基于無人機(jī)的水質(zhì)監(jiān)控采樣一體化系統(tǒng)初探

吳永兵（儀征市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 儀征 211400）

基于無人機(jī)的水質(zhì)監(jiān)控采樣一體化系統(tǒng)初探

吳永兵（儀征市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，江蘇 儀征 211400）

基于無人機(jī)的水域水質(zhì)監(jiān)控采樣一體化系統(tǒng)，可以對(duì)水體水質(zhì)和突發(fā)水污染等進(jìn)行巡航監(jiān)管，綜合運(yùn)用航拍和水質(zhì)監(jiān)測(cè)等手段，嚴(yán)密監(jiān)控各監(jiān)控?cái)嗝?、取水口、排污口等重要水域目?biāo)處的水質(zhì)狀況和污染物排放狀況，并根據(jù)需要現(xiàn)場(chǎng)采集和留存水樣，該系統(tǒng)還能通過人機(jī)互動(dòng)，快速將水質(zhì)狀況和水域污染狀況等信息推送給手持移動(dòng)終端，為突發(fā)水污染應(yīng)急響應(yīng)和管理提供決策支持平臺(tái)。

無人機(jī)；大型水域；水質(zhì)監(jiān)控；采樣；遙感系統(tǒng)；一體化

目前，我國(guó)大型水域的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由固定斷面監(jiān)測(cè)、在線監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)、浮標(biāo)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等組成，基本能夠滿足水質(zhì)常規(guī)例行監(jiān)測(cè)和應(yīng)急檢測(cè)方面的需求[1]。然而，大型水域水面面積大、水質(zhì)安全保障要求高、現(xiàn)有斷面例行取樣監(jiān)測(cè)能夠準(zhǔn)確獲取水質(zhì)信息，但存在靈活性差，采樣檢測(cè)間隔時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水質(zhì)突變以及突發(fā)水污染等存在遲滯性檢測(cè)甚至漏測(cè)等缺點(diǎn)。

在電子與航空技術(shù)飛速發(fā)展的推動(dòng)下，無人機(jī)在國(guó)土監(jiān)測(cè)、物流、環(huán)境監(jiān)察等民用領(lǐng)域的應(yīng)用日益得到重視，相關(guān)技術(shù)日漸成熟。目前，借助視頻傳輸和航拍等技術(shù)，無人機(jī)在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測(cè)主要集中在兩方面，采用無人機(jī)對(duì)水污染范圍、垃圾分布范圍、煙囪廢氣排放狀況等進(jìn)行調(diào)查；通過搭載環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)儀器，進(jìn)行氣體或顆粒物濃度監(jiān)測(cè)[2]。

1 設(shè)計(jì)方案

一種基于無人機(jī)的大型水域水質(zhì)監(jiān)控采樣一體化系統(tǒng)，包括無人機(jī)、地面測(cè)控中心和手持移動(dòng)終端，無人機(jī)搭載有空中拍照單元、空中攝像單元、飛行控制單元、水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元、空中測(cè)控中心和水樣采集單元，空中拍照單元、空中攝像單元、飛行控制單元、水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元和水樣采集單元與空中測(cè)控中心相連，空中測(cè)控中心與地面測(cè)控中心通信連接，地面測(cè)控中心與手持移動(dòng)終端通信連接。其中，無人機(jī)采用螺旋翼無人機(jī)或直升機(jī)無人機(jī)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元根據(jù)需要搭載各種直接獲取水質(zhì)數(shù)據(jù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，傳感器的探頭采用硬質(zhì)外殼保護(hù)，外殼采用折疊式設(shè)計(jì)，以便在監(jiān)測(cè)時(shí)能夠自動(dòng)伸縮，快速接觸水體或收入機(jī)艙；水樣采集單元搭載水樣采集器，水樣采集器上安裝一定數(shù)量的硬質(zhì)塑料采樣瓶和與硬質(zhì)塑料采樣瓶連接的伸縮桿；手持移動(dòng)終端為智能手機(jī)或平板電腦。

2 系統(tǒng)構(gòu)建介紹

圖1 無人機(jī)監(jiān)控采樣一體化系統(tǒng)示意圖

圖中：1—無人機(jī)，2—無人機(jī)降落架，3—無人機(jī)飛行橫臂，4—螺旋槳，5—空中拍照單元，6—空中攝像中心，7—飛行控制單元，8—空中測(cè)控中心，9—水樣采集單元，10—水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元，11—地面測(cè)控中心，12—手持移動(dòng)終端，13—無人機(jī)降落架連接桿，14—水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，15—采樣瓶。

（1）無人機(jī)：是整個(gè)水質(zhì)監(jiān)控采樣系統(tǒng)的載體。根據(jù)水質(zhì)監(jiān)控采樣的任務(wù)需求，無人機(jī)可選用多旋翼(如4旋翼、8旋翼等)無人機(jī)或直升機(jī)無人機(jī)，無人機(jī)的巡航載重＞20kg、起降抗風(fēng)能力＞5級(jí)、升限＞2000m、帶最大任務(wù)載荷巡航時(shí)間＞2h。

（2）空中拍照單元：：主要用于水面拍照成像，可根據(jù)需要搭載紅外相機(jī)、高分辨率照相機(jī)、多光譜掃描相機(jī)等拍照設(shè)備。無人機(jī)沿著規(guī)劃路徑巡航各監(jiān)測(cè)斷面、取水口或排污口等水質(zhì)監(jiān)控目標(biāo)時(shí)，空中拍照單元依據(jù)空中測(cè)控中心的指令，自動(dòng)切換拍照模式，重點(diǎn)掃描和拍照水面的顏色、氣泡和漂浮物等，并將拍攝照片傳至空中測(cè)控中心。

（3）空中攝像單元：可根據(jù)需要搭載攝像頭、彩色攝像機(jī)和紅外熱成像攝像機(jī)等視頻監(jiān)控設(shè)備。空中攝像單：在空中測(cè)控中心的指揮下，對(duì)水面狀況進(jìn)行視頻監(jiān)控并全景接入，實(shí)時(shí)獲取視頻監(jiān)控信息，監(jiān)測(cè)水華、溢油等水質(zhì)污染事件的發(fā)生發(fā)展?fàn)顩r。空中攝像單元獲得的視頻數(shù)據(jù)傳回空中測(cè)控中心。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)水污染時(shí)，地面測(cè)控中心可以利用空中攝像單元實(shí)時(shí)指導(dǎo)污染事件應(yīng)急處理，并通過空中測(cè)控中心調(diào)整攝像單元的監(jiān)控重點(diǎn)。

（4）飛行控制單元：搭載有GPS系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、傳感器、伺服作動(dòng)等飛控設(shè)備，確保無人機(jī)飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與控制。當(dāng)無人機(jī)在執(zhí)行水質(zhì)監(jiān)控巡航或采樣等任務(wù)時(shí)，飛行控制單：接收空中測(cè)控中心的指令，控制與調(diào)整無人機(jī)飛行姿態(tài)，如巡航路線、飛行高度、速度、懸停等。對(duì)水質(zhì)監(jiān)控來說，飛行控制單元7需要將無人機(jī)調(diào)至滿足拍照或攝像的分辨率要求的姿態(tài)。對(duì)水質(zhì)采樣來說，飛行控制單元需要將無人機(jī)的飛行高度調(diào)整至離水面1-2m處，并維持一定的懸停狀態(tài)。

（5）水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元可根據(jù)需要搭載各種水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器，監(jiān)測(cè)NH4-N、PO43-、COD、DO、pH、TN、TP、濁度、溫度、葉綠素a以及水質(zhì)綜合毒性等。集成在無人機(jī)上的水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器的探頭采用硬質(zhì)外殼保護(hù)，外殼采用折疊式設(shè)計(jì)，以便在監(jiān)測(cè)時(shí)能夠自動(dòng)伸縮，快速接觸水體或收入機(jī)艙。水質(zhì)監(jiān)測(cè)獲得數(shù)據(jù)傳回空中測(cè)控中心。

（6）水樣采集單元：用于例行水質(zhì)采樣或突發(fā)水污染時(shí)應(yīng)急采樣。水樣采集單元：搭載水樣采集器，水樣采集器上安裝一定數(shù)量的硬質(zhì)塑料采樣瓶(容積100mL)和與硬質(zhì)塑料采樣瓶連接餓伸縮桿等。當(dāng)無人機(jī)到達(dá)目標(biāo)采樣水域時(shí)，水樣采集單元在空中測(cè)控中心指揮下，彈出水樣采集器、拉伸伸縮桿，將采樣瓶置入水面以下。采樣完畢后，空中測(cè)控中心指揮水樣采集單元，折疊伸縮桿，收回水樣采集器，密封采樣瓶。

（7）空中測(cè)控中心：是無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)控采樣的空中指揮中樞?？罩袦y(cè)控中心預(yù)裝了監(jiān)測(cè)水域的地形圖，根據(jù)監(jiān)測(cè)水域水功能區(qū)劃分狀況、水質(zhì)監(jiān)控?cái)嗝嬖O(shè)置狀況、重要取水口、排污口等規(guī)劃預(yù)設(shè)了無人機(jī)巡航路徑。無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí)，空中測(cè)控中心指揮空中拍照單元、空中攝像單元、飛行控制單元、水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元、水樣采集單元等完成水面監(jiān)控、水質(zhì)監(jiān)測(cè)與取樣等系列任務(wù)?？罩袦y(cè)控中心還是重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與發(fā)送基地，對(duì)空中拍照單元、空中攝像單元和水質(zhì)監(jiān)測(cè)單元獲得圖片、影像和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi和4G等連接地面測(cè)控中心，將數(shù)據(jù)發(fā)回地面測(cè)控中心進(jìn)行深入分析和處理。地面測(cè)控中心還可以通過空中測(cè)控中心修改無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)控采樣的任務(wù)內(nèi)容，以及指揮管理無人機(jī)的飛行。

（8）地面測(cè)控中心：是無人機(jī)水質(zhì)監(jiān)控采樣系統(tǒng)的決策控制平臺(tái)，可以人為的修訂和調(diào)整無人機(jī)的水質(zhì)監(jiān)控采樣任務(wù)。地面測(cè)控中：通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)連接空中測(cè)控中心，對(duì)空中測(cè)控中心傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻和圖片等信息進(jìn)行分析和處理，獲得高精度影像資料和水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。為水質(zhì)調(diào)查評(píng)估、突發(fā)水污染應(yīng)急處理提供必要的數(shù)據(jù)資源。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)水污染時(shí)，地面測(cè)控中心是重要的應(yīng)急指揮平臺(tái)，指揮空中測(cè)控中心，利用空中攝像單元對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)全景接入，針對(duì)污染現(xiàn)場(chǎng)狀況做出科學(xué)合理的處理方案。

（9）手持移動(dòng)終端主要指智能手機(jī)、平板電腦等電子設(shè)備，手持移動(dòng)終端與地面測(cè)控中心通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)相連。手持移動(dòng)終端內(nèi)安裝了用于水質(zhì)監(jiān)管的應(yīng)用軟件，地面測(cè)控中心也安裝，用戶可以利用手持移動(dòng)終端隨時(shí)查詢最新的水質(zhì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖片和視頻。當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)水污染時(shí)，地面測(cè)控中心會(huì)第一時(shí)間將污染信息推送給手持移動(dòng)終端，以便水質(zhì)監(jiān)管人員知情并采取應(yīng)急措施。

3 結(jié)語

（1）將水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備集成于無人機(jī)，利用無人機(jī)的機(jī)動(dòng)、快速、靈活、服務(wù)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，有效覆蓋大型水域，同步實(shí)施水面拍照攝像和水質(zhì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，通過照片、視頻和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)全方位掌握目標(biāo)水域的水質(zhì)狀況。該系統(tǒng)能夠優(yōu)化現(xiàn)有水質(zhì)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)布局、提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性、靈活性和快速反應(yīng)能力。

（2）將水質(zhì)采樣系統(tǒng)整合到無人機(jī)上，利用無人機(jī)的優(yōu)勢(shì)對(duì)監(jiān)測(cè)水域進(jìn)行例行采樣或突發(fā)水污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)采樣，極大提高了水樣采集效率和環(huán)境污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)能力。

（3）將移動(dòng)終端與水質(zhì)監(jiān)控管理工作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互動(dòng)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息化，用戶可以實(shí)時(shí)掌握無人機(jī)監(jiān)控的水質(zhì)狀況，還可以借助無人機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)指導(dǎo)開展突發(fā)水污染應(yīng)急處理。

[1]劉國(guó)洋，王宇，魏茂源，李楠.基于無人機(jī)技術(shù)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)采樣裝置[J].電子測(cè)試，2016，(08)：23-24.

[2]曹雪娟，王森.無人機(jī)遙感影像在水利監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國(guó)水利，2015，(04)：69-70.

吳永兵（1982-），男，本科，漢族，江蘇儀征人，中級(jí)工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。