無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測研究

張興瑤，吳冬梅

（新疆石河子市環(huán)境監(jiān)測站，新疆 石河子 832000）

前言

隨著社會的發(fā)展，很多工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)廢氣排放嚴(yán)重超標(biāo)，導(dǎo)致空氣質(zhì)量越來越差，其中PM2.5、PM10、CO，SO2、NO2、O3、VOC有毒有害氣體對人民身體健康影響非常大，可以說，現(xiàn)代社會發(fā)展過程中對于高水平的空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的需求已經(jīng)非常高。隨著時間的推移、國內(nèi)的社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)都實(shí)現(xiàn)了快速的發(fā)展，其重要表現(xiàn)之一就是無人機(jī)設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用。

1 國內(nèi)無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作整體情況和環(huán)境情況分析

近年以來，我國的國民經(jīng)濟(jì)得到了快速的發(fā)展，其中傳統(tǒng)工業(yè)、化工業(yè)等等行業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是這些行業(yè)在發(fā)展過程中對于環(huán)境也產(chǎn)生了比較大的負(fù)面影響，尤其是這些行業(yè)的不斷發(fā)展和擴(kuò)張對于空氣質(zhì)量產(chǎn)生了比較大的污染。國內(nèi)對于空氣污染的治理工作比較重視，并且已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是與標(biāo)準(zhǔn)的控制質(zhì)量要求還存在著一定的差距，甚至已經(jīng)對人類的身體健康形成了負(fù)面影響[1]，依據(jù)公開的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，由于大氣污染的逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致城市地面水污染比較嚴(yán)重，并且呈現(xiàn)出逐漸惡化的趨勢，由大氣污染現(xiàn)象而導(dǎo)致的煙塵、酸雨污染程度加大，全國內(nèi)三分之二的河流和大面積的農(nóng)田被污染，從中不難看出，大氣污染情況已經(jīng)對國內(nèi)社會實(shí)際的發(fā)展產(chǎn)生了比較大的影響，從宏觀角度上來說這影響的是我國的核心競爭力，難以應(yīng)對日益激烈的國際競爭形勢。

雖然無人機(jī)技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展水平已經(jīng)比較高，但是無人機(jī)市場中卻存在著參差不齊的現(xiàn)象，真正意義上掌控?zé)o人機(jī)飛行精準(zhǔn)控制核心技術(shù)的企業(yè)依舊是比較少的，很多標(biāo)榜無人機(jī)銷售的企業(yè)，其本質(zhì)上只能簡單進(jìn)行無人機(jī)的組裝工作，并不能為無人機(jī)提供良好的技術(shù)支撐，就不用說在實(shí)際的空氣質(zhì)量監(jiān)測工作中進(jìn)行運(yùn)用了[2]。另外，無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測，其本質(zhì)上屬于一個相對新興的領(lǐng)域，環(huán)保無人機(jī)雖然出現(xiàn)在廣大人民群眾的視野當(dāng)中，但是還未形成一個比較成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，很多無人機(jī)設(shè)備在空氣質(zhì)量監(jiān)測工作中運(yùn)用的都是其自身的航拍功能，然而，無人機(jī)設(shè)備于空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的價值不僅僅是拍攝，簡單來說，現(xiàn)階段無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作還未能將無人機(jī)的作用和價值完全發(fā)揮出來，也就是說，無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作方面還具有非常大的提升空間。

2 無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的構(gòu)成分析

AM510顆粒物檢測器——3臺，單臺AM510顆粒物檢測器的重量大約為540 g；

2B POM? O3檢測器——2臺，單臺2B POM? O3檢測器的重量大約為340 g；

Langan T15n CO檢測器——3臺，單臺Langan T15n CO 檢測器的重量為400 g；

HOBO U12 溫濕度傳感器——2臺，單臺HOBO U12 溫濕度傳感器重量大約為46 g；

Davis 6250可移動式微型地面氣象站1臺；

Waspmote微型設(shè)備2套；

高光譜相機(jī)2套。

另外，為了提升無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的具體效果，可以將大氣樣本采集便攜設(shè)備 TSI DustTrak DRX進(jìn)行運(yùn)用[3]，以此為基礎(chǔ)對空氣質(zhì)量進(jìn)行化學(xué)成分的分析，進(jìn)而探索不同高度的空氣質(zhì)量的化學(xué)成分情況。以上諸多設(shè)備都是為了在無人機(jī)飛行時采集大氣參數(shù)發(fā)揮作用，因此在地面移動空氣質(zhì)量監(jiān)測過程中也可以進(jìn)行運(yùn)用。在進(jìn)行正式的無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作之前，所有使用到的監(jiān)測設(shè)備都需要進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，并且采取戶外監(jiān)測站及實(shí)驗(yàn)室測試兩種方式進(jìn)行設(shè)備評價。

3 無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測的具體運(yùn)用

3.1 具體的采樣方案設(shè)計(jì)

無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作于傳統(tǒng)的空氣治理監(jiān)測模式和方法具有比較大的區(qū)別，因此更加需要重視不同因素對于無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的影響，包含采樣時間、地點(diǎn)、無人駕駛平臺、航線、輔助監(jiān)測裝置等等，在確定具體的采樣方案之后，需要針對突發(fā)事件、因素進(jìn)行良好的處理，這就需要綜合考量具體的天氣情況，譬如，針對長三角地區(qū)典型城市，需要依據(jù)城市具體的形態(tài)、地理因素、氣候特征以及大氣污染源特征進(jìn)行采樣方案的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)處具有良好針對性的數(shù)據(jù)和信息采集方案，具體的空間采樣方案可以依據(jù)下圖為主體進(jìn)行相對應(yīng)的設(shè)計(jì)工作；

圖1 無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測的空間采樣方案圖

簡單來說，在進(jìn)行無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)采樣方案設(shè)計(jì)工作中，需要綜合考量各個方面的因素，以此來降低無人機(jī)自身的數(shù)據(jù)采樣的不穩(wěn)定性，使得無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測能夠獲取到相對精確的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)和信息，從而為實(shí)際的空氣質(zhì)量提升提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這也是進(jìn)行無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的主要原因之一，這一點(diǎn)需要給予足夠的重視，使得無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測的數(shù)據(jù)采樣方案具有科學(xué)合理的主要特點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可靠性的校正

雖然無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測能夠取得很好的作用和效果，但不可避免的是，無人機(jī)設(shè)備作為大氣污染的空中監(jiān)測工具，其可靠性比較低，并且無人機(jī)設(shè)備的空中飛行控制也是比較難的，這使得采集到的數(shù)據(jù)和信息缺少準(zhǔn)確性檢驗(yàn)，目前經(jīng)常對無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行單一的地面校正，以此來闡明相關(guān)數(shù)據(jù)和信息的有效性，即可以圍繞地面固定的空氣監(jiān)測站進(jìn)行飛行，使得二者的高度接近統(tǒng)一，采集到的數(shù)據(jù)與地面監(jiān)測站的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行校正。

3.3 大氣污染四維時空變化規(guī)律探索

國內(nèi)的大氣污染具有明顯的時空分布和時空變化的特征，這種特性本身就具有復(fù)雜的特點(diǎn)，再加上氣象條件和不規(guī)律的三維城市形態(tài)的影響，會使得這種現(xiàn)象變得更加復(fù)雜，對于無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作會產(chǎn)生明顯的影響，因此相關(guān)的工作人員和空氣質(zhì)量監(jiān)測機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行大氣污染四維時空變化規(guī)律探索，從而更加準(zhǔn)確、有效地刻畫出區(qū)域大氣污染的真實(shí)情況，而且進(jìn)行不同時間、不同采樣區(qū)、不同垂直高度上大氣污染物的時空分布及變化規(guī)律的解析工作，也有利于進(jìn)行后期的空氣質(zhì)量監(jiān)測工作。

4 結(jié)論

綜上所述，本文針對無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的系統(tǒng)研究和分析，從文中闡述內(nèi)容中不難看出，傳統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測工作具有較多的不足，尤其是在高空空氣質(zhì)量監(jiān)測方面，無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測就能夠很好地解決這一問題。但是在實(shí)際的操作過程中，無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測工作的影響因素比較多，在這種情況下，就需要重視具體的數(shù)據(jù)采樣方案，避免其他因素產(chǎn)生的影響，提升無人機(jī)三維空氣質(zhì)量監(jiān)測的效果，為空氣質(zhì)量預(yù)報提供更加科學(xué)和精確的數(shù)據(jù)支持，也為城市規(guī)劃時環(huán)境評估提供數(shù)據(jù)支持。