基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法及系统，可用于大气污染物精细化管理需求中对近地面大气颗粒浓度进行实时的监控。本方法由空气质量微型站获取10分钟级别的大气颗粒浓度数据，使用卫星提供的10分钟级的AOD数据，结合其他辅助数据，训练得到用于估算10分钟级别的PM浓度的模型。在实际工作时，通过收集实时数据作为模型输入，可以得到实时的、网格化的大气颗粒浓度数据。其相比已有的基于卫星遥感数据的监测方法，具有在确保数值估计准确率的同时，拥有更高的时间分辨率的优点。辨率的优点。辨率的优点。

【技术实现步骤摘要】
基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及大气颗粒浓度监测领域，具体涉及一种面向精细化管理的基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法及系统。

技术介绍

[0002]大气颗粒物(particulate matter，PM)是指分散于大气之中的各种固态和液态颗粒状物质的总称，监测方法通常分为地基监测和卫星遥感监测两类，地基监测是使用地面设置的国控站点对污染物进行精确测量，卫星遥感监测是使用卫星获取的数据，例如气溶胶光学厚度(Aerosol Optical Depth,AOD)等数据，结合机器学习等数值模型对地面的大气颗粒浓度进行估算。相比于地基监测，卫星遥感检测虽然精度稍低，但能得到在空间上连续的监测结果，对于网格化、精细化的颗粒物监测具有重要意义。
[0003]现有的颗粒物卫星遥感监测方法最高只能做到小时级的时间精度，对于精细化管理需求来说，时间精度越小越好，本专利技术使用空气质量微型站的分钟级数据，结合10分钟级的AOD数据，形成模型用以估算10分钟级的大气颗粒浓度，并在此基础之上实现了大气颗粒物卫星遥感监测系统。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的提供一种基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法及系统，解决上述现有技术问题中的一个或多个。
[0005]第一方面，本专利技术提出一种基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法，包括如下步骤：
[0006]收集监测区域内的历史数据，所述历史数据包括大气颗粒浓度数据、AOD数据以及其他数据，其他数据包括气象数据、植被覆盖数据、海拔数据、道路分布数据，历史数据中的大气颗粒浓度数据为国控站点的10分钟级的大气颗粒浓度数据，AOD数据为10分钟级的AOD数据；
[0007]将收集到的历史数据进行预处理形成样本数据集；
[0008]其中一个国控站点对应的数据集作为测试集，其他国控站点对应的数据集作为训练集，建立随机森林模型，利用训练集进行随机森林模型的训练，优化调整参数；
[0009]应用随机森林模型，输入实时数据，输出实时数据对应的大气颗粒浓度数据，实时数据包括AOD数据以及其他数据，其他数据包括气象数据、植被覆盖数据、海拔数据、道路分布数据；
[0010]对输出的大气颗粒浓度数据进行统计，实现对大气颗粒浓度的监测。
[0011]在一些实施方式中，收集历史数据中的大气颗粒浓度数据的过程为：
[0012]在监测区域内预先设置空气质量微型站，持续收集监测区域的空气质量微型站安装处的10分钟级的大气颗粒浓度数据，生成由空气质量微型站估计国控站点的大气颗粒浓度数据的随机森林模型，应用该随机森林模型获取10分钟级的国控站点的大气颗粒浓度数
据。
[0013]在一些实施方式中，随机森林模型的生成过程包括如下步骤：
[0014]同时收集监测区域的空气质量微型站的10分钟级的大气颗粒浓度数据和国控站点的小时级的大气颗粒浓度数据；
[0015]生成数量与国控站点的数量相等的随机森林模型，一个随机森林模型对应一个国控站点；
[0016]训练随机森林模型，训练时输入小时级的所有空气质量微型站的大气颗粒浓度数据，输出小时级的国控站点的小时级的大气颗粒浓度数据；
[0017]应用随机森林模型，输入空气质量微型站的10分钟级的大气颗粒浓度数据，输出10分钟级的国控站点的大气颗粒浓度数据。
[0018]在一些实施方式中，收集改良监测区域对应的AOD数据的过程中，下载由卫星提供的监测区域的10分钟级AOD数据作为原始AOD数据，对原始AOD数据使用形态学处理方法去除距离云层较近的数据，在使用空间插值方法对数据进行插补，得到连续的10分钟级AOD数据。
[0019]在一些实施方式中，所述空间插值方法指使用空间统计插值，将每个数据点的数据修正为对应的空间范围以及时间范围内的所有数据的加权和，加权所用权重用目标数据点到插值中心数据点的标准差的倒数来表示，该标准差的信息由预先获取的查找表获取，所述查找表为一种三维表格，建立映射关系(δ
l
，v
t
，D)
→
σ，其中，
[0020]σ表示要查找的目标数据点到中心数据点的标准差；
[0021]δ
l
表示目标数据点到中心数据点的空间距离，将空间距离的可取值范围划分为多个区间；
[0022]δ
t
表示目标数据点到中心数据点的时间距离，将时间的可取值范围划分为多个区域；
[0023]D表示中心数据点的AOD数值大小，将0到1划分为多个连续的区间；
[0024]构建统计表，在统计时根据中心数据点的三个对应数值信息将其归类到表中对应的位置，最后统计得到的结果是表中各个位置数据的平均值。
[0025]在一些实施方式中，预处理的过程为：整合收集到的历史数据时将历史数据按照时间和空间坐标对齐制作成数据集，对数据集进行筛选，对数据集进行异常值剔除，得到样本数据集，
[0026]异常值指的是包含有空值的数据，
[0027]对齐指的是以大气颗粒浓度数据为基准，将不同数据按时间和空间坐标进行组合，组合过程中
[0028]如果数据的时间坐标不对齐，则向前找最近有效时间的数据；
[0029]如果数据的空间坐标不对齐，则使用双线性插值法获取具体数据。
[0030]在一些实施方式中，选择使用距离相对较远的国控站点对应的数据集作为测试集，其他国控站点对应的数据集作为训练集，训练集中包含的数据量与测试集中包含的数据量之比为3：1，
[0031]利用测试集对随机森林模型进行测试评估，评估的对象用以观察训练完成后的随机森林模型的精确程度，评估的对象包括RMSE、MAPE以及R2三项指标，RMSE和MAPE分别表征
模型的绝对误差和相对误差，二者数值越低，则模型误差越低，R2表征模型对数据的拟合度，数值越高则模型拟合越精准。
[0032]在一些实施方式中，训练随机森林模型时使用网格搜索优化调整随机森林模型的参数，参数包括决策树数量、分裂节点所需最小样本数、最小叶节点样本数、最大特征数以及决策树最大深度。
[0033]在一些实施方式中，训练随机森林模型时采用Bagging算法对随机森林模型中的决策树进行训练。
[0034]第二方面，本专利技术提出一种基于卫星遥感数据的大气颗粒物监测系统，包括主控模块，和与所述主控模块连接的数据采集模块、模型训练模块、数值估计模块以及数据统计模块，
[0035]主控模块用于协调其他模块的工作；
[0036]数据采集模块用于采集所需的历史数据制作数据集，或在实际工作时用于获取随机森林模型实时输入的实时数据，历史数据包括大气颗粒浓度数据、AOD数据以及其他数据，实时数据包括AOD数据和其他数据，其他数据包括气象数据、植被覆盖数据、海拔数据、道路分布数据；
[0037]模型训练模块用于使用采集到的数据集训练随机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法，其特征在于，包括如下步骤：收集监测区域内的历史数据，所述历史数据包括大气颗粒浓度数据、AOD数据以及其他数据，其他数据包括气象数据、植被覆盖数据、海拔数据、道路分布数据，历史数据中的大气颗粒浓度数据为国控站点的10分钟级的大气颗粒浓度数据，AOD数据为10分钟级的AOD数据；将收集到的历史数据进行预处理形成样本数据集；其中一个国控站点对应的数据集作为测试集，其他国控站点对应的数据集作为训练集，建立随机森林模型，利用训练集进行随机森林模型的训练，优化调整参数；应用随机森林模型，输入实时数据，输出实时数据对应的大气颗粒浓度数据，实时数据包括AOD数据以及其他数据，其他数据包括气象数据、植被覆盖数据、海拔数据、道路分布数据；对输出的大气颗粒浓度数据进行统计，实现对大气颗粒浓度的监测。2.根据权利要求1所述的基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法，其中，收集历史数据中的大气颗粒浓度数据的过程为：在监测区域内预先设置空气质量微型站，持续收集监测区域的空气质量微型站安装处的10分钟级的大气颗粒浓度数据，生成由空气质量微型站估计国控站点的大气颗粒浓度数据的随机森林模型，应用该随机森林模型获取10分钟级的国控站点的大气颗粒浓度数据。3.根据权利要求2所述的基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法，其中，随机森林模型的生成过程包括如下步骤：同时收集监测区域的空气质量微型站的10分钟级的大气颗粒浓度数据和国控站点的小时级的大气颗粒浓度数据；生成数量与国控站点的数量相等的随机森林模型，一个随机森林模型对应一个国控站点；训练随机森林模型，训练时输入小时级的所有空气质量微型站的大气颗粒浓度数据，输出小时级的国控站点的小时级的大气颗粒浓度数据；应用随机森林模型，输入空气质量微型站的10分钟级的大气颗粒浓度数据，输出10分钟级的国控站点的大气颗粒浓度数据。4.根据权利要求1所述的基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法，其中，收集改良监测区域对应的AOD数据的过程中，下载由卫星提供的监测区域的10分钟级AOD数据作为原始AOD数据，对原始AOD数据使用形态学处理方法去除距离云层较近的数据，在使用空间插值方法对数据进行插补，得到连续的10分钟级AOD数据。5.根据权利要求4所述的基于遥感数据的10分钟级大气颗粒物监测方法，其中，所述空间插值方法指使用空间统计插值，将每个数据点的数据修正为对应的空间范围以及时间范围内的所有数据的加权和，加权所用权重用目标数据点到插值中心数据点的标准差的倒数来表示，该标准差的信息由预先获取的查找表获取，所述查找表为一种三维表格，建立映射关系(δ
l
，δ
t
，D)
→
σ，其中，σ表示要查找的目标数据点到中心数据点的标准差；δ
l
表示目标数...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴刚，汪天雄，
申请(专利权)人：上海蓝丰信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：