畜禽舍碳排放监测方法、监测系统、电子设备和存储介质

本发明涉及碳排放监测，尤其涉及一种畜禽舍碳排放监测方法、监测系统、电子设备和存储介质。

背景技术：

1、随着温室气体的不断排放，致使极端天气、全球变暖等现象频繁发生，对生态环境造成了巨大影响。据世界粮农组织的估算：全球畜牧业（包括生猪、牛、羊和家禽等）养殖过程所排放的温室气体总量占全球温室气体排放总量的14.5%。其中，畜牧养殖过程中产生的甲烷、二氧化碳、氧化亚氮、六氟化硫等是全球温室气体的主要碳排放源，主要来自于牛、羊等畜禽动物瘤胃发酵、粪便处理等过程。

2、畜牧养殖业发展潜力巨大，随之温室气体排放量将大幅度增加，养殖场总碳监测对推动畜禽养殖减排降碳，实现畜禽养殖业持续高质量发展，具有重要战略意义，但开放式规模化养殖场总碳排放范围广、监测难度大，若不及时采取有效监测措施，将进一步加剧全球气候变化的进程。

技术实现思路

1、本发明提供一种畜禽舍碳排放监测方法、监测系统、电子设备和存储介质，通过部署多点气体监测传感器，可根据现场需求自主替换，并借助开路式激光气体分析仪、三维超声波风速仪等构建畜禽养殖场区域化碳排放监测模型，利用空间补偿算法对模型进行优化，估测养殖场总碳含量，实现养殖场碳排放立体监测和总碳计算。

2、本发明提供一种畜禽舍碳排放监测方法，包括：

3、s1、将碳排放监测区域划分为多个区域；

4、s2、分别对步骤s1划分的多个区域进行碳排放气体的浓度值监测；

5、s3、利用步骤s2获得的多个区域的碳排放气体的浓度值进行融合计算，获取整体碳排放监测区域的碳排放气体的排放率，利用碳排放气体的排放率获取碳排放率；

6、s4、利用步骤s2和步骤s3获取某段时间内不同时刻的碳排放率，通过对所有碳排放率数据进行拟合，获取所述某段时间内所述碳排放监测区域的碳排放总量。

7、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s2中碳排放气体的浓度值监测采用如下方法中的一种进行：

8、采用碳排放气体传感器直接监测碳排放气体的浓度值；

9、或，

10、采用风速仪和激光气体分析仪监测数据并传输给数据处理器获取碳排放气体的浓度值；

11、或，

12、采用碳排放气体检测单元、风速传感器和无人机用于监测数据并传输给数据处理器获取碳排放气体的浓度值。

13、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s3中，所述碳排放气体包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮和六氟化硫，所述碳排放气体的排放率由碳排放气体的浓度值通过理想气体状态方程及摩尔质量公式计算得到。

14、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s3中，利用碳排放气体排放率得到碳排放率的方法如下：碳排放率=二氧化碳排放率×二氧化碳全球变暖潜能值+甲烷排放率×甲烷全球变暖潜能值+氧化亚氮排放率×氧化亚氮全球变暖潜能值+六氟化硫排放率×氧化亚氮全球变暖潜能值。

15、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s4中，对所有碳排放率数据进行拟合通过直接插值法进行，构建一元回归方程，如下公式（1）、公式（2）和公式（3）所示：

16、（1）

17、（2）

18、（3）

19、利用公式（1）、公式（2）和公式（3），计算获取所述某段时间内所述碳排放监测区域的碳排放总量。

20、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，适用于养殖场区域，包括如下步骤：

21、s10、将养殖场区域划分为养殖舍区、通道区和粪污处理区；

22、s20、采用碳排放气体传感器监测所述养殖舍区的碳排放气体的浓度值；

23、采用风速仪和激光气体分析仪监测所述通道区数据并传输给数据处理器获取所述通道区的碳排放气体的浓度值；

24、采用碳排放气体检测单元、风速传感器和无人机用于监测所述粪污处理区数据并传输给数据处理器获取所述粪污处理区的碳排放气体的浓度值；

25、s30、将步骤s20监测的养殖舍区的碳排放气体的浓度值、通道区的碳排放气体的浓度值以及粪污处理区的碳排放气体的浓度值进行计算，得到养殖场区域的碳排放气体的排放率，利用养殖场区域的碳排放气体的排放率得到养殖场区域的碳排放率；

26、s40、利用步骤s20和步骤s30获取某段时间内不同时刻的养殖场区域的碳排放率，通过对所有碳排放率数据进行拟合，获取所述某段时间内所述养殖场区域的碳排放总量。

27、根据本发明提供的碳排放监测方法，步骤s20中，所述养殖舍区的碳排放气体的浓度值获取过程如下：

28、s201、取多个同一种碳排放气体传感器在养殖舍区进行阵列布置，形成多个碳排放气体传感器矩阵；

29、s202、对单个碳排放气体传感器矩阵包含的各个碳排放气体传感器测得的浓度数据采用自适应加权融合估计算法进行处理，得到该碳排放气体传感器矩阵中均方差最小的数据融合值，作为该碳排放气体传感器矩阵的区域化碳排放气体的浓度值；

30、s203、将所有的碳排放气体传感器矩阵的区域化碳排放气体的浓度值取平均值，作为养殖舍区的碳排放气体的浓度值。

31、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s202中，采用自适应加权融合估计算法进行处理后，得到的区域化碳排放气体的浓度值和碳排放气体传感器的加权因子满足如下公式（4）和（5）的要求：

32、（4）

33、（5）

34、其中，为各碳排放气体传感器测量值，为区域化碳排放气体的浓度值，为各碳排放气体传感器的加权因子。

35、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s202中得到的区域化碳排放气体的浓度值需进行动态补偿后再选用，具体过程如下：

36、s2021、建立养殖舍区三维模型；

37、s2022、根据所测碳排放气体传感器矩阵的边界利用icem软件进行四面体网格划分，确定流体域及边界条件；

38、s2023、利用计算流体动力学方法对所测碳排放气体传感器矩阵内的风速、温湿度以及碳排放气体传感器测得的碳排放气体的浓度值进行模拟分析，得到所测碳排放气体传感器矩阵内的碳排放气体浓度的模拟值；

39、s2024、将步骤s2023得到的碳排放气体浓度的模拟值与步骤s202中得到的区域化碳排放气体的浓度值进行比对，若误差允许范围内保持一致，则得到的区域化碳排放气体的浓度值不需要进行动态补偿，执行步骤s203，将多组区域化碳排放气体的浓度值的平均值作为养殖舍区的碳排放气体的浓度值；若误差允许范围内不一致，则执行下述步骤s2025进行动态补偿；

40、s2025、将单个碳排放气体传感器矩阵内的各个碳排放气体传感器测得的碳排放气体的浓度值数据通过dbscan基于密度的空间数据聚类算法进行处理，去除噪音点数据，处理后的数据采用自适应加权融合估计算法进行处理，得到该碳排放气体传感器矩阵中均方差最小的数据融合值，作为该碳排放气体传感器矩阵的区域化碳排放气体的浓度值，将所有的碳排放气体传感器矩阵的区域化碳排放气体的浓度值取平均值，即为养殖舍区的碳排放气体的浓度值。

41、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s2025中，通过dbscan基于密度的空间数据聚类算法处理碳排放气体传感器测得的碳排放气体的浓度值数据，在dbscan模型中，数据点和之间的欧式距离采用如下公式（6）进行计算：

42、（6）

43、基于上述各个数据之间的欧氏距离，dbscan基于密度的空间数据聚类算法将数据点分为核心点、边界点和噪音点，将噪音点数据从数据中进行去除。

44、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s20中，所述通道区的碳排放气体的浓度值获取过程如下：

45、s1001、将风速仪和激光气体分析仪安装在通道区的一个测定位点；

46、s1002、利用风速仪检测通道区的风速、风向、湍流、温度、大气稳定度，利用激光气体分析仪获取测定位点的碳排放气体的浓度值；

47、s1003、利用风速仪和激光气体分析仪测得的数据计算通道区的碳排放气体的源强；

48、s1004、根据步骤s1003得到的源强推定通道区碳排放气体的浓度值。

49、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s1003中，计算通道区的碳排放气体的源强，采用反演式气体扩散模型来进行，计算过程如公式（7）和公式（8）所示：

50、（7）

51、（8）

52、其中，表示测定位点的碳排放气体浓度，表示碳排放气体背景浓度值，表示通道区的碳排放气体的源强，n表示反演式气体扩散模型重复计算的次数，p表示计算沿激光路径的平均浓度的点数，表示排放源内触位点上的垂直方向的风速。

53、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法，步骤s20中，所述粪污处理区的碳排放气体的浓度值获取过程如下：

54、s2001、在粪污处理区设置多个碳排放气体检测单元和第一风速传感器；

55、s2002、利用碳排放气体检测单元测量粪污处理区各个测试点位的碳排放气体的浓度值，利用第一风速传感器测量粪污处理区的风速；

56、s2003、利用计算流体动力学方法对粪污处理区的风速以及各个测试点位的碳排放气体的浓度值进行模拟分析，得到整体粪污处理区的碳排放气体的浓度值的模拟值；

57、s2004、利用无人机遥感搭载热成像技术、红外扫描技术、高分辨率相机和污染气体监测仪，对粪污处理区环境参数值进行捕获，并将数据上传至云端，获取粪污处理区碳排放气体的浓度值的采集值；

58、s2005、将步骤s2003获取的碳排放气体的浓度值的模拟值与步骤s2004获取的碳排放气体的浓度值的采集值进行比对，若误差允许范围内保持一致，则取模拟值和采集值的平均值为粪污处理区碳排放气体的浓度值；若误差允许范围内不一致，则认为数据无效，重新进行步骤s2002~s2004，重新进行比对分析，直至误差允许范围内保持一致。

59、本发明还提供一种畜禽舍碳排放监测系统，适于操作上述畜禽舍碳排放监测方法，包括：

60、养殖舍区监测体系，包括布置于所述养殖舍区的碳排放气体传感器；

61、通道区监测体系，包括布置于所述通道区的风速仪和激光气体分析仪；

62、粪污处理区监测体系，包括布置于所述粪污处理区的碳排放气体检测单元、第一风速传感器和无人机；

63、远端数据处理器，所述养殖舍区监测体系、所述通道区监测体系和所述粪污处理区监测体系均分别通过无线数传终端连接至所述远端数据处理器；

64、所述碳排放气体传感器用于监测所述养殖舍区的碳排放气体的浓度值并传输给所述远端数据处理器；所述风速仪和所述激光气体分析仪用于监测数据并传输给所述远端数据处理器获取所述通道区的碳排放气体的浓度值；所述碳排放气体检测单元、所述第一风速传感器和所述无人机用于监测数据并传输给所述远端数据处理器获取所述粪污处理区的碳排放气体的浓度值；

65、所述远端数据处理器通过所述养殖舍区、所述通道区和所述粪污处理区的碳排放气体的浓度值获取养殖场的碳排放总量。

66、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测系统，所述养殖舍区监测体系的碳排放气体传感器包括甲烷传感器、二氧化碳传感器、六氟化硫传感器和氧化亚氮传感器，且每种传感器分别有多个，多个同一种传感器呈阵列形式布置于所述养殖舍区的养殖舍内顶部。

67、根据本发明提供的畜禽舍碳排放监测系统，所述养殖舍区监测体系还包括设置于畜禽身体上的蓝牙项圈，以及布置于所述养殖舍区的养殖舍内顶部的第二风速传感器、风向传感器和温湿度传感器。

68、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述畜禽舍碳排放监测方法。

69、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述畜禽舍碳排放监测方法。

70、本发明提供的畜禽舍碳排放监测方法、监测系统、电子设备和存储介质，通过部署多点气体监测传感器，并借助激光气体分析仪、风速仪等构建畜禽养殖场区域化碳排放监测模型，利用空间补偿算法对模型进行优化，估测养殖场总碳含量，实现养殖场碳排放立体监测和总碳计算。可解决开放式养殖场碳排放范围广、监测难度大的问题，以智能化的方式检测养殖场含碳气体，提高检测效率，降低劳动强度。