浓度，将检测的气体浓度数据与传感器监测的气体浓度数据进行对照，从而确定计算监测误差。在监测误差小于预设值时，说明监测有效；反之，则需要重新监测操作。这里预设值为用户根据实际情况来确定的，可选地，预设值为5%。如图6所示，无人机高空监测模块4包括机架43、机翼42、动力模块、机载气象一体式传感器41和摄像头，机翼42安装动力模块的侧面，机架43支撑动力模块和机翼42，机载气象一体式传感器41和摄像头安装在动力模块上；动力模块包括电池，机载气象一体式传感器41和摄像头均通过导线连接于电池。

可以理解的，本发明的监测系统100高度一体化，地表低空监测模块1、土壤表层监测模块2、控制与数据采集模块3均采用密封防水设计，在户外监测可实现无人化自适应操作，有效避免由于阴雨天气造成监测中断的现象。

本发明的监测系统100中各模块均有供电系统，可有效缓解由于设备因为供电不足造成无法连续观测的问题，实现24小时无人值守全自动监测。

本发明还提出了一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测方法，该监测方法包括以下步骤：

（1）将控制与数据采集模块3放置平坦的地面上，展开折叠式太阳能板31，并转动可旋转太阳能板支撑架使得折叠式太阳能板31朝向太阳的方向，打开无人机监控屏35开关，等待无人机监控屏35开机并稳定运行；

（2）将机架43、机翼42、机载气象一体式传感器41、红外双光热成像摄像头44组装形成无人机高空监测模块4，其中机载气象一体式传感器41电源线与无人机电池连接；

（3）将控制与数据采集模块3开机运行，启动无人机高空监测模块4，使得无人机监控屏35正常接收到画面；

（4）将无人机高空监测模块4升空至预设高度（可选为400m），使用红外双光热成像摄像头44初步拍摄煤田火区具有白烟冒出的区域，并利用4G无线传输信号，同步传输至无人机监控屏35，记录该区域的地貌特征，记录完毕后返航；

（5）根据拍摄的画面确定研究区域，在研究区域中央布置地表低空监测模块1与土壤表层监测模块2；

其中，根据拍摄的画面确定研究区域，具体为：利用红外双光热成像摄像头44拍摄的热红外图像，选取温度异常的区域，以温度异常的区域为中心点，向外扩展形成10m×10m的研究区域。

（6）组装地表低空监测模块1，首先在横杆17上固定安装支架114与超声波气象一体式传感器，其次，将低空CO传感器112、低空CH₄传感器113通过螺帽固定在安装支架114的相应位置，并将低空气体传感器防水外壳111盖在安装支架114上形成低空气体传感器模组11；

（7）支起便携可调式三角支架15，分别将供电太阳能板13、数据采集与无线传输箱14固定在便携可调式三角支架15的顶部位置与中间位置，并将气象传感器12（也即超声波气象一体式传感器）、低空CO传感器11、低空CH₄传感器113与数据采集与无线传输箱14进行导线连接；

（8）分别在便携可调式三角支架15下方钻取深度为10cm、20cm、30cm的圆形孔，将伸长长度为10cm的土壤气体传感器模组、伸长长度为20cm的土壤气体传感器模组、伸长长度为30cm的土壤气体传感器模组埋入钻取的孔中，并回土压实。

（9）在便携可调式三角支架15立杆16上旋紧多组合传感器支架26，将上述安装好的土壤气体传感器模组、风速传感器24、气压传感器25安装在多组合传感器支架26上，将抽气管226的一端通过抽气让位口伸入土壤气体传感器模组内，另一端连接抽气接收口36，抽气接收口36连接于抽气泵；

（10）打开数据采集控制开关37，使得装置所有传感器正常运行，并等待数据显示屏34开机，稳定运行5分钟后，使得数据显示屏34读数趋于稳定，设定数据采集器读取储存数据的间隔时间为5s，连续运行24小时不间断监测。其中每天0:00、6:00、12:00、18:00四个时段抽气分析，在数据显示屏34观察抽气分析结果作为参照；如此的操作是因为：一天中早中晚不同时刻的温度变化不同，造成地表气压与煤层自燃产生气体的热浮力之间存在差异，从而选择这四个时段抽气分析，将抽取的气体样品带回实验室使用气相色谱实验检测该处气体浓度，与传感器监测的气体浓度数据进行对照，从而确定计算监测误差。在监测误差小于预设值时，说明监测有效；反之，则需要重新监测操作。这里预设值为用户根据实际情况来确定的，可选地，预设值为5%。

进一步地，由于不同高度受到的风度、温度等气象条件的不同，会对煤田火区气体的扩散释放造成一定的影响，因此，需要监测不同高空处的数据，具体操作如下：

选择每天0:00、6:00、12:00、18:00进行无人机高空监测模块4监测，首先对无人机更换电池，再次升空，升空至5m高空，运行机载气象一体式传感器41，使用4G无线传输信号读取传感器监测数据并传输到数据显示屏34上，在空中滞留二十分钟返航，更换电池。

再次升空无人机，升空至10m高空，运行机载气象一体式传感器41，使用4G无线传输信号读取传感器监测数据并传输到数据显示屏34上，在空中滞留二十分钟返航，更换电池。

（11）电脑主机通过数据传输口使用以太网读取控制与数据采集模块3得到的数据，利用微气象法求取高空区域高度为Z ₀ m内的气体通量和低空区域高度为Z ₁ m内的气体通量，利用浓度梯度法求取土壤区域内不同深度的气体通量，其具体计算公式见上述描述，在此不再一一赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括：

地表低空监测模块，用于监测煤田火区内地表低空区域处的气象参数和气体浓度；

土壤表层监测模块，用于监测煤田火区内土壤区域不同深度处的气体浓度、土壤温湿度、地表风速和气压；

无人机高空监测模块，用于监测煤田火区内高空区域处的气象参数和气体浓度；

控制与数据采集模块，包括折叠式太阳能板、数据采集器、数据显示屏、无人机监控屏、控制开关和数据传输口，所述折叠式太阳能板分别通过导线连接于所述控制开关和所述数据采集器，所述数据采集器与所述数据显示屏、所述无人机监控屏和所述数据传输口通讯连接，并与所述地表低空监测模块、所述土壤表层监测模块和无人机高空监测模块无线通讯连接，所述数据传输口用于连接工作电脑主机；

所述地表低空监测模块、所述土壤表层监测模块和所述无人机高空监测模块监测的数据上传至所述数据显示屏，工作电脑主机通过数据传输口获取所述数据采集器所采集的数据，并基于预先设置的计算公式计算得到地表低空区域内、土壤区域内不同深度处和高空区域内的气体通量；其中，基于浓度梯度法的计算公式计算得到土壤区域内不同深度处的气体通量；

所述土壤表层监测模块包括多组合传感器支架、安装在所述多组合传感器支架上的多个土壤气体传感器模组、风速传感器和气压传感器，多个所述土壤气体传感器模组的伸长长度不同，使用时分别插入土壤内不同深度处，用于监测不同土壤深度处气体的浓度；

所述土壤气体传感器模组包括土壤气体传感器防水外壳、设置在土壤气体传感器防水外壳内的土壤CO传感器、土壤CH₄传感器、土壤CO₂传感器、土壤温湿度传感器和传感器支撑架，各个传感器均安装在所述传感器支架上，所述土壤气体传感器防水外壳为上部和下部均开口的中空结构，且其传感器探头均外露于所述土壤气体传感器防水外壳的底部；

所述土壤气体传感器防水外壳的侧壁还设置有抽气让位口，所述土壤气体传感器还包括抽气管，所述抽气管通过所述抽气让位口伸入所述土壤气体传感器防水外壳的内部，用于抽取不同土壤深度处的气体样品，所述控制与数据采集模块还包括抽气泵和抽气接收口，所述抽气泵连接于所述抽气接收口，所述抽气管位于所述土壤气体传感器防水外壳之外的一端连接于所述抽气接收口；

所述无人机高空监测模块包括机架、机翼、动力模块、机载气象一体式传感器和摄像头，所述机翼安装所述动力模块的侧面，所述机架支撑所述动力模块和所述机翼，所述机载气象一体式传感器通过支撑架固定安装在所述动力模块的上方，且支撑架为镂空结构，所述摄像头安装在动力模块的底部；

所述动力模块包括电池，所述机载气象一体式传感器和所述摄像头均通过导线连接于所述电池；

所述机载气象一体式传感器用于不同时间段分别监测煤田火区内高空区域不同高度处的气象参数和气体浓度，气象参数包括某一高度处温度、湿度、气压和风速；

所述摄像头为红外双光热成像摄像头，用于拍摄煤田火区具有白烟冒出的区域处的热红外图像，选取温度异常的区域，以温度异常的区域为中心点，向外扩展形成10m×10m的研究区域。

2.如权利要求1所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，其特征在于，所述地表低空监测模块包括数据采集与无线传输箱，所述土壤表层监测模块的输出导线连接于所述数据采集与无线传输箱，所述无人机高空监测模块设置有无线传输模块，所述控制与数据采集模块还包括4G传输天线，所述数据采集与无线传输箱、所述无线传输模块和4G传输天线之间无线通讯传输；

和/或，所述控制与数据采集模块还包括可旋转式支撑架，所述折叠式太阳能板安装在所述可旋转式支撑架上。

3.如权利要求2所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，其特征在于，所述地表低空监测模块还包括低空气体传感器模组、气象传感器、供电太阳能板、可调式三角支架和横杆，所述横杆固定在所述可调式三角支架上部，所述低空气体传感器模组和所述气象传感器均安装在所述横杆上，所述供电太阳能板固定在所述可调式三角支架的顶部，所述数据采集与无线传输箱固定在所述可调式三角支架的中部；

所述横杆和所述可调式三角支架均为中空结构，所述低空气体传感器模块和所述气象传感器模组的输出导线均容置于横杆和所述可调式三角支架的内部，并由所述可调式三角支架的中部穿出后与所述数据采集与无线传输箱连接。

4.如权利要求3所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，其特征在于，所述低空气体传感器模组包括低空气体传感器防水外壳、设置于所述低空气体传感器防水外壳内的低空CO传感器、低空CH₄传感器和安装支架，所述低空气体传感器防水外壳的下端开口，所述低空CO传感器和所述低空CH₄传感器固定在所述安装支架上，所述安装支架的下端固定在所述横杆上。

5.如权利要求3所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，其特征在于，所述多组合传感器支架固定在所述可调式三角支架的下部；

所述多组合传感器支架为中空结构，多个所述土壤气体传感器、所述风速传感器和所述气压传感器的输出导线容置于所述多组合传感器支架和所述可调式三角支架的内部，并由所述可调式三角支架的中部穿出后与所述数据采集与无线传输箱连接。

6.一种煤田火区空-土垂直气体通量的监测方法，其特征在于，所述监测方法采用如权利要求1-5中任一项所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测系统，所述监测方法包括以下步骤：

步骤一，在煤田火区平坦的地面上组装控制与数据采集模块，使得折叠式太阳能板朝向太阳，打开无人机监控屏；

步骤二，组装无人机高空监测模块，将控制与数据采集模块开机运行，启动无人机高空监测模块，使得无人机监控屏能正常接收到画面；

步骤三，将无人机高空监测模块升空至预设高度，拍摄煤田火区具有白烟冒出的区域，并将拍摄的画面同步传输至无人机监控屏；

步骤四，根据拍摄的画面确定研究区域，在研究区域组装地表低空监测模块和土壤表层监测模块；

步骤五，打开控制与数据采集模块的控制开关，控制各个监测模块的传感器运行，并将数据显示屏开机，待数据显示屏上的数据稳定后，设定数据采集器的采集数据的间隔时间，进行连续不间断的监测；

步骤六，工作电脑主机读取数据采集器所采集的数据，并基于预先设置的计算公式计算求取地表低空区域内、土壤区域内和高空区域内的气体通量。

7.如权利要求6所述的煤田火区空-土垂直气体通量的监测方法，其特征在于，步骤四中，组装地表低空监测模块具体为，首先在横杆上固定低空气体传感器模组和气象传感器，然后支起可调式三角支架，将供电太阳能板、数据采集与无线传输箱分别固定在可调式三角支架的顶部位置和中间位置，并将气象传感器、低空CO传感器、低空CH₄传感器与数据采集与无线传输箱进行导线连接；

步骤四中，组装土壤表层监测模块具体为，首先在可调式三角支架下方钻取孔洞，将土壤气体传感器模组放入孔洞中，然后在可调式三角支架的立杆上旋紧多组合传感器支架，将土壤气体传感器模组、风速传感器和气压传感器安装在多组合传感器支架上。

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