基于无人机的山岳云海和江面雾漫预测预报系统

2018-08-30张南辉张瀚坤

中国科技纵横 2018年14期

张南辉张瀚坤

摘要：本文论述了基于无人机的山岳云海和江面雾漫预测预报，山岳云海和江面雾漫是自然界的一大奇观，可是由于山岳云海和江面雾漫并不是随时随地可以看到的，它们的形成需要一定的自然条件，如果能预测预报山岳云海和江面雾漫产生的时间和地点将对旅游业带来非常好的效益。利用无人机的机动性可方便的检测各种复杂地形的数据，并通过数据处理中心进行分析预测，将结果通过互联网平台向社会和游客发布旅游区的实时图像和云海雾漫的形成时间和持续时间，为广大游客通过了极大的便利条件。

关键词：无人机；山岳云海；脚雾；预报预测

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0032-02

随着人们物质文化生活水平的快速提升，旅游消费快速增长，求新求异业已成为了当代旅游新时尚。为了做大做强旅游产业，各地都争相逐鹿。云海和脚雾为自然界两大奇观，浩浩荡荡、蔚为壮观。可是由于云海和脚雾与气温、气压、湿度、地表温度、水面温度、风力、风速有关，并不是随时可以看到的。目前基本是凭借经验进行预报，准确率非常有限，对云海和脚雾的科学预报预测还是空白，随着大数据、人工智能技术的高速发展，使得这些地域性小气候预测成为了可能。加强云海和脚雾预测预报可以大幅提升旅游质量，提高旅游魅力，振兴旅游产业。

云海，是指在一定的条件下形成的云层。云海的云顶高度低于山顶高度，因此，人们在高山之巅俯首，会看到如大海般波澜壮阔、漫无边际的云层，故称这一现象为“云海”，云海是山岳风景的重要景观之一。江面雾漫：水库、湖泊等深层水形成的水流，常年保持恒定低温，夏秋两季气温较高，与水面形成较大温差，如果空气比较潮湿，就会在水面形成美轮美奂的雾漫。云海和脚雾都是特殊地理和气象条件下形成的，不可多得。对此准确预测预报，一定会深受旅游爱好者、尤其是摄影爱好者的欢迎。本系统是综合气象、统计、大数据、物联网、互联网等技术。在采集大量数据的前提下，进行数据挖掘，构建指数体系。利用现代统计学原理，对数学模型进行分析、检验、校正。使得数学模型更加精准反映实际的云海和脚雾。利用指数体系对云海和脚雾进行质量定级，量化其质量水平。

1 系统综述

云海和雾漫的本质都是水蒸汽分布的结果，正是因为水蒸汽的分布不同，产生千姿百态、美轮美奂、阴阳相济的自然界神奇景观。而分析湿度分布搞清楚水蒸汽密度分布最有效的方法，所以、湿度分布是云海和雾漫的最终结果。若要准确预测、预报云海和雾漫，无疑检测湿度信号、分析湿度分布是首要的，因此，湿度信号是最为重要的特征变量。用传统的定点气象装置检测湿度分布是非常困难的，而无人机的快速发展和普及速度很快，以无人机作为平台进行湿度分布采样成为了可能。形成云海和雾漫的要素有很多，除了湿度信号以外还有地温、气温、风向、风速、风力、气流、大气压力的变化趋势也是形成云海和雾漫的重要条件。因此，必须把这些指标作为分析形成云海和雾漫特征变量，通过数据处理中心用深度学习方法进行数据分析，从这些特征变量中找出云海和雾漫成因，作为云海和雾漫预测预报的依据。云海和雾漫的后续变化过程也非常重要。它们的持续时间和变化规律都是旅游爱好者、尤其是摄影爱好者必须考量的，对出现云海和雾漫后的后续变化规律也与这些特征值的变化规律密切相关。

2 系统工作原理和参数估计

2.1 云海和脚雾的形成机制

云海一般在分布在海拔较高的山岳峡谷，大雨过后，由于地表温度较低，地表湿度较大，突然温度升高或者受到太阳照射，地表水蒸发形成水蒸汽，由于山谷相对比较封闭，气流比较稳定，水蒸汽逐步上升，扩散速度较慢，形成壮观的云海形成和地表温度、地表湿度、气温、气压、风力和风速密切相关，利用机器学习，分析这些参数的变化，可以对云海的形成进行预报。

脚雾一般分布在水库湖泊的下游，由于坝面落差较大，水库出水口离水面有一定落差，夏秋两季，气温较高，阳光辐射较强，而阳光的辐射和温度对水库水温的影响和水深有关，水越深受的影响越小，所以深层水的温度要远低于水面水温。因此，下游的水流水温与气温差别较大，在水面形成水蒸汽，傍晚由于气温下降较快，上方的水蒸汽冷凝，在水面形成脚雾。早上正好相反，气温升高较快，由于温差较大，水蒸汽不断在水面集聚，形成脚雾。脚雾和气温、气压、濕度、风速、风向、水面温度、水流速度有密切的关系，对这些参数进行科学分析，构建指数系统，可以对其进行科学预测。

2.2 云雾和脚雾的相关环境参数和数学模型

为了简化系统设计，确保足够的准确度和必要的精度，本系统采用指数法进行建模，通过一系列指数的计算，消除不同传感器量纲。这样可以使得系统大为简化。

2.2.1 无人机巡航子系统

云海和脚雾实际上都是一定浓度的水蒸汽在垂直方向分布并且出现突变断面，这个断面上方水蒸汽浓度显著降低，这样才会出现云海和脚雾的壮观景象；如果不出现这样的断面，即使水蒸汽浓度再大，也只能影响能见度，不能形成脚雾。可见要预测云海和脚雾的行程，必须对影响所在区域空间水蒸汽分布的指标进行测量。无人机可以在三维空间运动，是非常理想的测试平台。

2.2.2 无人机传感器子系统

时间t时的水蒸汽的垂直分布与大气湿度Wt，大气温度Tt，大气压力Pt密切相关，所以无人机载传感器应该包括这三个传感器，这三个指标和当前相对高度Ht，一并通过物联网发送到数据处理服务器；通过数据整理、参数估计得到t空间水蒸汽分布预期指数It：

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

如果It-It1>Im（Im为出现出现水蒸汽浓度断面的指数）

则置断层标志a=1。

空间水蒸汽分布预期指数I1=a*（It1+It2+……Itn）

没有出现水蒸汽断面预期时，不会出现云海和脚雾。

相应指数I1=0。

2.2.3 小气候预报系统

云海出现在高山之巅，脚雾出现在低温水面，这些地域与外界相差很大，所以单纯依赖公开的气象资料，很难准确预测这些小气候。建立小气候预报系统，不但可以为这些独特气象现象提供准确预测，而且可以为当地生产生活、旅游产业发展提供便利条件。

只有在气温、气压满足相应条件，有一定的阳光辐射，地表水和江水才会适量蒸发、并以合适的速度扩散，才能在地表和水面形成相对稳定的蒸汽层，才会出现壮观的云海和脚雾；风速过大时，会加速水蒸汽的蒸发速度，不利于地表或者江面水蒸汽集结，也就不能形成云海或者脚雾。因此，必须建立独立的小气候探测预报系统，适时时点t，检测太阳辐射St、气温Tt、湿度Wt、气压Pt、风速Ft、风向Dt，可以得到t时点的气象指数It。

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

综合气象指数I2：

I2=Dt*（It1+It2+…..+Itn）

当风向能形成云海或者脚雾时，Dt=1，相应的气象综合指数有效；否则，Dt=0，相应的气象综合指数为0。

2.2.4 地温、地面湿度和水温、水流速度子系统

云海的形成地温和地表湿度有紧密相关性，只有地温和气温有适度的差异，才能保持适度的水蒸汽扩散速度，才有利于水蒸汽集结；也只有地表有足够的湿度，才有足够的水分蒸发成水蒸汽，形成相对稳定的水蒸汽层，出现壮观的人海。因此应该对相应区域地温T、地面湿度W进行检测，经参数估计，计算地表综合指数I3。

I3=K1*T+K2*W

脚雾的形成和水温、水流速度有紧密的相关关系。形成脚雾的江面一般来自深层水，由于深层水不易受到阳光辐射，因此水温比较低，温度相对稳定，但是遇到暴雨，江面表层水温升高较快，表层水与深层低温水热交换需要时间较长，因而影响脚雾形成；水流速度过快，会快速带走蒸发的水蒸汽，水蒸汽不易在江面集结，也会影响脚雾的形成。因此检测水温W和流速S，构建水流综合指数I3。

I3=K1*W+K2*S

2.2.5 构建云海脚雾预报综合总指数I

根据空气综合指数，气象综合指数，地表综合指数或者水流综合指数，按照不同权重，构建云海或者脚雾预报综合指数I。

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

2.2.6 构建云海和脚雾的质量等级预报

本系统不但可以进行云海和脚雾的有无预报，而且可以预测云海脚雾的强度，即云海和脚雾的质量等级。那就是根据综合总指数的取值，配合气象传感器的数据，结合人们对云海和脚雾的审美偏好，科学制定其质量等级。

3 传感器的功能

湿度传感器：形成云海和雾漫的首要条件是地表和空气中有足够水份，空气湿度与其有较大的湿度差异，才能产生足够的水蒸汽。检测从地表到空中的湿度分布，既可获得水蒸气浓度分布。

温度传感器：采用气温传感器和地温传感器感知气温和地温变化规律。温度是决定水蒸汽集聚和扩散速度的重要因素，只有在一定区间地温和气温才能使得水分蒸发，形成足够的水蒸汽并维持一段时间，从而形成云海和雾漫。

风速传感器：风的强度和速度都是形成云海和雾漫的要件。强风会把水蒸汽快速吹走，风速太低不利于水蒸汽扩散，都对云海和雾漫的形成不利。因此，MC&RM;采用风力、风向、和风速传感器采集与风相关数据，评估和预测其对形成云海和雾漫的影响。

气压气流传感器：云海在山岳形成，雾漫在温差大的水面形成。这些地方都会形成独特的气流，对气压、气流流量和流速进行测试，有利于弄清云海和雾漫的形成机制和扩散趋势。

飞控传感器：包括姿态控制、飞行控制、通讯模块、GPS定位等传感器，既要保障无人机平稳自动巡航，也要为温度、湿度分布测试提供物理坐标。