一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法技術方案

本發明專利技術公開了一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法，系統包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；平臺包括移動載體、大氣環境參數采集模塊、通信模塊和定位模塊；移動載體為大氣環境參數采集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；大氣環境參數采集模塊通過傳感器采集大氣環境參數；通信模塊為各個平臺提供網絡服務；定位模塊為各個平臺提供定位服務；平臺依據一定規則和自身所處狀態在相應的區域內運行，平臺之間通過無線網絡實現啟發式互動，也可以統一調配。本發明專利技術能有效解決城市環境監測理論與現實需求、效益與所需成本之間的矛盾，實現實時化、精細化監測。

Multi scale atmospheric environment monitoring system and method based on four fork tree

The invention discloses a multi scale atmospheric environment monitoring system and method based on the four fork tree, including the system composed of a plurality of mobile environmental monitoring environmental monitoring platform of the mobile platform cluster; platform including mobile carrier, environment parameter acquisition module, atmospheric communication module and positioning module; the mobile carrier provides mobility and stability the power support for the atmospheric environment parameter acquisition module, communication module, positioning module; environment parameter acquisition module acquisition atmospheric atmospheric environment parameters through the sensor module; communication network service for each platform; the positioning module provide positioning service for various platforms; platform according to certain rules and their own state of operation in the corresponding region, platform between the heuristic and interactive through the wireless network, can also be unified deployment. The invention can effectively solve the contradiction between the theoretical and practical requirements of the urban environmental monitoring, the benefit and the required cost, and realize real-time and fine monitoring.

【技術實現步驟摘要】
一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法
本專利技術屬于環保領域，涉及一種環境監測及污染分析系統及方法，特別是涉及一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法。
技術介紹
隨著經濟的發展，城市人口密度急劇膨脹，環境事故的危害性也日益凸顯，城市環境的實時化、精細化監測已經成為一種迫切的需求。按照環境監測技術的發展趨勢來看，當前常見的定點式環境監測站已經無法滿足城市內的環境監測和預警需求。一方面，固定式環境監測站點的設備雖然精密但是價格較貴無法實現大密度的布設；另一方面，手持式環境監測設備雖然廉價，但是精度和穩定性較差。以汽車、無人機等為載體的移動環境監測技術已經逐漸形成了一種潮流，但是目前常見的實際應用場景多為熱點區域和重大事件，很少涉及到城市的日常監測。這種需求和現狀的矛盾有兩方面原因，一方面是城市范圍廣闊難以形成常態化的密集監測；另一方面是由于城市環境復雜，潛在威脅的空間分布既不均勻也不規則。
技術實現思路
本專利技術針對上述問題，提供一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統及方法，以解決城市環境監測理論與現實需求、效益與所需成本之間的矛盾，實現實時化、精細化監測由理論構想到可行方案的一種途徑。本專利技術的系統所采用的技術方案是：一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特征在于：包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；所述環境監測平臺包括移動載體、大氣環境參數采集模塊、通信模塊和定位模塊；所述移動載體為大氣環境參數采集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；所述大氣環境參數采集模塊通過傳感器采集大氣環境參數；所述通信模塊為各個環境監測平臺提供網絡服務；所述定位模塊為各個環境監測平臺提供定位服務；所述環境監測平臺之間或通過統一調配，或通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。本專利技術的方法所采用的技術方案是：一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：基于環境監測作業區域的最小外包正方形建立四叉樹，外包正方形為四叉樹的根結點，四叉樹的深度根據環境監測移動平臺集群實時獲得的監測數據實時變化；步驟2：環境監測移動平臺集群中各個環境監測平臺根據集群監測數據在以下三種狀態之間切換：休眠、運作、應急；步驟3：環境監測平臺之間或直接進行啟發式互動，或通過中央控制模塊統一下達指令；步驟4：規劃四叉樹的生長機制；步驟5：規劃四叉樹的消亡機制，分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。與現有技術相比，本專利技術將環境監測作業區域依據四叉樹（嵌套）劃分為若干區域，系統（集群）的各個環境監測平臺在相應的區域內依據一定法則運行并采集環境參數，根據環境參數的空間分布動態的控制四叉樹的生長和消亡，以調整各個環境監測平臺的運行軌跡和工作狀態，在降低整體系統總消耗的同時減少了潛在的冗余監測，實現了城市整體環境的常態化監測、環境事故的預警和高危區域的密集監測。本專利技術技術方案綜合考慮了監測區域的廣闊性和潛在區域的不確定性，為環境監測平臺設計了三種狀態（休眠、運作、應急），利用四叉樹劃分作業區域，兩種機制的反饋式協作實現了設備功能和空間劃分兩個方面的層次化管理：在城市環境處于常態的條件下通過休眠狀態和淺度的四叉樹降低環境監測平臺的運行成本；在某個區域出現環境異常的時候激發最近環境監測平臺，該環境監測平臺以較高運行成本加強該區域的監測密度，同時提高四叉樹在這個區域的深度并激發兄弟結點中的環境監測平臺；這種“集群-四叉樹”協同機制對突發環境變化非常敏感，可以高效調動整體資源對關鍵地區進行高密度環境監測；環境危機解除之后，這種“集群-四叉樹”協同機制也會快速的恢復整個系統的低成本運行狀態。附圖說明圖1為本專利技術實施例方法流程示意圖。具體實施方式為了便于本領域普通技術人員理解和實施本專利技術，下面結合附圖及實施例對本專利技術作進一步的詳細描述，應當理解，此處所描述的實施示例僅用于說明和解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。本專利技術提供的一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；環境監測平臺依據一定規則和自身所處狀態在相應的區域內運行，環境監測平臺之間通過無線網絡實現啟發式互動，也可以統一調配。環境監測平臺包括移動載體、大氣環境參數采集模塊、通信模塊和定位模塊；移動載體為大氣環境參數采集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；大氣環境參數采集模塊通過傳感器采集大氣環境參數；通信模塊為各個環境監測平臺提供網絡服務；定位模塊為各個環境監測平臺提供定位服務。當環境監測移動平臺集群中一個或者多個環境監測平臺設置有中央控制模塊時，則通過中央控制模塊控制整個環境監測移動平臺集群，統一調配下達狀態指令、制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。當環境監測移動平臺集群中所有環境監測平臺均沒有設置中央控制模塊時，則所有環境監測平臺都根據接收到的周邊環境監測平臺數據自行變更本身的運行狀態，環境監測平臺之間通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。在運行的過程中，環境監測平臺有“休眠”、“運作”和“應急”這三種運行狀態，每個環境監測平臺按照特定規則依據四叉樹劃定的區域進行閉環運動。傳感器包括二氧化硫傳感器、氮氧化物傳感器、懸浮顆粒物傳感器等，用于測量現場的二氧化硫濃度、氮氧化物濃度、懸浮顆粒物濃度等大氣環境參數。移動載體為環境監測平臺、大氣環境參數采集模塊、通信模塊、定位模塊和中央控制模塊提供機動能力和穩定的電力支持（車載UPS）。環境監測平臺的監測周期是以環境監測平臺一次完整的閉環運動（或者設定一個更大的值）作為一個監測周期，一個周期完成后根據這個周期的監測數據判斷該環境監測平臺所處的狀態。本實施例的基于四叉樹的作業區域劃分是以作業區域最小外包正方形為根結點構建四叉樹，以規定環境監測平臺的運行區域，四叉樹依據結點中的環境監測平臺數量生長或者消亡以實現“集群-四叉樹”協同。請見圖1，本專利技術提供的一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：基于環境監測作業區域的最小外包正方形建立四叉樹，外包正方形為四叉樹的根結點，四叉樹的深度根據環境監測移動平臺集群實時獲得的監測數據實時變化；實施例中，直接以作業區域的最小外包正方形作為四叉樹的根結點，然后將環境監測平臺分布到根結點的子結點中。具體實施時，本領域技術人員可自行對根結點進行多級劃分，若作業區域為多個不相連的閉合區域，也可將若干結點標注為不用監測的空結點，然后將環境監測平臺分布到相應結點中。步驟2：環境監測移動平臺集群中各個環境監測平臺根據集群監測數據在以下三種狀態之間切換：休眠、運作、應急；環境監測平臺狀態（即休眠、運作和應急）包含其運動狀態和采樣頻率。實施例中，各個環境監測平臺的初始狀態為運作，較高級狀態為應急，較低級狀態為休眠。具體實施時，本領域技術人員可根據實際需要劃分更多的運行狀態和更復雜的運行規則。步驟3：環境監測平臺之間或直接進行啟發式互動，或通過控制中心統一下達指令；啟發式互動，其具體實現過程是：環境監測移動平臺集群中各個環境監測本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特征在于：包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；所述環境監測平臺包括移動載體、大氣環境參數采集模塊、通信模塊和定位模塊；所述移動載體為大氣環境參數采集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；所述大氣環境參數采集模塊通過傳感器采集大氣環境參數；所述通信模塊為各個環境監測平臺提供網絡服務；所述定位模塊為各個環境監測平臺提供定位服務；所述環境監測平臺之間或通過統一調配，或通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。

【技術特征摘要】
1.一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特征在于：包括由若干個可移動環境監測平臺組成的環境監測移動平臺集群組成；所述環境監測平臺包括移動載體、大氣環境參數采集模塊、通信模塊和定位模塊；所述移動載體為大氣環境參數采集模塊、通信模塊、定位模塊提供機動能力和穩定的電力支持；所述大氣環境參數采集模塊通過傳感器采集大氣環境參數；所述通信模塊為各個環境監測平臺提供網絡服務；所述定位模塊為各個環境監測平臺提供定位服務；所述環境監測平臺之間或通過統一調配，或通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。2.根據權利要求1所述的基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特征在于：當所述環境監測移動平臺集群中一個或者多個環境監測平臺設置有中央控制模塊時，則通過中央控制模塊控制整個環境監測移動平臺集群，統一調配下達狀態指令、制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。3.根據權利要求1所述的基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特征在于：當所述環境監測移動平臺集群中所有環境監測平臺均沒有設置中央控制模塊時，則所有環境監測平臺都根據接收到的周邊環境監測平臺數據自行變更本身的運行狀態，環境監測平臺之間通過無線網絡實現啟發式互動，制定閉環路線、規劃四叉樹的生長及消亡、分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。4.根據權利要求1所述的基于四叉樹的多尺度大氣環境監測系統，其特征在于：所述傳感器包括二氧化硫傳感器、氮氧化物傳感器、懸浮顆粒物傳感器。5.一種基于四叉樹的多尺度大氣環境監測方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1：基于環境監測作業區域的最小外包正方形建立四叉樹，外包正方形為四叉樹的根結點，四叉樹的深度根據環境監測移動平臺集群實時獲得的監測數據實時變化；步驟2：環境監測移動平臺集群中各個環境監測平臺根據集群監測數據在以下三種狀態之間切換：休眠、運作、應急；步驟3：環境監測平臺之間或直接進行啟發式互動，或統一下達指令；步驟4：規劃四叉樹的生長機制；步驟5：規劃四叉樹的消亡機制，分析和輸出作業區域的大氣污染現狀。6.根據權利...

【專利技術屬性】
技術研發人員：龔威，林恒，
申請(專利權)人：測繪遙感信息工程國家重點實驗室深圳研發中心，
類型：發明
國別省市：廣東,44