CN115391724A - 无人机温室气体排放量测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无人机温室气体排放量测量方法及装置，所述方法包括基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；位置信息包括精度、纬度和海拔高度；根据温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。本发明通过建立温室气体的传输截面来计算净通量，将无人机飞行测量时卫星定位系统输出的多维位置信息映射至三维平面，然后将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体的传输截面，温室气体传输截面建立后，与盒子顶端构成封闭体积。可依据截面上各点风向量、空气密度、温室气体浓度等要素的积分计算温室气体排放量。

Description

无人机温室气体排放量测量方法及装置
技术领域
本发明属于无人机技术领域，具体涉及一种无人机温室气体排放量测量方法及装置。
背景技术
目前，对于任意尺度上温室气体的排放量估算主要采取两大类方法：自下而上法和自上而下法。前者使用排放量因子或者模型统计排放量总量后者基于大气测量，将测量结果和算法相结合获得排放量。目前通过无人机测量温室气体排放量，是大气源排放量的最新测量方法。
对于目前使用质量平衡法量化温室气体排放强度存在的主要缺点总结如下：
比较简单地根据质量通量而得到排放量，没有考虑到垂直方向的平流通量，也没有考虑到因空气密度改变而导致的温室气体的增加量。算法所使用的风矢量往往来源于地面站的测量，再根据风廓线关系得到整个测量屏幕的风速参数。这种方法往往得到的估计风速值往往与真实值有较大差异，且高度越高，差异越大。背景值的提取往往依赖于上风屏幕的采样，且往往是单一的值。当采样范围足够大时，只考虑上风向屏幕可能不具有代表性。现有质量平衡算法通常独立于无人机测量排放测量数据，是作为独立运算的一部分，而不是无人机测量系统数据算法的一部分。因此，现有技术总的无人机排放测量存在诸多不足之处。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无人机温室气体排放量测量方法及装置，以解决现有技术中无人机排放测量存在不足的问题。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种无人机温室气体排放量测量方法，包括：
基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；
根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
进一步的，所述基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，包括：
获取无人机飞行轨迹及其在经纬度平面上的轨迹拟合曲线，确定曲线长度；
根据曲线长度与经纬度的函数关系；
根据所述函数关系以曲线长度对应的海拔高度建立截面飞行轨迹。
进一步的，所述基本要素包括风向量、空气密度和温室气体浓度，采用克里金将不同位置飞行测得的基本要素进行空间插值。
进一步的，根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分采用以下方式计算排放量，包括：
获取风向量在所述温室气体传输截面上的三维风向量；
获取空气密度在改变导致空气密度质量改变量；
基于所述三维风向量和空气密度质量改变量计算空气垂直方向的平流通量；
根据预设的温室气体传输截面顶部的浓度、温室气体与空气的摩尔质量之比以及空气垂直方向的平流通量计算温室气体垂直方向的平流通量；
根据温室气体传输截面点位的温室气体浓度、空气密度和截面水平风向量计算温室气体水平方向的平流通量；
基于所述温室气体垂直方向的平流通量、温室气体水平方向的平流通量及空气密度改变得到的温室气体的增加量计算温室气体的排放量。
进一步的，基于所述三维风向量和空气密度质量改变量采用以下方式计算空气垂直方向的平流通量，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 943015DEST_PATH_IMAGE002
为空气垂直方向的平流通量，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为空气密度质量改变量，
Figure 293356DEST_PATH_IMAGE004
为空气水平方向的平流通量。
进一步的，采用以下方式根据预设的温室气体传输截面顶部的浓度、温室气体与空气的摩尔质量之比以及空气垂直方向的平流通量计算温室气体垂直方向的平流通量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 323892DEST_PATH_IMAGE006
为温室气体垂直方向的平流通量，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为温室气体与空气的摩尔质量之比，
Figure 31953DEST_PATH_IMAGE008
为截面顶部温室气体C浓度的平均值。
进一步的，采用以下方式根据温室气体传输截面点位的温室气体浓度、空气密度和截面水平风向量计算温室气体水平方向的平流通量，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 243705DEST_PATH_IMAGE010
为温室气体水平方向的平流通量，截面点位的温室气体浓度
Figure DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 714132DEST_PATH_IMAGE012
为空气密度，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为水平风向量；
采用以下方式根据空气密度改变得到的温室气体的增加量，
Figure 414104DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示温室气体与空气的摩尔质量之比；
Figure 110926DEST_PATH_IMAGE016
为空气密度随时间的变化率；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
表示飞行时间；
Figure 23388DEST_PATH_IMAGE018
分别表示压力与温度变量；P、T分别表示平均压力与温度；A表示飞行区域面积；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
代表屏幕单一高度z上的混合比平均值。
进一步的，基于所述温室气体垂直方向的平流通量、温室气体水平方向的平流通量及空气密度改变得到的温室气体的增加量采用以下方式计算温室气体的排放量
Figure 754846DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是排放源单位时间内对大气温室气体C总的排放量；
Figure 94560DEST_PATH_IMAGE022
是因大气密度改变温室气体C的增加量。
进一步的，采用克里金法将不同位置飞行测得的基本要素进行空间插值；
所述插值包括：背景值、常数、零-常数、直线拟合或指数拟合。
本申请实施例提供一种无人机温室气体排放量测量装置，包括：
建立模块，用于基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；
计算模块，用于根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
本发明采用以上技术方案，能够达到的有益效果包括：
本发明提供一种无人机温室气体排放量测量方法及装置，通过建立温室气体的传输截面来计算净通量，将无人机飞行测量时卫星定位系统输出的位置信息映射至三维平面，然后将不同位置飞行测得的基本要素进行空间插值，建立温室气体的传输截面，温室气体传输截面建立后，与盒子顶端构成封闭体积。可依据截面上各点风向量、空气密度、温室气体浓度等要素的积分计算温室气体排放量。本申请提供的技术方案完整地将无人机测量结果运算成为排放源的温室气体排放量，构建了一个从观测到运算结果的闭环系统。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明无人机温室气体排放量测量方法的步骤示意图；
图2为本发明提供的无人机飞行轨迹及其在经纬度平面上的拟合曲线示意图；
图3为本发明无人机截面飞行轨迹示意图；
图4为本发明CO2烟羽截面浓度分布示意图；
图5为本发明提供的温室气体排放量量化结果示意图；
图6为本发明无人机温室气体排放量测量装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
作为无人机温室气体排放测量系统的运算部分，本申请提供的技术方案基于散度定理，利用无人机测量所得的温室气体与气象数据，建立大气温室气体质量平衡算法。工作原理是：分布在特定的大气体积中的排放源单位时间内产生的流体的总质量等于离开此体积的流体总质量，即温室气体排放/传输量等于流出曲面的净质量通量。根据质量平衡，对于温室气体C有：
Figure 278679DEST_PATH_IMAGE023
（1）
其中，
Figure 260410DEST_PATH_IMAGE024
是排放源单位时间内对大气温室气体C总的排放量；
Figure 954697DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 966777DEST_PATH_IMAGE025
是平流项，分别表示水平和垂直方向的平流通量；
Figure 12094DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 797516DEST_PATH_IMAGE027
是湍流项，分别表示水平和垂直方向的湍流通量；
Figure 706829DEST_PATH_IMAGE028
是因大气密度改变温室气体C的增加量。
下面结合附图介绍本申请实施例中提供的一个具体的无人机温室气体排放量测量方法及装置。
如图1所示，本申请实施例中提供的无人机温室气体排放量测量方法，包括：
S101，基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；
一些实施例中，如图2所示，所述基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，包括：
获取无人机飞行轨迹及其在经纬度平面上的轨迹拟合曲线，确定曲线长度；
根据曲线长度与经纬度的函数关系；
根据所述函数关系以曲线长度对应的海拔高度建立截面飞行轨迹。
具体的，实现无人机空间位置映射按下列步骤完成：
计算轨迹拟合曲线如图2所示，然后就可以得到轨迹拟合曲线的曲线长度s，建立曲线长度s与经纬度的函数关系：s = f (x, y)；然后以s和对应的海拔高度z建立截面飞行轨迹s-z，如图3所示。
为了得到更加精确的温室气体传输截面，需要将飞行测量的气象资料、温室气体浓度等要素在飞行轨迹s-z上进行内插值。以温室气体浓度
Figure 794870DEST_PATH_IMAGE029
为例，即为，
Figure 186537DEST_PATH_IMAGE030
（2）
其中，
Figure 385437DEST_PATH_IMAGE031
为温室气体浓度在点(s，z) 处的估计值，
Figure 680415DEST_PATH_IMAGE032
为第i个点位温室气体浓度观测值，
Figure 939358DEST_PATH_IMAGE033
为权重系数
Figure 552742DEST_PATH_IMAGE034
。可以理解的是，本申请采用克里金方法进行空间插值，需要插值的基本要素有风向量、空气密度和温室气体浓度。
S102，根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
一些实施例中，根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分采用以下方式计算排放量，包括：
获取风向量在所述温室气体传输截面上的三维风向量；
获取空气密度在改变导致空气密度质量改变量；
基于所述三维风向量和空气密度质量改变量计算空气垂直方向的平流通量；
根据预设的温室气体传输截面顶部的浓度、温室气体与空气的摩尔质量之比以及空气垂直方向的平流通量计算温室气体垂直方向的平流通量；
根据温室气体传输截面点位的温室气体浓度、空气密度和截面水平风向量计算温室气体水平方向的平流通量；
基于所述温室气体垂直方向的平流通量、温室气体水平方向的平流通量及空气密度改变得到的温室气体的增加量计算温室气体的排放量。
具体的，温室气体传输截面建立后，与盒子顶端构成封闭体积。可依据截面上各点风向量
Figure 181432DEST_PATH_IMAGE035
、空气密度
Figure 704817DEST_PATH_IMAGE036
、温室气体浓度
Figure 993716DEST_PATH_IMAGE037
等要素的积分计算式中的各项内容。
Figure 969762DEST_PATH_IMAGE038
表示空气在水平方向的平流量，故需要获得风向量在截面上的水平分量
Figure 136563DEST_PATH_IMAGE039
。水平风向量在实际测量中分解为北向和东向的分量，
Figure 780034DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 505414DEST_PATH_IMAGE041
，且s为经纬度x和y的函数。水平风向量
Figure 594855DEST_PATH_IMAGE042
的计算式为：
Figure 673669DEST_PATH_IMAGE043
（3）
Figure 296280DEST_PATH_IMAGE044
表示测量过程中因空气密度的改变而导致其质量增加或减少量，即，
Figure 802348DEST_PATH_IMAGE045
（4）
其中，
Figure 644664DEST_PATH_IMAGE046
为空气密度随时间的变化率。测量时段内大气温度和压力的变化可由无人机搭载的气象传感器测量得到。
此时，
Figure 651803DEST_PATH_IMAGE047
（5）
假设温室气体在截面顶部的浓度为
Figure 4287DEST_PATH_IMAGE048
，则温室气体C垂直方向的平流量
Figure 838513DEST_PATH_IMAGE049
为：
Figure 276448DEST_PATH_IMAGE050
（6）
其中，
Figure 556120DEST_PATH_IMAGE051
等于截面顶部温室气体C浓度的平均值；RM温室气体与空气的摩尔质量之比（假设空气的摩尔质量为28.89 Kg/mol）。
Figure 28689DEST_PATH_IMAGE052
可依据截面点位的温室气体浓度
Figure 502658DEST_PATH_IMAGE053
、空气密度
Figure 552523DEST_PATH_IMAGE054
和截面水平风向量
Figure 776831DEST_PATH_IMAGE055
计算得出：
Figure 730005DEST_PATH_IMAGE009
（7）
Figure 14356DEST_PATH_IMAGE056
（8）
其中，
Figure 551517DEST_PATH_IMAGE015
表示温室气体与空气的摩尔质量之比（假设空气的摩尔质量为28.89Kg/mol）；
Figure 313936DEST_PATH_IMAGE046
为空气密度随时间的变化率；
Figure 121618DEST_PATH_IMAGE017
表示飞行时间；
Figure 701504DEST_PATH_IMAGE018
表示压力与温度变量；P、T分别表示平均压力与温度；A表示飞行区域面积；
Figure 601327DEST_PATH_IMAGE019
代表屏幕单一高度上（z）上的混合比平均值。
采用以下方式计算温室气体的排放量。
Figure 770098DEST_PATH_IMAGE057
（9）
其中，
Figure 806187DEST_PATH_IMAGE058
是排放源单位时间内对大气温室气体C总的排放量；
Figure 556975DEST_PATH_IMAGE059
是因大气密度改变温室气体C的增加量。
本申请提供的技术方案按照无人机温室气体测量时围绕目标排放源进行盒子飞行所获得的数据，构成围绕排放源的闭合截面，在气象条件稳定的情况下，无人机也可进行单一截面的飞行，以期捕获到整个烟羽的截面分布，所获数据可直接进行计算。
如图6所示，本申请实施例提供一种无人机温室气体排放量测量装置，包括：
建立模块201，用于基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；
计算模块202，用于根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
本申请提供的无人机温室气体排放量测量装置的工作原理为，建立模块201基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；计算模块202根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
综上所述，本发明提供一种无人机温室气体排放量测量方法及装置，所述方法包括基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；位置信息包括精度、纬度和海拔高度；根据温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。本发明通过建立温室气体的传输截面来计算净通量，将无人机飞行测量时卫星定位系统输出的位置信息映射至三维平面，然后将不同位置飞行测得的基本要素进行空间插值，建立温室气体的传输截面，温室气体传输截面建立后，与盒子顶端构成封闭体积。可依据截面上各点风向量、空气密度、温室气体浓度等要素的积分计算温室气体排放量。本申请提供的技术方案完整地将无人机测量结果运算成为排放源的温室气体排放量，构建了一个从观测到运算结果的闭环系统。
可以理解的是，上述提供的方法实施例与上述的装置实施例对应，相应的具体内容可以相互参考，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令方法的制造品，该指令方法实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无人机温室气体排放量测量方法，其特征在于，包括：
基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；
根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，包括：
获取无人机飞行轨迹及其在经纬度平面上的轨迹拟合曲线，确定曲线长度；
根据曲线长度与经纬度的函数关系；
根据所述函数关系以曲线长度对应的海拔高度建立截面飞行轨迹。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述基本要素包括风向量、空气密度和温室气体浓度，采用克里金方法将不同位置飞行测得的基本要素进行空间插值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分采用以下方式计算排放量，包括：
获取所述温室气体传输截面上的三维风向量；
获取空气密度在改变导致空气密度质量改变量；
基于所述三维风向量和空气密度质量改变量计算空气垂直方向的平流通量；
根据预设的温室气体传输截面顶部的浓度、温室气体与空气的摩尔质量之比以及空气垂直方向的平流通量计算温室气体垂直方向的平流通量；
根据温室气体传输截面点位的温室气体浓度、空气密度和截面水平风向量计算温室气体水平方向的平流通量；
基于所述温室气体垂直方向的平流通量、温室气体水平方向的平流通量及空气密度改变得到的温室气体的增加量计算温室气体的排放量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
基于所述三维风向量和空气密度质量改变量采用以下方式计算空气垂直方向的平流通量，
Figure 113161DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 342017DEST_PATH_IMAGE002
为空气垂直方向的平流通量，
Figure 498192DEST_PATH_IMAGE003
为空气密度质量改变量，
Figure 921345DEST_PATH_IMAGE004
为空气水平方向的平流通量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，采用以下方式根据预设的温室气体传输截面顶部的浓度、温室气体与空气的摩尔质量之比以及空气垂直方向的平流通量计算温室气体垂直方向的平流通量，
Figure 530181DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 828307DEST_PATH_IMAGE006
为温室气体垂直方向的平流通量，
Figure 465087DEST_PATH_IMAGE007
为温室气体与空气的摩尔质量之比，
Figure 433043DEST_PATH_IMAGE008
为截面顶部温室气体C浓度的平均值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采用以下方式根据温室气体传输截面点位的温室气体浓度、空气密度和截面水平风向量计算温室气体水平方向的平流通量，
Figure 653809DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 725932DEST_PATH_IMAGE010
为温室气体水平方向的平流通量，截面点位的温室气体浓度
Figure 856699DEST_PATH_IMAGE011
，
Figure 120191DEST_PATH_IMAGE012
为空气密度，
Figure 703619DEST_PATH_IMAGE013
为水平风向量；
采用以下方式根据空气密度改变得到的温室气体的增加量，
Figure 579433DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 564707DEST_PATH_IMAGE015
表示温室气体与空气的摩尔质量之比；
Figure 999099DEST_PATH_IMAGE016
为空气密度随时间的变化率；
Figure 695922DEST_PATH_IMAGE017
表示飞行时间；
Figure 749328DEST_PATH_IMAGE018
分别表示压力与温度变量；P、T分别表示平均压力与温度；A表示飞行区域面积；
Figure 713742DEST_PATH_IMAGE019
表示屏幕单一高度z上的混合比平均值。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，基于所述温室气体垂直方向的平流通量、温室气体水平方向的平流通量及空气密度改变得到的温室气体的增加量采用以下方式计算温室气体的排放量
Figure 194402DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 112942DEST_PATH_IMAGE021
是排放源单位时间内对大气温室气体C总的排放量；
Figure 94673DEST_PATH_IMAGE022
是因大气密度改变温室气体C的增加量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
采用克里金法将不同位置飞行测得的基本要素进行空间插值；
所述插值包括：背景值、常数、零-常数、直线拟合或指数拟合。
10.一种无人机温室气体排放量测量装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于基于无人机飞行测量时的位置信息映射至三维平面，将不同位置飞行测得的基本要素通过克里金进行空间插值，建立温室气体传输截面；所述位置信息包括精度、纬度和海拔高度；
计算模块，用于根据所述温室气体传输截面上各个点的基本要素的积分计算排放量。
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