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专利号: 2022100988222
申请人: 广东海洋大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-08-04
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种海洋污染数据采集方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:步骤1,通过臭氧地基观测检测目标海洋区域的臭氧浓度,根据臭氧浓度确定待选点集合;

步骤2,根据待选点集合获得气溶胶待检区域;

步骤3,检测气溶胶待检区域的气溶胶浓度,对气溶胶浓度处理,获得污染威胁区域;

步骤4,根据污染威胁区域发出预警;

其中,步骤1中,通过臭氧地基观测检测目标海洋区域的臭氧浓度,根据臭氧浓度确定待选点集合的子步骤为:

臭氧浓度获取方式为地基观测,具体为通过沿海岸线以每隔固定距离R部署的臭氧传感器;

每个臭氧传感器的检测间隔为T0,臭氧传感器的数量为N,对臭氧传感器依次编号;前一天所有臭氧传感器获得的平均臭氧浓度为DATA,前一天所有臭氧传感器获得的臭氧浓度的最大值为DATMAX,所有臭氧传感器当天获取的臭氧浓度数据记为DAT,N的最小值为10;

DAT={SENi},SENi={SENi1,SENi2,……,SENiM},SENi表示第i个臭氧传感器在当天获取的臭氧浓度数据,i∈[1,N],M为一天中一个臭氧传感器获得的臭氧浓度的数量,M的最小值为12,记前一天所有臭氧传感器的臭氧浓度平均值为DATAVG;SENiM为第i个臭氧传感器在当天获取的第M个臭氧浓度数据;

初始化变量i和j的值为1;初始化空的待选点集合SENA;

步骤1.1,如果SENij的值满足第一条件且满足第二条件,把第i个传感器SENi加入待选点集合SENA,如果i≥N,跳转步骤1.3,否则使i的值增加1并重新开始步骤1.1;

如果SENij的值满足第一条件但不满足第二条件,跳转步骤1.2;

如果SENij的值不满足第一条件和第二条件,如果当前j<M,使j的值增加1并重新开始步骤1.1;如果i≥N,跳转步骤1.3,否则设置j的值为1,i的值增加1并重新开始步骤1.1;

其中,第一条件为:

SENij≥DATMAX‑MIN(SENi),MIN(SENi)为取第i个臭氧传感器在当天获得的臭氧浓度的最小值,且abs(LOC(DATMAX)‑i)≤X,LOC(DATMAX)为获取前一天测得臭氧浓度的最大值的传感器编号,abs()为取绝对值操作,abs(LOC(DATMAX)‑i)≤X为前一天获得臭氧浓度的最大值的传感器与第i个臭氧传感器的编号距离值小于X,编号距离值即前一天获得臭氧浓度的最大值的传感器编号与第i个臭氧传感器的编号差;

其中,第二条件为:

SENij>(∑(MEAN(SENRi‑j)+DATAVG))/(NUM(SENRi‑j)+1),其中,∑(MEAN(SENRi‑j)为获取以第i个传感器为中心半径为X×R的范围内的各个臭氧传感器获取的数据的平均值的累加和,数据的时间范围为从当天第1个数据到第j个数据,NUM(SENRi‑j)为以第i个传感器为中心半径为X×R的范围内臭氧传感器的数量;

其中,X取值默认为3,如果第i个臭氧传感器前一天被放入待选点集合SENA则X设置为

2,或者,X设置为臭氧浓度大于DATA的臭氧传感器数量;

步骤1.2,如果SENij>MKV,把SENi加入待选点集合SENA,如果i≥N,跳转步骤1.3,否则使i的值增加1转到步骤1.1;否则如果SENij≤MKV,如果当前j<M,使j的值增加1重新开始步骤1.1,如果i≥N,跳转步骤1.3,否则设置j的值为1,i的值增加1重新开始步骤1.1;

其中,MKV=AVG(SENi‑1,SENi+1),SENi‑1、SENi+1分别表示第i‑1个和i+1个传感器在当天获得的臭氧浓度数据,如果不存在第i‑1个或i+1个臭氧传感器,则取MKV=AVG(SENi+1,SENi+2)或MKV=AVG(SENi‑1,SENi‑2),SENi+2、SENi‑2分别表示第i+2个和i‑2个传感器在当天获得的臭氧浓度数据,AVG(A,B)表示取A和B中所有数据的算术平均值;

步骤1.3,若SENA为非空集合,输出待选点集合SENA,若SENA为空集合则不执行步骤2~

4,判定目标海洋区域无风险。

2.根据权利要求1所述的一种海洋污染数据采集方法,其特征在于,步骤2中,根据待选点集合获得气溶胶待检区域的子步骤为:

步骤2.1,对待选点集合SENA进行处理:初始化气溶胶待检区域集合AA,设置变量D和变量k并设置D和k值为1;len(SENA)为获取SENA集合的大小;

步骤2.1.1,如果len(SENA)≥3,跳转步骤2.1.11;如果len(SENA)≤2跳转步骤2.2;

步骤2.1.11,使D的值为当前k的值,跳转步骤2.1.12;

步骤2.1.12,记UPA(SENAD)与UPA(SENAk+1)分别为SENAD与SENAk+1中在当天的臭氧浓度超过第一阈值的臭氧浓度数据个数,SENAD为第D个臭氧传感器对应的待选点集合,SENAk+1为第k+1个臭氧传感器对应的待选点集合; MAX(SENAD)为在SENAD中当天的臭氧浓度的最大值,MAX(SENAk+1)为在SENAk+1中当天的臭氧浓度的最大值,MEAN(SENAD)为取SENAD中在当天获得的臭氧浓度数据的平均值,MEAN(SENAk+1)为取SENAk+1中在当天获得的臭氧浓度数据的平均值,如果abs(UPA(SENAD)‑UPA(SENAk+1))<0.2N和/或abs(MAX(SENAD)‑MAX(SENAk+1))>abs(MEAN(SENAD)‑MEAN(SENAk+1))×abs(UPA(SENAD)‑UPA(SENAk+1)),跳转步骤2.1.13,如果k<len(SENA)‑2则使k的值增加1,重新开始步骤2.1.12,否则跳转步骤2.1.13;

步骤2.1.13,以第D个臭氧传感器的位置为点O1,第k个臭氧传感器的位置为点O2,以点O1和点O2为端点构造线段Y,线段Y的中点为YM,即YM到O1的距离等于YM到O2的距离;以风向为方向或者线段Y上点YM为垂足的垂线的任意一个方向,构建线段YX,使线段YX中点经过点YM,线段YX的端点分别为YX1和YX2,YX1和YX2到YM的距离都为D12,D12为点O1到点O2的欧氏距离,以YX1、01、YX2、02为顶点构建四边形,将所述四边形的区域加入气溶胶待检区域集合AA;

其中,风向为检测时间段内风流过第D个臭氧传感器获取最后一个臭氧浓度数据时的风向,并获取风速Vw为检测时间段内风流过第D个臭氧传感器获取最后一个臭氧浓度数据时的风速;

如果k<len(SENA)‑2则使k的值增加1,使D的值为当前k的值,转到步骤2.1.11,如果k=(len(SENA)‑2)使k的值增加1且跳转步骤2.2.1,如果k>(len(SENA)‑2)则k的值增加1且跳转步骤2.2.4;

步骤2.2,如果len(SENA)=2,跳步骤2.2.1,否则执行步骤2.2.4;

步骤2.2.1,以第k个臭氧传感器的位置为点O3,以第k+1个臭氧传感器的位置为点O4,如果点O3到点O4的欧氏距离大于2R',跳转步骤2.2.2,否则跳转步骤2.2.3;

步骤2.2.2,以第k个臭氧传感器的位置为圆心,设置半径R'内的区域为气溶胶待检区域,把所述气溶胶待检区域加入气溶胶待检区域集合AA;以第k+1个臭氧传感器的位置为圆心,设置半径R'内的区域为气溶胶待检区域,其中R'=R×exp(sqrt(R/Vw))或者R'=D12,把所述气溶胶待检区域加入气溶胶待检区域集合AA,跳转步骤2.4;

步骤2.2.3,以点O3和点O4为端点构造线段Y2,线段Y2的中点为YM2,即YM2到点O3的距离等于YM2到点O4的距离;以风向为方向或者线段Y2上点YM2为垂足的垂线的任意一个方向,构建线段Y2X,使线段Y2X经过点YM2,线段Y2X的端点分别为YX3和YX4,YX3和YX4到YM2的距离都为D34,D34为点O3和点O4的欧氏距离,以YX3、O3、YX4、O4为顶点构建四边形,将所述四边形的区域加入气溶胶待检区域集合AA,跳转步骤2.4;

步骤2.2.4,以第k个臭氧传感器的位置为中心,把半径R2'内的区域加入气溶胶待检区域集合AA,其中,R2'=2R×exp(sqrt(R/Vw)) 或者R2'= 2×D12,exp()为以自然对数为底的指数函数,sqrt()为开平方根操作,跳转步骤2.4;

步骤2.4,输出气溶胶待检区域集合AA中所有的气溶胶待检区域。

3.根据权利要求1所述的一种海洋污染数据采集方法,其特征在于,步骤3中,通过卫星遥感检测气溶胶待检区域的气溶胶浓度,对气溶胶浓度处理,获得污染威胁区域的子步骤为:

步骤3.1,依次检测气溶胶待检区域中每个区域的气溶胶趋势值AEROT,具体为:步骤3.1.1,利用搭载了的紫外臭氧总量探测仪的气象卫星的数据获得气溶胶趋势值AEROT:

2

AEROT=‑(∑(OZ)/R) ×(log2(B360/B331)‑log2(R360/R331));

式中,∑(OZ)为区域中的所有臭氧传感器获得的浓度极差的和,获得方法为获得区域内每个臭氧传感器在一天内获得的臭氧浓度值的极大值MAX1和极小值MIN1,每个臭氧传感器的OZ=(MAX1+MIN1)/2,log2()为以2为底的对数函数,B360为卫星上检测波长360nm的后向散射辐亮度值,B331为在波长331nm的后向散射辐亮度值,R360为波长为360nm的纯分子大气后向散射理论计算值,R331为波长为331nm的纯分子大气后向散射理论计算值,ROK=R或者ROK为区域中的臭氧传感器数量;

步骤3.2,根据气溶胶趋势值AEROT确定污染威胁区域,气溶胶趋势值AEROT大于1的区域标记为污染威胁区域。

4.一种海洋污染数据采集系统,其特征在于,所述系统包括:臭氧浓度检测模块,用于获取臭氧浓度;

气溶胶浓度检测模块,用于获取气溶胶浓度;

数据处理模块,处理臭氧浓度和气溶胶浓度数据,获得气溶胶待检区域,输出污染威胁区域;

其中,输出污染威胁区域的方法具体为:

步骤1,通过臭氧地基观测检测目标海洋区域的臭氧浓度,根据臭氧浓度确定待选点集合:

臭氧浓度获取方式为地基观测,具体为通过沿海岸线以每隔固定距离R部署的臭氧传感器;

每个臭氧传感器的检测间隔为T0,臭氧传感器的数量为N,对臭氧传感器依次编号;前一天所有臭氧传感器获得的平均臭氧浓度为DATA,前一天所有臭氧传感器获得的臭氧浓度的最大值为DATMAX,所有臭氧传感器当天获取的臭氧浓度数据记为DAT,N的最小值为10;

DAT={SENi},SENi={SENi1,SENi2,……,SENiM},SENi表示第i个臭氧传感器在当天获取的臭氧浓度数据,i∈[1,N],M为一天中一个臭氧传感器获得的臭氧浓度的数量,M的最小值为12,记前一天所有臭氧传感器的臭氧浓度平均值为DATAVG;SENiM为第i个臭氧传感器在当天获取的第M个臭氧浓度数据;

初始化变量i和j的值为1;初始化空的待选点集合SENA;

步骤1.1,如果SENij的值满足第一条件且满足第二条件,把第i个传感器SENi加入待选点集合SENA,如果i≥N,跳转步骤1.3,否则使i的值增加1并重新开始步骤1.1;

如果SENij的值满足第一条件但不满足第二条件,跳转步骤1.2;

如果SENij的值不满足第一条件和第二条件,如果当前j<M,使j的值增加1并重新开始步骤1.1;如果i≥N,跳转步骤1.3,否则设置j的值为1,i的值增加1并重新开始步骤1.1;

其中,第一条件为:

SENij≥DATMAX‑MIN(SENi),MIN(SENi)为取第i个臭氧传感器在当天获得的臭氧浓度的最小值,且abs(LOC(DATMAX)‑i)≤X,LOC(DATMAX)为获取前一天测得臭氧浓度的最大值的传感器编号,abs()为取绝对值操作,abs(LOC(DATMAX)‑i)≤X为前一天获得臭氧浓度的最大值的传感器与第i个臭氧传感器的编号距离值小于X,编号距离值即前一天获得臭氧浓度的最大值的传感器编号与第i个臭氧传感器的编号差;

其中,第二条件为:

SENij>(∑(MEAN(SENRi‑j)+DATAVG))/(NUM(SENRi‑j)+1),其中,∑(MEAN(SENRi‑j)为获取以第i个传感器为中心半径为X×R的范围内的各个臭氧传感器获取的数据的平均值的累加和,数据的时间范围为从当天第1个数据到第j个数据,NUM(SENRi‑j)为以第i个传感器为中心半径为X×R的范围内臭氧传感器的数量;

其中,X取值默认为3,如果第i个臭氧传感器前一天被放入待选点集合SENA则X设置为

2,或者,X设置为臭氧浓度大于DATA的臭氧传感器数量;

步骤1.2,如果SENij>MKV,把SENi加入待选点集合SENA,如果i≥N,跳转步骤1.3,否则使i的值增加1转到步骤1.1;否则如果SENij≤MKV,如果当前j<M,使j的值增加1重新开始步骤1.1,如果i≥N,跳转步骤1.3,否则设置j的值为1,i的值增加1重新开始步骤1.1;

其中,MKV=AVG(SENi‑1,SENi+1),SENi‑1、SENi+1分别表示第i‑1个和i+1个传感器在当天获得的臭氧浓度数据,如果不存在第i‑1个或i+1个臭氧传感器,则取MKV=AVG(SENi+1,SENi+2)或MKV=AVG(SENi‑1,SENi‑2),SENi+2、SENi‑2分别表示第i+2个和i‑2个传感器在当天获得的臭氧浓度数据,AVG(A,B)表示取A和B中所有数据的算术平均值;

步骤1.3,若SENA为非空集合,输出待选点集合SENA,若SENA为空集合则不执行步骤2~

4,判定目标海洋区域无风险;

步骤2,根据待选点集合获得气溶胶待检区域:步骤2.1,对待选点集合SENA进行处理:初始化气溶胶待检区域集合AA,设置变量D和变量k并设置D和k值为1;len(SENA)为获取SENA集合的大小;

步骤2.1.1,如果len(SENA)≥3,跳转步骤2.1.11;如果len(SENA)≤2跳转步骤2.2;

步骤2.1.11,使D的值为当前k的值,跳转步骤2.1.12;

步骤2.1.12,记UPA(SENAD)与UPA(SENAk+1)分别为SENAD与SENAk+1中在当天的臭氧浓度超过第一阈值的臭氧浓度数据个数,SENAD为第D个臭氧传感器对应的待选点集合,SENAk+1为第k+1个臭氧传感器对应的待选点集合; MAX(SENAD)为在SENAD中当天的臭氧浓度的最大值,MAX(SENAk+1)为在SENAk+1中当天的臭氧浓度的最大值,MEAN(SENAD)为取SENAD中在当天获得的臭氧浓度数据的平均值,MEAN(SENAk+1)为取SENAk+1中在当天获得的臭氧浓度数据的平均值,

如果abs(UPA(SENAD)‑UPA(SENAk+1))<0.2N和/或abs(MAX(SENAD)‑MAX(SENAk+1))>abs(MEAN(SENAD)‑MEAN(SENAk+1))×abs(UPA(SENAD)‑UPA(SENAk+1)),跳转步骤2.1.13,如果k<len(SENA)‑2则使k的值增加1,重新开始步骤2.1.12,否则跳转步骤2.1.13;

步骤2.1.13,以第D个臭氧传感器的位置为点O1,第k个臭氧传感器的位置为点O2,以点O1和点O2为端点构造线段Y,线段Y的中点为YM,即YM到O1的距离等于YM到O2的距离;以风向为方向或者线段Y上点YM为垂足的垂线的任意一个方向,构建线段YX,使线段YX中点经过点YM,线段YX的端点分别为YX1和YX2,YX1和YX2到YM的距离都为D12,D12为点O1到点O2的欧氏距离,以YX1、01、YX2、02为顶点构建四边形,将所述四边形的区域加入气溶胶待检区域集合AA;

其中,风向为检测时间段内风流过第D个臭氧传感器获取最后一个臭氧浓度数据时的风向,并获取风速Vw为检测时间段内风流过第D个臭氧传感器获取最后一个臭氧浓度数据时的风速;

如果k<len(SENA)‑2则使k的值增加1,使D的值为当前k的值,转到步骤2.1.11,如果k=(len(SENA)‑2)使k的值增加1且跳转步骤2.2.1,如果k>(len(SENA)‑2)则k的值增加1且跳转步骤2.2.4;

步骤2.2,如果len(SENA)=2,跳步骤2.2.1,否则执行步骤2.2.4;

步骤2.2.1,以第k个臭氧传感器的位置为点O3,以第k+1个臭氧传感器的位置为点O4,如果点O3到点O4的欧氏距离大于2R',跳转步骤2.2.2,否则跳转步骤2.2.3;

步骤2.2.2,以第k个臭氧传感器的位置为圆心,设置半径R'内的区域为气溶胶待检区域,把所述气溶胶待检区域加入气溶胶待检区域集合AA;以第k+1个臭氧传感器的位置为圆心,设置半径R'内的区域为气溶胶待检区域,其中R'=R×exp(sqrt(R/Vw))或者R'=D12,把所述气溶胶待检区域加入气溶胶待检区域集合AA,跳转步骤2.4;

步骤2.2.3,以点O3和点O4为端点构造线段Y2,线段Y2的中点为YM2,即YM2到点O3的距离等于YM2到点O4的距离;以风向为方向或者线段Y2上点YM2为垂足的垂线的任意一个方向,构建线段Y2X,使线段Y2X经过点YM2,线段Y2X的端点分别为YX3和YX4,YX3和YX4到YM2的距离都为D34,D34为点O3和点O4的欧氏距离,以YX3、O3、YX4、O4为顶点构建四边形,将所述四边形的区域加入气溶胶待检区域集合AA,跳转步骤2.4;

步骤2.2.4,以第k个臭氧传感器的位置为中心,把半径R2'内的区域加入气溶胶待检区域集合AA,其中,R2'=2R×exp(sqrt(R/Vw)) 或者R2'= 2×D12,exp()为以自然对数为底的指数函数,sqrt()为开平方根操作,跳转步骤2.4;

步骤2.4,输出气溶胶待检区域集合AA中所有的气溶胶待检区域;

步骤3,检测气溶胶待检区域的气溶胶浓度,对气溶胶浓度处理,获得污染威胁区域:步骤3.1,依次检测气溶胶待检区域中每个区域的气溶胶趋势值AEROT,具体为:步骤3.1.1,利用搭载了的紫外臭氧总量探测仪的气象卫星的数据获得气溶胶趋势值AEROT:

2

AEROT=‑(∑(OZ)/R) ×(log2(B360/B331)‑log2(R360/R331));

式中,∑(OZ)为区域中的所有臭氧传感器获得的浓度极差的和,获得方法为获得区域内每个臭氧传感器在一天内获得的臭氧浓度值的极大值MAX1和极小值MIN1,每个臭氧传感器的OZ=(MAX1+MIN1)/2,log2()为以2为底的对数函数,B360为卫星上检测波长360nm的后向散射辐亮度值,B331为在波长331nm的后向散射辐亮度值,R360为波长为360nm的纯分子大气后向散射理论计算值,R331为波长为331nm的纯分子大气后向散射理论计算值,ROK=R或者ROK为区域中的臭氧传感器数量;

步骤3.2,根据气溶胶趋势值AEROT确定污染威胁区域,气溶胶趋势值AEROT大于1的区域标记为污染威胁区域;

警报模块,对污染威胁区域发出预警,具体为:根据污染威胁区域发出预警。

5.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现权利要求1‑4中任一项所述方法的步骤。

6.一种电子设备,其特征在于,包括:存储器,其上存储有计算机程序;处理器,用于执行所述存储器中的所述计算机程序,以实现权利要求1‑4中任一项所述方法的步骤。