CN116087134B - 一种全天候大气立体监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全天候大气立体监测方法及系统，涉及环境监测技术领域。所述方法包括：根据地形安装布设全天候大气监测系统进行全天候监测；获取多个傅立叶红外光谱仪相交返回的回波数据，解算气云相对于雷达坐标的相对位置，利用内置的GPS和陀螺仪的位置信息进行空间配准，得到气云三维空间信息；将三维气云以及预置空间信息叠加在监测区域的GIS地图上，对污染进行解析溯源；将解析结果与监测区域内固定污染源的分布信息进行叠加，若为未进行登记的污染源，则需要执法人员实地取样相互佐证；否则匹配排污许可信息，确定排放污染的的企业信息。本发明实现实时高精度定量化监测，并通过持续监测逐步定位污染泄露源。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种全天候大气立体监测方法及系统。
背景技术
目前大气监测的手段主要包括采样点布设，即在城市内利用网格布点法、同心圆布点法、扇形布点法等按一定规律布设监测点，以点带面，代表一片区域的大气污染情况。但这种以点带面的监测方法的一个监测点代替的范围比较大，由于工业区内的污染工厂一般密集型地聚集，一旦发生大气环境污染情况，难以精确定位污染源到底来自哪家工厂，存在说不清污染来源的问题。
由于环境污染证据具有复杂性、科技性(需要专业设备进行检测)、易灭失性(发生后难以保全便已扩散至环境中)，实际监管中存在污染单位容易弄虚作假(如污染企业一般深夜偷排，执法人员收到举报后到达现场又检测不到超标的情况)的难题。
为了解决这些问题，目前发展的技术有无人机大气监测、走航监测车以及环境执法便携式voc气体检测仪等，但上述方法中，由于空域管控，一般城市的主城区内不允许使用无人机进行监测，并且无人机每次飞行需要专业的飞行手操作，技术门槛高，费用高并且无法全天进行连续监测；由于企业偷排废气一般在深夜或者地点、时间规律难以掌握，走航监测以及人工执法均存在与企业斗智斗勇的情况，存在“看不见、打不准、取证难”的环境执法难题。
发明内容
本发明提供了一种全天候大气立体监测方法，包括：
根据地形安装布设全天候大气监测系统进行全天候监测；
获取多个傅立叶红外光谱仪相交返回的回波数据，解算气云相对于雷达坐标的相对位置，利用内置的GPS和陀螺仪的位置信息进行空间配准，得到气云三维空间信息；
将三维气云以及预置的空间信息叠加在监测区域的GIS地图上，对污染进行解析溯源，得到解析结果；
将解析结果与监测区域内固定污染源的分布信息进行叠加，如果该污染源为未进行登记的污染源，则需要执法人员实地取样相互佐证；如果为固定污染源则匹配排污许可信息，确定排放污染的的企业信息；
将分析结果进行服务器存档，便于查询与调取。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，根据地形按照雷达数量最少、覆盖面积最大的原则，布设傅立叶红外光谱监测系统。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，气云三维空间信息包括时间、经度、纬度、高度、总浓度、污染组分浓度。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，将污染解析溯源分为①初步筛选可疑区域→②获取污染起始时刻和扩散范围→③定位污染泄露源。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，初步筛选可疑区域，具体为：根据监测范围内不同区域的大气污染物排放限值设置不同污染物监测阈值，筛选超标的指标污染物可疑区域，并进行编号，根据编号顺序获取污染范围内的峰值位置和时刻t0作为污染定位点S0。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，获取污染起始时刻，具体为：根据当前编号获取定位点位置历史时间序列，获取污染指标浓度初始超过限制的时刻，并持续获取该点未来时刻的数据，直至污染浓度小于大气污染排放限值。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，获取不同时刻污染扩散范围，具体为：以定位点为中心，检测同一时刻邻域指标污染物是否超过阈值进行边缘跟踪和区域生长，如果大于则纳入扩散范围，若小于，则为扩散范围的边界。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，污染泄露源定位，具体为：将获取的不同时刻的污染扩散范围内的污染峰值所在的位置，定位位置S1、S2、S3……Sn，n为污染扩散序列的时刻数量，取点位置集合S(S1、S2、S3……Sn)的加权重心，即所有点的加权平均位置定位为污染泄露源的位置S(x,y)。
如上所述的一种全天候大气立体监测方法，其中，式中x、y为污染源的经度和纬度，xi、yi、Ci为不同时刻扩散范围内污染峰值所在定位位置的经度和纬度和所选的超标的指标污染物浓度。
本发明还提供一种全天候大气立体监测系统，包括：服务器和傅立叶红外光谱仪，傅立叶红外光谱仪通过光纤信号线与服务器连接；所述服务器执行上述任一项所述的一种全天候大气立体监测方法。
本发明实现的有益效果如下：
(1)本发明利用傅立叶红外光谱仪反演的三维污染气云叠加监测区域不同功能区污染限值，实时高精度定量化监测，并通过持续监测逐步定位污染泄露源，无需复杂的大气扩散与轨迹分析模型。
(2)利用技术手段定量化解析大气污染数据，不仅可以定位污染泄露源位置，还可追溯污染扩散起始时间和污染扩散时间内不同时刻的污染扩散空间范围。
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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种全天候大气立体监测系统示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种全天候大气立体监测方法流程图；
图3是三维气云数据可视化视图；
图4是一次危废泄露事故污染时间起始点示意图；
图5是定位时刻t获取定位点S0的位置示意图；
图6是获取某时刻的污染扩散范围示意图。
具体实施方式
下面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。
实施例一
本发明实施例一提供一种全天候大气立体监测系统，包括服务器和傅立叶红外光谱仪。
如图1所示，傅立叶红外光谱仪至少设置两台，布设的傅立叶红外光谱仪的台数取决于监测区域的地形和面积，保证重点监管区域至少被两台傅立叶红外光谱仪的最大监测范围覆盖。傅立叶红外光谱仪的设备基本参数如下表1所示：
表1设备基本参数表
傅立叶红外光谱仪通过光纤信号线与服务器连接。在服务器上配置三维气体解析系统和大气污染溯源系统，前端利用笔记本或者台式机器访问服务器进行交互。
实施例二
如图2所示，本发明实施例二提供一种全天候大气立体监测方法，包括：
步骤210、根据地形安装布设全天候大气监测系统进行全天候监测；
具体地，根据地形按照雷达数量最少、覆盖面积最大的原则，布设傅立叶红外光谱监测系统。其中布设的原则包括：采用的傅立叶红外光谱仪最佳有效探测范围为5公里，最大有效探测范围为15公里，布设时应充分考虑监测区域地形，工业园区内固定污染源分布比较密集的的区域，被至少两台傅立叶红外光谱仪覆盖，需要将傅立叶红外光谱仪安装在无遮挡的高处，为了保护设备，需要同时安装避雷针。
步骤220、获取多个傅立叶红外光谱仪相交返回的回波数据，解算气云相对于雷达坐标的相对位置，利用内置的GPS和陀螺仪的位置信息进行空间配准，得到气云三维空间信息；
本申请实施例中，得到的气云三维空间信息包括时间、经度、纬度、高度、总浓度、污染组分浓度，如下表2所示：
表2解算后定位点s1固定三维位置不同时刻的三维气云数据格式表
三维气云数据可视化视图如图3所示。
步骤230、将三维气云以及预置的空间信息叠加在监测区域的GIS地图上，对污染进行解析溯源，得到解析结果；
例如，预置的空间信息可以为工业园区内不同排污类型，为了提高运行效率，将污染解析溯源分为①初步筛选可疑区域→②获取污染起始时刻和扩散范围→③定位污染泄露源。
①初步筛选可疑区域，具体为：根据监测范围内不同区域的大气污染物排放限值设置不同污染物监测阈值，筛选超标的指标污染物(二氧化硫、氢氧化物、氯化氢、颗粒物、挥发性有机物VOCs等)可疑区域，并进行编号(①、②……)，根据编号顺序获取污染范围内的峰值(某标志污染物的最大值)位置和时刻t0作为污染定位点S0。
②获取污染起始时刻，具体为：根据当前编号获取定位点位置历史时间序列，获取污染指标浓度初始超过限制的时刻(污染开始时刻)，并持续获取该点未来时刻的数据，直至污染浓度小于大气污染排放限值(污染终止时刻)。图4为一次危废泄露事故污染时间起始点示意图(该区域VOCs污染无组织排放限制为1毫克/立方米)。定位时刻t后，根据经度纬度可确定污染定位点S0的位置，图5为定位时刻t获取定位点S0的位置示意图。
获取不同时刻污染扩散范围(二维)，具体为：以定位点为中心，检测同一时刻邻域指标污染物是否超过阈值进行边缘跟踪和区域生长，如果大于则纳入扩散范围，若小于，则为扩散范围的边界。下一个时刻的扩散范围检测方法同上。图6为获取某时刻的污染扩散范围示意图。
③污染泄露源定位，具体为：将获取的不同时刻的污染扩散范围内的污染峰值，定位位置S1、S2、S3……Sn，n为污染扩散序列的时刻数量(如从8:50:00分开始，8:50:30结束，设定为10s重新扫描覆盖同一位置，则n＝4)，取点位置集合S(S1、S2、S3……Sn)的加权重心，即所有点的加权平均位置定位为污染泄露源的位置S(x,y)。
其中，式中x、y为污染源的经度和纬度，xi、yi、Ci为不同时刻扩散范围内污染峰值所在定位位置的经度和纬度和所选的超标的指标污染物浓度。
步骤240、将解析结果与监测区域内固定污染源(即排放污染的企业)的分布信息进行叠加，如果该污染源为未进行登记的污染源，则需要执法人员实地取样相互佐证；如果为固定污染源则匹配排污许可信息，确定排放污染的的企业信息。
步骤250、将分析结果进行服务器存档，便于查询与调取。
采用本发明技术方案，能够实现如下技术效果：
①本发明通过布置傅立叶红外光谱仪，利用GPS和陀螺仪的位置信息进行空间配准，解算后得到污染气云的大气污染成分组成、三维位置、获取时间等，利用监测区域预置空间信息，可追溯污染发生起始时间，扩散范围，定位污染源位置，解决目前“看不见、打不准、取证难”的环境执法难题。
②本发明结构简单，布置的设备监测距离远、监控范围广、灵敏度高、监测成分多，可以实现无人值守，全天候不间断监测，全自动定量解析相关数据，数据结果可视化，便于使用者查询、回溯和分析，适合工业园区或者生产企业密集分布的区域进行区分与污染识别。
③一个排污单位可能会有多个污染排放点，利用本发明的方法最终的污染源定位点可能位于排污单位的中间位置，不一定完全与排污口位置重叠，或者一个厂界范围有多个污染源(与排污单位的占地范围有关)，由于本方法的目的是定位到具体的排污单位(企业)，故而本发明的定位精度在0-10米，一般情况下可以保证最终污染源位置定位在排污单位的厂界范围内。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种全天候大气立体监测方法，其特征在于，包括：
根据地形安装布设全天候大气监测系统进行全天候监测；
获取多个傅立叶红外光谱仪相交返回的回波数据，解算污染气云相对于雷达坐标的相对位置，利用内置的GPS和陀螺仪的位置信息进行空间配准，得到气云三维空间信息；
将三维气云以及预置的空间信息叠加在监测区域的GIS地图上，对污染进行解析溯源，得到解析结果；
将解析结果与监测区域内固定污染源的分布信息进行叠加，如果该污染源为未进行登记的污染源，则需要执法人员实地取样相互佐证；如果为固定污染源则匹配排污许可信息，确定排放污染的企业信息；
将分析结果进行服务器存档，便于查询与调取；
将污染解析溯源分为①初步筛选可疑区域→②获取污染起始时刻和扩散范围→③定位污染泄露源；
初步筛选可疑区域，具体为：根据监测范围内不同区域的大气污染物排放限值设置不同污染物监测阈值，筛选超标的指标污染物可疑区域，并进行编号，根据编号顺序获取污染范围内的峰值位置和时刻t0作为污染定位点S0；
获取污染起始时刻，具体为：根据当前编号获取定位点位置历史时间序列，获取污染指标浓度初始超过限制的时刻，并持续获取该点未来时刻的数据，直至污染浓度小于大气污染排放限值；
获取不同时刻污染扩散范围，具体为：以定位点为中心，检测同一时刻邻域指标污染物是否超过阈值进行边缘跟踪和区域生长，如果大于则纳入扩散范围，若小于，则为扩散范围的边界；
污染泄露源定位，具体为：将获取的不同时刻的污染扩散范围内的污染峰值所在的位置，定位位置S1、S2、S3……Sn，n为污染扩散序列的时刻数量，取点位置集合S(S1、S2、S3……Sn)的加权重心，即所有点的加权平均位置定位为污染泄露源的位置S(x,y)；
式中x、y为污染源的经度和纬度，xi、yi、Ci为不同时刻扩散范围内污染峰值所在定位位置的经度和纬度和所选的超标的指标污染物浓度。
2.如权利要求1所述的一种全天候大气立体监测方法，其特征在于，根据地形按照雷达数量最少、覆盖面积最大的原则，布设傅立叶红外光谱监测系统。
3.如权利要求1所述的一种全天候大气立体监测方法，其特征在于，气云三维空间信息包括时间、经度、纬度、高度、总浓度、污染组分浓度。
4.一种全天候大气立体监测系统，其特征在于，包括：服务器和傅立叶红外光谱仪，傅立叶红外光谱仪通过光纤信号线与服务器连接；所述服务器执行如权利要求1-3任一项所述的一种全天候大气立体监测方法。
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| CN115660419A (zh) * | 2022-10-24 | 2023-01-31 | 北京市生态环境保护科学研究院 | 一套工业园区土壤与地下水污染监测、评估及预警方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于OP-FTIR的化工区空气特征污染实测方法研究;李跃武等;《环境监控与预警》;第10卷(第05期);第6-11页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116087134A (zh) | 2023-05-09 |
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