無人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測中應(yīng)用價值研究

葛佳琦 陳宇航 楊忠 胡文競 王煒棟

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2009-5640-0199

摘? 要：現(xiàn)如今，國家對生態(tài)文明建設(shè)越來越重視，高新技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。無人機(jī)憑借自身良好的性能和優(yōu)勢，建立一個方位全、領(lǐng)域?qū)?、層次多，覆蓋廣的環(huán)境污染物監(jiān)控系統(tǒng)。本文對無人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測中應(yīng)用價值進(jìn)行綜述，從無人機(jī)的選擇，無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管中的優(yōu)勢以及無人機(jī)在水質(zhì)監(jiān)測、森林防火、大氣污染、船舶污染防治監(jiān)管中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，從而為無人機(jī)的發(fā)展以及在生態(tài)環(huán)境中的管理應(yīng)用提供一些參考。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)? 環(huán)境污染物? 生態(tài)管理? 生態(tài)環(huán)境

中圖分類號：X87 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0113-03

Research on the Application Value of UAV in Environmental Pollution Monitoring

GE Jiaqi? ?CHEN Yuhang? ?YANG Zhong? ?HU Wenjing? ?WANG Weidong

（Jinling Institute of Technology， Nanjing， Jiangsu Province， 211169 China）

Abstract： With the continuous improvement of the state's emphasis on ecological environment protection， high-tech is gradually integrated into the ecological environment management. With its own good performance and advantages， UAV has established a comprehensive， wide range， multi-level and wide coverage environmental pollution monitoring system. This paper summarizes the application value of UAV in environmental pollution monitoring， including the selection of UAV， the advantages of UAV in environmental supervision， and the application of UAV in water quality， forest fire prevention， air pollution， ship pollution control and supervision. So as to provide some reference for the development of UAV and its management and application in ecological environment.

Key Words： UAV; Environmental pollutants; Ecological management; Ecological environment

近十幾年來，我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展不相匹配的是累積了越來越多的復(fù)雜環(huán)境問題。目前中國正處于打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的決勝之年，處于生態(tài)文明建設(shè)的“關(guān)鍵期、攻堅期”，必定要全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，堅決打好污染防治攻堅戰(zhàn)，做好生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的網(wǎng)格化管理系統(tǒng)，建立獨(dú)立、權(quán)威、高效的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系。

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）最初被當(dāng)做是人類飛行員的替代，它能夠執(zhí)行更多的“枯燥、污染、危險”的任務(wù)，在軍事領(lǐng)域發(fā)揮了越來越重要的作用?？萍嫉倪M(jìn)步創(chuàng)新使得無人機(jī)在安全保衛(wèi)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多個方面都有涉及。無人機(jī)技術(shù)由于其獨(dú)一無二的優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測方面具有極大的潛力。

無人機(jī)監(jiān)測改善了傳統(tǒng)監(jiān)測方式中出現(xiàn)的靜態(tài)監(jiān)測、局地觀測等弊端問題，打破了衛(wèi)星遙感監(jiān)測受制于天氣影響、過境時間和精度限制的狀況。并且無人機(jī)監(jiān)測具有機(jī)動、快速、經(jīng)濟(jì)、可搭載各類成像載荷等優(yōu)勢，能為我國生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境的管理提供重要保障。

1? 無人機(jī)的選擇

1.1 無人機(jī)不同機(jī)型特點

無人機(jī)根據(jù)機(jī)型分為固定機(jī)翼型和旋轉(zhuǎn)機(jī)翼型。固定機(jī)翼型飛行時間較長，抗風(fēng)能力較強(qiáng)，在較多情況下這類型的無人機(jī)被應(yīng)用于污染區(qū)域監(jiān)測。旋轉(zhuǎn)機(jī)翼型可以改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行長時間的懸浮監(jiān)控的工作，而且它能夠根據(jù)需求自由飛升任意高度。通常在進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測時都選擇旋翼型的無人機(jī)。

1.2 無人機(jī)系統(tǒng)組成和飛行特點

根據(jù)系統(tǒng)組成和飛行特點，無人機(jī)可分為滑跑滑翔型、彈射起飛滑翔降落型、手拋傘降型、旋翼直升機(jī)?；芑栊蜔o人機(jī)需要特定跑道，搭載高分辨航拍相機(jī)，載荷的重量不超過10g，航程最多可達(dá)3h，航速達(dá)100km/h。彈射起飛滑橇降落型起飛可以采用彈射架起飛，降落時可以滑行，所以這類型無人機(jī)對起飛降落的要求不高，相對平緩的地面就可以降落。它用于搭載任務(wù)微型合成孔徑雷達(dá)。手拋傘降型無人機(jī)，這種機(jī)型是對場地沒有任何要求，但易受風(fēng)力和氣流的影響，飛機(jī)期間不穩(wěn)定。手拋傘降型飛機(jī)機(jī)型較小，不適合航拍。它所搭載的任務(wù)量也較小。旋翼直升機(jī)飛行穩(wěn)定，可垂直起降，可在空中懸停，但是沒有固定機(jī)翼，同等載荷條件下動力消耗較大，可支撐的飛行時間較短。這種適用于環(huán)境監(jiān)測模式，以及需要懸停的場合。

2? 無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管中的優(yōu)勢

2.1 經(jīng)濟(jì)成本低，效益高

無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管作業(yè)中，一次飛行任務(wù)可達(dá)100多個監(jiān)測點，可加載10g油，能保持空中持續(xù)飛行16h以上。這樣高效的工作效率所消耗的能源卻很低，并且無人機(jī)機(jī)型較小，后期系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡便，能夠極大程度減少數(shù)據(jù)獲取的成本。具有監(jiān)測時間長、區(qū)城廣、使用成本低的優(yōu)點。

2.2 安全系數(shù)高，受自然環(huán)境約束少

無人機(jī)在進(jìn)行環(huán)境污染物監(jiān)測時，操作人員在安全區(qū)操控?zé)o人機(jī)前往重度污染等高危地區(qū)工作，它可以在空中任意位置懸停并監(jiān)測，解決高空污染檢測難題。無人機(jī)代替工作人員進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，不僅大大降低了現(xiàn)場應(yīng)急工作難度，而且還保障了現(xiàn)場工作人員的人身安全。無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)控時受到自然環(huán)境約束較少，能夠在及其惡劣條件下多次成功完成低空飛行監(jiān)測作業(yè)，提供監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)反映污染發(fā)展情況。

2.3 智能化、自動化水平高

無人機(jī)的自動化、智能化水平較高，可以通過在系統(tǒng)中事先設(shè)置飛行路線來達(dá)到無人駕駛，飛行過程中，通過不斷的微細(xì)校對和調(diào)整來達(dá)到對目標(biāo)的測量，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析。除此之外，它能夠通過自帶的攝像功能來獲取高清的圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)定點監(jiān)測、長航時監(jiān)控，在完成某一區(qū)域的監(jiān)測后繼續(xù)進(jìn)入以下區(qū)域的監(jiān)測從而觀察整體變化趨勢以及細(xì)節(jié)變化。

3? 無人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測中的應(yīng)用

3.1 無人機(jī)在水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用

利用無人機(jī)遙感系統(tǒng)完成對遼河治理現(xiàn)狀航拍和遙感監(jiān)測，可以得到分辨率為0.1m的實景圖像數(shù)據(jù)，對圖像技術(shù)評估，能夠及時掌握遼河治理重點區(qū)域的動態(tài)變化情況。這是我國首次將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測作業(yè)中。

我國水域遼闊，水體污染情況復(fù)雜，類型多樣，因此對污染水體的監(jiān)測難度較大。有研究將無人機(jī)搭載多光譜成像儀，能從整體上觀測水質(zhì)污染動態(tài)過程，提供水質(zhì)污染的具體信息，包括富營養(yǎng)化，水體中外來物種入侵，排污口污染等。直觀全面地監(jiān)測地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，從而達(dá)到對水質(zhì)特征污染物監(jiān)視性監(jiān)測的目的。有研究打破了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測的固定模式，將無人機(jī)與檢測水裝置結(jié)合，進(jìn)行全天候水質(zhì)檢測，實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、高效高能的檢水作業(yè)，具備環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、機(jī)動安全等優(yōu)勢。

3.2 無人機(jī)在森林防火中的監(jiān)測應(yīng)用

我國的森林資源豐富，覆蓋率約達(dá)23%，占地面積2.2億公頃。火災(zāi)是森林以及林業(yè)最嚴(yán)重的災(zāi)害，對生態(tài)環(huán)境具有毀滅性的打擊，對森林火災(zāi)的監(jiān)控至關(guān)重要。如果僅依靠人為監(jiān)控，需要消耗大量人力、物力、財力。森林中潛在危機(jī)較大，一些區(qū)域及情況的發(fā)生必須要人員親自勘探。森林中微小火種的出現(xiàn)都會瞬間爆發(fā)，引發(fā)大規(guī)模災(zāi)害，人員的人身安全受到極大的威脅。

應(yīng)用無人機(jī)技術(shù)突破人們自身的局限，效降低人員出行率，減少意外，保障人員的安全。無人機(jī)能夠快速直達(dá)到需要勘測的每個區(qū)域、角落甚至深處。即便在最惡劣的氣候環(huán)境下，也能實時到達(dá)勘測點進(jìn)行測查，及早發(fā)現(xiàn)，及時預(yù)報。除此之外，在森林巡測時，無人機(jī)能實現(xiàn)不間斷的重復(fù)飛行，具有覆蓋率廣、效率高、部署嚴(yán)密的優(yōu)勢，精細(xì)程度極高。

在防火滅火補(bǔ)救中，無人機(jī)也發(fā)揮了重要的功能及作用。無人機(jī)在定速巡航監(jiān)測時，一旦發(fā)現(xiàn)火源，其計算機(jī)操作系統(tǒng)迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，采取必要措施將火種撲滅。針對解決不了的難題，也會及時傳輸、發(fā)送預(yù)警信號，通過合理的滅火措施加以解決，在防火的同時也采取了積極的補(bǔ)救措施。

3.3 無人機(jī)在大氣污染監(jiān)測中的應(yīng)用

近年來，越來越多專家學(xué)者將無人機(jī)的研究重點轉(zhuǎn)向大氣污染等環(huán)保領(lǐng)域。無人機(jī)技術(shù)在大氣污染監(jiān)測中至關(guān)重要。它可以免受有毒有害等不良環(huán)境與地域條件的影響和限制，產(chǎn)生預(yù)警反應(yīng)后第一時間到達(dá)污染事故現(xiàn)場，對事故現(xiàn)場的客觀條件進(jìn)行航拍、監(jiān)測以及將數(shù)據(jù)圖像信息及時分析處理，對污染事故的程度以及污染事故的范圍準(zhǔn)確劃定。無人機(jī)的應(yīng)急系統(tǒng)處理能夠在第一時間對污染事故帶來的不利影響進(jìn)行系統(tǒng)處理，有利于分析污染事故發(fā)生的原因以及提出相應(yīng)的解決措施。

突發(fā)性大氣污染事故對人民健康、生態(tài)環(huán)境及社會安定帶來了嚴(yán)重的危害。有研究設(shè)計了將大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)平臺與無人駕駛飛機(jī)遙感技術(shù)相結(jié)合。這項技術(shù)突破了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測車輛的局限性，以及攜帶便攜式設(shè)備為主體的應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)，具有速度快、范圍廣及地形干擾小等優(yōu)點。無人機(jī)技術(shù)在環(huán)保部門中也起到重要的決策作用，它能為決策管理部門提供快速、準(zhǔn)確地事故的污染物類別、污染濃度分布及影響擴(kuò)散范圍等現(xiàn)場動態(tài)資料信息，為環(huán)保政府部門快速處理污染事故，贏到最寶貴的時間。

有無人機(jī)搭載了便攜式CH4、nmhc等測試儀探測系統(tǒng)和多種氣體檢測儀、探測儀以及溫度濕度傳感器，能很好的執(zhí)行高空飛行遙感監(jiān)測任務(wù)，能及時監(jiān)測焚燒等高空污染物，獲取最為可靠的數(shù)據(jù)。并且能夠提供監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、處理分析、存檔及多組分氣體濃度的實時顯示等功能，為研究人員開展研究奠定了重要的基礎(chǔ)。

3.4 無人機(jī)在船舶污染防治監(jiān)管中的應(yīng)用

水上交通快速發(fā)展，船舶污染問題日益嚴(yán)重，防治監(jiān)管工作，水域巡查及動態(tài)監(jiān)管發(fā)現(xiàn)難、取證難等因素的受到嚴(yán)峻考驗。隨著水上科學(xué)執(zhí)法、安全保障、創(chuàng)新研究的需求在不斷的提高。無人機(jī)機(jī)動性強(qiáng)、便攜性優(yōu)、拓展性廣等特性，不僅在監(jiān)管效率和效果方面相較于人工巡查有顯著提升，還可大幅降低執(zhí)法人員工作負(fù)擔(dān)、保障人身安全，并在改善提升監(jiān)管方式，同時對促進(jìn)水上交通實現(xiàn)“提質(zhì)增效、節(jié)能減排”。

有研究將多旋翼無人機(jī)運(yùn)用到船舶污染氣體監(jiān)測工作中，這類型的無人機(jī)在船舶尾氣排放位置能夠精準(zhǔn)懸停，實現(xiàn)同步移動精準(zhǔn)監(jiān)測。搭載污染監(jiān)測儀的無人機(jī)通過數(shù)傳或傳輸單元，將圖像數(shù)據(jù)傳送至地面平臺，實時遠(yuǎn)程分析。船舶污染氣體監(jiān)測工作內(nèi)河航道沿線環(huán)境帶狀分析、單個船舶污染監(jiān)測點狀分析都可以通過無人機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)平臺進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)跟蹤。

船舶污染防治執(zhí)法中構(gòu)建?？找惑w化船舶污染監(jiān)測體系是當(dāng)前最為重要的研究重點。通過對大氣、陸地、海洋類污染源信息模式化加工、處理、存儲，將大氣污染源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可用作船舶污染防治執(zhí)法中的清單數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在后期大量無人機(jī)信息采集的積累下，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)形成可視化大氣污染分布預(yù)警，為船舶污染防治執(zhí)法提供豐富的決策依據(jù)。

4? 結(jié)語

無人機(jī)技術(shù)是極具潛力的環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，有覆蓋用途廣、經(jīng)濟(jì)成本、機(jī)動靈活等諸多優(yōu)點。本文對無人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測中應(yīng)用價值進(jìn)行綜述，從無人機(jī)的選擇入手，介紹了按機(jī)型以及系統(tǒng)組成和飛行特點幾種類型無人機(jī)的特征優(yōu)勢。提出了無人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管中經(jīng)濟(jì)成本低，效益高安全系數(shù)高，受自然環(huán)境約束少、智能化、自動化水平高的優(yōu)勢，闡述了無人機(jī)在水質(zhì)、森林防火、大氣污染、船舶污染防治監(jiān)管中具體應(yīng)用。但在實際應(yīng)用操作過程中，無人機(jī)監(jiān)測和實施還存在著不同問題，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，無人機(jī)協(xié)作監(jiān)測環(huán)境研究技術(shù)將會逐步成熟，未來會發(fā)揮日益重要的作用。

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