CN204241344U - 基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置，在三～五个制高点测点处设置大气激光测量系统，将上述大气激光测量系统统一连接至服务器；将用于探测景区道路交通环境空气路边固定常规监测站位污染物质浓度的监测结果装置连接至服务器；将景区综合环境空气固定常规监测站监测装置连接至服务器，鉴于当前区域环境监测平台存在的各种优缺点，又根据西湖景区具有“三面云山一面城”的地理特征，提出通过在西湖周边的制高点搭建大气遥感遥测平台，对景区主要由于道路交通产生的NO₂以及其他化学物质情况进行实时监测。

Description

基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置

技术领域

本实用新型属于环境科学技术、公共安全与防灾减灾交叉领域，涉及基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置。

背景技术

随着经济条件的改善，我国人民在节假日出行旅游的机会得以极大地提高。“上有天堂、下有苏杭”的世界自然文化遗产杭州西湖风景名胜区，正更加注目地吸引着海内外宾客的来访。但是，西湖景区的进出和通过道路，大都按城市次干道甚至支路定位与设计，随着旅游客流交通量的不断增加，进出西湖经常出现“行车难与停车难”的两难，在国家节假和黄金周的堵车更是达到了井喷的状况。虽然通过限行、单行线等措施有效地缓减了这种状况，但是随着私家车数量的继续攀升，有必要针对景区车流量及其对大气与声环境进行监测和向游客告知影响甚至污染的程度，加大交通管理的力度，以保护西湖的旅游质量。

西湖风景名胜区道路交通环境影响与污染的现状不同程度低地存在于我国大多数的风景名胜区。

现阶段对于区域交通大气环境承载力的研究与控制，宏观上的方法是对该区域范围内最大规模机动车总量值静态状况开展研究，重点仅限于为控制机动车发展总量提供科学决策依据。但机动车的环境影响具有流动性和瞬时性，在总量不超过城市环境总容量时，道路沿线区域的污染浓度分布一般并不均匀，尤其在交通繁忙、车流量大的小区域，机动车排放的尾气会造成对环境的影响，污染浓度甚至可能严重超标，而在人流量少、靠近偏远区域的空气与声环境质量良好。对于道路沿线的环境影响，可以采取实测和通过实测车流量、车速和大型车占有率，通过数学模型和软件进行计算并预测。然而，影响汽车尾气的排放扩散，还受到当时气象条件的作用，以及微观地化学反应与变化，会对预测计算结果产生显著影响，而利用历史气象资料只能较为准确地反映平均水平的结果，因为很难得到瞬时的气象参数，而化学过程的变化又过于复杂，一般均予以简化成忽略不计，由此使得计算结果不能进行或者误差很大。

实测的方法是在区域中建立多个长期定点的监测站位并形成网络，目前大部分站位的N0₂以及SO₂、PM、CO、THC、O₃和气溶胶等监测设备为地基点式仪器，例如，在西湖景区已有若干个这样的站位；受人员、投资和运营成本的限制，地面站位浓度观测资料的数量非常有限，也就不能获得大气的空间分布信息。目前最好的空间分布数据习惯上是通过气球飞艇飞机航空与卫星航天机载仪器的遥感技术来获取和实现，但其运行成本更高，并且获得的数据时间和空间分辨率都较差。

从一个地点同时观测分布在广阔大气空间中的污染物质浓度的方法，通常是利用有线、无线方式，把设在宽广地区的许多传感器中的数据，传送到遥测系统中进行检测。但是，这种方法的缺点是不能连续测量空间的分布状态。更好的方法是在同一地点以电磁波为“探测器”，远距离连续测量空间的分布状态，这就是雷达。微波雷达已被广泛应用于航空、航海和气象领域中。现在又出现了使用波长短4～5个数量级、方向性也更强的激光雷达。

由于激光波长短，方向性好，故在空间探测中具有较高的测量精度，能检测大气中浮游的颗粒状和气态物质。又因为激光属于分子、原子吸收的波长范围，所以在测量大气中分子、原子的浓度和海面、湖面上漂浮的发出萤光的物体时、以及在对风、温度、湿度等气象因素的空何分布以及云和降雨等大气现象进行遥测时，都可使用。

由于激光雷达得到的空间分布信息，其数据量很大，所以随着计算机和高速数据处理技术的发展，激光雷达的应用才更加广泛。

大气污染物扩散受气象条件影响严重，又有难以避免的化学过程，传播过程整体时空易变。现阶段对于区域交通大气环境承载力的研究与控制，仿真计算是一种方法，但精度上存在较大的误差。实测的方法虽然是一种最为可靠的方法，通过在区域中建立多个长期监测站位形成网络，目前大部分站位的N0₂、PM和其他化学物质气体等监测设备为地基点式仪器，例如，在西湖景区已有若干个这样的站位，但受人员、投资和运营成本的限制，使得地面站位和浓度观测资料、尤其是从3维空间分布角度的数据非常有限，也就不能获得大气的空间分布信息，总体使得覆盖范围小，时效性差。目前最好的空间分布数据习惯上是通过气球飞艇飞机航空与卫星航天机载仪器的遥感技术来获取和实现，但其运行成本更高，并且获得的数据时间和空间分辨率都较差。

大气遥感地面实验常规仪器包括了直接与间接的遥感设备。直接测量也有定点采用遥感仪器的，如激光雷达系统，光学探头指向高空，差分吸收型激光雷达可对NO₂等污染物的空间分布、浓度进行测量。间接或者非遥感仪器，有大气污染自动分析仪(含NO₂等污染物的自动分析仪)，可自动测量NO₂和其他环境空气质量指标的浓度；环境空气自动监测系统，配置气象参数测量与变换器(风速、风向、温湿度、气压)采样系统，包括NO₂等因子的测量仪器系统，以及记录仪、系统控制器和网络传输配置等进行有关参数的实时在线测量。

实用新型内容

针对上述技术缺陷，本实用新型以西湖风景名胜区为例，提出基于遥感技术的风景名胜区重要道路交通污染的预警装置及方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置，在三～五个制高点测点处设置大气激光测量系统，将上述大气激光测量系统统一连接至服务器；将用于探测景区道路交通环境空气路边固定常规监测站位污染物质浓度的监测结果装置连接至服务器；将景区综合环境空气固定常规监测站监测装置连接至服务器。

进一步的,还包括卫星接收装置，所述卫星接收装置接收卫星遥感信号，所述卫星接收装置连接至所述服务器。

进一步的,还包括放飞系留飞艇或者气球及无线装置，所述系留飞艇或者气球的的发射装置下传遥感信号，气球地面接收装置接收该遥感信号并将其传输至所述服务器。

基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警方法，包括如下步骤：

41)在三～五个制高点测点处设置大气激光测量系统，并采集数据；

42)将采集的数据进行数据融合处理；

43)根据融合后的数据，对环境质量做出预判；

步骤42)还包括采集的数据进行校准的步骤，具体包括：

51)通过激光测量系统遥感的方式探测景区内道路交通环境空气路边固定常规监测站位处上空的污染物的的浓度；

52)通过激光测量系统遥感的方式探测景区综合环境空气常规固定监测站站位处上空的污染物的浓度；

53)将步骤51)探测到的数据和步骤52)探测到的数据与这两类固定常规监测站本身测量得出的有关污染物的浓度进行比较，用于校准采集的数据。

进一步地，所述数据融合处理包括如下步骤：设有N台大气激光测量系统对同一景点从不同制高点位置进行测量，各激光传感器的方差为σ_i(i＝0，1，2，…，N-1)，所要估计的真值为X，各传感器的量测值为X_i(i＝0，1，2，…，N-1)，彼此独立并且为X的无偏估计，即为每台大气激光测量系统分配权重w_i(i＝0，1，2，…，N-1)，在总均方误差σ²最小的最优条件下，根据各大气激光测量系统的测量值X_i，以自适应方式寻找最优w_i，使融合后的结果最优。

进一步地，还包括对激光进行人眼安全强度控制步骤。

本发明的有益效果在于：鉴于当前区域环境监测平台存在的各种优缺点，又根据西湖景区具有“三面云山一面城”的地理特征，本发明提出通过在西湖周边的制高点搭建大气遥感遥测平台，对景区主要由于道路交通产生的NO₂以及其他化学物质(根据性价比，例如波长可调，尽可能多地含盖机动车尾气排放特征因子，主要有CO、THC、O₃、气溶胶、PM和SO₂等；但如现阶段价格投资过高，则暂不考虑)情况进行实时监测。对于北高峰、雷峰塔和三台山三台阁3个制高点，选择或者设计的大气激光测量系统应具有覆盖景区10km范围以内NO₂和其他气体光学特性精细探测的能力。所组构系统应采用成本低的设备，例如，采用喇曼光源，使输出波长稳定可靠，采用俯仰、方位扫描装置可进行斜程、二维扫描测量。相对于主动式，还可以采用被动式激光系统，光源改成以太阳光为光源，应用高精度成像光谱仪采集太阳光谱，选取某一时刻的太阳光谱为参考，结合当时的污染气体浓度数据，应用差分吸收原理，反演出其他任意时刻的NO₂浓度；如果仅考虑将系统应用于黄金周、节佳日的环境监控手段之一，被动式激光系统便于在昼间使用，对于减少投资和避免对人眼安全的影响，具有优势。本发明的集成实现，以西湖景区为例，对于连续、实时、大范围监测环境大气污染和预警有着重要意义。

附图说明

图1为本发明以西湖“三面云山一面城”为例推荐的3个制高点实验测点分布图；

图2为3个制高点(三面云山)观察西湖湖滨景区、景点和城区效果图；

图3为NO₂或者气溶胶消光系数二维扫描分布展示图(沿三台山视角)；

图4为激光(光谱)系统检验和校准实验设计；

图5为本发明的步骤及对步骤解释的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施举例对本发明做进一步的说明。

目前我国已具备了车载测污激光雷达系统的研发和生产能力，例如中科院光机所研制的系统，能进行大气S0₂、NO₂和0₃进行三维空间扫描测量。利用该系统2001年12月至2002年1月期间于北京市进行了大气S0₂、N0₂和O₃的监测实验,首次给出了北京市近地面层大气S0₂、NO₂和0₃的激光雷达测量数据。测量数据与地面仪器的监测数据进行了比较，结果表明车载测污激光雷达系统的测量数据是合理可靠的。

对比当前区域环境监测平台存在的各种优缺点，又根据西湖景区具有“三面云山一面城”的地理格局特征，本发明举例提出通过在西湖周边的制高点搭建大气遥感遥测平台，实现对景区主要由于道路交通产生的NO₂或者气溶胶和其他有害气体的情况进行实时定量地监测。选点的兼顾原则包括：①以最少的点位、尽可能多地覆盖待监控的景点；②可以探测到地面长期监测站位的位置，以便为测量结果的准确性验证提供途径；③避开机动车道路，使观测站位与被监测景点之间，无或者尽可能无车流量较大的道路，避免中间道路尾气的贡献影响；④每个点位同时可探测覆盖被监测景点，以便进行数据平均，一定程度上抵消光源至关注位置之间、来自非关注道路或者随风移动的评价污染物,可提高测量结果精度；⑤所选观测点位处本身的环境背景浓度值应尽可能地低。

如图1所示，包括考虑仪器可置于室内避风雨、供电方便等条件，推荐北高峰、雷峰塔和三台山三台阁3个制高点选址，选择或者设计的大气激光测量系统应具有覆盖景区10Km范围以内NO₂和气溶胶光学特性精细探测的能力。所组构系统应采用成本低的设备，例如采用喇曼光源，使输出波长稳定可靠，采用俯仰、方位扫描装置可进行斜程、二维扫描测量。3个测点中，雷峰塔1个测点设备购置，配备方位装置可扫描360度，另外2个测点2次开发，配备方位装置可扫描-90度～+90度。为了提高系统的应用面，开发过程中宜覆盖其他痕量气体，主要为CO、SO2、O3、气溶胶等汽车尾气特征因子。在通过试验确定可能满足条件的情况下，还可以采用微脉冲、半导体等小功率光源，避免光源影响地面人眼安全，并可总体降低投资。同时，还可以采用被动式系统，因为对于景区景点旅游环境空气质量的监控集中在昼间，可利用太阳光作为光源，无人眼安全问题，并可同时降低设备费用。

大气环境监测激光系统原理

①主动式激光系统

环境空气监测激光系统，主要包括激光发射系统、方位和俯仰扫描装置、光学接收系统、数据采集和控制系统等四大部分组成。

工作原理：一般单次散射的激光方程可表示为

$P\left(R\right)={\mathrm{CP}}_0\mathrm{A\η}\left(R\right)\frac{\mathrm{\β}\left(R\right)}{R^2}\exp [-2{\∫}_0^R\mathrm{\α}(R\′)\mathrm{dR}\′]---\left(1\right)$

式中，P(R)为激光雷达接收到距离处的回波信号功率，C为激光常数，P₀为激光发射功率，A为望远镜接收面积，η(R)为激光几何重叠因子，β(R)为大气后向散射系数，α(R')为大气消光系数。

差分吸收测量NO₂：差分吸收激光雷达(Differential Absorption Lidar)测量采用两个波长，一个波长(λ_on)选择在待测污染气体分子吸收线上，另一个波长(λ_off)选择在待测污染气体分子吸收边翼或吸收线外。波长的选择应使吸收截面相差尽可能大的同时，两波长相差尽可能小，此时可认为气溶胶和其它气体对这两个波长的影响基本相同，可以忽略，因而通过两波长的回波差异可求得被探测污染气体分子的浓度。由常规双波长差分吸收激光雷达方程得被测可能污染气体分子浓度N(z)的表达式为：

$N\left(z\right)=\frac{1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(T\right)}\frac{d}{\mathrm{dz}}[-\ln \frac{P_{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}}}\left(z\right)}{P_{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}}}\left(z\right)}]+B+E_A+E_M$

$B=\frac{1}{2\mathrm{\Δ\δ}\left(T\right)}\frac{d}{\mathrm{dz}}\left[\ln \frac{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}}}\left(z\right)}{{\mathrm{\β}}_{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}}}\left(z\right)}\right]---\left(2\right)$

$E_A+E_M=-\frac{{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{on}}}\left(z\right)-{\mathrm{\α}}_{{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{off}}}\left(z\right)}{\mathrm{\Δ\δ}\left(T\right)}$

式中，Δδ(T)—温度T时污染气体分子对两波长的吸收截面差；P(z)_λi—在z高度上λ_i波长的回波功率；B、E_A、E_M—分别为大气后向散射(包括大气分子和气溶胶)、大气气溶胶消光、大气分子消光引起的修正项；β_λi(z)—z高度上时λ_i波长分子和气溶胶共同作用的体后向散射截面；α_λi(z)—高度z上时λ_i波长的消光系数(不包括污染气体分子的吸收)。

米散射方法测量气溶胶：Fernald方法是现阶段处理非均匀分布气溶胶的常用方法，即将大气分子和气溶胶的消光和后向散射分别考虑，将分子的消光后向散射比取为8π/3，假设某一标定高度上气溶胶消光后向散射比已知的情况下，可求解气溶胶的消光系数和后向散射系数随高度的分布廓线。下面列出了Fernald方法求解的气溶胶消光系数公式。

通过试验检验可以满足设计功能的条件下，主动式系统还可以采用微脉冲、半导体等小功率光源。

②被动式光谱系统

主动激光系统具有功率强、射程远、灵敏度高的优点，但同时也造成了激光系统体积大、质量重、价格贵的缺点。如果能够替代采用被动激光系统，减小体积、重量与价格，对于提高建议技术被有关单位接受，具有实际意义。

方案之一，替代激光系统为光谱测量系统，改成以太阳光为光源，应用高精度成像光谱仪采集太阳光谱，选取某一时刻的太阳光谱为参考，结合当时的污染气体浓度数据，应用差分吸收原理，反演出其他任意时刻的NO₂浓度；参考太阳光谱可采用HITRAN数据库的绘制谱，进行吸收截面光谱解析，嵌入微机或者嵌入式系统，工作时将采集波段调整到相应波长。

上述反演过程，关键是需要保证光谱处理失真低，以实现反演参量精度高的特点，进而一定程度上提高了太阳光谱反演气体浓度的精度。方法的可行性，需要实验结果与其他设备测量结果对比验证。如果仅考虑将系统应用于黄金周、节佳日的环境监控手段之一，因为主要在昼间工作，方案具有可行性。

系统构成与配置

激光发射系统：主要由激光光源、倍频晶体、Raman管组、扩束镜组成。Nd:YAG激光器的基频波1064nm和倍频光532nm经三倍频晶体，产生355nm的光，用355nm的光分别泵浦甲烷(CH₄)、氘气(D₂)，产生Raman频移的一级斯托克斯线395.60nm和396.82nm，分别作为探测NO2的强吸收线波长和弱吸收线波长；若532nm的光通过四倍频晶体后分别泵浦H₂、CH₄、D₂，产生Raman频移的一级斯托克斯线299.05、288.39、289.04nm，选择(289.04,288.39nm)探测SO₂的浓度分布，选择(288.39,299.05nm)探测O₃的浓度分布。

方位和俯仰扫描装置：计算机驱动步进电机实现俯仰和方位转动，北高峰和三台山云台水平扫描角度-90°～+90°，垂直扫描角-10°～+100°，角速度>5°/秒、雷峰塔可以水平360°转动，垂直90度转动。进行不同角度的斜程探测和扫描。扫描镜转动盘上设以零位检测信号，便于确定方位和防止误操作带来对仪器的损伤。系统还配备良好的防雨、防尘等装置。

光学接收系统：主要由接收望远镜、小孔光阑、目镜、滤光片、衰减片等组成。滤光片的选用超窄带、高透过滤光片，其能够很好的抑制背景噪声，提高信噪比。回波信号由接收望远镜接收，经小孔光阑视场角限制，由目镜扩束成平行光，再经过衰减片、滤光片到达光电倍增管。不同型号的滤光片、衰减片分装在两个转盘上，由计算机控制选择与被测污染物匹配的滤光片和衰减片，对污染物进行探测。

信号采集和控制系统：光电倍增管(PMT)是弱信号采集部分中的关键器件之一，可采用日本的HamamatsuR374型光电倍增管,其配有水冷式制冷装置和高压稳压电源，可将光信号转换为电信号。该信号再经低噪音宽带放大器放大后，由16bit高速数据采集卡进行数据采集。通过嵌入式系统/微机/工控机控制激光雷达的各部分系统的工作，包括对激光发射、回波信号接收、数据采集、传送和存储进行协调与控制。

结果示意

图2是从3个制高点(三面云山)观察西湖主要景区(湖滨)、景点(大型音乐喷水观演台)和城区的效果图。

图3是建议激光系统沿三台山视角方位，通过转动俯仰角(从水平角0°～50°)对NO₂或者气溶胶进行二维遥感扫描，得到的消光系数分布示意图。横坐标表示水平距离，纵坐标表示垂直高度，不同颜色表征消光系数大小，非常直观地反映了此方位剖面内浓度系数分布状况。在同一地点，浓度系数随高度的增加逐渐减小；在同一高度上，浓度系数大致相同，表明水平方向上分布比较均匀,微小的差别反映了大气环境分布的细微结构。

实验与校准

激光系统在接受反射激光信号的同时,覆盖和累计了非观察目标空间分布的NO₂的浓度，但因为靠近被观察景区的污染来源主要是靠近的机动车道路，因此判断监测得到的浓度值主要来自道路交通。对此，设计图4所示实验，对系统进行必要的检验和校准，具体包括：①通过激光测量系统遥感的方式探测景区内道路交通环境空气路边固定常规监测站位处上空(近地上方)的污染物的的浓度；②通过激光测量系统遥感的方式探测景区综合环境空气常规固定监测站站位处上空(近地上方)的污染物的浓度；③将步骤①探测到的数据和步骤②探测到的数据与这两类固定常规监测站本身测量得出的有关污染物的浓度进行比较，用于校准采集的数据。其中，在以北高峰、三台山、雷峰塔测点为例设置大气激光测量系统时，同时将上述大气激光测量系统统一连接至服务器；将用于探测西湖景区道路交通环境空气路边固定常规监测站位NO₂等浓度的监测装置连接至服务器；将西湖景区综合环境空气固定常规监测站监测装置连接至服务器，还包括卫星接收装置(指随着我国环境卫星逐步发射成网，其中位于杭州地区上方的同步环境卫星)，所述卫星接收装置接收卫星遥感信号，所述卫星接收装置连接至所述服务器。另外，还包括放飞系留飞艇或者气球及无线装置，所述系留气球发射装置下传遥感信号，所述气球地面接收装置连接至所述服务器。

数据融合算法

数据融合技术基本方法

数据融合作为一种数据综合和处理技术，实际上是将许多传统学科和新技术进行集成和应用，其中包括通信、模式识别、决策论、不确定性理论、信号处理、估计理论、最优化技术、计算机科学、人工智能和神经网络等。为了实现数据融合,，所采用的信息表示和处理方法均来自这些领域。从信息融合的功能模型可以看到，融合的基本功能是相关、估计和识别，重点是估计和识别。具体说来，主要包括以下三个方面:

状态估计：状态估计是利用多传感器组合数据确定运动目标的当前位置与速度、未来位置与速度、固有特征或特征参数。统计估计器最早用于估计行星位置。1795年Gauss提出最小二乘法，引入了使用带有估计误差的多个观测数据概念。1912年Fisher在最大似然估计法中运用观测结果的概率密度函数，使估计的概率密度函数的对数值最大。20世纪40年代，Kolmogrov和Winer对统计估计概念进行了补充，用于连续或离散的测量序列中。目前状态估计的方法主要有卡尔曼滤波、不敏卡尔曼滤波、A-B滤波和A-B-C滤波、粒子滤波及有关自适应或扩展方法等。

数据关联与航迹融合：相关处理要求对多传感器或多源测量信息的相关性进行定量分析，按照一定的判别原则，将信息分为不同的集合，每个集合中的信息都与同一源(目标或事件)关联。解决相关问题的技术和算法,如最近邻法则、最大似热法、最优差别、统计关联和联合统计关联等。相关技术最早在20世纪60年代用于雷达自动跟踪。70年代以前，进行连续相关和估计的递推估计器是先进的，到了80年代,，针对更复杂的闭合空间目标相关问题开发了更复杂的多传感器目标相关系统。分布式多传感器数据融合中的统计航迹关联算法主要有：加权和修正航迹关联算法、序贯航迹关联算法、统计双门限航迹关联算法等。

属性识别：属性识别属于模式识别的范畴。以雷达辐射源识别为例，属性识别的方法主要有模板匹配法、人工智能法、脉内分析法、D-S证据融合法、灰关联理论等识别方法。属性识别主要是通过对已有的先验信息进行数据挖掘或是训练测试，再与未知类型的目标通过计算贴近度或相似隶属度等方法，得出目标的属性。属性识别的结果为上级决策机构提供辅助决策和信息参考。

数据融合技术中的常用算法，例如：权系数方法、参数估计信息方法、Demp-Ster证据理论方法、Kalman滤波方法、模糊神经网络方法、粗糙集理论方法、聚类分析法等。

在本发明制高点设计的测量中，单一的激光雷达传感器的数据难以绝对避免存在比较大的随机性和偶然性，通过对多个制高点光测传感器(包括同步卫星遥感、可停留低空飞艇或者系留气球放飞)的数据进行联合处理，得到的被关注景点的空气质量状态都要高于单一传感器。将已有的融合方法工程化与商品化，开发能够提供多种复杂融合算法的处理硬件，以便在数据获取的同时就实时地完成融合。多传感器数据融合从本质上说是一个参数估计问题，信号处理技术在数据融合中占了相当大的比重。基于权系数的融合方法：又称为加权平均法，它是最简单直观地实时处理信息的融合方法。基本过程如下:设用n个传感器对某个物理量进行测量，第i个传感器输出的数据为X_i，其中i＝1,2,…,n。对每个传感器的输出测量值进行加权平均，加权系数为w_i，得到的加权平均融合结果为：加权平均法将来自不同传感器的冗余信息进行加权平均，结果作为融合值。应用该方法必须先对系统和传感器进行详细分析，以获得正确的权值。

针对西湖景区空间范围比较大，其环境参数分布不均匀且受其他因素影响大等问题，本发明推荐应用基于最小均方加权融合算法原理，系统采用实现简单且精度较高的多传感器自适应加权融合算法对数据进行处理，增加测量可信度和系统的可靠性。其他的如基于模糊神经网络的融合方法、数据相关技术，可以不断地应用、开发和补充。

设有N台激光雷达对同一景点从不同制高点位置进行测量，各激光传感器的方差为σ_i(i＝0，1，2，…，N-1)，所要估计的真值为X，各传感器的量测值为X_i(i＝0，1，2，…，N-1)，彼此独立并且为X的无偏估计。自适应加权融合的基本原理是:为每台传感器分配权重w_i(i＝0，1，2，…，N-1)，在总均方误差σ²最小的最优条件下，根据各传感器的测量值Xi，以自适应方式寻找最优w_i，使融合后的结果最优。该过程等价于非线性规划

$\left\{\begin{array}{c}\min {\mathrm{\σ}}^2=E\left[{(X-\hat{X})}^2\right]\\ \underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i=1\end{array}\right.$

对于目标函数有

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}^2=E\left[{(X-\hat{X})}^2\right]\\ =E\left[\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^2{(X-X_i)}^2\right]=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i^2\·{\mathrm{\σ}}_i^2\end{array}$

为了求得总均方误差最小时的w_i，根据多元函数求极值理论(拉格朗日定理)，可知上式得解的条件，即最优加权因子为

$w_j=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_j\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_i^2}},j=\mathrm{0,1,2},...,N-1$

由式(3)知求得每个传感器方差σ_i(i＝0，1，2，…，N-1)，即可获得X的最优估计^X

$\widehat{\stackrel{\‾}{X}}=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{w}_i\·{\stackrel{\‾}{X}}_j\left(k\right)$

以均方误差作为算法融合精度的评价指标对该方法进行评价，最优加权因子所对应的均方误差计算方法为

${\stackrel{\‾}{\mathrm{\σ}}}_{\min }^2=\frac{1}{k\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_i^2}}$ (K为循环次数)

以NO₂浓度测量为例(利用同套设备，不难同步监测SO₂和O₃)，实际监测、计算步骤如下：在北高峰、三台山、雷峰塔部署3台激光雷达传感器，同时监测湖滨大型喷水观演区的NO₂浓度，每15s进行一次数据采样，选取2min内的8个数据进行数据融合，以验证数据融合方法的有效性。首先得到各激光雷达传感器节点测量的平均值和方差，以及计算相应的权值w_i，计算融合值，以及得到对应的均方误差，直接求平均值得到的融合值和方差。一般多台/只传感器采集后的数据采样自适应融合算法后的估计值比多只传感器直接取平均值得到的估计值的方差小，即前者的有效性将明显优于算术平均方法。实际监测反复循环，数据通过网络或者无线系统，传至主控点，进行积累并发布告知信息。

激光雷达从制高点向景点发射的激光脉冲照射到地面上有可能对景区游人的眼睛造成伤害，是本发明必须重视和难以避开的重要问题。因此，需要控制激光雷达发射的激光脉冲能量的最大值，以确保对景点游客人眼是安全的。

①眼睛安全度的要求

眼球是极敏感的光接收器，由不同屈光介质如晶状体和光感受器如视网膜组成，它能使一定频率的光辐射传输到晶状体，使其在视网膜上成像。眼球中的屈光介质有很强的会聚作用，能将入射光束会聚成很小的光斑，从而使视网膜单位面积内接受的光能比入射到角膜的光能提高了10万多倍，故高聚焦的激光极易对人眼造成伤害。人眼对不同频率的光辐射具有不同的透过率与吸收特性，波长在400nm～700nm的可见光波会透过眼球的虹膜、晶状体和玻璃体，主要对眼睛的视网膜造成伤害；波长在750nm～1400nm的近红外波段会造成白内障及视网膜损伤；但波长在400nm以下以及1400nm上的激光对人眼的损伤阈值都很高，而且几乎都被晶状体吸收了，所以一般不会造成眼球内部的伤害。

②人眼安全度的计算方法和标准

在此引用研究机载激光雷达对地面人眼安全影响的方法来类比分析制高点激光雷达可能对西湖景区游人人眼的影响。

设Nd：YAG激光器输出的532nm和1064nm两个波长的激光光束均为TEM00模，该激光束经大气传输到地面足印(foot Print)上的能量密度I_fλ(r)沿足印半径r的分布为

$I_{\mathrm{f\λ}}\left(r\right)=T_{\mathrm{t\λ}}{T}_{\mathrm{a\λ}}\frac{{2E}_{0\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\πr}}_f^2}\exp [-2{\left(\frac{r}{r_f}\right)}^2]---\left(1\right)$

式中：λ为激光波长，分别为532nm或1064nm；T_fλ为发射光学单元在波长λ的透过率；T_aλ为制高点至被观察点的大气层对波长λ的透过率；E_0λ为Nd:YAG激光器在波长λ的输出能量(J)；r_f为地面足印的半径(m)。

显然,在r＝0的地面足印中心，入射的激光能量密度I_fλ(0)最大，有

$I_{\mathrm{f\λ}}\left(0\right)=T_{\mathrm{t\λ}}{T}_{\mathrm{a\λ}}\frac{{2E}_{0\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\πr}}_f^2}---\left(2\right)$

如果该激光能量密度不会对处于足印中心的人的眼睛造成伤害，则对处于足印范围内其它位置的人，照射的激光束对其眼睛也是安全的。

地面足印的直径d_f＝2r_f,制高点激光雷达向观察点发射的激光束发散角为θ_t(rad),则有 ${\mathrm{\θr}}_f^2=\mathrm{\θ}{(d_f/2)}^2={\mathrm{\θd}}_f^2/4=\mathrm{\θ}{\left({\mathrm{Z\θ}}_t\right)}^2/4.$ 则(2)式可表示为

$I_{\mathrm{f\λ}}\left(0\right)=\frac{8E_{0\mathrm{\λ}}{T}_{\mathrm{t\λ}}{T}_{\mathrm{a\λ}}}{\mathrm{\π}{\left({\mathrm{Z\θ}}_t\right)}^2}---\left(3\right)$

为了保证处于地面足印内人的眼睛安全，制高点激光雷达发射的激光脉冲入射到地面上的能量密度I_fλ(r)应满足以下条件

$\frac{I_{\mathrm{f\λ}}\left(0\right)}{\mathrm{MP}{E}_{\mathrm{\λ}}}\≤\frac{1}{S_K}---\left(4\right)$

当制高点激光雷达同时向观察点发射上述两个波长的激光，入射到地面上的总的能量密度必须满足以下条件

$\frac{I_{f532}\left(0\right)}{{\mathrm{MPE}}_{532}}+\frac{I_{f1064}\left(0\right)}{{\mathrm{MPE}}_{1064}}\≤\frac{1}{S_K},---\left(5\right)$

式中，MPE_λ(maximum permissible exposure)是对应于波长λ_j的最大允许曝光量，参照美国ANSI标准，对于532nm波长，MPE₅₃₂＝5×10^-3J/m²；对于1064nm波长，MPE₁₀₆₄＝5×10^-2J/m²。S_K为眼睛安全系数，对于人眼裸眼，S_K＝1。(5)式的左边项表示激光脉冲对地面人眼安全的影响，可用S_L简化并称之为激光脉冲人眼安全系数

$S_L=\frac{1}{\frac{I_{f532}\left(0\right)}{{\mathrm{MPE}}_{532}}+\frac{I_{f1064}\left(0\right)}{{\mathrm{MPE}}_{1064}}},---\left(6\right)$

可见，S_L值越大,激光脉冲人眼安全性能越高。

③大气消光模式和机载激光雷达技术参数

模拟计算中532nm和1064nm波长大气分子和气溶胶粒子模式分别由(7)和(8)式给出

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_m(Z\′)=1.54\×{10}^{-3}{\left(\frac{532}{\mathrm{\λ}}\right)}^4\exp (-\frac{Z\′}{7})\\ {\mathrm{\α}}_m(Z\′)=\frac{8}{3}\mathrm{\π}{\mathrm{\β}}_m(Z\′),\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\β}}_a(Z\′)=2.47\×{10}^{-3}\exp (-\frac{Z\′}{2})+5.13\×{10}^{-6}\frac{532}{\mathrm{\λ}}\exp [-\frac{{(Z\′-20)}^2}{36}]\\ {\mathrm{\α}}_a(Z\′)=50{\mathrm{\β}}_a(Z\′).\end{array}---\left(8\right)\right.$

制高点大气探测激光雷达技术参数如表1表示。

表1 机载大气探测激光雷达的主要技术参数

探测气溶胶时眼睛的安全度

激光束发散角、激光脉冲人眼安全最大域值能量和制高点最近安全设置距离的关系

制高点激光雷达对由公式(7)和公式(8)决定的气溶胶模式大气进行探测时，可单用波长532nm或1064nm的激光脉冲，也可同时发射这两个波长的激光脉冲进行探测。当公式(5)中的S_K＝1时，即

$\frac{I_{f532}\left(0\right)}{{\mathrm{MPE}}_{532}}+\frac{I_{f1064}\left(0\right)}{{\mathrm{MPE}}_{1064}}\≤1,---\left(9\right)$

激光脉冲眼睛安全最大域值能量为

$E_{\max }=\frac{1}{\frac{{8T}_t{T}_{a/532}}{0.005\mathrm{\π}{\left({\mathrm{Z\θ}}_t\right)}^2}+\frac{{8T}_t{T}_{a/1064}}{0.05\mathrm{\π}{\left({\mathrm{Z\θ}}_t\right)}^2}}.---\left(10\right)$

根据(10)式建立了气溶胶探测时激光脉冲眼睛安全最大域值能量E_max与距离的关系。可见，E_max随高度的增加而增大(由于从制高点至观察点激光脉冲人眼安全最大域值能量随相距距离的变化而变化，可将激光脉冲能量调至需要的能量进行探测)；E_max还与激光束发散角有关，激光束发散角对E_max的值影响也很大。

激光脉冲能量、制高点高度与S_L的关系

根据公式(3)和公式(6)可得到激光器输出脉冲能量与制高点至观察点相距距离的关系。在进行气溶胶探测时，距离Z_min主要是由532nm激光脉冲人眼安全最大域值能量来决定的，当相距距离要发生较大幅度的调整时，首先应考虑调节的是532nm激光脉冲能量。

S_L/532nm＝S_L/1064nm＝2时激光脉冲眼睛安全最大域值能量与距离关系

在进行大气探测时，从制高点至被不同景区观察点的距离变化幅度较大，为使激光脉冲能量变化幅度最小但能满足调整后高度上眼睛安全的要求，就要对532nm和1064nm波长的激光脉冲能量与人眼安全系数的关系作定量的比较分析。当机载激光雷达同时发射532nm和1064nm的激光脉冲进行探测时，这两个波长能量的比例是一个很关键的因素，而人眼安全系数是决定这一比例的一个重要因子。由于对大气进行探测时532nm和1064nm这两个波长的消光特性和后向散射特性的较大差异，而地面人眼承受532nm的最大光照能量密度比承受1064nm的最大光照能量密度要小一个量级，因此有必要在这两个波长的激光脉冲同时发射且它们的人眼安全系数都等于2时，对各自激光脉冲能量的大小进行模拟分析。相关结果关系为：在进行气溶胶探测时，从制高点至观察点最低安全距离主要由波长532nm激光脉冲能量决定，当该距离要发生较大幅度的调整时，首先应考虑调节的是波长532nm的激光脉冲能量。

上面通过理论模式分析了应用激光系统探测大气污染时对人眼安全的问题，虽然实际大气与模式大气有时差别很大，但有关研究已表明应用模式大气进行的人眼安全模拟分析规律也同样适用于各种实际大气环境情况。

因此，应用制高点激光雷达探测景区空气质量，人眼安全最大域值能量是一个非常重要的量，它不仅与激光束发散角有关，还与从制高点至观察点的距离有密切的关系。激光雷达的能量设置不能超出一定条件下激光脉冲人眼安全最大域值能量，以免对地面人眼造成伤害。当532nm和1064nm的激光脉冲人眼安全系数相等时，两波长人眼安全最大域值能量值相差很大，原因为大气成分对两波长的消光特性相差很大。

通过实验和采用被动激光雷达/微脉冲/半导体激光光源建立控制制高点激光强度

通过从每个制高点使用较大功率YAG激光雷达照射其所观察的所有景区景点的空气质量，在所有被观察点现场，使用功率计实验测出受到激光的强度，控制景点激光强度均达到人眼安全标准，建立安全强度与景点位置互相对应的矩阵，输入各个制高点激光器的控制程序，实现避免对人眼影响的控制。

试验时，选择无人时段进行，定位后工作人员也离开(禁止人进入目标区域，进入者要戴激光防护镜)，测出激光器禁止工作的最大强度，以及目标区周围被控制的次最大强度，以便掌握光束强度控制的缓冲范围(警告强度)。

在系统研制和操作人员训练期间，应该建立适合地面和制高点上所有人员的激光安全程序。必须强制性地实施标准操作程序，限制人员在激光器或激光束光路附近活动，保证对人的曝光量限制到按计算的可允许的水平。所谓不安全区间是指在光束内不带防护镜不能观察的区间。要实现安全管理，应把靶面放置在激光器和未限制而有可能占据面之间不存在视线的位置上。

在警告强度范围内，对激光进行长时间观察凝视仍可能产生危险。对连续波激光长时间曝光下限标准是1μW/cm²，而且应根据波长和激光输出特性的不同作适当的修正。

制高点激光安全问题还与瞄准的可靠性关系紧密。激光雷达应用中的安全问题主要是要保证光束不直接指向地面或不对准非靶目标。为了避免光束指向地面，所有设备应装有光束仰角下限开关或机械档板。最好采用可靠性高的机械档板。也应当采用方位开关或扇形熄火装置。云、雾或雨的激光反射对地面观察员即使戴望远镜情况下也不构成危险，应采用现代常见激光装置的激光瞄准光学装置，采用电子控制的常平架反射镜，采用下列安全措施以减小发射失误和光束偏向：(a)保护性主控开关，自动激光器停止开关，在跟踪不稳定时停止激光器工作；(b)自动激光器停止开关，在最大转角时停止激光器工作；(c)工作用激光器发射开关“安全”，当在地面上时使激光器闭锁的位置。

在修理试验激光器时，必须采取合适的防护措施，除了激光束直接对准人是极端危险的，而且激光器输出后遇到物体会产生有危险的漫反射。因此,，不能在光路中存在任何物体，或者在设备附近的所有人员都应佩戴防护镜。在实验室或维修试验中，可采用不漏光的箱子，把全部激光输出射入在箱子内。在受控的室外试验距离内必须保证光束始终命中试验靶。

激光器维修工作人员有可能受到超过曝光量极限的有害辐射，因此对这些工作人员在委派前和结束后应作眼科检查，而在委派期间应定期进行简单的视力测试。

与主动式大功率激光雷达系统相比，如采用被动式激光雷达，因为避免了高强度的主动发射激光，所以可同时解除激光可能对人眼安全影响。此外，随着科技的快速进步，还可采用激光强度明显降低，不会影响人眼的激光发射系统，应用诸如微脉冲/半导体激光光源，同样可实现避免制高点激光雷达对人眼影响的可能。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型保护范围内。

Claims (3)

1.基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置，其特征在于，在三～五个制高点测点处设置大气激光测量系统，将上述大气激光测量系统统一连接至服务器；将用于探测景区交通道路环境空气路边固定常规监测站位污染物质浓度的监测结果装置连接至服务器；将景区综合环境空气固定常规监测站监测装置连接至服务器。 

2.根据权利要求1所述的基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置,还包括卫星接收装置，所述卫星接收装置接收卫星遥感信号，所述卫星接收装置连接至所述服务器。 

3.根据权利要求1所述的基于遥感技术的风景名胜区道路交通污染预警装置,其特性在于，还包括放飞系留飞艇或者气球及无线装置，所述系留飞艇或者气球的发射装置下传遥感信号，气球地面接收装置接收该遥感信号并将其传输至所述服务器。