無人機在大氣環境監測中的應用

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，我國多地區面臨大氣環境質量改善的巨大壓力。對此，業內人士表示，只有精確找到本地污染物排放的來源，結合地理、氣象、環境衍生等眾多原因綜合分析，才能實現大氣污染治理精準決策和快速應對。

由于大氣污染具有涉及區域范圍較廣、區域之間污染物傳輸量大、污染源種類多、污染因子相對復雜等特點，環境監管難度非常大。傳統的空氣自動監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測站加密的方式進行監控，但以點位進行布置的監測數據始終很難判斷污染源遷移和擴散的情況，更無從確定污染發生的直接源頭。

地方政府需要一套快速、高效的監測系統進行實時監控，克服人工、視頻、監測站等監管存在的數據支撐不足等問題，實現精準監控，以滿足大氣污染防治的需求。

“大區域”“精準”“高效快速”，無人機技術仿佛就是面對這樣的關鍵詞產生的，但環保無人機市場卻一直以來少有人問津。無人機與大氣環境監測能否擦出火花，本文將從多個方面對此進行探討。

2 無人機在大氣環境監測中的應用

2.1 可見光相機

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

不可否認，單純的相機甚至變焦相機已能夠給環境監測帶來新的思路，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），缺乏精準監測數據作為支撐，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）進行監控。

常規可見光載荷在環保方面只能算是錦上添花，環境監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用。在環保應用方面，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測，熱像儀的熱分布可視化、測溫等特性能夠較有效地發現夜間生產的排污企業（見圖2），可作為遏制夜間偷排的一種手段。

圖1 無人機發現的某個正在排放的黑煙囪

圖2 某企業日間（可見光）和夜間（熱成像）風機影像

但熱像儀受環境條件的影響過大，且不同種類企業的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有必然的關聯，相關模型復雜需較長時間比對和監測才能得出檢測結論，難以滿足環境監測的迫切需求。

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）的高精度氣體監測傳感器或氣體采集裝置，在測區進行大范圍巡查，以尋找污染特征因子的監測方式。

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

隨著技術的進步，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]教授帶領的上海交通大學智能交通與無人機應用研究中心早在2011年就已對無人機在空氣監測方面的應用進行了研究，其《基于無人機（UAV）技術的城市空氣質量4-D監測研究》《基于無人機觀測的PM2.5垂直分布規律研究》（見圖4）等多篇論文已被多次引用。

圖4 PM2.5垂直分布規律

在實際應用方面，一些無人機生產企業已先行在東莞市等多個地市使用帶有氣體監測儀的無人機進行監測，協助環境監測執法（見圖5），同時環境監測大隊依據無人機的監測數據，發現并查處了不少違法企業。

圖5 無人機協助環境監測執法

圖6 傳統表格式數據

3 數據可視化

環境監測執法注重時效性，企業的違法偷排情況可能只會出現在某個時間段，甚至只是某一個瞬間，這也是環境監測取證難、執法難的原因之一。

在大氣污染調查工作中，無人機配備的氣體傳感器會獲取大量的實測數據（見圖6），傳統利用excel進行數據分析及管理的辦法不僅無法直觀展現污染物的空間分布形態，大量數據還需多個工作日的處理和分析才能得出相關結論，難以為下一步的監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據隱含的空間關聯，揭示氣體污染物的遷移轉化規律（見圖7、圖8），有助于科研人員、監測機構科學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一系列的治理措施提供支撐依據，節約人力成本。

圖7 結合地圖信息的氣體格柵分布

圖8 結合高程的3D可視化數據分布

4 案例

某日夜晚，環保局接到居民投訴有刺鼻異味，環境監測人員迅速派出兩臺氣體監測無人機對劃定區域進行氣體監測，通過氣體監測地面站顯示的數據直觀地查看區域的氣體濃度分布（見圖9）。區域1的VOCs濃度均高于其他3個區域，VOCs的平均濃度為0.1580ppm，VOCs濃度最高值高達0.7961ppm，同時發現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，安排執法人員進行突擊檢查，在短時間內快速處置了環境突發事件。

圖9 監測區域的污染氣體濃度分布圖

圖10 氣體監測無人機自動生成的報告

5 結語

在環保應用上，無人機+傳感器的模式已嶄露頭角，但仍存在不少問題。

（1）監測標準

國家對環保監測的方法和標準有嚴格的規定，與大氣相關的技術規范已有上百部（如《固定污染源煙氣排放連續監測技術規范》（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測標準。

但沒有標準、規范，就沒有依據，因此無人機監測所獲得的數據，只能夠作為參考佐證或科研數據，并不能直接用于執法。

（2）數據可靠性

無人機飛行于空中，所監測到的氣體數據并不能說明一定是來自某個工廠的，因為高空大氣環流復雜，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測站的要求有一定的差距，在實際應用場合的各種干擾下，數據的準確性尚不能確定。

因此，無人機監測的數據不能簡單地使用，還需要與常規監測站、大氣環境、在線監控系統等多平臺數據比對、校準，并利用大數據平臺和相關模型進行分析解析。同時應結合專家智庫，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研究，推動相關檢測方法的標準化[2]。

無人機與行業應用相結合是發展趨勢，“無人機+氣體監測”已實現實時監控區域內污染物動態變化，快速捕捉污染源的異常排放行為，助力環境監測人員實現差異化管理和靶向管理，在突破技術難題后，未來一定會有更廣闊的發展前景。

[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.復雜地形區域大氣污染車載和機載走航觀測技術[Z] .2016.