無人機在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

李琪

（廣東慧航無人機科技有限公司，廣東 東莞 523123）

1 引言

當前，我國多地區(qū)面臨大氣環(huán)境質(zhì)量改善的巨大壓力。對此，業(yè)內(nèi)人士表示，只有精確找到本地污染物排放的來源，結(jié)合地理、氣象、環(huán)境衍生等眾多原因綜合分析，才能實現(xiàn)大氣污染治理精準決策和快速應(yīng)對。

由于大氣污染具有涉及區(qū)域范圍較廣、區(qū)域之間污染物傳輸量大、污染源種類多、污染因子相對復(fù)雜等特點，環(huán)境監(jiān)管難度非常大。傳統(tǒng)的空氣自動監(jiān)測站的站房用地面積大，加上其成本及后期運營費用較高，因此很難進行大面積、精密化布點，并且基本上“說不清污染來源”。即使花大價錢采取空氣監(jiān)測站加密的方式進行監(jiān)控，但以點位進行布置的監(jiān)測數(shù)據(jù)始終很難判斷污染源遷移和擴散的情況，更無從確定污染發(fā)生的直接源頭。

地方政府需要一套快速、高效的監(jiān)測系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，克服人工、視頻、監(jiān)測站等監(jiān)管存在的數(shù)據(jù)支撐不足等問題，實現(xiàn)精準監(jiān)控，以滿足大氣污染防治的需求。

“大區(qū)域”“精準”“高效快速”，無人機技術(shù)仿佛就是面對這樣的關(guān)鍵詞產(chǎn)生的，但環(huán)保無人機市場卻一直以來少有人問津。無人機與大氣環(huán)境監(jiān)測能否擦出火花，本文將從多個方面對此進行探討。

2 無人機在大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用

2.1 可見光相機

目前在環(huán)保方面應(yīng)用最廣的，就是傳統(tǒng)的無人機+可見光云臺。某些企業(yè)甚至簡單地購買幾臺“精靈”（無人機），對人員稍加培訓(xùn)，就形成“環(huán)保無人機監(jiān)測隊伍”。

不可否認，單純的相機甚至變焦相機已能夠給環(huán)境監(jiān)測帶來新的思路，但可見光相機對大氣污染物的觀測僅停留在拍照、視頻階段（詳情見圖1），缺乏精準監(jiān)測數(shù)據(jù)作為支撐，并受光照、雨霧、攝像頭低分辨率等因素的影響，只能對污染濃度較大的可見性污染源（如黑煙囪、秸稈焚燒等）進行監(jiān)控。

常規(guī)可見光載荷在環(huán)保方面只能算是錦上添花，環(huán)境監(jiān)測人員難以有效地使用，買回來用不著，最后只會淪為展示道具。

2.2 紅外成像

紅外成像儀在電力巡檢上已廣泛應(yīng)用。在環(huán)保應(yīng)用方面，搭載紅外成像儀的無人機，可使無人機在夜間條件下進行監(jiān)測，熱像儀的熱分布可視化、測溫等特性能夠較有效地發(fā)現(xiàn)夜間生產(chǎn)的排污企業(yè)（見圖2），可作為遏制夜間偷排的一種手段。

圖1 無人機發(fā)現(xiàn)的某個正在排放的黑煙囪

圖2 某企業(yè)日間（可見光）和夜間（熱成像）風(fēng)機影像

但熱像儀受環(huán)境條件的影響過大，且不同種類企業(yè)的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有必然的關(guān)聯(lián)，相關(guān)模型復(fù)雜需較長時間比對和監(jiān)測才能得出檢測結(jié)論，難以滿足環(huán)境監(jiān)測的迫切需求。

2.3 氣體傳感器

“無人機+氣體傳感器”即通過無人機搭載多種因子（如VOCs、SO2、PM2.5）的高精度氣體監(jiān)測傳感器或氣體采集裝置，在測區(qū)進行大范圍巡查，以尋找污染特征因子的監(jiān)測方式。

以大疆M100搭載傳感器為例，配合航線規(guī)劃自動飛行，不到20分鐘就能覆蓋1平方公里區(qū)域的20～30家工廠，得出氣體濃度分布情況，其效率是傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測人員地面巡查的百倍，同時一并解決了數(shù)據(jù)、影像、定位等問題。

隨著技術(shù)的進步，便攜式傳感器的精度（如圖3）尤其是基于光離子化檢測器（PID）方法的傳感器，其檢出限、精度甚至可達到ppb級別，已完全可滿足測量大氣污染物濃度的要求。

圖3 高精度VOCs傳感器的檢測曲線

在理論支撐方面，彭仲仁[1]教授帶領(lǐng)的上海交通大學(xué)智能交通與無人機應(yīng)用研究中心早在2011年就已對無人機在空氣監(jiān)測方面的應(yīng)用進行了研究，其《基于無人機（UAV）技術(shù)的城市空氣質(zhì)量4-D監(jiān)測研究》《基于無人機觀測的PM2.5垂直分布規(guī)律研究》（見圖4）等多篇論文已被多次引用。

圖4 PM2.5垂直分布規(guī)律

在實際應(yīng)用方面，一些無人機生產(chǎn)企業(yè)已先行在東莞市等多個地市使用帶有氣體監(jiān)測儀的無人機進行監(jiān)測，協(xié)助環(huán)境監(jiān)測執(zhí)法（見圖5），同時環(huán)境監(jiān)測大隊依據(jù)無人機的監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并查處了不少違法企業(yè)。

圖5 無人機協(xié)助環(huán)境監(jiān)測執(zhí)法

圖6 傳統(tǒng)表格式數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)可視化

環(huán)境監(jiān)測執(zhí)法注重時效性，企業(yè)的違法偷排情況可能只會出現(xiàn)在某個時間段，甚至只是某一個瞬間，這也是環(huán)境監(jiān)測取證難、執(zhí)法難的原因之一。

在大氣污染調(diào)查工作中，無人機配備的氣體傳感器會獲取大量的實測數(shù)據(jù)（見圖6），傳統(tǒng)利用excel進行數(shù)據(jù)分析及管理的辦法不僅無法直觀展現(xiàn)污染物的空間分布形態(tài)，大量數(shù)據(jù)還需多個工作日的處理和分析才能得出相關(guān)結(jié)論，難以為下一步的監(jiān)測管理和治理工作提供決策支持。

而可視化處理能夠充分挖掘數(shù)據(jù)隱含的空間關(guān)聯(lián)，揭示氣體污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（見圖7、圖8），有助于科研人員、監(jiān)測機構(gòu)科學(xué)直觀地判讀并分析大氣污染情況，高效快速地檢測方式可為后續(xù)一系列的治理措施提供支撐依據(jù)，節(jié)約人力成本。

圖7 結(jié)合地圖信息的氣體格柵分布

圖8 結(jié)合高程的3D可視化數(shù)據(jù)分布

4 案例

某日夜晚，環(huán)保局接到居民投訴有刺鼻異味，環(huán)境監(jiān)測人員迅速派出兩臺氣體監(jiān)測無人機對劃定區(qū)域進行氣體監(jiān)測，通過氣體監(jiān)測地面站顯示的數(shù)據(jù)直觀地查看區(qū)域的氣體濃度分布（見圖9）。區(qū)域1的VOCs濃度均高于其他3個區(qū)域，VOCs的平均濃度為0.1580ppm，VOCs濃度最高值高達0.7961ppm，同時發(fā)現(xiàn)2個波峰位置，從而鎖定污染源（見圖10）。尋找到排放氣體的污染源并鎖定目標后，安排執(zhí)法人員進行突擊檢查，在短時間內(nèi)快速處置了環(huán)境突發(fā)事件。

圖9 監(jiān)測區(qū)域的污染氣體濃度分布圖

圖10 氣體監(jiān)測無人機自動生成的報告

5 結(jié)語

在環(huán)保應(yīng)用上，無人機+傳感器的模式已嶄露頭角，但仍存在不少問題。

（1）監(jiān)測標準

國家對環(huán)保監(jiān)測的方法和標準有嚴格的規(guī)定，與大氣相關(guān)的技術(shù)規(guī)范已有上百部（如《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 75-2007）等），無人機是新生事物，其自身的標準目前尚未確定，更遑論無人機的氣體監(jiān)測標準。

但沒有標準、規(guī)范，就沒有依據(jù)，因此無人機監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)，只能夠作為參考佐證或科研數(shù)據(jù)，并不能直接用于執(zhí)法。

（2）數(shù)據(jù)可靠性

無人機飛行于空中，所監(jiān)測到的氣體數(shù)據(jù)并不能說明一定是來自某個工廠的，因為高空大氣環(huán)流復(fù)雜，同時還存在無人機氣流擾動等影響，污染物擴散模型難以建立，要做到對污染物垂直柱濃度分布和區(qū)域污染物時空分布快速反演并非易事。盡管便攜式傳感器精度已有很大提高，實驗室指標已令人滿意，但是其各方面性能仍與監(jiān)測站的要求有一定的差距，在實際應(yīng)用場合的各種干擾下，數(shù)據(jù)的準確性尚不能確定。

因此，無人機監(jiān)測的數(shù)據(jù)不能簡單地使用，還需要與常規(guī)監(jiān)測站、大氣環(huán)境、在線監(jiān)控系統(tǒng)等多平臺數(shù)據(jù)比對、校準，并利用大數(shù)據(jù)平臺和相關(guān)模型進行分析解析。同時應(yīng)結(jié)合專家智庫，開展大氣顆粒物、痕量氣體的高精度、高分辨率立體分布反演方法研究，開展機載大氣顆粒物和污染氣體三維觀測技術(shù)研究，推動相關(guān)檢測方法的標準化[2]。

無人機與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合是發(fā)展趨勢，“無人機+氣體監(jiān)測”已實現(xiàn)實時監(jiān)控區(qū)域內(nèi)污染物動態(tài)變化，快速捕捉污染源的異常排放行為，助力環(huán)境監(jiān)測人員實現(xiàn)差異化管理和靶向管理，在突破技術(shù)難題后，未來一定會有更廣闊的發(fā)展前景。

[1] Peng, Z. R., Wang, D., Wang, Z., Gao, Y., & Lu, S. A study of vertical distribution patterns of PM2.5, concentrations based on ambient monitoring with unmanned aerial vehicles: a case in hangzhou, china[J]. Atmospheric Environment, 123, 357-369,2015.

[2] 李白，李超.復(fù)雜地形區(qū)域大氣污染車載和機載走航觀測技術(shù)[Z] .2016.