一种无人机碳通量监测数据采集设备及处理方法技术

本发明专利技术一种无人机碳通量监测数据采集设备及处理方法,本方案适用于结合小型多旋翼或固定翼无人机飞行平台使用，快速实现对区域甲烷浓度和二氧化碳浓度空间分布的直接监测，具有监测精度高、空间分辨率高、系统的可拓展性强等优点，为区域性温室气体排放监测、朔源以及碳源/汇特征分析等应用提供重要数据支撑。及碳源/汇特征分析等应用提供重要数据支撑。及碳源/汇特征分析等应用提供重要数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种无人机碳通量监测数据采集设备及处理方法


[0001]本专利技术涉及无人机碳通量监测设计
，尤其是一种无人机碳通量监测数据采集设备及处理方法。

技术介绍

[0002]生态系统的观测是进行生态环境现状调查与评估的基本手段，同时也是生态学研究领域的核心科学问题之一。目前，对生态系统功能的观测是通过生态观测站点，对生态系统进行长期观测。但是，观测站可覆盖的空间区域极为有限，很难获得区域性的生态系统功能要素的准确信息。采用卫星遥感反演的方法可以获得大空间尺度的生态系统物质和能量交换要素的定量信息，但是基于模型的方法通常是基于一定的假设条件发展而来，需要与其观测尺度一致的地表观测真值对其模拟结果进行验证。然而，由于地面生态观测站点与遥感方法在观测尺度上的不一致，在一定程度上限制了区域尺度生态系统的研究发展。
[0003]因此，如何准确、快速、简单的实现区域尺度生态系统通量的观测，为大区域范围生态系统调查及研究提供区域性的观测数据支撑，是目前急需解决的事情。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术旨在提出一种无人机碳通量监测数据采集设备及处理方法，从而解决现有技术的不足，解决如何准确、快速、简单的实现区域尺度生态系统通量的观测，为大区域范围生态系统调查及研究提供区域性的观测数据支撑的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提出的其中一个技术方案是：一种无人机碳通量监测数据采集设备，该设备包括无人机气体监测仪、无线通讯链路和地面
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远程碳通量数据处理终端共同构成；所述无线通讯链路包括有无线通讯模块；所述无人机气体监测仪直接对大气中的甲烷和二氧化碳体积比浓度，大气压强、空气温湿度、风速以及监测仪的位置和姿态信息进行测量，并通过内部处理单元对检测数据进行组合后通过串口发送给所述无线通讯模块；所述无线通讯模块采用包括数传电台、wifi无线模块、移动网络数据传输模块等多种方式用于将所述无人机气体监测仪监测数据发送到所述地面
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远程碳通量数据处理终端；所述地面
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远程碳通量数据处理终端包括仪器参数校准、原始监测数据质量滤波、湍流风速计算、碳通量数据计算、数据质量控制及数据空间可视化和统计分析。
[0006]进一步的，所述无人机气体监测仪包括有：甲烷红外气体分析仪，用于测量大气中甲烷的体积比浓度；二氧化碳红外气体分析仪，用于测量大气中二氧化碳的体积比浓度；气压计，用于测量大气压强；温湿度计，用于测量大气中空气温度和相对湿度；
GNSS/INS组合导航系统，用于测量小型无人机温室气体监测仪实时的位置、姿态和速度信息；风速仪，用于测量地球坐标系下的高速变化三维风速值；流量计，用于测量气体流量，调剂真空泵流量。
[0007]真空泵，用于以一定的流量抽取空气中的甲烷和二氧化碳气体，使气体不间断的通过所述甲烷红外气体分析仪和二氧化碳红外气体分析仪。
[0008]电力分配模块，用于接入外部12V电池，并提供过载保护和各传感器的电力分配。
[0009]控制计算机，用于接收、存储各传感器测量数据，进行各传感器配置，且提供外部其他设备接入端口，并能够将各传感器采集数据采用均值滤波的方式以1秒的时间间隔进行平均，发送给RS232数据输出端口。
[0010]进一步的，所述无人机气体监测仪的气体入口通过过滤机构通过一个三通快接口分别接入所述甲烷红外气体分析仪和所述二氧化碳红外气体分析仪的入口，所述过滤机构包括至少一个空气杂质滤波器和/或至少一个空气水汽滤波器；所述甲烷红外气体分析仪和所述二氧化碳红外气体分析仪通过一个三通快接口接入所述真空泵的气体入口端；所述真空泵的出气端直接排除所吸入的气体。
[0011]进一步的，主控系统采用Linux OS操作系统，采用STM32单片机实现对不同监测传感器监测数据的模拟数字信号转换以及监测数据的实时监控，主控系统接受各传感器监测数据后进行组合，并通过定时器为监测数据提供时间表计，完成1Hz至10Hz的监测数据采集，并保存为原始观测数据。
[0012]进一步的，所述无线通讯模块包括一秒间隔监测数据模块，用于接收所述控制计算机RS232数据输出端口的一秒间隔监测数据模块，并将数据发送给所述地面
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远程监控终端。
[0013]本专利技术提出的其中另一个技术方案是：一种无人机碳通量监测数据采集处理方法，该方法应用于上述的一种无人机碳通量监测数据采集设备中，该方法包括：S1、一秒间隔监测数据模块接收所述控制计算机RS232数据输出端口的一秒间隔监测数据模块，并将数据发送给所述地面
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远程监控终端；S2、地面
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远程碳通量数据处理终端预先对气体监测仪校准参数；S3、地面
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远程碳通量数据处理终端对原始监测数据质量滤波。无人机碳通量监测数据处理监测的原始数据没有噪点且数据序列中没有空隙；S4、地面
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远程碳通量数据处理终端通过直接采集的风速、风向值，转化为在地球坐标系下的高速变化的风速、风向值。为获得地球坐标系下的三维风速，需要结合GNSS/IMU测量的速度与姿态数据，将湍流探头坐标系下的三维风速转换到地球坐标系下，转换公式为：U=G[U
a
+w
p
×
r]+U
p
ꢀꢀꢀ
（1）其中，U为地球坐标系下的风速矢量，其单位为m/s；G为由姿态角计算的旋转矩阵，W
P
为飞机的瞬时角速度，其单位为rad/s，r为无人机重心与风速仪中心的距离，其单位为m；U
p
为风速仪在地
×
球坐标系下的速度，其单位为m/s；w
p
×
r项为机身的杠杆运动对风速测量的影响；U
p
和w
p
由GPS/IMU单元直接获得，旋转矩阵G由GPS/IMU单元测量的姿态角计算，即θ
m
为俯仰角、φ
m
为横滚角、ψ
m
为航向角。
[0014]S5、碳通量数据的计算，其计算方式为通过采集到的经纬度、高度、俯仰角、横滚角、航向角、俯仰角速度、横滚角速度、航向角速度、俯仰角加速度、横滚角加速度、航向角加速度、甲烷监测浓度、甲烷红外气体分析仪（温度、甲烷监测质量标记、二氧化碳监测浓度、二氧化碳红外气体分析仪温度、二氧化碳监测质量标记、大气温度、大气湿度、三维风速、风向值，对异常值剔除与插补；S6、对无人机碳通量监测数据的计算结果进行科学的质量控制和评价，通常需要去除不能反映真实碳通量的监测值；S7、接收所述无线通讯模块发送的监测数据，能够以三维交互形式实时显示所述无人机温室气体监测仪的位置和以颜色的形式显示所监测的甲烷和二氧化碳体积比浓度，以线状图形式实时显示监测到的甲烷和二氧化碳体积比浓度值，以数值形式显示所监测到的大气压强、温度、湿度以及甲烷红外气体分析仪的温度、甲烷监测值的质量标记、二氧化碳红外气体分析仪的温度、二氧化碳监测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无人机碳通量监测数据采集设备，其特征在于，该设备包括无人机气体监测仪（1）、无线通讯链路（2）和地面
‑
远程碳通量数据处理终端（3）共同构成；所述无线通讯链路（2）包括有无线通讯模块（4）；所述无人机气体监测仪（1）直接对大气中的甲烷和二氧化碳体积比浓度，大气压强、空气温湿度、风速以及监测仪的位置和姿态信息进行测量，并通过内部处理单元对检测数据进行组合后通过串口发送给所述无线通讯模块（4）；所述无线通讯模块（4）采用包括数传电台或wifi无线模块或移动网络数据传输模块多种方式用于将所述无人机气体监测仪（1）监测数据发送到所述地面
‑
远程碳通量数据处理终端（3）；所述地面
‑
远程碳通量数据处理终端（3）包括仪器参数校准、原始监测数据质量滤波、湍流风速计算、碳通量数据计算、数据质量控制及数据空间可视化和统计分析。2.如权利要求1所述的一种无人机碳通量监测数据采集设备，其特征在于，所述无人机气体监测仪（1）包括有：甲烷红外气体分析仪（101），用于测量大气中甲烷的体积比浓度；二氧化碳红外气体分析仪（102），用于测量大气中二氧化碳的体积比浓度；气压计（103），用于测量大气压强；温湿度计（104），用于测量大气中空气温度和相对湿度；GNSS/INS组合导航系统（105），用于测量小型无人机温室气体监测仪实时的位置、姿态和速度信息；风速仪（106），用于测量地球坐标系下的高速变化三维风速值；流量计（107），用于测量气体流量，调剂真空泵（108）流量；真空泵（108），用于以一定的流量抽取空气中的甲烷和二氧化碳气体，使气体不间断的通过所述甲烷红外气体分析仪（101）和二氧化碳红外气体分析仪（102）；电力分配模块（109），用于接入外部12V电池，并提供过载保护和各传感器的电力分配；控制计算机（110），用于接收、存储各传感器测量数据，进行各传感器配置，且提供外部其他设备接入端口，并能够将各传感器采集数据采用均值滤波的方式以1秒的时间间隔进行平均，发送给RS232数据输出端口。3.如权利要求2所述的一种无人机碳通量监测数据采集设备，其特征在于，所述无人机气体监测仪（1）的气体入口通过过滤机构通过一个三通快接口分别接入所述甲烷红外气体分析仪（101）和所述二氧化碳红外气体分析仪（102）的入口，所述过滤机构包括至少一个空气杂质滤波器和/或至少一个空气水汽滤波器；所述甲烷红外气体分析仪（101）和所述二氧化碳红外气体分析仪（102）通过一个三通快接口接入所述真空泵（108）的气体入口端；所述真空泵（108）的出气端直接排除所吸入的气体。4.如权利要求2所述的一种无人机碳通量监测数据采集设备，其特征在于，还包括主控系统（111），所述主控系统（111）采用Linux OS操作系统，采用STM32单片机实现对不同监测传感器监测数据的模拟数字信号转换以及监测数据的实时监控，主控系统接受各传感器监测数据后进行组合，并通过定时器为监测数据提供时间表计，完成1Hz至10Hz的监测数据采集，并保存为原始观测数据。
5.如权利要求2所述的一种无人机碳通量监测数据采集设备，其特征在于，所述无线通讯模块（4）包括一秒间隔监测数据模块，用于接收所述控制计算机（110）RS232数据输出端口的一秒间隔监测数据模块，并将数据发送给所述地面
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远程监控终端。6.一种无人机碳通量监测数据采集处理方法，其特征在于，该方法应用于任意一项权利要求2
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5所述的一种无人机碳通量监测数据采集设备中，该方法包括：S1、一秒间隔监测数据模块接收所述控制计算机（110）RS232数据输出端口的一秒间隔监测数据模块，并将数据发送给所述地面
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远程监控终端；S2、地面
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远程碳通量数据处理终端（3）预先对气体监测仪校准参数；S3、地面
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【专利技术属性】
技术研发人员：尹宾宾，姜鹏瀚，张文宇，
申请(专利权)人：天津飞眼无人机科技有限公司，
类型：发明
国别省市：