基于紅外遙感影像的工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董 瑩,孫擁軍

(1.山東省濰坊生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,山東 濰坊 261041;2.濰坊市工業(yè)發(fā)展促進(jìn)中心,山東 濰坊 261041)

工業(yè)有害物質(zhì)的主要來源有工業(yè)粉塵、有害氣體、余熱及余濕等等[1],目前針對(duì)工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)方法[2-3]存在工作量大以及效率低的問題,隨著重工企業(yè)的越來越多,常規(guī)的工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)方法已不能滿足現(xiàn)有工業(yè)加熱企業(yè)的規(guī)模,為了更高效地解決工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)的問題,需對(duì)工業(yè)加熱進(jìn)行科學(xué)監(jiān)測(cè)[4-5]。

文獻(xiàn)[6]提出了基于深度學(xué)習(xí)的有害氣體感知技術(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究,通過有害氣體地面檢測(cè)技術(shù)難以滿足對(duì)釋放源的定位和有害氣體污染的評(píng)估,地面監(jiān)測(cè)技術(shù)只能監(jiān)測(cè)到部分的有害氣體擴(kuò)散方位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該監(jiān)測(cè)可以對(duì)地面監(jiān)測(cè)進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè),但是存在監(jiān)測(cè)結(jié)果不精確的問題。因此,基于遙感影響技術(shù)監(jiān)測(cè)方法,是一種重要的有害氣體感知技術(shù)監(jiān)測(cè)手段,可實(shí)現(xiàn)對(duì)釋放源和有害氣體污染的全面監(jiān)測(cè)[7]?，F(xiàn)有的有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)方法不僅耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力,監(jiān)測(cè)結(jié)果也不全面,經(jīng)常忽略較為隱蔽的有害物質(zhì),為了提高監(jiān)測(cè)效率的同時(shí)最大程度地降低監(jiān)測(cè)成本,提出基于紅外遙感影像的工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,紅外遙感影像中涵蓋的目標(biāo)物信息十分豐富,采用紅外遙感技術(shù)采集釋放源影像,從而實(shí)時(shí)獲取有害物質(zhì)污染的實(shí)際情況。

1 工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體框架與功能模塊

根據(jù)工業(yè)加熱污染的實(shí)際需求和有害物質(zhì)的特點(diǎn)進(jìn)行工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于紅外遙感技術(shù)采集相關(guān)數(shù)據(jù),在紅外遙感影像的幫助下組建工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框架[8-9]。系統(tǒng)是由地圖操作、紅外遙感監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、遙感影像數(shù)據(jù)處理以及有害物質(zhì)信息處理等十大模塊組成,且每個(gè)模塊都是獨(dú)一無二且互不依賴的[10],工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

終端無線節(jié)點(diǎn)的主要作用是收集工業(yè)加熱污染的相關(guān)數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的傳輸[11],系統(tǒng)在初始化完成后會(huì)直接收集有害物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)并同步進(jìn)行傳輸,基于此要求在對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的過程中通過時(shí)間觸發(fā)完成節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì),即在相同時(shí)間間隔對(duì)系統(tǒng)傳感器進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的收集和處理,完成指定任務(wù)后節(jié)點(diǎn)即刻進(jìn)入休眠狀態(tài),具體操作流程圖如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳輸流程圖

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各模塊功能

1.2.1 系統(tǒng)登錄模塊

此模塊也是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的首頁,其主要功能是管控用戶的登錄和退出[12-13],授予普通用戶登錄系統(tǒng)的權(quán)限,用戶獲取所需數(shù)據(jù)后協(xié)助用戶退出系統(tǒng)。

1.2.2 工業(yè)加熱污染監(jiān)測(cè)模塊

此模塊的主要作用是對(duì)工業(yè)加熱污染中可能發(fā)生有害物質(zhì)的區(qū)域的遙感影像進(jìn)行監(jiān)測(cè)制圖。

1.2.3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理模塊

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理模塊中存在工業(yè)加熱數(shù)據(jù)庫的用戶列表以及工業(yè)加熱污染地圖相關(guān)修改等管理功能,可對(duì)用戶數(shù)據(jù)以及工業(yè)加熱數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,其中包括對(duì)系統(tǒng)高級(jí)管理人員進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái)的登錄權(quán)限以及退出機(jī)制,在此模塊中管理員可對(duì)系統(tǒng)中的地圖以及診斷結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯處理。

1.2.4 有害物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)處理模塊

此模塊的主要作用就是對(duì)工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的添加、修改、查詢以及刪除處理,具有數(shù)據(jù)表修改、有害物質(zhì)信息錄入、實(shí)時(shí)更新、查詢以及編輯功能。有害物質(zhì)的錄入是將工業(yè)加熱污染的完整數(shù)據(jù)以及治療、預(yù)防數(shù)據(jù)全部保存到數(shù)據(jù)庫中,信息的錄入不僅保存相關(guān)有害物質(zhì)數(shù)據(jù),還需要將產(chǎn)生的有害物質(zhì)圖像傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器中;有害物質(zhì)信息查詢是對(duì)有害物質(zhì)屬性以及發(fā)生區(qū)域等所有相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢;有害物質(zhì)編輯模塊顧名思義就是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的修改,并及時(shí)更新相關(guān)數(shù)據(jù),此模塊的架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 有害物質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)處理模塊架構(gòu)圖

1.2.5 紅外遙感監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)模塊

此模塊主要是對(duì)遙感相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,該模塊可提前收集病蟲害不同時(shí)期的冠層反射特征,并依據(jù)特征變化對(duì)病蟲害進(jìn)行預(yù)測(cè),此模塊的主要作用是將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,即對(duì)數(shù)據(jù)的分析以及查錯(cuò)處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程預(yù)測(cè)病蟲害的目的。

1.2.6 紅外遙感影像數(shù)據(jù)處理模塊

紅外遙感影像數(shù)據(jù)處理模塊的作用是加載和瀏覽紅外遙感影像數(shù)據(jù),此模塊中包含對(duì)紅外遙感影像數(shù)據(jù)處理的函數(shù)計(jì)算方法,其架構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 紅外遙感影像數(shù)據(jù)處理模塊架構(gòu)圖

1.2.7 有害物質(zhì)地圖編輯模塊

該模塊中存在處理有害物質(zhì)地圖矢量文件的處理函數(shù),主要作用就是對(duì)有害物質(zhì)空間屬性的點(diǎn)和面進(jìn)行編輯以及屬性查看等,其架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 有害物質(zhì)地圖編輯模塊架構(gòu)圖

1.2.8 數(shù)據(jù)庫操作模塊

此模塊中包含處理數(shù)據(jù)的相關(guān)計(jì)算函數(shù),主要作用就是連接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫,次要作用是修改數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù),即對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行刪除以及添加等處理。

1.2.9 工業(yè)加熱污染地圖操作模塊

工業(yè)加熱污染地圖操作模塊中包含可加載工業(yè)加熱污染地圖服務(wù)的操作函數(shù),主要作用就是顯示出實(shí)時(shí)的工業(yè)加熱污染地圖以及圖層。

以上就是對(duì)有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分的詳細(xì)設(shè)計(jì),每個(gè)系統(tǒng)中硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都是相輔相成的,因此,需在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)軟件。

1.3 有害物質(zhì)診斷算法

以專家歷史診斷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),為加強(qiáng)有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)性能,在系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)計(jì)算過程中可通過提取彩色分量[14]對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行初始篩選,即在彩色分量的幫助下將污染正常位置與有害物質(zhì)位置進(jìn)行區(qū)分,將正常位置和灰色區(qū)域差別較大的分量視為特征提取的備用分量,其中,RGB的灰度轉(zhuǎn)換表達(dá)式為

Y=0.99×R+0.114×B+0.587×G

(1)

式中:Y為彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰色圖像后的結(jié)果;R、B和G均為彩色分量。

圖像的灰度的均值之差可體現(xiàn)出圖像之間的差異,標(biāo)準(zhǔn)差能夠體現(xiàn)出圖像之間的離散程度,當(dāng)差值越小則圖像交叉的概率越小,根據(jù)此原理,將灰度均值以及標(biāo)準(zhǔn)差視為篩選彩色分量的標(biāo)準(zhǔn),則灰度均值的計(jì)算公式為

(2)

其中,圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式為

(3)

根據(jù)式(3)分別對(duì)紅外遙感圖像進(jìn)行灰度均值以及標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算,將污染區(qū)域的彩色分量與有害物質(zhì)區(qū)域的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行對(duì)比,其中,差值比較大的即為有害物質(zhì)的備用分量。經(jīng)過初步篩選后得到的圖像區(qū)域在自適應(yīng)雙閾值的幫助下完成污染有害物質(zhì)特征提取[15-16]。

假設(shè)原始污染像素點(diǎn)(i,j)的灰度值為h(i,j),則有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)圖像中像素點(diǎn)(i,j)的灰度值q(i,j)的表達(dá)式為

(4)

式中:1為遙感圖像中有害物質(zhì)區(qū)域的像素值;0為遙感圖像中正常區(qū)域的像素值;k為影像特征提取結(jié)果準(zhǔn)確性的閾值。k直接影響到最終有害物質(zhì)特征提取精度,k值越小,會(huì)造成最終不完整,但過大會(huì)導(dǎo)致結(jié)果中噪聲過多,影響監(jiān)測(cè)效率,所以必須保證閾值不會(huì)過大也不會(huì)過小,進(jìn)而得出有害物質(zhì)的灰度值,從而在初始篩選結(jié)果中提取出有害物質(zhì)特征,完成污染有害物質(zhì)的診斷。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證基于紅外遙感影像的污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體有效性,現(xiàn)對(duì)所提方法進(jìn)行測(cè)試。在某區(qū)域進(jìn)行有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)研究,圖6為該區(qū)域污染有害物質(zhì)區(qū)域遙感圖像。

圖6中,白色線為有害物質(zhì)區(qū)域。將所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連通到圖6中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,利用入網(wǎng)計(jì)算機(jī)詢問監(jiān)測(cè)網(wǎng)站,對(duì)該地的污染有害物質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),繪制出一天內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的操作性能

實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)定某工廠樣本數(shù)據(jù)的采集間隔是1 h,經(jīng)過24 h的監(jiān)測(cè),隨著溫度和濕度的不同,其中出現(xiàn)有害物質(zhì)的數(shù)量也不盡相同,得出的監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 一天中有害物質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果

表1是所提方法在相同時(shí)間間隔下對(duì)有害物質(zhì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果,用戶可以明確得知在不同溫度、不同時(shí)間點(diǎn)以及不同濕度下的有害物質(zhì)情況,降低了系統(tǒng)操作難度,縮短監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔,便于了解最新污染有害物質(zhì)情況。

利用所設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可知每天不同監(jiān)測(cè)時(shí)間內(nèi)的溫度濕度和有害物質(zhì)的情況,及時(shí)依據(jù)特定條件進(jìn)行污染有害物質(zhì)處理,進(jìn)而降低用戶獲取數(shù)據(jù)的難易程度,減少傳輸流量,降低監(jiān)測(cè)成本,同時(shí)由于自動(dòng)生成相關(guān)數(shù)據(jù),可大大提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性以及可靠性,同時(shí)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)整理可污染有害物質(zhì)提供更加詳實(shí)和精確的數(shù)據(jù),也能獲取更加完整的污染物質(zhì)有害監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),為監(jiān)測(cè)結(jié)果提供更有力的證明,提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能力。

2.2 實(shí)際有害物質(zhì)與監(jiān)測(cè)結(jié)果的線性回歸分析

污染物質(zhì)有害監(jiān)測(cè)就是對(duì)發(fā)生污染物質(zhì)有害進(jìn)行統(tǒng)計(jì),監(jiān)測(cè)結(jié)果越接近實(shí)際結(jié)果說明監(jiān)測(cè)精度越高,而線性回歸分析是最能說明監(jiān)測(cè)方法好壞的優(yōu)劣指標(biāo)。在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,隨機(jī)選取某一區(qū)域的污染進(jìn)行有害物質(zhì)5次監(jiān)測(cè),并對(duì)其進(jìn)行線性回歸分析,橫坐標(biāo)之間的比值越靠近1說明監(jiān)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 五次監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的線性回歸分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知,實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選取不同的5組污染樣本進(jìn)行監(jiān)測(cè),并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,根據(jù)結(jié)果可知,所提方法與實(shí)際結(jié)果處理第一次監(jiān)測(cè)有些許誤差導(dǎo)致兩者之間比值不為1,但也無限接近于1,其余四組監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間的比值均為1。由此證明所提方法的監(jiān)測(cè)優(yōu)越性,這是因?yàn)樗岱椒ㄔ谠O(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過程中利用灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)差,對(duì)需要監(jiān)測(cè)的污染區(qū)域進(jìn)行正常區(qū)域與非正常區(qū)域的初步篩選,減少需要監(jiān)測(cè)的部位,大大提高監(jiān)測(cè)效率和計(jì)算準(zhǔn)確性,從而提高監(jiān)測(cè)精度。

3 結(jié) 語

現(xiàn)今城市周邊地區(qū)多以工廠為主,污染的最大的問題就是有害物質(zhì)問題,經(jīng)過反復(fù)研究得出污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),但目前的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)操作復(fù)雜,基于遙感圖像的優(yōu)點(diǎn),提出基于紅外遙感影像的工業(yè)加熱污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,該方法主要是通過設(shè)計(jì)出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)并詳細(xì)介紹硬件系統(tǒng),根據(jù)其中的需求設(shè)計(jì)出相關(guān)軟件系統(tǒng),將兩者結(jié)合,實(shí)現(xiàn)污染有害物質(zhì)監(jiān)測(cè),解決了監(jiān)測(cè)操作難、可靠性差以及監(jiān)測(cè)精度低的問題。