基于空地協(xié)同的高光譜溫室氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁瑞臨 劉建挺

摘要：針對“碳達(dá)峰、碳中和”背景下的國家、省市與工業(yè)園區(qū)溫室氣體碳排放檢測的復(fù)雜性、隨機(jī)性，設(shè)計(jì)了一套基于空地協(xié)同的高光譜溫室氣體檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多旋翼無人機(jī)載高光譜探測設(shè)備，SLAM巡航汽車定位協(xié)同的方式探測目標(biāo)溫室氣體的空間域信息和光譜域信息，最終通過反演計(jì)算實(shí)現(xiàn)溫室氣體成分及濃度的檢測。相比目前的溫室氣體檢測設(shè)備，空地協(xié)同的高光譜成像設(shè)備具有測量精度高、安裝成本低、操作靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)、續(xù)航時間長、人力耗費(fèi)少等諸多優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 高光譜成像技術(shù)；溫室氣體檢測；空地協(xié)同；無人機(jī)遙感技術(shù)；無人巡航車

中圖分類號：TP273? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）36-0034-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

1概述

自第一次工業(yè)革命以來，世界經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，與此同時，化石燃料的燃燒導(dǎo)致溫室氣體濃度逐年增高，使得全球溫度升高[1]。21世紀(jì)以來，隨著中國加入世界貿(mào)易組織，加入全球化發(fā)展，給中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來了巨大動力，與此同時，從2000年2.5噸左右的人均碳排放，快速增長至7噸。2000年后，中國的煤炭用量劇增，石油與天然氣的占比也在增加。碳排放的主要來源包括：煤炭、石油、天然氣、水泥生產(chǎn)等。可見，碳排放的來源與能源結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，而且會隨著社會發(fā)展，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

目前，我國二氧化碳排放量基本上呈逐年增加的趨勢如圖1所示，且二氧化碳等溫室氣體排放量主要集中于電力、鋼鐵等大型工廠，對于這些工廠企業(yè)的溫室氣體監(jiān)測將變得極為重要。因此只有有效檢測溫室氣體的分布和排放量，才能為減少溫室氣體排放打下基礎(chǔ)[2]。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，又鑒于國家目前對環(huán)境空氣質(zhì)量的重視和相關(guān)制度的日趨完善，對氣體監(jiān)測設(shè)備的要求也逐步提升，空地協(xié)同高光譜成像溫室氣體檢測系統(tǒng)為各類氣體組成及濃度的檢測提供了新的途徑。對標(biāo)政府及各類檢測單位對相關(guān)企業(yè)或工廠進(jìn)行檢測有著充分的發(fā)展空間。

1.1無人機(jī)遙感技術(shù)

近年來，無人機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅猛，無人機(jī)因其機(jī)動靈活、控制方便和成本較低等特點(diǎn)在遙感監(jiān)測、災(zāi)害搜救和軍事偵察有著廣泛應(yīng)用前景。當(dāng)前，無人機(jī)機(jī)載平臺可搭載各種傳感器，如高光譜相機(jī)、彩色相機(jī)等，通過對獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)反演出需觀測物的信息。

1.2高光譜成像技術(shù)

高光譜圖像蘊(yùn)含著豐富的光譜域信息。作為有效的對地觀測手段，高光譜成像技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[3]中指出，我國第一個遙感溫室氣體檢測設(shè)備安裝在風(fēng)云三號D衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)了全球范圍主要溫室氣體CO2、CH4及CO等的濃度高精度監(jiān)測，為我國在氣候變化方面的話語權(quán)提升起到了重要作用。

1.3無人巡航車技術(shù)

無人車集感知、建圖、定位導(dǎo)航和智能化決策于一體，有著廣泛的應(yīng)用前景。激光雷達(dá)被稱為探測的“眼睛”，是一種通過發(fā)射激光來測量物體與傳感器之間精確距離的主動測量裝置?；?D激光雷達(dá)的SLAM可以檢測周圍環(huán)境精準(zhǔn)的三維點(diǎn)云信息，精度高、抗干擾能力強(qiáng)。SLAM技術(shù)可以在未知環(huán)境下完成地圖建立和自身位姿估計(jì)，為無人車的路徑規(guī)劃提供精確定位與地圖信息。

2溫室氣體檢測理論

當(dāng)前應(yīng)用較廣、較為基礎(chǔ)的溫室氣體排放量計(jì)算方法，如下所示：

E=AD×EF

式中：E為企業(yè)溫室氣體排放量；AD（Activity Data）為活動數(shù)據(jù)；EF（Emission Factor）為對應(yīng)的排放因子。

考慮到碳排放的復(fù)雜性和隨機(jī)性，對于一些碳排放復(fù)雜的工業(yè)園區(qū)等場所，直接套用上述公式，會產(chǎn)生較大誤差 [4]。而現(xiàn)有的實(shí)際測量設(shè)備多數(shù)設(shè)備測量精度低，不能滿足超低排放檢測市場的需求，也難以為碳交易提供穩(wěn)定可信賴的數(shù)據(jù)。針對上述情況，本文提出了采用基于空地協(xié)同方式利用高光譜成像儀來進(jìn)行溫室氣體的監(jiān)測。

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）等氣體成分能夠讓來自太陽的較短波長的能量順利通過，但是會劇烈地吸收來自地表和近地層大氣釋放出的較長波長的紅外能量，因此能夠使靠近地球表面的溫度升高，這類氣體成分被稱為溫室氣體。不同氣體成分均具有特性各異的特征光譜，相當(dāng)于氣體的身份信息。每一個象元都是一條曲線。通過對其進(jìn)行分析，可得到更準(zhǔn)確的目標(biāo)反射光譜。高光譜成像設(shè)備正是利用了這一特性，通過采集高光譜圖像來反演出溫室氣體的濃度。假設(shè)前向模型為[f（x）]，[y-M]為測量到的數(shù)據(jù)，則反演算法可以表述為：

[y-M=f（x）+w]

其中，[w]為誤差，[w=（ω1，ω2，...，ωm）]，

[y-M=（y1-M，y2-M，...，ym-M）]，[x=（x1，x2，...，xn）]。

無人機(jī)搭載的高光譜相機(jī)的光譜分辨率小于10 nm，可在數(shù)百個波段上進(jìn)行近紅外觀測。每一個像元都是一條曲線。通過對其進(jìn)行分析，可得到更準(zhǔn)確的目標(biāo)反射光譜。圖2為某高光譜像元的光譜曲線。

3溫室氣體檢測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

3.1 技術(shù)難點(diǎn)

1）無人機(jī)自主著陸精度差：對于自主飛行的無人機(jī)而言，安全穩(wěn)定著陸是一個很困難的問題。由于著陸階段飛行可調(diào)整空間小進(jìn)而導(dǎo)致飛行精度要求高，所以對飛行安全的要求也高，尤其是在終端接近時，無人機(jī)必須高精度保持目標(biāo)狀態(tài)，直到準(zhǔn)確地在規(guī)范區(qū)域降落，從而保證無人機(jī)及云臺搭載設(shè)備的安全[6]。

2）現(xiàn)有輪式結(jié)構(gòu)小車功能應(yīng)用性差：由于溫室氣體排放場所旁會存在不同的地形，因此小車在進(jìn)行溫室氣體監(jiān)測時，需要適應(yīng)于不同的路面環(huán)境。在土壤面上工作時，輪式結(jié)構(gòu)對地面壓強(qiáng)大，工作時輪胎氣壓一般為83.3～137.2 Kpa（0.85～1.4 kg/cm2 ），硬路面一般為147～196 Kpa（1.5～2.0 kg/cm2 ），易陷車，在潮濕泥濘或松軟土壤上易打滑，牽引附著性能差，不能發(fā)出較大的牽引力，對松軟地形有較大程度上的破壞性。在較為崎嶇復(fù)雜的地形中，輪式結(jié)構(gòu)的越障能力差，地形適應(yīng)能力弱。同時在操作小車運(yùn)行及回收無人機(jī)時，需對小車進(jìn)行位置微調(diào)，而輪式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)彎效率低，外轉(zhuǎn)半徑大，在進(jìn)行細(xì)微精準(zhǔn)位置調(diào)動時較為困難。

3）無人機(jī)續(xù)航能力差：當(dāng)前市場上的商用無人機(jī)續(xù)航能力普遍在1 h以下，難以實(shí)現(xiàn)長時間連續(xù)性工作，目前對無人機(jī)進(jìn)行回收充電大都需要依靠人工操作，需有電源及充電線連接，會給無人機(jī)帶來頻繁拔線的物理損傷，且步驟冗雜、費(fèi)時費(fèi)力，無法實(shí)現(xiàn)一體化、自動化。

4）現(xiàn)有推掃式掃描成像視角只有20～30°，并且行進(jìn)方向和掃射方向相互垂直，采集的數(shù)據(jù)屬于大范圍觀測，需要進(jìn)行圖像拼接、校正等后處理，容易產(chǎn)生較大誤差推掃式掃描系統(tǒng)利用飛行器的向前運(yùn)動，借助于與飛行方向垂直的掃描線記錄而構(gòu)成二維圖像[7]。

3.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于空地協(xié)同與高光譜成像技術(shù)的溫室氣體檢測系統(tǒng)組成有：

1）機(jī)載平臺：①無人機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)：包括機(jī)架、電機(jī)、電源系統(tǒng);②飛行器片上系統(tǒng)外圍傳感器：包括有GPS、陀螺儀、加速度計(jì)、磁感應(yīng)計(jì)、高光譜相機(jī)、普通光學(xué)相機(jī)等外圍模塊；③無人機(jī)控制器，負(fù)責(zé)多傳感器信息的處理和融合，具體實(shí)現(xiàn)無人機(jī)姿態(tài)回路、速度回路和位置回路的精確控制；負(fù)責(zé)對云臺相機(jī)傳輸過來的圖像進(jìn)行處理和傳輸；④無線數(shù)傳天空端，負(fù)責(zé)地面控制中心與機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的通信，包括從地面控制中心的指令傳輸和無人機(jī)平臺采集的圖像到地面控制中心的傳輸。

2）地面平臺：①SLAM自主巡航小車如圖3所示，作為無人機(jī)著陸平臺，在無人機(jī)起降時傳送GPS數(shù)據(jù)給無人機(jī)；②地面控制中心：通過發(fā)送控制指令讓無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)，接收無人機(jī)傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

3.3無人機(jī)自主降落和充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于GPS的導(dǎo)航范圍廣，但是定位精度差；視覺導(dǎo)航雖然定位精度高，但是其作用范圍小，適用于微調(diào)。因此，結(jié)合以上2種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者設(shè)計(jì)的自主降落方案采用GPS+計(jì)算機(jī)視覺伺服導(dǎo)航系統(tǒng)[6]，無人機(jī)和地面巡航小車結(jié)合設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

當(dāng)?shù)孛婵刂浦行南逻_(dá)降落命令后，無人機(jī)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)采用位置控制算法導(dǎo)航至巡航車附近，然后采用基于視覺伺服導(dǎo)航方式，降落至目標(biāo)位置。高精度自主著落系統(tǒng)配合單電容耦合充電結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)著陸充電一體化、自動化。減少人力成本，增大無人機(jī)續(xù)航能力，提高了監(jiān)測系統(tǒng)對各種環(huán)境的適應(yīng)能力。

3.4蝸輪蝸桿履帶式行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

小車內(nèi)部裝有雙步進(jìn)式三合一減速電機(jī)，采用蝸輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)（如圖5所示），帶動后驅(qū)履帶輪運(yùn)轉(zhuǎn)，使其在不同地形下能夠正常行走，更好地適應(yīng)多樣的復(fù)雜地理環(huán)境。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有傳輸扭矩大、工作平穩(wěn)、壽命長。實(shí)際上齒面摩擦系數(shù)因振動等原因由靜摩擦系數(shù)變成動摩擦系數(shù)，也具有傳輸扭矩大、工作平穩(wěn)、壽命長的特點(diǎn)。

3.5滾動式掃描成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

前文提到，推掃式掃描成像雖然容易實(shí)現(xiàn)，但視角只有20～30°，采集的數(shù)據(jù)是對于大范圍觀測，需要進(jìn)行圖像拼接、校正等后處理[7]。針對此類問題，筆者決定采用新型滾動式掃描成像方式，可以擴(kuò)大視場范圍。無人機(jī)載高光譜成像方式采用滾動式掃描，相較于原有推掃式掃描視場小的問題，滾動式成像空間分辨率高、譜段較多，使其掃描成像范圍更加靈活可控，維持了滾筒在轉(zhuǎn)動過程中的重量平衡，也保持了飛機(jī)飛行的穩(wěn)定性[8]，滾動式掃描成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

4結(jié)論

面向碳交易檢測和監(jiān)測關(guān)鍵核心技術(shù)研發(fā)是“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“碳達(dá)峰碳中和關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”重點(diǎn)專項(xiàng)擬支持17個研究方向之一。筆者設(shè)計(jì)的基于空地協(xié)同的高光譜成像溫室氣體檢測設(shè)備基于高光譜成像技術(shù)，以多旋翼無人機(jī)搭載高光譜探測設(shè)備，SLAM巡航汽車定位協(xié)同的方式探測目標(biāo)的二維幾何空間及一維光譜信息，獲取高光譜分辨率的連續(xù)、窄波段的圖像數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)溫室氣體成分及濃度的檢測。在無人機(jī)的充電方式上，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用SLAM巡航小車搭載充電平臺，單電容耦合的無線充電方式，通過無人機(jī)與搭載平臺上的充電錐形平臺相結(jié)合，使無人機(jī)在降落時利用自重修正降落偏差，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的自主充電。相比目前的溫室氣體檢測設(shè)備，空地協(xié)同的高光譜成像設(shè)備具有測量精度高、安裝成本低、操作靈活性高、適應(yīng)性強(qiáng)、續(xù)航時間長、人力耗費(fèi)少等諸多優(yōu)勢。

用碳纖維復(fù)合材料代替鋼或者鋁，減重效率可達(dá)到20%～40%，飛行器結(jié)構(gòu)材料約占起飛總重量的30%，減輕結(jié)構(gòu)材料的重量可以帶來許多好處。減重在節(jié)省電力消耗的同時擴(kuò)大了飛行半徑，提高了復(fù)雜地形生存能力和飛行靈活性，提高了航程和凈載能力，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，也是筆者下一步的研究方向。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】