摘要： 【目的】為了解決奶牛養(yǎng)殖場甲烷檢測過程中，定點式氣體傳感器檢測點位有限、檢測不全面等問題，本研究運(yùn)用無人機(jī)遙感技術(shù)開發(fā)了一套甲烷遙感檢測系統(tǒng)，旨在實現(xiàn)對奶牛養(yǎng)殖場甲烷分布快速、大范圍的檢測?！痉椒ā渴紫?，基于光譜吸收原理設(shè)計了甲烷遙感檢測傳感器，并通過試驗驗證了其檢測精度。然后，在河南省洛陽市孟津縣生生牧場進(jìn)行了實地測試，繪制出了奶牛養(yǎng)殖場內(nèi)的甲烷濃度分布圖。并對奶牛活動區(qū)域的甲烷濃度值與該區(qū)域內(nèi)奶牛數(shù)量之間的相關(guān)性進(jìn)行了分析?！窘Y(jié)果】根據(jù)試驗結(jié)果分析，所設(shè)計的甲烷遙感檢測模塊的平均單位誤差小于2.05 mg/m3。某區(qū)域的甲烷質(zhì)量濃度值與該區(qū)域內(nèi)活動的奶牛數(shù)量之間存在顯著的正相關(guān)性，兩者的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.934?！窘Y(jié)論】所設(shè)計的甲烷遙感檢測系統(tǒng)在實際應(yīng)用中具有較高的準(zhǔn)確性，可以滿足奶牛養(yǎng)殖場對甲烷分布的檢測需求。

關(guān)鍵詞： 甲烷檢測；無人機(jī)遙感；奶牛養(yǎng)殖場；甲烷排放；氣體傳感器

中圖分類號： S24；S823 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1001-411X（2024）05-0772-10

溫室效應(yīng)的加劇一直以來是人們是十分關(guān)注的問題，其首要原因是溫室氣體的大量排放[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的非二氧化碳（CO2） 溫室氣體約占全球非二氧化碳排放量的50%，其中，甲烷（ C H 4 ） 占總排放量的4 0 % ～ 5 0 % [ 3 - 6 ] 。1 9 8 0 —2018 年，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的非二氧化碳溫室氣體排放量增加了34%，預(yù)計到2060 年將進(jìn)一步增加33%[7]。在所有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，畜禽生產(chǎn)環(huán)境中反芻動物腸道發(fā)酵是甲烷的一項重要來源[8-11]。對畜禽生產(chǎn)環(huán)境中甲烷的濃度進(jìn)行綜合監(jiān)測，有利于掌握畜禽生產(chǎn)過程中甲烷的排放規(guī)律，從而合理地制定抑制甲烷產(chǎn)生和排放的措施。

近年來，無人機(jī)氣體檢測技術(shù)以其廣闊的覆蓋范圍、快速檢測能力和較低的成本，逐漸成為氣體檢測的一種重要手段[12-14]。該技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)監(jiān)控以及自然災(zāi)害響應(yīng)等多個領(lǐng)域展現(xiàn)了顯著的應(yīng)用成效[15-17]。同時，研究人員使用無人機(jī)遙感技術(shù)在排放通量檢測和氣體分布構(gòu)建方面也進(jìn)行了大量的研究。Zhou 等[18] 針對船舶羽流中污染物氣體的測量問題，設(shè)計了一個無人機(jī)系統(tǒng)，搭載氣體采集模塊用于實時測量SO2 和NO2 濃度。通過對六艘船舶羽流進(jìn)行現(xiàn)場測量試驗，驗證了系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。該研究提供了一種主動、近距離、低成本且準(zhǔn)確的實時監(jiān)測船舶排放的方法。Silvestri 等[19] 為了測量山頂隕石坑和噴氣孔排放的火山氣體，將小型化的MultiGAS 儀器安裝在無人機(jī)上來收集CO2、SO2 和H2S 氣體濃度數(shù)據(jù)。通過這種方法，能夠?qū)崿F(xiàn)在危險的環(huán)境中的氣體檢測，為火山活動監(jiān)測和風(fēng)險評估提供了新的工具和視角。Allen 等[20] 嘗試通過無人機(jī)系統(tǒng)記錄的CO2 濃度和風(fēng)數(shù)據(jù)來推斷甲烷通量，研究團(tuán)隊計算了英格蘭北部一個垃圾填埋場的瞬時甲烷通量，結(jié)果表明甲烷通量的不確定性主要受到環(huán)境中甲烷背景濃度的變化（gt;40%） 和風(fēng)速變化（gt;10%） 的影響，而儀器誤差的影響僅為1%～2%。這項研究為低成本和快速量化不確定源頭的甲烷排放提供了一種新方法。

在氣體傳感器技術(shù)方面，根據(jù)檢測原理的不同可將氣體傳感器區(qū)分為不同類型，如電化學(xué)式、半導(dǎo)體式、光學(xué)式等。電化學(xué)氣體傳感器是根據(jù)待測氣體在傳感器內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，測量電極與反電極之間得失電子，從而將濃度信息轉(zhuǎn)化為電信號的技術(shù)[21]。其具有體積小、價格低、反應(yīng)迅速的優(yōu)點，是畜禽舍氣體濃度檢測中應(yīng)用最為普遍的技術(shù)。Zeng 等[22] 采用成熟的電化學(xué)傳感器技術(shù)，選用一種高精度、測量范圍廣的電化學(xué)探頭，開發(fā)了一種低成本在線監(jiān)測雞舍中H2S 濃度的氣體傳感器，以改善雞的生長和繁殖能力。半導(dǎo)體氣體傳感器通過檢測金屬氧化物與氣體接觸時產(chǎn)生的化學(xué)吸附作用，引發(fā)傳感器電導(dǎo)率的變化，以此實現(xiàn)對氣體濃度的精確檢測[23]。Lin 等[24] 采用金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器開發(fā)了一種用于禽舍的手持式氨氣監(jiān)測器，并將相對濕度和溫度傳感器與其結(jié)合使用，以補(bǔ)償其對濕度和溫度的敏感性，研究結(jié)果表明該監(jiān)測器比電化學(xué)傳感器更精確，且所需的清洗頻率更低。傅里葉紅外光譜檢測技術(shù)通過對激光進(jìn)行調(diào)制形成的干涉光照射待測氣體，系統(tǒng)接收帶有氣體濃度信息的干涉圖樣進(jìn)行傅里葉變換，并進(jìn)行數(shù)學(xué)分析與處理，從而得到待測氣體的濃度[25]。Barrancos 等[26]通過遙感技術(shù)和傅里葉變換紅外光譜檢測技術(shù)，設(shè)計了開放路徑式氣體檢測系統(tǒng)，用于測量牲畜建筑內(nèi)氣體排放量的變化，旨在改進(jìn)畜牧業(yè)溫室氣體排放量的試驗計算方法，以提供更可靠的牲畜排放量估算。調(diào)諧吸收光譜技術(shù)利用可調(diào)諧激光器產(chǎn)生的窄帶光源，結(jié)合波長調(diào)制技術(shù)對目標(biāo)氣體的吸收峰進(jìn)行掃描，通過分析吸收光譜來獲取氣體濃度信息，其具有高靈敏度、快速響應(yīng)和強(qiáng)抗干擾能力等特點。李鑫安[27] 設(shè)計了一種基于可調(diào)諧吸收光譜技術(shù)的畜禽舍NH3 濃度在線檢測系統(tǒng)，并測試了其氣體采集子系統(tǒng)和濃度檢測子系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明線性誤差在1% 附近，重復(fù)性誤差均小于2%。

在奶牛養(yǎng)殖場氣體檢測工作中，目前最常用的傳感器技術(shù)仍然是半導(dǎo)體式和電化學(xué)式氣體傳感器，由于這些傳感器不具備遠(yuǎn)距離檢測能力，因此主要依賴于在特定點位安裝的固定氣體傳感器來進(jìn)行氣體檢測[28-30]。然而，這種傳統(tǒng)的檢測方法存在諸多局限性，如檢測點位分布不均勻、覆蓋范圍有限、數(shù)據(jù)采集不連續(xù)等，這些問題導(dǎo)致檢測結(jié)果難以全面、準(zhǔn)確地反映實際的氣體分布狀況。本研究將無人機(jī)遙感氣體檢測技術(shù)引入奶牛養(yǎng)殖場甲烷檢測領(lǐng)域，并采用了基于調(diào)諧吸收光譜技術(shù)的氣體傳感器，旨在開發(fā)一種高效、大范圍的檢測系統(tǒng)及方法。通過本研究，有望實現(xiàn)對奶牛養(yǎng)殖場甲烷排放的實時檢測和動態(tài)管理，從而為制定有效的減排策略和推動可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 甲烷遙感檢測傳感器設(shè)計

1.1.1 甲烷遙感檢測原理

氣體遙感檢測技術(shù)主要基于吸收光譜原理，吸收光譜原理表明不同的氣體分子在特定波長的光線下會有特定的吸收特性。通過測量這些吸收光譜，可以確定大氣中特定氣體的存在和濃度?；谖展庾V原理的氣體傳感器可以實現(xiàn)非接觸式測量，這使得它們非常適合應(yīng)用于氣體遙感檢測領(lǐng)域，其原理如圖1 所示。

根據(jù)朗伯?比爾定律，當(dāng)一定頻率 v 的入射光穿過待測介質(zhì)時，待測物質(zhì)中的分子會根據(jù)其能級結(jié)構(gòu)吸收特定頻率的光。分子在吸收光子后，會從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。這一過程導(dǎo)致激光光強(qiáng)產(chǎn)生變化，并且該變化符合朗伯?比爾定律。朗伯?比爾定律的表達(dá)式如下：

I（v） = I0 exp[-k（v）L]， （1）

式中： I （ v ） 為透射光強(qiáng)度； I 0 為入射光束強(qiáng)度；k（v） 為吸光系數(shù)；L 為吸收路徑長度；其中k（v）L 通常被定義為氣體樣本在頻率v 處的吸光度，這里用A（v） 代替，并且可以進(jìn)一步表示為：

A（v） = k（v）L = S （T）?（v）PXL， （2）

式中：?（v） 為吸收譜的線型函數(shù)；P 為氣體的分壓；X 為氣體濃度；S（T） 代表吸收譜線的線強(qiáng)，與溫度有關(guān)。

根據(jù)公式（1）（2） 變形，從而得到氣體濃度X 的計算公式如下：

1.1.2 甲烷傳感器設(shè)計

本研究中的甲烷傳感器采用了平衡差分探測技術(shù)。平衡差分探測技術(shù)利用了氣體探測信號與未經(jīng)過氣體吸收的參考信號之間的差異，通過這種技術(shù)，可以消除與吸收無關(guān)的直流背景噪聲，進(jìn)而增強(qiáng)微弱的吸收信號并降低背景噪聲、探測器噪聲和光強(qiáng)波動帶來的影響。這種技術(shù)能夠準(zhǔn)確提取吸收譜線的基線，從而直接獲得整個分子的吸收線型，而不會產(chǎn)生失真或微分效應(yīng)，有效地消除了光強(qiáng)波動對光譜檢測的干擾。圖2展示了甲烷濃度傳感器檢測的原理及過程。

甲烷傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。由指示激光器、可調(diào)諧紅外激光器、分光片、凸透鏡、濾光片、光電探測器、激光調(diào)制電路和信號處理電路幾部分組成。根據(jù)HITRAN 數(shù)據(jù)庫中的甲烷吸收光譜數(shù)據(jù)可知甲烷的吸收峰波長為1 653.7 nm，因此所選用的可調(diào)諧紅外激光器中心波長為1 654 nm。使用正弦波對可調(diào)諧激光器進(jìn)行調(diào)制，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過分光片被分為2 個部分，一部分作為探測激光用于氣體濃度檢測，另一部分作為參考激光用于鎖定激光器的中心波長。反射光線通過凸透鏡和濾光片聚集到光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過信號處理和電路處理即可得到檢測路徑上的甲烷濃度積分。

1.1.3 傳感器外圍電路設(shè)計

為了確保甲烷傳感器與無人機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸和匹配，本研究針對甲烷傳感器設(shè)計了一系列外圍電路，包括信號轉(zhuǎn)換模塊、GPS 定位模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和通信模塊。其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4 所示。外圍電路的主要功能是優(yōu)化傳感器輸出信號的傳輸，確保信號的穩(wěn)定性和可靠性；微控制器負(fù)責(zé)實時采集甲烷濃度數(shù)據(jù)，匹配不同傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理和存儲，以便于后續(xù)分析和應(yīng)用。

圖5 為外圍電路的實物圖。其中，傳感器負(fù)責(zé)檢測甲烷濃度，再通過RS485 轉(zhuǎn)TTL 模塊將輸出信號傳輸給ESP32 主控。GPS 模塊負(fù)責(zé)將當(dāng)前的位置信息傳輸給ESP32 主控。ESP32 主控負(fù)責(zé)將甲烷濃度信息與位置信息進(jìn)行匹配并將其傳輸給SD 卡模塊進(jìn)行存儲，此外還需要將存儲的數(shù)據(jù)通過無線通信模塊發(fā)送給地面站。

1.2 甲烷傳感器精度驗證

本試驗需要對甲烷檢測裝置的檢測精度進(jìn)行驗證。甲烷檢測裝置的輸出結(jié)果是甲烷濃度與檢測路徑距離的乘積，為了評估該裝置的性能，需要準(zhǔn)確測量檢測路徑上的甲烷濃度積分值，并與裝置的輸出結(jié)果進(jìn)行比較。試驗中通過采用氣體采樣袋對不同位置同時進(jìn)行采樣，以確保能夠獲得檢測路徑上各個位置同一時間的甲烷濃度數(shù)據(jù)。采集到的氣體樣本隨后被送入氣體分析儀進(jìn)行甲烷濃度的精確檢測。試驗中使用的氣體分析儀型號為PTM600，是一款高精度的甲烷氣體分析儀。PTM600 氣體分析儀具有0 ～ 6 5 . 4 4 m g / m 3 的量程， 能夠提供6.544×10?3 mg/m3 的檢測分辨率，且其檢測誤差小于滿量程的±2%。

本試驗在河南省洛陽市孟津縣生生牧場進(jìn)行，試驗當(dāng)天的氣象條件為氣溫5～16 ℃，天氣晴朗且無風(fēng)。試驗場地選在奶牛場內(nèi)部的飼喂通道，通道的總長度為80 m，內(nèi)部甲烷質(zhì)量濃度介于0～33mg/m3 之間。為了驗證甲烷遙感檢測裝置在不同濃度背景下的性能表現(xiàn)，本次試驗擇了2 個濃度差異較大的飼養(yǎng)通道進(jìn)行了試驗。具體試驗步驟如下：

1） 使用卷尺精確標(biāo)記出0～50 m 的檢測距離，確保試驗的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

2） 在檢測路徑上均勻布置10 個氣體采集袋，每個采集袋之間相隔5 m，以便于在不同距離點收集氣體樣本。

3） 將甲烷遙測裝置固定在三腳架上，并置于飼喂通道的入口處。同時，連接上位機(jī)以實現(xiàn)檢測結(jié)果的實時顯示和記錄。

4） 為了確保甲烷遙感檢測裝置能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行濃度檢測，使用另一個三腳架將反光板固定在與檢測模塊相同的高度。

5 ） 利用甲烷遙感檢測裝置配合反光板，對20～50 m 的目標(biāo)距離內(nèi)每隔5 m 進(jìn)行甲烷濃度檢測。由于20 m 以內(nèi)的濃度積分值過低，因此未包括在檢測范圍內(nèi)。

6） 在執(zhí)行甲烷濃度檢測的同時，對所有放置氣體采集袋的位置進(jìn)行氣體樣本的采集。

7） 使用專業(yè)甲烷氣體分析儀PTM600 對氣體采集袋內(nèi)的氣體樣本進(jìn)行甲烷濃度檢測，以獲取不同點位的甲烷濃度數(shù)據(jù)，并據(jù)此計算甲烷濃度的積分值。

1.3 無人機(jī)遙感檢測系統(tǒng)

1.3.1 無人機(jī)遙感平臺

作為掛載平臺，無人機(jī)需具備較長的續(xù)航能力，能夠承載額外的載荷，同時具備良好的操控性和機(jī)動性?；诖?，本研究選用的無人機(jī)型號為經(jīng)緯300 RTK。該無人機(jī)平臺是一款高性能的工業(yè)級測繪巡檢無人機(jī)，它同時具備高載重能力和長續(xù)航能力，具有先進(jìn)的六向定位避障系統(tǒng)，以及遠(yuǎn)距離控制能力。支持在線任務(wù)錄制、精準(zhǔn)復(fù)拍、智能航線規(guī)劃等功能，適用于自動化任務(wù)。所用無人機(jī)平臺機(jī)身質(zhì)量為6.3 kg，有效載重為2.7 kg，空載續(xù)航時間為55 min。

集成后的氣體遙感監(jiān)測系統(tǒng)可測量垂直空氣柱中的甲烷濃度。該系統(tǒng)裝備了激光甲烷傳感器、可見光相機(jī)和高精度的GPS，能夠在飛行過程中實時記錄無人機(jī)下方甲烷濃度數(shù)據(jù)、可見光圖像和地理坐標(biāo)。

1.3.2 甲烷遙感檢測流程

無人機(jī)檢測過程如圖6所示。檢測時無人機(jī)按照設(shè)定的飛行路徑自動飛行，以實現(xiàn)對所研究區(qū)域的全面覆蓋。在飛行過程中，甲烷探測器會實時采集無人機(jī)下方的甲烷濃度信息，可見光相機(jī)將記錄對應(yīng)位置的圖像信息，GPS定位模塊會記錄對應(yīng)的位置信息。在檢測結(jié)束后，將這些信息融合處理，繪制出甲烷濃度分布圖。這樣的分布圖不僅展示了甲烷濃度的空間變化，還可以幫助研究人員和環(huán)境管理者識別和定位甲烷排放的熱點區(qū)域。

1.4 奶牛養(yǎng)殖場現(xiàn)場測試

1.4.1 試驗場地

由于奶牛場中產(chǎn)生的甲烷氣體較多，因此本次試驗選擇在奶牛場進(jìn)行。本次試驗的地點是河南省洛陽市孟津縣平樂鎮(zhèn)生生牧場，該奶牛場飼養(yǎng)區(qū)域的占地面積大約40 000 m2，飼養(yǎng)奶牛200 余頭。該奶牛場屬于半封閉式奶牛場，奶牛場內(nèi)分為活動區(qū)域和飼養(yǎng)區(qū)域，飼養(yǎng)區(qū)域上方搭有棚房，活動區(qū)域則為露天區(qū)域。飼養(yǎng)區(qū)域由于棚子的遮擋，無法通過無人機(jī)遙感檢測系統(tǒng)進(jìn)行檢測，因此本次試驗在該奶牛場的奶牛露天活動區(qū)域進(jìn)行。露天活動區(qū)域場地大小約為10 m×80 m。詳細(xì)情況如圖7 所示。

1.4.2 甲烷濃度數(shù)據(jù)采集

本研究將檢測區(qū)域劃分為9 個均勻的網(wǎng)格單元，如圖8 所示。無人機(jī)飛行路徑覆蓋每個網(wǎng)格單元的中心點，以確保整個區(qū)域都能被檢測到。為了確保數(shù)據(jù)質(zhì)量，無人機(jī)將在每個網(wǎng)格單元的中心點上空停留預(yù)定的時長，以提高數(shù)據(jù)采集的完整性，減少檢測誤差。

由于檢測場地是奶牛場，因此飛行高度的選擇不僅要考慮對檢測精度的影響，還要考慮無人機(jī)噪音對奶牛的影響。若飛行高度過低，一方面由于無人機(jī)的下洗氣流效應(yīng)，可能會干擾和擾亂地面附近的甲烷濃度分布，從而導(dǎo)致檢測數(shù)據(jù)失真；另一方面也會對奶牛造成驚嚇。根據(jù)預(yù)試驗結(jié)果，當(dāng)甲烷檢測裝置的遙測距離超過50 m 時，檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯波動，誤差也隨之增加。當(dāng)無人機(jī)在50 m 的高度飛行時，地面附近已基本不受無人機(jī)氣流的影響，飛行噪音也在可接受范圍。因此，本研究將無人機(jī)的巡航高度設(shè)定為50 m。

此外，為了確保有充足的檢測數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析，設(shè)置無人機(jī)在每個檢測點位做短暫停留，以便檢測裝置能夠穩(wěn)定地收集數(shù)據(jù)。同時在檢測點之間可以增加飛行速度以加快整個檢測過程，提高監(jiān)測速度。基于此，本研究將無人機(jī)的巡航速度設(shè)定為5 m/s，并在每個檢測點位停留10 s，這樣既可以滿足甲烷檢測裝置的數(shù)據(jù)采集需求，又可以避免因速度過快而導(dǎo)致的檢測數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

1.5 濃度分布圖構(gòu)建算法

K e r n e l D M 算法是氣體分布建圖（ G a sdistribution mapping， GDM） 算法中應(yīng)用較為廣泛的算法之一，也是最具有代表性的算法。本研究在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，主要集中在2 個關(guān)鍵方面。首先，在濃度外推階段之前，本研究引入了風(fēng)場信息反演的步驟，以獲取局部的風(fēng)場信息。其次，本研究將濃度外推階段使用的高斯核函數(shù)替換為連續(xù)的高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型，以加入有關(guān)風(fēng)場信息的計算。通過這些改進(jìn)，本方法能夠在無需直接測量現(xiàn)場風(fēng)場信息的情況下，憑借多組濃度數(shù)據(jù)便能有效地估計風(fēng)場對氣體分布的影響。改進(jìn)后的GDM 算法可以認(rèn)為由風(fēng)場反演過程和濃度外推過程兩部分組成。

風(fēng)場反演過程如圖9 所示。該過程是本研究在Kernel DM 算法的基礎(chǔ)上增加的1 個過程，該過程可以對1 組相鄰的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而提取出其中包含的風(fēng)場信息。該過程的原理如下：通過連續(xù)高斯煙團(tuán)模型對1 組濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合出的最優(yōu)解中包括了這組濃度數(shù)據(jù)對應(yīng)位置的風(fēng)場信息和其他信息。在擬合過程中，可以利用優(yōu)化算法提高計算速度。連續(xù)高斯煙團(tuán)模型計算表達(dá)式為：

式中：C（k）為二維平面上某一位置k 處的污染物濃度，單位為kg/m2；Q為單位時間內(nèi)從源釋放的污染物總量，單位為kg/s；→δ（k）為某一位置k 處到擴(kuò)散源的歐式距離，單位為m；→u為環(huán)境風(fēng)速，單位為m/s；t、t0 和t1分別為氣體擴(kuò)散時間、擴(kuò)散初始時間和擴(kuò)散結(jié)束時間，單位為s；σxy 為水平方向的擴(kuò)散參數(shù)。

濃度外推過程如圖10 所示。該過程是KernelDM 算法原有的過程，本文對其進(jìn)行了修改，將原算法中外推計算使用的高斯核函數(shù)改為了連續(xù)高斯煙團(tuán)模型。該過程估算氣體濃度分布平均值的步驟如下：

第1 步，計算采樣位置坐標(biāo)→xi j與估計位置坐標(biāo)→x （k）之間的歐式距離→δ（k）i j并計算采樣值權(quán)重函數(shù)ω（k）i j，計算表達(dá)式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 甲烷傳感器精度

試驗結(jié)果如圖11 所示。根據(jù)試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，雖然甲烷遙感檢測裝置的檢測結(jié)果與氣體分析儀的檢測結(jié)果存在一定的誤差，但兩者在甲烷濃度積分變化趨勢上表現(xiàn)出高度的一致性。這表明甲烷遙感檢測裝置能夠有效地監(jiān)測甲烷濃度的變化趨勢。為了進(jìn)一步量化甲烷檢測裝置與氣體分析儀檢測結(jié)果之間的相關(guān)性，計算了2 組試驗中2 個設(shè)備檢測結(jié)果之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，分別為0.975 和0.987，這表明甲烷檢測裝置的檢測結(jié)果與氣體分析儀的檢測結(jié)果之間存在極強(qiáng)的一致性。皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果進(jìn)一步證實了甲烷遙感檢測裝置在實際應(yīng)用中的可靠性。

根據(jù)以上試驗結(jié)果，進(jìn)一步對甲烷遙感檢測裝置的單位誤差進(jìn)行了分析，如表1 所示。通過比較和分析2 組不同濃度環(huán)境的試驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)該裝置的平均單位誤差相差不大。這表明甲烷遙感檢測裝置的誤差水平不隨背景濃度的變化而變化，展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。根據(jù)計算結(jié)果可以得到該裝置的平均單位誤差在2.05 mg/m3 以內(nèi)，相對誤差在10% 左右，可以滿足奶牛養(yǎng)殖場甲烷濃度監(jiān)測的實際需求。

2.2 奶牛養(yǎng)殖場檢測結(jié)果

奶牛場可見光俯視地圖如圖12 所示。俯視圖的構(gòu)建采用了無人機(jī)航拍拼接技術(shù)，該技術(shù)通過對無人機(jī)采集的可見光圖像進(jìn)行精細(xì)的拼接和優(yōu)化處理，最終形成高精度的二維可見光地圖。這幅地圖為我們提供了一個直觀的奶牛場內(nèi)部環(huán)境視圖，也為甲烷濃度檢測數(shù)據(jù)的驗證和分析提供了重要參考。通過可見光地圖可以更好地對比分析甲烷濃度檢測數(shù)據(jù)，從而驗證甲烷遙感檢測系統(tǒng)的實際性能。此外，該地圖還為我們提供了研究奶牛場內(nèi)部甲烷分布規(guī)律的有力工具，有助于我們理解甲烷在奶牛場中的流動和分布模式。

通過對甲烷濃度數(shù)據(jù)的采集，分別采用KernelDM 算法和改進(jìn)的GDM 算法構(gòu)建了奶牛場活動區(qū)域的甲烷濃度分布圖。為了將甲烷濃度分布圖與奶牛場的實際環(huán)境聯(lián)系起來，通過對位置信息的匹配，將濃度分布圖與可見光地圖進(jìn)行了圖像融合，融合結(jié)果如圖13 所示。融合結(jié)果展示了奶牛場內(nèi)甲烷的具體分布情況，通過與可見光地圖的對比分析，可以更加清晰、直觀地了解奶牛場內(nèi)甲烷濃度分布的規(guī)律，從而更好地理解奶牛場的甲烷排放特性。

為了評估濃度分布圖的準(zhǔn)確性，我們采用網(wǎng)格法對奶牛場活動區(qū)域進(jìn)行了均分，共劃分為9 個網(wǎng)格單元，并將每個網(wǎng)格單元內(nèi)的奶牛數(shù)量標(biāo)注于相應(yīng)的網(wǎng)格中，如圖14 所示。將不同GDM 方法構(gòu)圖結(jié)果同樣劃分為9 個網(wǎng)格單元，并求取每個網(wǎng)格單元內(nèi)濃度數(shù)據(jù)的平均值。由于活動場區(qū)域的甲烷主要來源于奶牛個體本身，甲烷質(zhì)量濃度與奶牛數(shù)量呈現(xiàn)出正相關(guān)。因此，通過分析每個網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)甲烷濃度數(shù)據(jù)與網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)奶牛數(shù)量的關(guān)系，可以反映濃度分布圖的準(zhǔn)確性。

對通過不同算法構(gòu)建的甲烷濃度分布在每個區(qū)域內(nèi)的平均值和每個區(qū)域內(nèi)奶牛數(shù)量進(jìn)行繪圖，可以得到兩者之間的關(guān)系曲線如圖15 所示，曲線清晰地展示了甲烷濃度與奶牛數(shù)量之間的關(guān)系。為了量化其相關(guān)性，分別計算了Kernel DM 算法結(jié)果與奶牛數(shù)量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.908，改進(jìn)的GDM 算法結(jié)果與奶牛數(shù)量之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.934，說明改進(jìn)后的GDM 算法在實際應(yīng)用中具有更高的準(zhǔn)確性。該結(jié)果可以表明，本研究所構(gòu)建的甲烷濃度分布圖可以用于畜禽場內(nèi)甲烷濃度的監(jiān)測。

3 結(jié)論

設(shè)計了一套基于四旋翼無人機(jī)平臺的甲烷遙感監(jiān)測系統(tǒng)，并改進(jìn)了用于濃度分布繪圖的KernelDM 算法。為驗證其性能，進(jìn)行了一系列試驗。得出以下結(jié)論：

1） 甲烷檢測模塊的平均單位誤差小于2.05mg/m3，測量結(jié)果與專業(yè)氣體分析儀的檢測結(jié)果之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于0.975，具有很好的相關(guān)性。

2） 對Kernel DM 算法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的GDM 算法考慮了環(huán)境風(fēng)場對氣體分布的影響，繪制的濃度分布圖表現(xiàn)出更高的準(zhǔn)確性。

3） 在奶牛場實地測試中，通過對結(jié)果的分析，某一區(qū)域的甲烷質(zhì)量濃度與該區(qū)域奶牛數(shù)量之間存在顯著的正相關(guān)性，其皮爾遜相關(guān)系數(shù)為0.934。

總之，所設(shè)計的甲烷遙感檢測系統(tǒng)具有檢測速度快、檢測范圍大等優(yōu)點，可滿足奶牛養(yǎng)殖場對甲烷分布檢測的實際需求。

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【責(zé)任編輯 莊 延】

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