基于無人機的山岳云海和江面霧漫預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)

張南輝 張瀚坤

摘 要：本文論述了基于無人機的山岳云海和江面霧漫預(yù)測預(yù)報，山岳云海和江面霧漫是自然界的一大奇觀，可是由于山岳云海和江面霧漫并不是隨時隨地可以看到的，它們的形成需要一定的自然條件，如果能預(yù)測預(yù)報山岳云海和江面霧漫產(chǎn)生的時間和地點將對旅游業(yè)帶來非常好的效益。利用無人機的機動性可方便的檢測各種復(fù)雜地形的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析預(yù)測，將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)平臺向社會和游客發(fā)布旅游區(qū)的實時圖像和云海霧漫的形成時間和持續(xù)時間，為廣大游客通過了極大的便利條件。

關(guān)鍵詞：無人機；山岳云海；腳霧；預(yù)報預(yù)測

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）14-0032-02

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的快速提升，旅游消費快速增長，求新求異業(yè)已成為了當(dāng)代旅游新時尚。為了做大做強旅游產(chǎn)業(yè)，各地都爭相逐鹿。云海和腳霧為自然界兩大奇觀，浩浩蕩蕩、蔚為壯觀?？墒怯捎谠坪：湍_霧與氣溫、氣壓、濕度、地表溫度、水面溫度、風(fēng)力、風(fēng)速有關(guān)，并不是隨時可以看到的。目前基本是憑借經(jīng)驗進(jìn)行預(yù)報，準(zhǔn)確率非常有限，對云海和腳霧的科學(xué)預(yù)報預(yù)測還是空白，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，使得這些地域性小氣候預(yù)測成為了可能。加強云海和腳霧預(yù)測預(yù)報可以大幅提升旅游質(zhì)量，提高旅游魅力，振興旅游產(chǎn)業(yè)。

云海，是指在一定的條件下形成的云層。云海的云頂高度低于山頂高度，因此，人們在高山之巔俯首，會看到如大海般波瀾壯闊、漫無邊際的云層，故稱這一現(xiàn)象為“云?！?，云海是山岳風(fēng)景的重要景觀之一。江面霧漫：水庫、湖泊等深層水形成的水流，常年保持恒定低溫，夏秋兩季氣溫較高，與水面形成較大溫差，如果空氣比較潮濕，就會在水面形成美輪美奐的霧漫。云海和腳霧都是特殊地理和氣象條件下形成的，不可多得。對此準(zhǔn)確預(yù)測預(yù)報，一定會深受旅游愛好者、尤其是攝影愛好者的歡迎。本系統(tǒng)是綜合氣象、統(tǒng)計、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。在采集大量數(shù)據(jù)的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建指數(shù)體系。利用現(xiàn)代統(tǒng)計學(xué)原理，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析、檢驗、校正。使得數(shù)學(xué)模型更加精準(zhǔn)反映實際的云海和腳霧。利用指數(shù)體系對云海和腳霧進(jìn)行質(zhì)量定級，量化其質(zhì)量水平。

1 系統(tǒng)綜述

云海和霧漫的本質(zhì)都是水蒸汽分布的結(jié)果，正是因為水蒸汽的分布不同，產(chǎn)生千姿百態(tài)、美輪美奐、陰陽相濟(jì)的自然界神奇景觀。而分析濕度分布搞清楚水蒸汽密度分布最有效的方法，所以、濕度分布是云海和霧漫的最終結(jié)果。若要準(zhǔn)確預(yù)測、預(yù)報云海和霧漫，無疑檢測濕度信號、分析濕度分布是首要的，因此，濕度信號是最為重要的特征變量。用傳統(tǒng)的定點氣象裝置檢測濕度分布是非常困難的，而無人機的快速發(fā)展和普及速度很快，以無人機作為平臺進(jìn)行濕度分布采樣成為了可能。形成云海和霧漫的要素有很多，除了濕度信號以外還有地溫、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)力、氣流、大氣壓力的變化趨勢也是形成云海和霧漫的重要條件。因此，必須把這些指標(biāo)作為分析形成云海和霧漫特征變量，通過數(shù)據(jù)處理中心用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從這些特征變量中找出云海和霧漫成因，作為云海和霧漫預(yù)測預(yù)報的依據(jù)。云海和霧漫的后續(xù)變化過程也非常重要。它們的持續(xù)時間和變化規(guī)律都是旅游愛好者、尤其是攝影愛好者必須考量的，對出現(xiàn)云海和霧漫后的后續(xù)變化規(guī)律也與這些特征值的變化規(guī)律密切相關(guān)。

2 系統(tǒng)工作原理和參數(shù)估計

2.1 云海和腳霧的形成機制

云海一般在分布在海拔較高的山岳峽谷，大雨過后，由于地表溫度較低，地表濕度較大，突然溫度升高或者受到太陽照射，地表水蒸發(fā)形成水蒸汽，由于山谷相對比較封閉，氣流比較穩(wěn)定，水蒸汽逐步上升，擴散速度較慢，形成壯觀的云海形成和地表溫度、地表濕度、氣溫、氣壓、風(fēng)力和風(fēng)速密切相關(guān)，利用機器學(xué)習(xí)，分析這些參數(shù)的變化，可以對云海的形成進(jìn)行預(yù)報。

腳霧一般分布在水庫湖泊的下游，由于壩面落差較大，水庫出水口離水面有一定落差，夏秋兩季，氣溫較高，陽光輻射較強，而陽光的輻射和溫度對水庫水溫的影響和水深有關(guān)，水越深受的影響越小，所以深層水的溫度要遠(yuǎn)低于水面水溫。因此，下游的水流水溫與氣溫差別較大，在水面形成水蒸汽，傍晚由于氣溫下降較快，上方的水蒸汽冷凝，在水面形成腳霧。早上正好相反，氣溫升高較快，由于溫差較大，水蒸汽不斷在水面集聚，形成腳霧。腳霧和氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、水面溫度、水流速度有密切的關(guān)系，對這些參數(shù)進(jìn)行科學(xué)分析，構(gòu)建指數(shù)系統(tǒng)，可以對其進(jìn)行科學(xué)預(yù)測。

2.2 云霧和腳霧的相關(guān)環(huán)境參數(shù)和數(shù)學(xué)模型

為了簡化系統(tǒng)設(shè)計，確保足夠的準(zhǔn)確度和必要的精度，本系統(tǒng)采用指數(shù)法進(jìn)行建模，通過一系列指數(shù)的計算，消除不同傳感器量綱。這樣可以使得系統(tǒng)大為簡化。

2.2.1 無人機巡航子系統(tǒng)

云海和腳霧實際上都是一定濃度的水蒸汽在垂直方向分布并且出現(xiàn)突變斷面，這個斷面上方水蒸汽濃度顯著降低，這樣才會出現(xiàn)云海和腳霧的壯觀景象；如果不出現(xiàn)這樣的斷面，即使水蒸汽濃度再大，也只能影響能見度，不能形成腳霧?？梢娨A(yù)測云海和腳霧的行程，必須對影響所在區(qū)域空間水蒸汽分布的指標(biāo)進(jìn)行測量。無人機可以在三維空間運動，是非常理想的測試平臺。

2.2.2 無人機傳感器子系統(tǒng)

時間t時的水蒸汽的垂直分布與大氣濕度Wt，大氣溫度Tt，大氣壓力Pt密切相關(guān)，所以無人機載傳感器應(yīng)該包括這三個傳感器，這三個指標(biāo)和當(dāng)前相對高度Ht，一并通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器；通過數(shù)據(jù)整理、參數(shù)估計得到t空間水蒸汽分布預(yù)期指數(shù)It：

It=K1*Wt+K2*Tt+K3*Pt+K4*Ht

如果It-It1>Im（Im為出現(xiàn)出現(xiàn)水蒸汽濃度斷面的指數(shù)）

則置斷層標(biāo)志a=1。

空間水蒸汽分布預(yù)期指數(shù)I1=a*（It1+It2+……Itn）

沒有出現(xiàn)水蒸汽斷面預(yù)期時，不會出現(xiàn)云海和腳霧。

相應(yīng)指數(shù)I1=0。

2.2.3 小氣候預(yù)報系統(tǒng)

云海出現(xiàn)在高山之巔，腳霧出現(xiàn)在低溫水面，這些地域與外界相差很大，所以單純依賴公開的氣象資料，很難準(zhǔn)確預(yù)測這些小氣候。建立小氣候預(yù)報系統(tǒng)，不但可以為這些獨特氣象現(xiàn)象提供準(zhǔn)確預(yù)測，而且可以為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活、旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供便利條件。

只有在氣溫、氣壓滿足相應(yīng)條件，有一定的陽光輻射，地表水和江水才會適量蒸發(fā)、并以合適的速度擴散，才能在地表和水面形成相對穩(wěn)定的蒸汽層，才會出現(xiàn)壯觀的云海和腳霧；風(fēng)速過大時，會加速水蒸汽的蒸發(fā)速度，不利于地表或者江面水蒸汽集結(jié)，也就不能形成云?；蛘吣_霧。因此，必須建立獨立的小氣候探測預(yù)報系統(tǒng)，適時時點t，檢測太陽輻射St、氣溫Tt、濕度Wt、氣壓Pt、風(fēng)速Ft、風(fēng)向Dt，可以得到t時點的氣象指數(shù)It。

It=K1*St+K2*Tt+K3*Wt+K4*Pt+K5*Ft

綜合氣象指數(shù)I2：

I2=Dt*（It1+It2+…..+Itn）

當(dāng)風(fēng)向能形成云?；蛘吣_霧時，Dt=1，相應(yīng)的氣象綜合指數(shù)有效；否則，Dt=0，相應(yīng)的氣象綜合指數(shù)為0。

2.2.4 地溫、地面濕度和水溫、水流速度子系統(tǒng)

云海的形成地溫和地表濕度有緊密相關(guān)性，只有地溫和氣溫有適度的差異，才能保持適度的水蒸汽擴散速度，才有利于水蒸汽集結(jié)；也只有地表有足夠的濕度，才有足夠的水分蒸發(fā)成水蒸汽，形成相對穩(wěn)定的水蒸汽層，出現(xiàn)壯觀的人海。因此應(yīng)該對相應(yīng)區(qū)域地溫T、地面濕度W進(jìn)行檢測，經(jīng)參數(shù)估計，計算地表綜合指數(shù)I3。

I3=K1*T+K2*W

腳霧的形成和水溫、水流速度有緊密的相關(guān)關(guān)系。形成腳霧的江面一般來自深層水，由于深層水不易受到陽光輻射，因此水溫比較低，溫度相對穩(wěn)定，但是遇到暴雨，江面表層水溫升高較快，表層水與深層低溫水熱交換需要時間較長，因而影響腳霧形成；水流速度過快，會快速帶走蒸發(fā)的水蒸汽，水蒸汽不易在江面集結(jié)，也會影響腳霧的形成。因此檢測水溫W和流速S，構(gòu)建水流綜合指數(shù)I3。

I3=K1*W+K2*S

2.2.5 構(gòu)建云海腳霧預(yù)報綜合總指數(shù)I

根據(jù)空氣綜合指數(shù)，氣象綜合指數(shù)，地表綜合指數(shù)或者水流綜合指數(shù)，按照不同權(quán)重，構(gòu)建云?；蛘吣_霧預(yù)報綜合指數(shù)I。

I=K1*I1+K2*I2+K3*I3

2.2.6 構(gòu)建云海和腳霧的質(zhì)量等級預(yù)報

本系統(tǒng)不但可以進(jìn)行云海和腳霧的有無預(yù)報，而且可以預(yù)測云海腳霧的強度，即云海和腳霧的質(zhì)量等級。那就是根據(jù)綜合總指數(shù)的取值，配合氣象傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)合人們對云海和腳霧的審美偏好，科學(xué)制定其質(zhì)量等級。

3 傳感器的功能

濕度傳感器：形成云海和霧漫的首要條件是地表和空氣中有足夠水份，空氣濕度與其有較大的濕度差異，才能產(chǎn)生足夠的水蒸汽。檢測從地表到空中的濕度分布，既可獲得水蒸氣濃度分布。

溫度傳感器：采用氣溫傳感器和地溫傳感器感知氣溫和地溫變化規(guī)律。溫度是決定水蒸汽集聚和擴散速度的重要因素，只有在一定區(qū)間地溫和氣溫才能使得水分蒸發(fā)，形成足夠的水蒸汽并維持一段時間，從而形成云海和霧漫。

風(fēng)速傳感器：風(fēng)的強度和速度都是形成云海和霧漫的要件。強風(fēng)會把水蒸汽快速吹走，風(fēng)速太低不利于水蒸汽擴散，都對云海和霧漫的形成不利。因此，MC&RM;采用風(fēng)力、風(fēng)向、和風(fēng)速傳感器采集與風(fēng)相關(guān)數(shù)據(jù)，評估和預(yù)測其對形成云海和霧漫的影響。

氣壓氣流傳感器：云海在山岳形成，霧漫在溫差大的水面形成。這些地方都會形成獨特的氣流，對氣壓、氣流流量和流速進(jìn)行測試，有利于弄清云海和霧漫的形成機制和擴散趨勢。

飛控傳感器：包括姿態(tài)控制、飛行控制、通訊模塊、GPS定位等傳感器，既要保障無人機平穩(wěn)自動巡航，也要為溫度、濕度分布測試提供物理坐標(biāo)。

攝像頭：攝像頭攝取圖像和視頻傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)平臺，讓美麗壯觀的云海和霧漫和網(wǎng)友共享。

4 數(shù)據(jù)處理中心

以深度學(xué)習(xí)為核心的數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)對云海和霧漫的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析其成因和發(fā)展。采用深度分析智能化找出規(guī)律。數(shù)據(jù)處理中心還需提供無人機路線規(guī)劃等。

5 互聯(lián)網(wǎng)平臺

發(fā)布云海和霧漫信息：包括云海和霧漫預(yù)報、氣象信息，為旅游愛好者提供可預(yù)期的行程。

發(fā)布景點適時視頻和圖片：提供現(xiàn)場感強烈的視頻和圖片，調(diào)動網(wǎng)友游興。

發(fā)布相關(guān)景點旅游攻略：包括景點介紹、交通、住宿、餐飲等信息。

建立交互平臺：網(wǎng)友可通過圖像、視頻、撰文、評論等方式互動。

6 無人機保障系統(tǒng)

如果要實現(xiàn)無人機實時自動巡航，必須配置無人機自動起飛和降落、自動充電等輔助系統(tǒng)。還要建立無人機應(yīng)急輔助系統(tǒng)，在無人機發(fā)生故障或者通訊、定位系統(tǒng)發(fā)生故障時，確保無人機安全著陸。

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