环境应急监测中多源数据融合与综合分析方法研究

2024-05-04潘丽娟

皮革制作与环保科技 2024年5期

潘丽娟

（南京白云环境科技集团股份有限公司，江苏南京 210000）

引言

在现代社会，环境突发事件的频繁发生对人类生活和生态系统造成了巨大影响。因此，建立高效的环境应急监测系统成为当务之急。随着传感器技术、遥感技术和移动传感器技术的不断发展，监测环境中涌现了大量多源数据。然而，这些数据的异构性、不确定性以及质量差异等问题给环境监测数据的综合分析带来了挑战。

1 多源数据融合方法

1.1 传感器数据融合原理与技术

在多源数据融合方法中，传感器数据融合是一项关键技术，其原理在于将来自不同传感器的信息有机地整合，以提高感知系统的全面性和准确性。

在传感器数据融合中，如图1所示，各个传感器收集到的数据以原始形式呈现。然后，通过数据选择、数据合并算法，将这些原始数据整合成更全面、准确的信息。其中，信息互补是关键概念之一，指的是不同传感器提供的信息相互补充，从而弥补各自的局限性。这种互补性可以在多个层面上实现，例如融合不同传感器的空间信息、频谱信息或时间信息。

图1 传感器数据融合结构示意

数据融合技术中，融合算法的选择至关重要。常见的融合算法包括加权平均、卡尔曼滤波、小波变换等。这些算法根据具体应用场景和传感器特性，对数据进行适当的处理，以确保融合结果既保留了各传感器的优势，又减少了可能存在的冗余信息。

1.2 卫星遥感与地面监测数据的整合方法

卫星遥感与地面监测数据的整合方法至关重要，其中一种常见而有效的技术是基于数据同化的方法。该方法通过数学模型，将卫星遥感数据与地面监测数据进行动态一致性调整，以达到更准确的综合观测结果。具体而言，采用变分同化技术，通过最小化模型与观测数据的差异，获得对地观测数据的最优估计。其表达式可用以下公式表示：

其中，Dintegrated为整合后的地观测数据，Dmodel为数学模型模拟的地面状态，Dsatellite为卫星遥感数据，H为观测算子，K为卫星数据和模型模拟数据之间的协方差矩阵的乘子。

通过模型模拟地面状态，即Dmodel，考虑地表特征和气象要素的时空演变。接着，通过观测算子H将模型模拟的数据映射到卫星遥感数据空间，实现模型与观测数据的对比。乘子K的引入旨在根据卫星数据的权重对模型结果进行修正，使整合结果更贴近实际观测[1]。

此外，考虑到不同数据源的观测误差和权重分布不同，变分同化方法能够通过迭代调整模型状态，逐渐使整合后的结果逼近真实地观测情况。这种基于数据同化的整合方法在提高地观测数据的精度和一致性方面具有显著优势。

1.3 无人机与移动传感器数据的融合策略

在无人机与移动传感器数据融合策略中，关键是实现这两种源数据的有效整合，以提升感知系统的综合性能。首先，需要考虑时空关联性，通过时空关联算法将无人机获取的高时空分辨率数据与移动传感器采集的地面移动数据进行匹配，确保数据的一致性。其次，考虑到可能存在多模态的感知数据，如图像和声音等，融合策略需要综合考虑不同模态数据的特征提取和融合，以充分挖掘多源信息。此外，为确保数据实时性，需考虑无人机与移动传感器之间的通信协议和数据传输效率，采用高效的通信协议和实时数据处理算法，以确保整合后的数据能够在实际应用中及时而准确地支持决策。这一融合策略的技术细节包括对不同源数据的时空协同处理、多模态数据的统一融合和实时性保障，使其成为应对复杂环境和紧急应急场景的有效感知方案。

2 数据质量控制与预处理

2.1 噪声抑制与异常值处理

在数据质量控制与预处理中，噪声抑制与异常值处理是关键步骤，旨在提高数据的精度和可靠性。噪声抑制主要通过滤波技术实现，其中一种常见的方法是利用移动平均滤波器，具体表达式如下：

其中，Dfiltered[n]表示滤波后的数据，D[n]为原始数据，N为滤波窗口大小。该滤波器对数据进行平均处理，有效抑制了短时噪声的影响，提高了数据的平滑度。

异常值处理则涉及数据中可能存在的突发性异常情况，其中一种常见的方法是基于阈值的异常检测。具体而言，可以使用均值μ和标准差σ计算异常值的阈值，对于某一数据点D[n]，若其偏离均值超过一定倍数的标准差，即则将其视为异常值，并进行相应处理。

其中，Dprocessed[n]为处理后的数据。对于异常值的处理方式可以根据具体情况选择，如替换为均值、进行插值或剔除等方法。

综合运用噪声抑制和异常值处理，可以有效地提高数据质量，消除噪声干扰和异常值的影响，使得预处理后的数据更符合实际场景，为后续分析和建模提供可靠的基础。

2.2 数据标定与纠正

数据标定与纠正是数据质量控制与预处理中的关键步骤，旨在消除采集过程中的系统误差和校正数据的度量单位，提高数据的准确性和可比性。标定过程首先涉及传感器的标定，即确定传感器的内部参数和外部参数。内部参数包括相机的焦距、畸变系数等，而外部参数则包括相机在世界坐标系中的位置和姿态。标定的数学表达式如下：

其中，Pimage为图像坐标，Pworld为世界坐标，K为相机内参矩阵，R∣t为相机的旋转矩阵和平移向量。

在数据标定的基础上，还需要进行数据纠正，包括畸变纠正和姿态纠正。畸变纠正通过畸变模型，如径向畸变模型，对传感器采集的图像进行畸变校正，消除图像中由于传感器特性引起的形变[1]。姿态纠正则是为了使数据在不同坐标系中保持一致，需要根据传感器的安装姿态调整数据。这两个过程可以表达为：

其中，Dcorrected为纠正后的数据，Draw为原始数据，Dcalibrated为经过标定的数据。

通过数据标定与纠正，可以消除由于传感器特性和安装姿态引起的误差，提高数据的准确性和可信度。这一过程对于各种传感器数据的后续应用，尤其是在精密测量和计量领域，具有重要的技术意义。

2.3 数据时空同步性的处理方法

数据时空同步性的处理在多源数据融合中至关重要，其目标是使来自不同传感器的数据在时域和空域上具有一致性，为后续的融合和分析提供可靠基础。在时域上，数据时空同步性处理考虑到不同传感器的数据采集频率不同，可采用插值或降采样等方法将其同步至相同时间步。

在空域上，考虑到不同传感器可能位于不同位置，需要进行空间配准，使得它们在相同坐标系下表达。这可通过特征匹配、几何变换等方法实现。以特征匹配为例，对于传感器A和B的图像数据，可通过提取图像特征点，如ORB特征点，再进行匹配和变换，使得它们在同一空间坐标系下表达[2]。

综合时域和空域处理，可实现多源数据在时空上的同步性，为后续的融合与分析提供一致的数据基础。

3 综合分析方法与模型构建

3.1 时空关联分析

时空关联分析是多源数据融合中的关键环节，旨在挖掘不同数据在时域和空域上的关联性，以揭示其潜在的规律和趋势。在时域上，时空关联分析考虑数据在相邻时间点之间的关系，可通过时滞相关、自回归模型等方式进行。以自回归模型为例，对于某一传感器数据D[t]，其自回归模型可表达为：

其中，p为时间滞数，ϕi为自回归系数，ε[t]为残差项。通过建立自回归模型，可以揭示数据在时域上的延迟关系，为后续的预测和分析提供依据。

在空域上，时空关联分析关注不同传感器或观测点之间的空间关联性。常见的方法包括空间协方差函数、克里金插值等。以空间协方差函数为例，对于两个传感器数据Di和Dj，其空间协方差函数可定义为：

其中，h为空间距离，μi和μj为数据的均值。通过计算空间协方差函数，可以得到数据在空域上的相关性，为多源数据的融合提供重要依据。

时空关联分析的关键在于综合考虑时域和空域的关系，通过建立相应的模型，揭示多源数据之间的复杂关联关系。

3.2 空间插值与预测模型

空间插值与预测模型在多源数据融合中扮演关键角色，旨在通过有效的数学模型推断未观测区域的数值，并填补空间上的缺失。在此过程中，普遍采用克里金插值作为一种常见的空间插值方法。克里金插值基于空间上的数据点，通过对这些点间的变异性进行建模，估计未知位置的数值。其核心思想是通过调整不同方向上的权重，实现对未知位置进行加权平均，表达为：

其中，Z0为未知位置的估计值，Zi为已知点的观测值，λi为相应点的权重。克里金插值模型的参数（如方差、克里金参数等）通常通过拟合实际数据集得到，以最大程度地符合空间数据的变异性[3]。

除了克里金插值，其他预测模型如回归模型、神经网络模型等也常用于空间预测。这些模型通过分析已有的数据特征，构建数学模型，并通过模型预测未知位置的数值。例如，回归模型可表达为：

其中，Y为待预测的数值，X1，X2，...，Xn为已知特征，β0，β1，β2，...，βn为模型参数，ε为误差项。

综合空间插值与预测模型的应用，有助于填补数据缺失，生成更为完整的空间信息，并为环境应急监测等实际应用提供准确的空间预测结果。

3.3 统计学方法在多源数据中的应用

在多源数据融合的环境中，统计学方法发挥着重要作用。这些方法通过分析数据之间的统计关系，揭示出隐藏在数据背后的模式和规律，为综合分析提供有力支持。统计学方法的应用主要包括相关性分析、方差分析、协方差分析等。通过相关性分析，可以评估不同数据源之间的线性关系，从而了解它们在时空上的相互依赖程度。方差分析则有助于理解数据的变异性，识别异常值，为数据质量控制提供依据。协方差分析在揭示数据之间的协同变化方面发挥作用，有助于构建更为准确的综合模型。通过统计学方法的运用，可以更全面地理解多源数据的特性，为环境应急监测和综合分析提供科学依据。

4 环境应急监测案例研究

4.1 实时事件监测与响应

实时事件监测与响应是环境应急监测的关键环节，该过程通过多源数据的实时采集和分析，以快速、准确地识别和响应突发事件，具体流程如图2所示。

图2 实时事件监测与响应流程

首先，各类传感器、卫星遥感以及无人机等设备实时收集环境数据，包括空气质量、温度、湿度等多个维度，这些数据即时传输至中央监测系统。在监测系统中，通过多源数据融合技术，实施实时事件监测，检测异常信号和趋势。一旦检测到潜在的突发事件，系统立即启动响应机制，如发出警报通知、启动应急设备、调度应急人员等措施。

4.2 灾害风险评估与预测

灾害风险评估与预测在环境应急监测中扮演着至关重要的角色。如图3所示流程，该过程首先依赖于多源数据的积累，包括气象数据、地质数据、水文数据等。这些数据通过多源融合技术整合至中央监测系统。其次，采用先进的统计学方法和模型，对已有数据进行深度分析，以识别潜在的灾害风险因素和趋势。通过时空关联分析，系统能够辨识不同因素之间的关系，为灾害风险的评估提供科学依据。

图3 灾害风险评估与预测流程

在预测阶段，系统结合历史数据和实时监测信息，采用空间插值与预测模型进行数值预测。这些模型能够有效地模拟环境要素在时空上的变化，为未来可能发生的灾害事件提供预测结果。同时，智能算法在模型构建中发挥关键作用，提高了预测的准确性和可靠性。最后，基于预测结果，系统生成灾害风险评估报告，为决策者提供科学依据，使其能够制定合理有效的灾害应对策略。

4.3 环境突发事件应急决策支持

环境突发事件应急决策支持是在监测系统实时采集和分析多源数据的基础上，针对突发环境事件提供决策支持的关键环节。当系统检测到潜在的突发事件时，它迅速生成相应的应急决策支持信息。首先，系统利用传感器、卫星遥感和无人机等设备实时获取事件相关数据，包括污染程度、影响范围等。这些数据通过多源融合技术整合至中央监测系统，实现对事件的全面把控。

在监测系统中，智能算法和模型构建发挥着重要作用，对事件的发展趋势和影响进行实时分析和预测。系统基于这些分析结果生成应急决策支持报告，包括事件的紧急程度、推荐的响应措施、可能影响的区域等信息。这一报告为决策者提供了科学依据，帮助其迅速制定有效的应急策略，包括资源调配、人员安排以及可能的疏散计划。