一种空域大气污染溯源跟踪与定位方法及系统与流程

1.本发明涉及环境监测技术领域，具体是一种空域大气污染溯源跟踪与定位方法及系统。


背景技术：

2.随着工业化进程的推进，工业排放有害污染物进入大气，形成大气污染，危害人类和生态系统的健康。从2018年开始，全国一些省份、城市相继出台文件，要求钢铁、水泥、建筑、火电、焦化等实现超低排放，全面实施污染排放精准治理；2019年4月，生态环境部、国家发改委和工信部等部门联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》加强对污染排放的管控。同年7月，生态环境部制定《重污染天气重点行业应急减排措施制定技术指南》对企业排放进行分级管理。同年10月，中国环境保护产业协会推出《钢铁企业超低排放改造实施指南》为钢铁企业提供低排放改造技术路线、施工和管理等方面的参考。同年12月，生态环境部发布《钢铁企业超低排放评估监测技术指南》，规范钢铁企业超低排放评估监测工作，统一评估监测程序和方法。2021年12月，生态环境部发布《“十四五”生态环境监测规划》，要求深化大气环境监测。
3.排放到大气的烟气、粉尘等具有排放不集中、扩散不确定等无组织特点，使得监控的难度较大。目前主要采用专用传感器、监测仪在空域布点，或者采用走航的形式，对空域中的烟气、粉尘等进行监测；微脉冲激光可以实现对空域的粉尘污染分布特征进行一定范围的监测，但是由于光路可能受到污染遮挡，难以对大型空域烟气、粉尘等进行大范围的监测。以上方法更是难以对烟气、粉尘排放进行溯源与对排放源进行定位。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种空域大气污染溯源跟踪与定位方法及系统，能够通过机器视觉监测与定位大范围空域烟气、粉尘等大气污染的产生及其排放源。
5.为实现上述目的，本发明提供一种空域大气污染溯源跟踪与定位方法，包括如下步骤：步骤1，在待监测空域中布置第一球机与第二球机，其中，第一球机与第二球机均具有水平旋转与垂直俯仰的转角行程；步骤2，控制第一球机旋转、俯仰，对其所监测空域进行视觉扫描，通过图像处理，获得待监测空域中各大气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角；步骤3，第一球机、第二球机联合旋转、俯仰，依次按照各空气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角，进行双目联合特征识别与坐标解算，获得各空气污染物及其排放源的空域坐标。
6.作为上述技术方案的进一步改进，步骤1中，还包括对第一球机、第二球机进行参数标定，获得待监测空域点位对应的第一球机、第二球机的内部参数与外部参数，具体为：
步骤1.1，调整第一球机与第二球机的空域位置与原始角度位置，使第一球机与第二球机的公共视场覆盖待监测空域；步骤1.2，采用三维立体靶标在待监测空域的多个网格化点位对第一球机、第二球机进行标定，获得多个网格化点位对应的第一球机、第二球机的内部参数与外部参数；步骤1.3，采用插值的方法对待监测空域中未采用三维立体靶标进行标定的点位的内部参数、外部参数进行插值计算，得到待监测空域所有点位对应的第一球机、第二球机的内部参数与外部参数。
7.作为上述技术方案的进一步改进，步骤2的具体过程为：步骤2.1，控制第一球机旋转、俯仰，获得待监测空域内扩散、运移的点云，通过对点云对应的图像，或点云附近的图像进行预处理、图像匹配与特征识别，获得扩散、运移的点云中或附近有规则形状的第一特征物，并将扩散、运移的点云以及对应的第一特征物标记为目标；步骤2.2，控制第一球机旋转、俯仰，使得目标位于第一球机视场中心，得到第一球机瞄准目标时对应的姿态角，即得到待监测空域中空气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角；步骤2.3，按照空间扫描顺序，重复步骤2.1、步骤2.2，得到待监测空域中标记为目标的各大气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角。
8.作为上述技术方案的进一步改进，步骤2.1中，有规则形状的第一特征物的识别过程具体包括：步骤2.1.1，获取第一球机的视场图像序列，并基于图像差分识别得到第一球机视场中具有扩散、运移特征的等动态变化的点云；步骤2.1.2，对动态变化的点云对应的图像进行预处理，以及特征提取、匹配与识别：若识别成功，则初步确定第一特征物为包括运输车辆、作业装备、工艺设备、存取装置在内的动态大气污染排放源；若识别不成功，通过第一球机旋转、俯仰，采集扩散、运移点云图像附近区域图像，并进行特征提取、匹配与识别，则初步确定第一特征物为包括炉体、管道、烟囱在内的静态大气污染排放源。
9.作为上述技术方案的进一步改进，步骤3的具体过程为：步骤3.1，控制第一球机旋转、俯仰使得第一球机瞄准第一个目标的中心；步骤3.2，控制第二球机的旋转、俯仰，使其视线中心从第一球机的安装点位开始，顺着第一球机的光轴扫描，并实时对第二球机视频、图像进行预处理、图像匹配与特征识别找到第二球机视场中扩散、运移的点云，及其中或附近的有规则形状的第二特征物，将第二球机视场中的第二特征物与第一球机视场的第一特征物进行匹配，确定该扩散、运移的点云对应的污染排放源；步骤3.3，调整第一球机、第二球机的姿态，使扩散、运移的点云对应的污染排放源在第一球机、第二球机视场中心，通过第一球机、第二球机的空间坐标、水平旋转角、垂直俯仰角，可以得到该扩散、运移的点云对应的污染排放源的空间坐标，并可以继续通过双目测量，获得污染排放源的尺度大小；
步骤3.4，控制第一球机旋转、俯仰使得第一球机瞄准下一个目标的中心，重复步骤3.2-3.4，直至得到待监测空域中所有目标对应的污染排放源的空间坐标与尺度大小，即得到待监测空域中各大气污染物及其排放源的空域坐标。
10.作为上述技术方案的进一步改进，步骤3.2的具体过程为：步骤3.2.1，控制第二球机从第一球机的安装点开始，顺着第一球机的光轴扫描，直至扫到得到第二球机视场中的第一个点云；步骤3.2.2，通过第二球机对步骤3.2.1中点云中或附近的图像进行预处理、匹配与特征识别，提取出该点云中或附近具有第二特征物；步骤3.2.3，将第二球机视场中的第二特征物与第一球机视场的第一特征物进行匹配，若匹配成功，则确定该第二特征物即为污染排放源，并确定其在第二球机视场中的位置，否则进入步骤3.2.4，在匹配过程中，当第一特征物的数量与第二特征物的数量为多个时，则需将任意两个第一特征物与第二特征物进行匹配，直至确定对应扩散、运移的点云对应的所有污染排放源；步骤3.2.4，控制第二球机顺着第一球机的光轴继续扫描，直至扫到得到下一个点云后返回步骤3.2.2。
11.作为上述技术方案的进一步改进，步骤1中，第一球机与第二球机的数量均为一个以上。
12.作为上述技术方案的进一步改进，第一球机与第二球机在空域内安装位置不重叠，且待测空域位于第一球机与第二球机的公共视场中。
13.作为上述技术方案的进一步改进，待测空域可以部署两个以上位置不重叠的球机，其中任意两个可以作为第一球机、第二球机；也可以某一球机作为第一球机扫描空域后，由不同的球机作为第二球机。
14.为实现上述目的，本发明还提供一种空域大气污染溯源跟踪与定位系统，包括：至少一个处理单元；以及与所述处理单元连接的至少一个存储器、总线；其中，所述处理单元、存储器通过所述总线完成相互间的通信；所述处理单元用于调用所述存储器中的程序指令，以执行权利上述方法的部分或全部步骤。
15.本发明提供的一种空域大气污染溯源跟踪与定位方法及系统，该方法首先通过第一球机对大范围的待监测空域进行视觉扫描，得到待检测空域中各大气污染物及其排放源位于第一球机视场中心时第一球机的姿态角，随后通过第一球机、第二球机联合旋转、俯仰，确定待检测空域中各大气污染物及其排放源位于第二球机视场中心时第二球机的姿态角，最终通过双目联合特征识别与坐标解算，获得各空气污染物及其排放源的空域坐标，实现大范围空域大气污染及其排放源的定位追踪。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以
根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例中空域大气污染溯源跟踪与定位方法的流程图；图2为本发明实施例中第一球机、第二球机的参数标定的流程图；图3为本发明实施例中第一球机扫描定位的流程图；图4为本发明实施例中第一特征物的识别流程图；图5为本发明实施例中第二球机扫描定位的流程图；图6为本发明实施例中污染排放源识别的流程图；图7为本发明实施例中空域坐标系示意图。
18.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
21.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
24.如图1所示为本实施例公开的一种空域大气污染溯源跟踪与定位方法，包括如下步骤：步骤1，在待监测空域中布置第一球机与第二球机，其中，第一球机与第二球机均具有水平旋转与垂直俯仰的转角行程，且第一球机与第二球机均具有镜头变倍、变焦控制功能；步骤2，控制第一球机旋转、俯仰，对其所监测空域进行视觉扫描，通过图像处理，获得待监测空域中各大气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角；步骤3，第一球机、第二球机联合旋转、俯仰，依次按照各空气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角，进行双目联合特征识别与坐标解算，获得各空气污染物及其排放源
的空域坐标。
25.本实施例中首先通过第一球机对大范围的待监测空域进行视觉扫描，得到待检测空域中各大气污染物及其排放源位于第一球机视场中心时第一球机的姿态角。考虑到单目相机无法完成空间中某一点位的定位，因此通过第一球机、第二球机联合旋转、俯仰，确定待检测空域中各大气污染物及其排放源位于第二球机视场中心时第二球机的姿态角，最终通过双目联合特征识别与坐标解算，获得各空气污染物及其排放源的空域坐标，实现大范围空域大气污染及其排放源的定位追踪。
26.在具体实施过程中，在待检测空域布置第一球机与第二球机之前，还需对第一球机、第二球机进行参数标定，获得待监测空域点位对应的第一球机、第二球机的内部参数与外部参数。参考图2，第一球机、第二球机的参数标定过程为：步骤1.1，调整第一球机与第二球机的空域位置与原始角度位置，使第一球机与第二球机的公共视场覆盖待监测空域；步骤1.2，采用三维立体靶标在待监测空域的多个网格化点位对第一球机、第二球机进行标定，获得多个网格化点位对应的第一球机、第二球机的内部参数与外部参数，其中，采用三维立体靶标的标定方式为所属领域的常规技术手段，因此本实施例中不再对其进行赘述；步骤1.3，采用插值的方法对待监测空域中未采用三维立体靶标进行标定的点位的内部参数、外部参数进行插值计算，得到待监测空域所有点位对应的第一球机、第二球机的内部参数与外部参数。
27.参考图3，本实施例中，步骤2的具体实施方式为：步骤2.1，控制第一球机旋转、俯仰，获得待监测空域内扩散、运移的点云，通过对点云对应的图像，或点云附近的图像进行预处理、图像匹配与特征识别，获得扩散、运移的点云中或附近有规则形状的第一特征物，并将扩散、运移的点云以及对应的第一特征物标记为目标；步骤2.2，控制第一球机旋转、俯仰，使得目标位于第一球机视场中心，得到第一球机瞄准目标时对应的姿态角，即得到待监测空域中空气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角；步骤2.3，按照空间扫描顺序，重复步骤2.1、步骤2.2，得到待监测空域中标记为目标的各大气污染物及其排放源对应第一球机的姿态角。
28.在步骤2.1中，对于点云附近的图像中“附近”的定义为以覆盖点云的圆的圆心为圆心，半径为该覆盖圆半径的2~5倍的圆形区域内，或以覆盖点云的矩形的中心为中心，边长为该覆盖矩形边长的2~5倍的矩形区域。而对于图像的预处理则包括滤噪、尺寸归一化等常规图像处理方式。特征识别则是通过颜色分布、轮廓连续、几何关联、像素密度、点云分布等特征对图像中具有规则形状的物体进行识别，并在识别后与预先存储的规则物体图像进行特征匹配，最终确定扩散、运移的点云中或附近有规则形状的第一特征物，第一特征物包括但不限于运输车、铲车、挖掘车、抓斗、清扫装置、作业装备、粉碎机、振动筛、传送带、运输链、工艺设备、存取装置、转炉、炉灶、烟囱、管道、人员等可能形成大气污染排放源的物体。此时，同一个扩散、运移的点云中可能存在多个第一特征物，而其中可能有多个第一特征物为该扩散、运移的点云中的排放源，因此还需后续的识别过程来确定具体的排放源。在具体
实施过程中，参考图4，对于有规则形状的第一特征物的识别过程具体包括：步骤2.1.1，获取第一球机的视场图像序列，并基于图像差分识别得到第一球机视场中具有扩散、运移特征的等动态变化的点云；步骤2.1.2，对动态变化的点云对应的图像进行预处理，以及特征提取、匹配与识别：若识别成功，则初步确定第一特征物为包括运输车辆、作业装备、工艺设备、存取装置在内的动态大气污染排放源；若识别不成功，通过第一球机旋转、俯仰，采集扩散、运移点云图像附近区域图像，并进行特征提取、匹配与识别，则初步确定第一特征物为包括炉体、管道、烟囱在内的静态大气污染排放源。
29.在步骤2.2中，控制第一球机旋转、俯仰，使得目标位于第一球机视场中心的具体实施方式为：控制第一球机旋转、俯仰，使得目标的中心位于第一球机视场中心。
30.参考图5，本实施例中，步骤3的具体实施方式为：步骤3.1，控制第一球机旋转、俯仰使得第一球机瞄准第一个目标的中心；步骤3.2，控制第二球机的旋转、俯仰，使第二球机的视线中心从第一球机的安装点位开始，顺着第一球机的光轴扫描，并实时对第二球机视频、图像进行预处理、匹配与特征识别找到第二球机视场中扩散、运移的点云，及其中或附近的有规则形状的第二特征物，这一过程与上述步骤2.1相同，因此不再赘述；将第二球机视场中的第二特征物与第一球机视场的第一特征物进行匹配，匹配分析出第一特征物与第二特征物中是同一物体，即确定该物体为对应扩散、运移的点云对应的污染排放源；步骤3.3，调整第一球机、第二球机的姿态，使扩散、运移的点云对应的污染排放源在第一球机、第二球机视场中心，通过第一球机、第二球机的空间坐标、水平旋转角、垂直俯仰角，可以得到该扩散、运移的点云对应的污染排放源的空间坐标，并可以继续通过双目测量，获得污染排放源的尺度大小；步骤3.4，控制第一球机旋转、俯仰使得第一球机瞄准下一个目标的中心，重复步骤3.2-3.4，直至得到待监测空域中所有目标对应的污染排放源的空间坐标与尺度大小，即得到待监测空域中各大气污染物及其排放源的空域坐标。
31.进一步具体地，参考图6，步骤3.2的具体过程为：步骤3.2.1，控制第二球机从第一球机的安装点开始，顺着第一球机的光轴扫描，直至扫到得到第二球机视场中的第一个点云；步骤3.2.2，通过第二球机对步骤3.2.1中点云中或附近的图像进行预处理、匹配与特征识别，提取出该点云中或附近具有第二特征物，这一过程与上述步骤2.1相同，因此不再赘述；步骤3.2.3，将第二球机视场中的第二特征物与第一球机视场的第一特征物进行匹配，若匹配成功，则确定该第二特征物即为污染排放源，并确定其在第二球机视场中的位置，否则进入步骤3.2.4，在匹配过程中，当第一特征物的数量与第二特征物的数量为多个时，则需将任意一个第一特征物与任意一个第二特征物进行匹配，直至匹配成功，从而确定对应扩散、运移的点云对应的所有污染排放源，否则进入步骤3.2.4；步骤3.2.4，控制第二球机顺着第一球机的视场中心继续扫描，直至扫到得到下一
个点云后返回步骤3.2.2。
32.作为优选地实施方式，在步骤3.2.3的匹配过程中，可以通过轮廓识别来匹配，可以将可能成为污染排放源的物体轮廓图像预先存储，例如将运输车、铲车、挖掘车、抓斗、清扫装置、作业装备、粉碎机、振动筛、传送带、运输链、工艺设备、存取装置、转炉、炉灶、烟囱、管道、人员等可能形成大气污染排放源的物体的多角度轮廓图像预先存储，在获取第一特征物与第二特征物进行轮廓识别，提取出属于同一类物体的第一特征物与第二特征物。这时考虑到轮廓相同的物体可能并不是同一物体，例如两辆相同型号的铲车，因此在提取出属于同一类物体的第一特征物与第二特征物后，还需对第一特征物与第二特征物进行姿态、参照物、位置（多特征物之间的位置关系、多特征之间的位置关系、特征物与参照物之间的位置关系）识别，当出现姿态、参照物、位置、轮廓均相同的第一特征物与第二特征物时，即判断该第二特征物即为一个污染排放源。重复这一操作直至确定对应扩散、运移的点云对应的所有污染排放源。
33.需要注意的是，在第二球机扫描过程中，若大气污染的排放源移动，第一球机光轴跟随目标运动，第二球机的光轴跟随第一球机的光轴运动。
34.在步骤3.3中，对应扩散、运移的点云对应的污染排放源的具体计算方式为：参考图7，建立空域坐标系o-xyz，其中：第一球机、第二球机布置在点、点；视觉目标中心在c点，球机a、b瞄准目标后，ac为第一球机光轴，bc为第二球机光轴；a在过c点平行于xoy平面内的投影为a'，b在过c点平行于xoy平面内的投影为b'，在平面内，轴，轴；第一球机光轴在平面内时，其水平旋转位置为0
°
；第二球机光轴在平面内，其水平旋转位置为0
°
；第一球机、第二球机光轴处于水平位置时，其垂直俯仰位置为0
°
；球机水平方向逆时针旋转时转角为正，顺时针旋转时转角为负；球机垂直方向向上转动时转角为正，向下转动时转角为负；为第一球机的俯仰角；为第一球机的旋转角；为第二球机的俯仰角；为第二球机的旋转角。
35.因此可以得到a'c直线方程为：b'c直线方程为：由两直线方程联立求解得：
进一步由三角形得到：则得到：最终即得到对应扩散、运移的点云对应的污染排放源c的坐标。
36.需要注意的是，在待检测空域中第一球机与第二球机的数量均为一个以上。且第一球机与第二球机在空域内安装位置不重叠，且待测空域位于第一球机与第二球机的公共视场中。或者，在待测空域可以部署两个以上的球机，其中任意两个位置不重叠的球机可以作为第一球机、第二球机；也可以某一球机作为第一球机扫描空域后，由不同的球机作为第二球机。
37.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。