張南輝 張瀚坤

摘 要：本文論述了基于無人機(jī)的山岳云海和江面霧漫預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，山岳云海和江面霧漫是自然界的一大奇觀，可是由于山岳云海和江面霧漫并不是隨時(shí)隨地可以看到的，它們的形成需要一定的自然條件，如果能預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)山岳云海和江面霧漫產(chǎn)生的時(shí)間和地點(diǎn)將對(duì)旅游業(yè)帶來非常好的效益。利用無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性可方便的檢測(cè)各種復(fù)雜地形的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，將結(jié)果通過互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)向社會(huì)和游客發(fā)布旅游區(qū)的實(shí)時(shí)圖像和云海霧漫的形成時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，為廣大游客通過了極大的便利條件。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；山岳云海；腳霧；預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0032-02

隨著人們物質(zhì)文化生活水平的快速提升，旅游消費(fèi)快速增長，求新求異業(yè)已成為了當(dāng)代旅游新時(shí)尚。為了做大做強(qiáng)旅游產(chǎn)業(yè)，各地都爭(zhēng)相逐鹿。云海和腳霧為自然界兩大奇觀，浩浩蕩蕩、蔚為壯觀?？墒怯捎谠坪：湍_霧與氣溫、氣壓、濕度、地表溫度、水面溫度、風(fēng)力、風(fēng)速有關(guān)，并不是隨時(shí)可以看到的。目前基本是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確率非常有限，對(duì)云海和腳霧的科學(xué)預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)還是空白，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的高速發(fā)展，使得這些地域性小氣候預(yù)測(cè)成為了可能。加強(qiáng)云海和腳霧預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)可以大幅提升旅游質(zhì)量，提高旅游魅力，振興旅游產(chǎn)業(yè)。

云海，是指在一定的條件下形成的云層。云海的云頂高度低于山頂高度，因此，人們?cè)诟呱街畮p俯首，會(huì)看到如大海般波瀾壯闊、漫無邊際的云層，故稱這一現(xiàn)象為“云?！保坪Ｊ巧皆里L(fēng)景的重要景觀之一。江面霧漫：水庫、湖泊等深層水形成的水流，常年保持恒定低溫，夏秋兩季氣溫較高，與水面形成較大溫差，如果空氣比較潮濕，就會(huì)在水面形成美輪美奐的霧漫。云海和腳霧都是特殊地理和氣象條件下形成的，不可多得。對(duì)此準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，一定會(huì)深受旅游愛好者、尤其是攝影愛好者的歡迎。本系統(tǒng)是綜合氣象、統(tǒng)計(jì)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)。在采集大量數(shù)據(jù)的前提下，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，構(gòu)建指數(shù)體系。利用現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析、檢驗(yàn)、校正。使得數(shù)學(xué)模型更加精準(zhǔn)反映實(shí)際的云海和腳霧。利用指數(shù)體系對(duì)云海和腳霧進(jìn)行質(zhì)量定級(jí)，量化其質(zhì)量水平。

1 系統(tǒng)綜述

云海和霧漫的本質(zhì)都是水蒸汽分布的結(jié)果，正是因?yàn)樗羝姆植疾煌?，產(chǎn)生千姿百態(tài)、美輪美奐、陰陽相濟(jì)的自然界神奇景觀。而分析濕度分布搞清楚水蒸汽密度分布最有效的方法，所以、濕度分布是云海和霧漫的最終結(jié)果。若要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)云海和霧漫，無疑檢測(cè)濕度信號(hào)、分析濕度分布是首要的，因此，濕度信號(hào)是最為重要的特征變量。用傳統(tǒng)的定點(diǎn)氣象裝置檢測(cè)濕度分布是非常困難的，而無人機(jī)的快速發(fā)展和普及速度很快，以無人機(jī)作為平臺(tái)進(jìn)行濕度分布采樣成為了可能。形成云海和霧漫的要素有很多，除了濕度信號(hào)以外還有地溫、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速、風(fēng)力、氣流、大氣壓力的變化趨勢(shì)也是形成云海和霧漫的重要條件。因此，必須把這些指標(biāo)作為分析形成云海和霧漫特征變量，通過數(shù)據(jù)處理中心用深度學(xué)習(xí)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從這些特征變量中找出云海和霧漫成因，作為云海和霧漫預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的依據(jù)。云海和霧漫的后續(xù)變化過程也非常重要。它們的持續(xù)時(shí)間和變化規(guī)律都是旅游愛好者、尤其是攝影愛好者必須考量的，對(duì)出現(xiàn)云海和霧漫后的后續(xù)變化規(guī)律也與這些特征值的變化規(guī)律密切相關(guān)。

2 系統(tǒng)工作原理和參數(shù)估計(jì)

2.1 云海和腳霧的形成機(jī)制

云海一般在分布在海拔較高的山岳峽谷，大雨過后，由于地表溫度較低，地表濕度較大，突然溫度升高或者受到太陽照射，地表水蒸發(fā)形成水蒸汽，由于山谷相對(duì)比較封閉，氣流比較穩(wěn)定，水蒸汽逐步上升，擴(kuò)散速度較慢，形成壯觀的云海形成和地表溫度、地表濕度、氣溫、氣壓、風(fēng)力和風(fēng)速密切相關(guān)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)，分析這些參數(shù)的變化，可以對(duì)云海的形成進(jìn)行預(yù)報(bào)。

腳霧一般分布在水庫湖泊的下游，由于壩面落差較大，水庫出水口離水面有一定落差，夏秋兩季，氣溫較高，陽光輻射較強(qiáng)，而陽光的輻射和溫度對(duì)水庫水溫的影響和水深有關(guān)，水越深受的影響越小，所以深層水的溫度要遠(yuǎn)低于水面水溫。因此，下游的水流水溫與氣溫差別較大，在水面形成水蒸汽，傍晚由于氣溫下降較快，上方的水蒸汽冷凝，在水面形成腳霧。早上正好相反，氣溫升高較快，由于溫差較大，水蒸汽不斷在水面集聚，形成腳霧。腳霧和氣溫、氣壓、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、水面溫度、水流速度有密切的關(guān)系，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行科學(xué)分析，構(gòu)建指數(shù)系統(tǒng)，可以對(duì)其進(jìn)行科學(xué)預(yù)測(cè)。

2.2 云霧和腳霧的相關(guān)環(huán)境參數(shù)和數(shù)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確保足夠的準(zhǔn)確度和必要的精度，本系統(tǒng)采用指數(shù)法進(jìn)行建模，通過一系列指數(shù)的計(jì)算，消除不同傳感器量綱。這樣可以使得系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。

2.2.1 無人機(jī)巡航子系統(tǒng)

云海和腳霧實(shí)際上都是一定濃度的水蒸汽在垂直方向分布并且出現(xiàn)突變斷面，這個(gè)斷面上方水蒸汽濃度顯著降低，這樣才會(huì)出現(xiàn)云海和腳霧的壯觀景象；如果不出現(xiàn)這樣的斷面，即使水蒸汽濃度再大，也只能影響能見度，不能形成腳霧?？梢娨A(yù)測(cè)云海和腳霧的行程，必須對(duì)影響所在區(qū)域空間水蒸汽分布的指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。無人機(jī)可以在三維空間運(yùn)動(dòng)，是非常理想的測(cè)試平臺(tái)。

2.2.2 無人機(jī)傳感器子系統(tǒng)

時(shí)間t時(shí)的水蒸汽的垂直分布與大氣濕度Wt，大氣溫度Tt，大氣壓力Pt密切相關(guān)，所以無人機(jī)載傳感器應(yīng)該包括這三個(gè)傳感器，這三個(gè)指標(biāo)和當(dāng)前相對(duì)高度Ht，一并通過物聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理服務(wù)器；通過數(shù)據(jù)整理、參數(shù)估計(jì)得到t空間水蒸汽分布預(yù)期指數(shù)It：

It=K1*Wt+K2*Tt+K3*Pt+K4*Ht

如果It-It1>Im（Im為出現(xiàn)出現(xiàn)水蒸汽濃度斷面的指數(shù)）

則置斷層標(biāo)志a=1。

空間水蒸汽分布預(yù)期指數(shù)I1=a*（It1+It2+……Itn）

沒有出現(xiàn)水蒸汽斷面預(yù)期時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)云海和腳霧。

相應(yīng)指數(shù)I1=0。

2.2.3 小氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)

云海出現(xiàn)在高山之巔，腳霧出現(xiàn)在低溫水面，這些地域與外界相差很大，所以單純依賴公開的氣象資料，很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這些小氣候。建立小氣候預(yù)報(bào)系統(tǒng)，不但可以為這些獨(dú)特氣象現(xiàn)象提供準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，而且可以為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活、旅游產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供便利條件。

只有在氣溫、氣壓滿足相應(yīng)條件，有一定的陽光輻射，地表水和江水才會(huì)適量蒸發(fā)、并以合適的速度擴(kuò)散，才能在地表和水面形成相對(duì)穩(wěn)定的蒸汽層，才會(huì)出現(xiàn)壯觀的云海和腳霧；風(fēng)速過大時(shí)，會(huì)加速水蒸汽的蒸發(fā)速度，不利于地表或者江面水蒸汽集結(jié)，也就不能形成云?；蛘吣_霧。因此，必須建立獨(dú)立的小氣候探測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，適時(shí)時(shí)點(diǎn)t，檢測(cè)太陽輻射St、氣溫Tt、濕度Wt、氣壓Pt、風(fēng)速Ft、風(fēng)向Dt，可以得到t時(shí)點(diǎn)的氣象指數(shù)It。

It=K1*St+K2*Tt+K3*Wt+K4*Pt+K5*Ft

綜合氣象指數(shù)I2：

I2=Dt*（It1+It2+…..+Itn）

當(dāng)風(fēng)向能形成云?；蛘吣_霧時(shí)，Dt=1，相應(yīng)的氣象綜合指數(shù)有效；否則，Dt=0，相應(yīng)的氣象綜合指數(shù)為0。

2.2.4 地溫、地面濕度和水溫、水流速度子系統(tǒng)

云海的形成地溫和地表濕度有緊密相關(guān)性，只有地溫和氣溫有適度的差異，才能保持適度的水蒸汽擴(kuò)散速度，才有利于水蒸汽集結(jié)；也只有地表有足夠的濕度，才有足夠的水分蒸發(fā)成水蒸汽，形成相對(duì)穩(wěn)定的水蒸汽層，出現(xiàn)壯觀的人海。因此應(yīng)該對(duì)相應(yīng)區(qū)域地溫T、地面濕度W進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)參數(shù)估計(jì)，計(jì)算地表綜合指數(shù)I3。

I3=K1*T+K2*W

腳霧的形成和水溫、水流速度有緊密的相關(guān)關(guān)系。形成腳霧的江面一般來自深層水，由于深層水不易受到陽光輻射，因此水溫比較低，溫度相對(duì)穩(wěn)定，但是遇到暴雨，江面表層水溫升高較快，表層水與深層低溫水熱交換需要時(shí)間較長，因而影響腳霧形成；水流速度過快，會(huì)快速帶走蒸發(fā)的水蒸汽，水蒸汽不易在江面集結(jié)，也會(huì)影響腳霧的形成。因此檢測(cè)水溫W和流速S，構(gòu)建水流綜合指數(shù)I3。

I3=K1*W+K2*S

2.2.5 構(gòu)建云海腳霧預(yù)報(bào)綜合總指數(shù)I

根據(jù)空氣綜合指數(shù)，氣象綜合指數(shù)，地表綜合指數(shù)或者水流綜合指數(shù)，按照不同權(quán)重，構(gòu)建云?；蛘吣_霧預(yù)報(bào)綜合指數(shù)I。

I=K1*I1+K2*I2+K3*I3

2.2.6 構(gòu)建云海和腳霧的質(zhì)量等級(jí)預(yù)報(bào)

本系統(tǒng)不但可以進(jìn)行云海和腳霧的有無預(yù)報(bào)，而且可以預(yù)測(cè)云海腳霧的強(qiáng)度，即云海和腳霧的質(zhì)量等級(jí)。那就是根據(jù)綜合總指數(shù)的取值，配合氣象傳感器的數(shù)據(jù)，結(jié)合人們對(duì)云海和腳霧的審美偏好，科學(xué)制定其質(zhì)量等級(jí)。

3 傳感器的功能

濕度傳感器：形成云海和霧漫的首要條件是地表和空氣中有足夠水份，空氣濕度與其有較大的濕度差異，才能產(chǎn)生足夠的水蒸汽。檢測(cè)從地表到空中的濕度分布，既可獲得水蒸氣濃度分布。

溫度傳感器：采用氣溫傳感器和地溫傳感器感知?dú)鉁睾偷販刈兓?guī)律。溫度是決定水蒸汽集聚和擴(kuò)散速度的重要因素，只有在一定區(qū)間地溫和氣溫才能使得水分蒸發(fā)，形成足夠的水蒸汽并維持一段時(shí)間，從而形成云海和霧漫。

風(fēng)速傳感器：風(fēng)的強(qiáng)度和速度都是形成云海和霧漫的要件。強(qiáng)風(fēng)會(huì)把水蒸汽快速吹走，風(fēng)速太低不利于水蒸汽擴(kuò)散，都對(duì)云海和霧漫的形成不利。因此，MC&RM;采用風(fēng)力、風(fēng)向、和風(fēng)速傳感器采集與風(fēng)相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)估和預(yù)測(cè)其對(duì)形成云海和霧漫的影響。

氣壓氣流傳感器：云海在山岳形成，霧漫在溫差大的水面形成。這些地方都會(huì)形成獨(dú)特的氣流，對(duì)氣壓、氣流流量和流速進(jìn)行測(cè)試，有利于弄清云海和霧漫的形成機(jī)制和擴(kuò)散趨勢(shì)。

飛控傳感器：包括姿態(tài)控制、飛行控制、通訊模塊、GPS定位等傳感器，既要保障無人機(jī)平穩(wěn)自動(dòng)巡航，也要為溫度、濕度分布測(cè)試提供物理坐標(biāo)。

攝像頭：攝像頭攝取圖像和視頻傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)平臺(tái)，讓美麗壯觀的云海和霧漫和網(wǎng)友共享。

4 數(shù)據(jù)處理中心

以深度學(xué)習(xí)為核心的數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)對(duì)云海和霧漫的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析其成因和發(fā)展。采用深度分析智能化找出規(guī)律。數(shù)據(jù)處理中心還需提供無人機(jī)路線規(guī)劃等。

5 互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

發(fā)布云海和霧漫信息：包括云海和霧漫預(yù)報(bào)、氣象信息，為旅游愛好者提供可預(yù)期的行程。

發(fā)布景點(diǎn)適時(shí)視頻和圖片：提供現(xiàn)場(chǎng)感強(qiáng)烈的視頻和圖片，調(diào)動(dòng)網(wǎng)友游興。

發(fā)布相關(guān)景點(diǎn)旅游攻略：包括景點(diǎn)介紹、交通、住宿、餐飲等信息。

建立交互平臺(tái)：網(wǎng)友可通過圖像、視頻、撰文、評(píng)論等方式互動(dòng)。

6 無人機(jī)保障系統(tǒng)

如果要實(shí)現(xiàn)無人機(jī)實(shí)時(shí)自動(dòng)巡航，必須配置無人機(jī)自動(dòng)起飛和降落、自動(dòng)充電等輔助系統(tǒng)。還要建立無人機(jī)應(yīng)急輔助系統(tǒng)，在無人機(jī)發(fā)生故障或者通訊、定位系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，確保無人機(jī)安全著陸。

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