CN114659993A - 一种基于卫星遥感的温室气体排放检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，包括：采集模块，用于采集温室气体数据和卫星遥感图像；处理模块，与采集模块连接，用于基于温室气体数据对卫星遥感图像进行校正处理，获得气体光谱图像；检测模块，与处理模块连接，用于根据气体光谱图像对待检测温室气体进行排放检测，获得检测结果。本发明的温室气体排放检测系统，在使用过程中通过收集空气能够达到大范围的检测使用，使检测温室气体内部的数据更加精准，同时检测更加全面，减少数据误差性。
Description
技术领域
本发明属于温室气体检测领域，特别是涉及一种基于卫星遥感的温室气体排放检测系统。
背景技术
全球气候变暖问题作为人类迄今面临的最重大环境问题，作为二十一世纪人类面临的最复杂挑战之一，其同时作为世界能源前景的关键，已经成为影响世界经济、政治的一个重要因素。人类活动导致的温室气体的排放是全球变暖的主要原因。当前人为温室气体排放的相关问题成为各国主要的研究对象。随着世界能源与环境问题越来越严峻，我国在快速发展经济的同时，必须致力于确保经济发展、能源消耗与环境保护的协调发展。
现有温室气体的检测都是针对农业、土壤、工厂废气等单独进行温室气体的检测，不同应用对应采用的检测设备各有差异，且检测的数据仅能供采集方小范围使用，应用范围小。并且采集的温室气体的种类单一。现有的温室气体检测不够全面，检测大范围温室气体时不够全面，无法进行全面的保障，不能够进行多层检测使用，无法将检测数据进行对比使用，使最终的数据不够精准。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了如下方案：一种基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，包括：
采集模块，用于采集温室气体数据和卫星遥感图像；
处理模块，与所述采集模块连接，用于基于所述温室气体数据对所述卫星遥感图像进行校正处理，获得气体光谱图像；
检测模块，与所述处理模块连接，用于根据所述气体光谱图像对待检测温室气体进行排放检测，获得检测结果。
优选地，所述采集模块包括用于采集温室气体数据的第一采集单元；
所述第一采集单元包括温室气体采集单元、温室气体传感器、气体过滤单元；
所述温室气体采集单元用于采集温室气体；
所述温室气体传感器，与温室气体采集单元连接，用于区分温室气体的种类和浓度；
所述气体过滤单元，分别与温室气体采集单元和温室气体传感器连接，用于滤除温室气体中的颗粒物。
优选地，所述温室气体传感器检测的温室气体的种类至少包括二氧化碳、二氧化氮、臭氧、氧化亚氮、甲烷、水汽、氢氟氯碳化物类、全氟碳化物和六氟化硫。
优选地，所述采集模块还包括用于采集卫星遥感图像的第二采集单元；
所述第二采集单元包括地面接收单元、地面处理单元；
所述地面接收单元用于接收并存储卫星遥感图像；
所述地面处理单元，与所述地面接收单元连接，用于对所述卫星遥感图像进行处理，识别所述卫星遥感图像中的光谱图像。
优选地，所述处理模块包括第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元；
所述第一处理单元用于图像剪切、图像旋转、图像镜像、图像增强、图像镶嵌、空间滤波、平滑处理、投影变化、数值统计的预处理操作；
所述第二处理单元用于将视频流图像信息进行实时编解码操作和格式转化；
所述第三处理单元用于波段运算、感兴趣区、掩模提取、异常值标准化、图像分类、几何校正、像素定位、超光谱数据的光谱定标、及光谱分析。
优选地，还包括数据传输模块、显示模块；
所述检测模块通过所述数据传输模块与所述显示模块连接；
所述数据传输模块用于通过无线传输单元将数据发送至所述显示模块的无线收发单元；
所述显示模块用于报警显示和显示检测结果。
优选地，还包括报警模块，所述报警模块与检测模块连接，用于根据排放检测结果进行报警；
所述报警模块包括浓度等级划分单元、报警单元；
所述等级划分单元用于根据不同种类的温室气体的不同气体浓度设置等级阈值，根据所述等级阈值进行等级划分；
所述报警单元，分别与所述等级划分单元和所述显示模块连接，用于根据划分的不同等级阈值实现不同等级的报警显示。
优选地，所述报警单元包括声音报警装置、光电报警装置。
本发明公开了以下技术效果：
本发明通过基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，使系统在使用过程中通过收集空气能够达到大范围的检测使用，提高操作使用范围性，增加检测的全面性，使检测温室气体内部的数据更加精准，同时检测更加全面，减少数据误差性，在使用过程中能够更好的收集温室气体进行检测使用，能够同时对多种不同种类的温室气体进行数据检测，将得到的数据进行对比使用，使最终得到的数据更加全面，提高气体检测范围性；通过本系统检测得到的精准数据，从而进行后期的有效改善，不断对温室气体进行改善可治理，解决大气环境和气候变化问题。
本发明借用卫星遥感的方式，获得待测区域的遥感图像，对获得的遥感图像进行分析，以识别出气体光谱图像，并基于气体光谱图像的对应的不同温室气体浓度阈值进行分层次的监控，实现了对待测区域的各类温室气体浓度进行实时有效监测和报警，当超过设定浓度阈值时进行报警，使监控人员能够第一时间了解本地区的温室气体超标情况。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将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仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的系统结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、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发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供了一种基于卫星遥感的温室气体排放检测系统,包括：
采集模块，用于采集温室气体数据和卫星遥感图像；
处理模块，与采集模块连接，用于基于温室气体数据对卫星遥感图像进行校正处理，获得气体光谱图像；
检测模块，与处理模块连接，用于根据气体光谱图像对待检测温室气体进行排放检测，获得检测结果。
采集模块包括用于采集温室气体数据的第一采集单元；
第一采集单元包括温室气体采集单元、温室气体传感器、气体过滤单元；
温室气体采集单元用于采集温室气体；
温室气体传感器，与温室气体采集单元连接，用于区分温室气体的种类和浓度；
气体过滤单元，分别与温室气体采集单元和温室气体传感器连接，用于滤除温室气体中的颗粒物。
温室气体传感器检测的温室气体的种类至少包括二氧化碳、二氧化氮、臭氧、氧化亚氮、甲烷、水汽、氢氟氯碳化物类、全氟碳化物和六氟化硫。
采集模块还包括用于采集卫星遥感图像的第二采集单元；
第二采集单元包括地面接收单元、地面处理单元；
地面接收单元用于接收并存储卫星遥感图像；
地面处理单元，与地面接收单元连接，用于对卫星遥感图像进行处理，识别卫星遥感图像中的光谱图像。
处理模块包括第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元；
第一处理单元用于图像剪切、图像旋转、图像镜像、图像增强、图像镶嵌、空间滤波、平滑处理、投影变化、数值统计的预处理操作；
第二处理单元用于将视频流图像信息进行实时编解码操作和格式转化；
第三处理单元用于波段运算、感兴趣区、掩模提取、异常值标准化、图像分类、几何校正、像素定位、超光谱数据的光谱定标、及光谱分析。
还包括数据传输模块、显示模块；
检测模块通过数据传输模块与显示模块连接；
数据传输模块用于通过无线传输单元将数据发送至显示模块的无线收发单元；
还包括报警模块，报警模块与检测模块连接，用于根据排放检测结果进行报警；
报警模块包括浓度等级划分单元、报警单元；
等级划分单元用于根据不同种类的温室气体的不同气体浓度设置等级阈值，根据等级阈值进行等级划分；
报警单元，分别与等级划分单元和显示模块连接，用于根据划分的不同等级阈值实现不同等级的报警显示。
报警单元包括声音报警装置、光电报警装置。
实施例一
如图1所示，本发明提供的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统,包括：
采集模块，用于采集温室气体数据和卫星遥感图像；
采集模块包括用于采集温室气体数据的第一采集单元；
第一采集单元包括温室气体采集单元、温室气体传感器、气体过滤单元；
温室气体采集单元用于采集温室气体；
温室气体传感器，与温室气体采集单元连接，用于区分温室气体的种类和浓度；
气体过滤单元，分别与温室气体采集单元和温室气体传感器连接，用于滤除温室气体中的颗粒物。
温室气体采集单元，包括气腔、设于气腔的进气口和出气口、设于进气口处的进气阀、设于出气口处的出气阀以及设于进气口的进气泵；进气阀、出气阀和进气泵分别与控制器连接，控制器分别控制进气阀、出气阀和进气泵的启闭。为了避免气腔内气体与待测环境中的气体的压力存在压力差，在温室气体采集单元的气腔内设有压力传感器，用于检测气腔内气压，压力传感器与控制器连接，控制器根据气压值控制进气阀、出气阀和进气泵的启闭。当气腔内压力大于待测环境中的气体的压力时，控制器发出开启出气阀的指令，将出气阀打开并实时检测气腔内的压力，当实时检测的气腔内的压力与待测环境中的气体的压力相等时，发出关闭出气阀的指令。
温室气体传感器，与温室气体采集单元中的待测环境气体接触，用于感应温室气体，并测出待测环境气体中温室气体的种类和浓度。在本实施例中，温室气体传感器为离轴积分腔输出光谱检测仪，温室气体采集单元的出气口与离轴积分腔输出光谱检测仪的进气口连接，待测环境气体进入离轴积分腔输出光谱检测仪，离轴积分腔输出光谱检测仪检测待测环境气体中温室气体的种类和浓度。
其中，离轴积分腔输出光谱检测仪包括激光器、激光控制器和信号发生器，信号发生器的信号输出端与激光控制器的信号输入端连接，激光控制器的信号输出端与激光器控制连接，激光器的前方光路上设置有积分腔，积分腔用于容纳气体，积分腔的两端设有进气口、出气口，积分腔的在激光的传播方向上相对的前内壁和后内壁的内表面分别设置第一高反射镜和第二高反射镜，激光经第一高反射镜耦合进入积分腔、再经第二高反射镜透射出去并会聚至位于积分腔后方的光电探测器上，其中第一高反射镜为平凹高反射镜，第二高反射镜为凹凸高反射镜；光电探测器的信号输出端与信号处理系统的信号输入端连接，信号处理系统的输出端与控制器连接；积分腔的进气口与温室气体采集单元的出气口连接。本实施例采用离轴积分腔输出光谱检测仪检测待测环境气体中温室气体的种类和浓度，提高了温室气体检测的灵敏度。且可通过选配来实现不同温室气体种类的检测。本发明的温室气体传感器还可以是其他温室气体检测仪或气体分析仪。
为了避免待测环境气体中的杂质损坏温室气体传感器，和避免对检测精度的影响，在温室气体采集单元和温室气体传感器还连接有气体过滤装置，气体过滤装置用于滤除待测环境气体中的颗粒物。
温室气体传感器检测的温室气体的种类至少包括二氧化碳、二氧化氮、臭氧、氧化亚氮、甲烷、水汽、氢氟氯碳化物类、全氟碳化物和六氟化硫。
采集模块还包括用于采集卫星遥感图像的第二采集单元；
第二采集单元包括地面接收单元、地面处理单元；
地面接收单元用于接收并存储卫星遥感图像；
地面处理单元，与地面接收单元连接，用于对卫星遥感图像进行处理，识别卫星遥感图像中的光谱图像。
进一步地，对地面接收单元进行更具体的说明。
地面接收单元包括反射面天线，具有抛物面式的反射面，用于搜索和跟踪卫星，以接收温室气体检测区域的卫星遥感图像，磁带机，与反射面天线连接，用于记录卫星遥感图像。
地面处理单元包括，接收装置，连接磁带机，用于接收卫星遥感图像；RS-232串行通信接口，与存储装置连接，用于将各类温室气体的不同等级阈值读入存储装置中；存储装置，用于存储各类温室气体的不同等级阈值。
地面处理单元还包括辐射校正装置，与接收装置连接，用于对卫星遥感图像进行辐射校正处理，以输出辐射校正图像；几何校正装置，与辐射校正装置连接，用于对辐射校正图像进行几何校正处理，以输出几何校正图像。
地面处理单元还包括小波滤波装置，与几何校正装置连接，用于基于Harr小波滤波器对几何校正图像进行图像滤波，以输出滤波图像；图像分离装置，与小波滤波装置和存储装置分别连接，用于将滤波图像中灰度值根据温室气体等级阈值进行像素识别并组成粗略遥感图像。
地面处理单元还包括温室气体种类识别装置，与图像分离装置连接，针对粗略遥感图像中的每一个像素，计算饱和度，根据计算的饱和度值判断温室气体种类。
处理模块，与采集模块连接，用于基于温室气体数据对卫星遥感图像进行校正处理，获得气体光谱图像；
进一步地，所述处理模块用于完成卫星遥感图像的基本图像处理，所述处理模块包括第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元；
所述第一处理单元用于图像剪切、图像旋转、图像镜像、图像增强、图像镶嵌、空间滤波、平滑处理、投影变化、数值统计的预处理操作；
所述第二处理单元用于将视频流图像信息进行实时编解码操作和格式转化；
所述第三处理单元用于波段运算、感兴趣区、掩模提取、异常值标准化、图像分类、几何校正、像素定位、超光谱数据的光谱定标、及光谱分析。本发明通过掩膜提取去除气体遥感图像中夜间灯光数据的异常值，对气体遥感图像数据中超出合理阈值的数据进行标准化处理，对于异常值采用周围邻居栅格的平均值进行替代。
具体地，第三处理单元用于高分辨率夜间灯光数据的提取和处理。
高分辨率夜间灯光数据的提取：
本发明创新性的引入了夜间灯光数据，结合气象因素变量作为排放检测模块的输入变量。
本实施例利用由Suomi国家极轨道伙伴关系卫星(SuomiNationalPolar-orbitingPartnership,SNPP)搭载的可见光红外成像辐射仪(VisibleInfraredImagingRadiometerSuite,VIIRS)提供的夜间灯光数据产品(NPPVIIRSNTLdata)，经重采样提取空间分辨率为1×1km2的夜间灯光数据。
夜间灯光数据的清洗：
1)通过掩膜提取技术(Masking)去除月平均夜间灯光数据中的异常值。异常值是指，包括负值和山火，气体燃烧，火山爆发及极光等所带来的异常值。
2)对夜间灯光数据中超出合理阈值的数据进行标准化处理。实施例中合理阈值采用的是：目标区域内特大、较大城市(例如：北京)的夜间灯光强度最大值。该最大值可从2015-2016的NPP-VIIRSNTL产品及2012-2013的DMSP-OLS数据中获取，且该数据集已经通过官方校验并已经将异常值进行了移除，故其最大值可近似视作合理夜间灯光强度的上限。标准化处理指对于夜间灯光数据集中超过该阈值的栅格，使用该异常栅格周围点的平均值对其进行替代。
检测模块，与处理模块连接，用于根据气体光谱图像对待检测温室气体进行排放检测，获得检测结果。
气体检测装置包括控制芯片、气体检测器、连接控制芯片和气体检测器的A/D转换芯片以及连接在控制芯片上的数据传输模块，不同的气体检测器用于检测大气中的不同的温室气体，气体检测器将采集到的温室气体种类、浓度信号通过A/D转换芯片转化成数据信号，并在该数据信号上添加所检测温室气体和该气体检测装置的数据信号代码，最后打包后通过数据传输模块发送出去，通过显示模块的智能设备进行显示。
其中，气体检测器至少包括二氧化碳检测器、二氧化氮检测器、臭氧检测器、氧化亚氮检测器、甲烷检测器、水汽检测器、氢氟碳化物检测器、全氟碳化物检测器和六氟化硫检测器；A/D转换芯片优选ADS8364芯片，控制芯片上连接有RS232数据输入接口，计算机和数据传输模块通过RS232串口连接，计算机内安装有温室气体监测软件。
以二氧化碳传感器为例，二氧化碳传感器又包括电源、二氧化碳浓度传感器、运算放大器、第一多谐振荡器、第二多谐振荡器、第一电阻至第七电阻、第一电容至第七电容、电位器和扬声器，电源的正极同时与第二多谐振荡器的正极、第一多谐振荡器的正极、第六电阻的第一端、第四电阻的第一端、运算放大器的正极、第二电容的第一端、电位器的第一端、二氧化碳浓度传感器的正极和第一电容的第一端连接，电源的负极同时与扬声器的第一端、第六电容的第一端、第二多谐振荡器的负极、第五电容的第一端、第四电容的第一端、第一多谐振荡器的负极、第三电容的第一端、运算放大器的负极、电位器的第二端、第二电容的第二端、二氧化碳浓度传感器的负极和第一电容的第二端连接，二氧化碳浓度传感器的信号输出端与第一电阻的第一端连接，第一电阻的第二端同时与运算放大器的正极信号输入端和第三电阻的第一端连接，电位器的滑动端与第二电阻的第一端连接，第二电阻的第二端与运算放大器的负极信号输入端连接，运算放大器的输出端同时与第三电阻的第二端和第一多谐振荡器的重置端连接，第四电阻的第二端同时与第一多谐振荡器的放电端和第五电阻的第一端连接，第五电阻的第二端同时与第一多谐振荡器的重置锁定端、第一多谐振荡器的触发端和第三电容的第二端连接，第一多谐振荡器的输出端与第二多谐振荡器的重置端连接，第六电阻的第二端同时与第二多谐振荡器的放电端和第七电阻的第一端连接，第七电阻的第二端同时与第二多谐振荡器的触发端、第二多谐振荡器的重置锁定端和第五电容的第二端连接，第四电容的第二端与第一多谐振荡器的控制端连接，第六电容的第二端与第二多谐振荡器的控制端连接，第二多谐振荡器的输出端与第七电容的第一端连接，第七电容的第二端与扬声器的第二端连接。其他气体检测传感器不再一一列举。
还包括数据传输模块、显示模块；
检测模块通过数据传输模块与显示模块连接；
数据传输模块用于通过无线传输单元将数据发送至显示模块的无线收发单元；显示模块用于报警显示和显示检测结果。
还包括报警模块，报警模块与检测模块连接，用于根据排放检测结果进行报警；
报警模块包括浓度等级划分单元、报警单元；
等级划分单元用于根据不同种类的温室气体的不同气体浓度设置等级阈值，根据等级阈值进行等级划分；
报警单元，分别与等级划分单元和显示模块连接，用于根据划分的不同等级阈值实现不同等级的报警显示。
报警单元包括声音报警装置、光电报警装置。
报警模块的等级划分单元根据用户的预设操作，设定第一浓度等级、第二浓度等级、第三浓度等级；第二浓度等级大于第一浓度等级且小于第三浓度等级。等级划分单元与检测模块连接接收检测结果，通过声音报警装置、光电报警装置发出报警。
当检测结果的浓度小于第一浓度等级时，认为空气达标，显示绿色报警信号；当检测结果的浓度大于第一浓度等级且小于第二浓度等级时，显示蓝色报警信号；当检测结果的浓度大于第二浓度等级且小于第三浓度等级时，显示黄色报警信号；当检测结果的浓度大于第三浓度等级但在超过第三浓度等级阈值的20％的范围以内时，显示橙色报警信号；当检测结果的浓度大于第三浓度等级且超过第三浓度等级阈值的20％的范围时，显示红色报警信号；光电报警装置通过不同颜色的报警信号实时显示气体检测结果。除此之外，声音报警装置为语音播放设备，与光电报警装置连接，用于播放与报警信号分别对应的语音警示文件；无线通信接口，与报警模块的中央控制器连接，以在接收到报警信号时，将报警信息通过无线通信网络发送到管理负责人的移动终端上。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于卫星遥感的温室气体排放检测系统,其特征在于，包括：
采集模块，用于采集温室气体数据和卫星遥感图像；
处理模块，与所述采集模块连接，用于基于所述温室气体数据对所述卫星遥感图像进行校正处理，获得气体光谱图像；
检测模块，与所述处理模块连接，用于根据所述气体光谱图像对待检测温室气体进行排放检测，获得检测结果。
2.根据权利要求1所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，
所述采集模块包括用于采集温室气体数据的第一采集单元；
所述第一采集单元包括温室气体采集单元、温室气体传感器、气体过滤单元；
所述温室气体采集单元用于采集温室气体；
所述温室气体传感器，与温室气体采集单元连接，用于区分温室气体的种类和浓度；
所述气体过滤单元，分别与温室气体采集单元和温室气体传感器连接，用于滤除温室气体中的颗粒物。
3.根据权利要求2所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，
所述温室气体传感器检测的温室气体的种类至少包括二氧化碳、二氧化氮、臭氧、氧化亚氮、甲烷、水汽、氢氟氯碳化物类、全氟碳化物和六氟化硫。
4.根据权利要求1所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，
所述采集模块还包括用于采集卫星遥感图像的第二采集单元；
所述第二采集单元包括地面接收单元、地面处理单元；
所述地面接收单元用于接收并存储卫星遥感图像；
所述地面处理单元，与所述地面接收单元连接，用于对所述卫星遥感图像进行处理，识别所述卫星遥感图像中的光谱图像。
5.根据权利要求1所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，
所述处理模块包括第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元；
所述第一处理单元用于图像剪切、图像旋转、图像镜像、图像增强、图像镶嵌、空间滤波、平滑处理、投影变化、数值统计的预处理操作；
所述第二处理单元用于将视频流图像信息进行实时编解码操作和格式转化；
所述第三处理单元用于波段运算、感兴趣区、掩模提取、异常值标准化、图像分类、几何校正、像素定位、超光谱数据的光谱定标、及光谱分析。
6.根据权利要求1所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，
还包括数据传输模块、显示模块；
所述检测模块通过所述数据传输模块与所述显示模块连接；
所述数据传输模块用于通过无线传输单元将数据发送至所述显示模块的无线收发单元；
所述显示模块用于报警显示和显示检测结果。
7.根据权利要求1所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，
还包括报警模块，所述报警模块与检测模块连接，用于根据排放检测结果进行报警；
所述报警模块包括浓度等级划分单元、报警单元；
所述等级划分单元用于根据不同种类的温室气体的不同气体浓度设置等级阈值，根据所述等级阈值进行等级划分；
所述报警单元，分别与所述等级划分单元和显示模块连接，用于根据划分的不同等级阈值实现不同等级的报警显示。
8.根据权利要求7所述的基于卫星遥感的温室气体排放检测系统，其特征在于，所述报警单元包括声音报警装置、光电报警装置。
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- 2022-03-28 CN CN202210309564.8A patent/CN114659993B/zh active Active
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