基于空地协同的高光谱温室气体检测系统设计

袁瑞临 刘建挺

摘要：针对“碳达峰、碳中和”背景下的国家、省市与工业园区温室气体碳排放检测的复杂性、随机性，设计了一套基于空地协同的高光谱温室气体检测系统。该系统采用多旋翼无人机载高光谱探测设备，SLAM巡航汽车定位协同的方式探测目标温室气体的空间域信息和光谱域信息，最终通过反演计算实现温室气体成分及浓度的检测。相比目前的温室气体检测设备，空地协同的高光谱成像设备具有测量精度高、安装成本低、操作灵活性高、适应性强、续航时间长、人力耗费少等诸多优势。

关键词： 高光谱成像技术；温室气体检测；空地协同；无人机遥感技术；无人巡航车

中图分类号：TP273       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）36-0034-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）

1概述

自第一次工业革命以来，世界经济飞速发展，与此同时，化石燃料的燃烧导致温室气体浓度逐年增高，使得全球温度升高[1]。21世纪以来，随着中国加入世界贸易组织，加入全球化发展，给中国经济发展带来了巨大动力，与此同时，从2000年2.5吨左右的人均碳排放，快速增长至7吨。2000年后，中国的煤炭用量剧增，石油与天然气的占比也在增加。碳排放的主要来源包括：煤炭、石油、天然气、水泥生产等。可见，碳排放的来源与能源结构直接相关，而且会随着社会发展，结构发生变化。

目前，我国二氧化碳排放量基本上呈逐年增加的趋势如图1所示，且二氧化碳等温室气体排放量主要集中于电力、钢铁等大型工厂，对于这些工厂企业的温室气体监测将变得极为重要。因此只有有效检测温室气体的分布和排放量，才能为减少温室气体排放打下基础[2]。随着可持续发展战略的不断推进，又鉴于国家目前对环境空气质量的重视和相关制度的日趋完善，对气体监测设备的要求也逐步提升，空地协同高光谱成像温室气体检测系统为各类气体组成及浓度的检测提供了新的途径。对标政府及各类检测单位对相关企业或工厂进行检测有着充分的发展空间。

1.1无人机遥感技术

近年来，无人机相关技术发展迅猛，无人机因其机动灵活、控制方便和成本较低等特点在遥感监测、灾害搜救和军事侦察有著广泛应用前景。当前，无人机机载平台可搭载各种传感器，如高光谱相机、彩色相机等，通过对获取的监测数据反演出需观测物的信息。

1.2高光谱成像技术

高光谱图像蕴含着丰富的光谱域信息。作为有效的对地观测手段，高光谱成像技术有着广阔的应用前景。文献[3]中指出，我国第一个遥感温室气体检测设备安装在风云三号D卫星上，实现了全球范围主要温室气体CO2、CH4及CO等的浓度高精度监测，为我国在气候变化方面的话语权提升起到了重要作用。

1.3无人巡航车技术

无人车集感知、建图、定位导航和智能化决策于一体，有着广泛的应用前景。激光雷达被称为探测的“眼睛”，是一种通过发射激光来测量物体与传感器之间精确距离的主动测量装置。基于3D激光雷达的SLAM可以检测周围环境精准的三维点云信息，精度高、抗干扰能力强。SLAM技术可以在未知环境下完成地图建立和自身位姿估计，为无人车的路径规划提供精确定位与地图信息。

2温室气体检测理论

当前应用较广、较为基础的温室气体排放量计算方法，如下所示：

E=AD×EF

式中：E为企业温室气体排放量；AD（Activity Data）为活动数据；EF（Emission Factor）为对应的排放因子。

考虑到碳排放的复杂性和随机性，对于一些碳排放复杂的工业园区等场所，直接套用上述公式，会产生较大误差 [4]。而现有的实际测量设备多数设备测量精度低，不能满足超低排放检测市场的需求，也难以为碳交易提供稳定可信赖的数据。针对上述情况，本文提出了采用基于空地协同方式利用高光谱成像仪来进行温室气体的监测。

二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、一氧化二氮（N2O）等气体成分能够让来自太阳的较短波长的能量顺利通过，但是会剧烈地吸收来自地表和近地层大气释放出的较长波长的红外能量，因此能够使靠近地球表面的温度升高，这类气体成分被称为温室气体。不同气体成分均具有特性各异的特征光谱，相当于气体的身份信息。每一个象元都是一条曲线。通过对其进行分析，可得到更准确的目标反射光谱。高光谱成像设备正是利用了这一特性，通过采集高光谱图像来反演出温室气体的浓度。假设前向模型为[f（x）]，[y-M]为测量到的数据，则反演算法可以表述为：

[y-M=f（x）+w]

其中，[w]为误差，[w=（ω1，ω2，...，ωm）]，

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

无人机搭载的高光谱相机的光谱分辨率小于10 nm，可在数百个波段上进行近红外观测。每一个像元都是一条曲线。通过对其进行分析，可得到更准确的目标反射光谱。图2为某高光谱像元的光谱曲线。

3温室气体检测系统研究与设计

3.1 技术难点

1）无人机自主着陆精度差：对于自主飞行的无人机而言，安全稳定着陆是一个很困难的问题。由于着陆阶段飞行可调整空间小进而导致飞行精度要求高，所以对飞行安全的要求也高，尤其是在终端接近时，无人机必须高精度保持目标状态，直到准确地在规范区域降落，从而保证无人机及云台搭载设备的安全[6]。

2）现有轮式结构小车功能应用性差：由于温室气体排放场所旁会存在不同的地形，因此小车在进行温室气体监测时，需要适应于不同的路面环境。在土壤面上工作时，轮式结构对地面压强大，工作时轮胎气压一般为83.3～137.2 Kpa（0.85～1.4 kg/cm2 ），硬路面一般为147～196 Kpa（1.5～2.0 kg/cm2 ），易陷车，在潮湿泥泞或松软土壤上易打滑，牵引附着性能差，不能发出较大的牵引力，对松软地形有较大程度上的破坏性。在较为崎岖复杂的地形中，轮式结构的越障能力差，地形适应能力弱。同时在操作小车运行及回收无人机时，需对小车进行位置微调，而轮式结构转弯效率低，外转半径大，在进行细微精准位置调动时较为困难。

3）无人机续航能力差：当前市场上的商用无人机续航能力普遍在1 h以下，难以实现长时间连续性工作，目前对无人机进行回收充电大都需要依靠人工操作，需有电源及充电线连接，会给无人机带来频繁拔线的物理损伤，且步骤冗杂、费时费力，无法实现一体化、自动化。

4）现有推扫式扫描成像视角只有20～30°，并且行进方向和扫射方向相互垂直，采集的数据属于大范围观测，需要进行图像拼接、校正等后处理，容易产生较大误差推扫式扫描系统利用飞行器的向前运动，借助于与飞行方向垂直的扫描线记录而构成二维图像[7]。

3.2系统架构设计

设计的基于空地协同与高光谱成像技术的温室气体检测系统组成有：

1）机载平台：①无人机机械结构：包括机架、电机、电源系统;②飞行器片上系统外围传感器：包括有GPS、陀螺仪、加速度计、磁感应计、高光谱相机、普通光学相机等外围模块；③无人机控制器，负责多传感器信息的处理和融合，具体实现无人机姿态回路、速度回路和位置回路的精确控制；负责对云台相机传输过来的图像进行处理和传输；④无线数传天空端，负责地面控制中心与机载计算机系统之间的通信，包括从地面控制中心的指令传输和无人机平台采集的图像到地面控制中心的传输。

2）地面平台：①SLAM自主巡航小车如图3所示，作为无人机着陆平台，在无人机起降时传送GPS数据给无人机；②地面控制中心：通过发送控制指令让无人机执行任务，接收无人机传输的信息。

3.3无人机自主降落和充电系统设计

由于GPS的导航范围广，但是定位精度差；视觉导航虽然定位精度高，但是其作用范围小，适用于微调。因此，结合以上2种方法的优缺点，笔者设计的自主降落方案采用GPS+计算机视觉伺服导航系统[6]，无人机和地面巡航小车结合设计图如图4所示。

当地面控制中心下达降落命令后，无人机根据GPS数据采用位置控制算法导航至巡航车附近，然后采用基于视觉伺服导航方式，降落至目标位置。高精度自主着落系统配合单电容耦合充电结构，实现无人机着陆充电一体化、自动化。减少人力成本，增大无人机续航能力，提高了监测系统对各种环境的适应能力。

3.4蜗轮蜗杆履带式行走结构设计

小车内部装有双步进式三合一减速电机，采用蜗轮蜗杆传动结构（如图5所示），带动后驱履带轮运转，使其在不同地形下能够正常行走，更好地适应多样的复杂地理环境。结构特点有传输扭矩大、工作平稳、寿命长。实际上齿面摩擦系数因振动等原因由静摩擦系数变成动摩擦系数，也具有传输扭矩大、工作平稳、寿命长的特点。

3.5滚动式扫描成像系统设计

前文提到，推扫式扫描成像虽然容易实现，但视角只有20～30°，采集的数据是对于大范围观测，需要进行图像拼接、校正等后处理[7]。针对此类问题，笔者决定采用新型滚动式扫描成像方式，可以扩大视场范围。无人机载高光谱成像方式采用滚动式扫描，相较于原有推扫式扫描视场小的问题，滚动式成像空间分辨率高、谱段较多，使其扫描成像范围更加灵活可控，维持了滚筒在转动过程中的重量平衡，也保持了飞机飞行的稳定性[8]，滚动式扫描成像系统设计如图6所示。

4结论

面向碳交易检测和监测关键核心技术研发是“十四五”国家重点研发计划“碳达峰碳中和关键技术研究与示范”重点专项拟支持17个研究方向之一。笔者设计的基于空地协同的高光谱成像温室气体检测设备基于高光谱成像技术，以多旋翼无人机搭载高光谱探测设备，SLAM巡航汽车定位协同的方式探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据，从而实现温室气体成分及浓度的检测。在无人机的充电方式上，团队创新性地采用SLAM巡航小车搭载充电平台，单电容耦合的无线充电方式，通过无人机与搭载平台上的充电锥形平台相结合，使无人机在降落时利用自重修正降落偏差，实现无人机的自主充电。相比目前的温室气体检测设备，空地协同的高光谱成像设备具有测量精度高、安装成本低、操作灵活性高、适应性强、续航时间长、人力耗费少等诸多优势。

用碳纤维復合材料代替钢或者铝，减重效率可达到20%～40%，飞行器结构材料约占起飞总重量的30%，减轻结构材料的重量可以带来许多好处。减重在节省电力消耗的同时扩大了飞行半径，提高了复杂地形生存能力和飞行灵活性，提高了航程和净载能力，具有显著的经济效益，也是笔者下一步的研究方向。

参考文献：

[1] 邓昊.基于激光外差光谱技术的主要温室气体柱浓度测量方法研究[D].合肥：中国科学技术大学，2020.

[2] 王汝雯.基于WFM-DOAS温室气体柱浓度反演方法及应用研究[D].合肥：中国科学技术大学，2019.

[3] 申春梅，于峰，刘文凯.FY-3D卫星高光谱温室气体监测仪热控设计及在轨验证[J].北京航空航天大学学报，2020，46（11）：2026-2038.

[4] 杨美昭.企业温室气体排放量监测计量方法研究[D].保定：河北大学，2021.

[5] 袁瑞临.基于高光谱图像分析的地物变化检测方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019.

[6] 韦浪.车载无人机系统方案与控制技术研究[D].北京：北京理工大学，2016.

[7] 葛明锋.基于轻小型无人机的高光谱成像系统研究[D].上海：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2015.

[8] 李月，杨灿坤，周春平，等.无人机载高光谱成像设备研究及应用进展[J].测绘通报，2019（9）：1-6，17.

【通联编辑：唐一东】