無人機在環境污染物監測中應用價值研究

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：現如今，國家對生態文明建設越來越重視，高新技術在生態環境保護領域發揮著重要作用。無人機憑借自身良好的性能和優勢，建立一個方位全、領域寬、層次多，覆蓋廣的環境污染物監控系統。本文對無人機在環境污染物監測中應用價值進行綜述，從無人機的選擇，無人機在環境監管中的優勢以及無人機在水質監測、森林防火、大氣污染、船舶污染防治監管中的應用進行闡述，從而為無人機的發展以及在生態環境中的管理應用提供一些參考。

關鍵詞：無人機? 環境污染物? 生態管理? 生態環境

中圖分類號：X87 ? ? ? ? ?文獻標識碼：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，我國經濟飛速發展，與經濟快速發展不相匹配的是累積了越來越多的復雜環境問題。目前中國正處于打贏藍天保衛戰的決勝之年，處于生態文明建設的“關鍵期、攻堅期”，必定要全面加強生態環境保護，堅決打好污染防治攻堅戰，做好生態環境監測的網格化管理系統，建立獨立、權威、高效的生態環境監測體系。

無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）最初被當做是人類飛行員的替代，它能夠執行更多的“枯燥、污染、危險”的任務，在軍事領域發揮了越來越重要的作用。科技的進步創新使得無人機在安全保衛、農業、工業等多個方面都有涉及。無人機技術由于其獨一無二的優勢，在環境監測方面具有極大的潛力。

無人機監測改善了傳統監測方式中出現的靜態監測、局地觀測等弊端問題，打破了衛星遙感監測受制于天氣影響、過境時間和精度限制的狀況。并且無人機監測具有機動、快速、經濟、可搭載各類成像載荷等優勢，能為我國生態環境的優化提供精準的數據，為生態環境的管理提供重要保障。

1? 無人機的選擇

1.1 無人機不同機型特點

無人機根據機型分為固定機翼型和旋轉機翼型。固定機翼型飛行時間較長，抗風能力較強，在較多情況下這類型的無人機被應用于污染區域監測。旋轉機翼型可以改變螺旋槳的旋轉速度，進行長時間的懸浮監控的工作，而且它能夠根據需求自由飛升任意高度。通常在進行大氣環境監測時都選擇旋翼型的無人機。

1.2 無人機系統組成和飛行特點

根據系統組成和飛行特點，無人機可分為滑跑滑翔型、彈射起飛滑翔降落型、手拋傘降型、旋翼直升機。滑跑滑翔型無人機需要特定跑道，搭載高分辨航拍相機，載荷的重量不超過10g，航程最多可達3h，航速達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。它用于搭載任務微型合成孔徑雷達。手拋傘降型無人機，這種機型是對場地沒有任何要求，但易受風力和氣流的影響，飛機期間不穩定。手拋傘降型飛機機型較小，不適合航拍。它所搭載的任務量也較小。旋翼直升機飛行穩定，可垂直起降，可在空中懸停，但是沒有固定機翼，同等載荷條件下動力消耗較大，可支撐的飛行時間較短。這種適用于環境監測模式，以及需要懸停的場合。

2? 無人機在環境監管中的優勢

2.1 經濟成本低，效益高

無人機在環境監管作業中，一次飛行任務可達100多個監測點，可加載10g油，能保持空中持續飛行16h以上。這樣高效的工作效率所消耗的能源卻很低，并且無人機機型較小，后期系統的保養和維修簡便，能夠極大程度減少數據獲取的成本。具有監測時間長、區城廣、使用成本低的優點。

2.2 安全系數高，受自然環境約束少

無人機在進行環境污染物監測時，操作人員在安全區操控無人機前往重度污染等高危地區工作，它可以在空中任意位置懸停并監測，解決高空污染檢測難題。無人機代替工作人員進行環境監測，不僅大大降低了現場應急工作難度，而且還保障了現場工作人員的人身安全。無人機在環境監控時受到自然環境約束較少，能夠在及其惡劣條件下多次成功完成低空飛行監測作業，提供監測數據，動態反映污染發展情況。

2.3 智能化、自動化水平高

無人機的自動化、智能化水平較高，可以通過在系統中事先設置飛行路線來達到無人駕駛，飛行過程中，通過不斷的微細校對和調整來達到對目標的測量，運用物聯網技術獲取更為精準的數據分析。除此之外，它能夠通過自帶的攝像功能來獲取高清的圖像，能夠實現定點監測、長航時監控，在完成某一區域的監測后繼續進入以下區域的監測從而觀察整體變化趨勢以及細節變化。

3? 無人機在環境污染物監測中的應用

3.1 無人機在水質監測中的應用

利用無人機遙感系統完成對遼河治理現狀航拍和遙感監測，可以得到分辨率為0.1m的實景圖像數據，對圖像技術評估，能夠及時掌握遼河治理重點區域的動態變化情況。這是我國首次將無人機技術應用于水質監測作業中。

我國水域遼闊，水體污染情況復雜，類型多樣，因此對污染水體的監測難度較大。有研究將無人機搭載多光譜成像儀，能從整體上觀測水質污染動態過程，提供水質污染的具體信息，包括富營養化，水體中外來物種入侵，排污口污染等。直觀全面地監測地表水環境質量狀況，從而達到對水質特征污染物監視性監測的目的。有研究打破了傳統水質監測的固定模式，將無人機與檢測水裝置結合，進行全天候水質檢測，實現遠程操作、高效高能的檢水作業，具備環境適應能力強、機動安全等優勢。

3.2 無人機在森林防火中的監測應用

我國的森林資源豐富，覆蓋率約達23%，占地面積2.2億公頃。火災是森林以及林業最嚴重的災害，對生態環境具有毀滅性的打擊，對森林火災的監控至關重要。如果僅依靠人為監控，需要消耗大量人力、物力、財力。森林中潛在危機較大，一些區域及情況的發生必須要人員親自勘探。森林中微小火種的出現都會瞬間爆發，引發大規模災害，人員的人身安全受到極大的威脅。

應用無人機技術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。無人機能夠快速直達到需要勘測的每個區域、角落甚至深處。即便在最惡劣的氣候環境下，也能實時到達勘測點進行測查，及早發現，及時預報。除此之外，在森林巡測時，無人機能實現不間斷的重復飛行，具有覆蓋率廣、效率高、部署嚴密的優勢，精細程度極高。

在防火滅火補救中，無人機也發揮了重要的功能及作用。無人機在定速巡航監測時，一旦發現火源，其計算機操作系統迅速進行數據統計分析，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、發送預警信號，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救措施。

3.3 無人機在大氣污染監測中的應用

近年來，越來越多專家學者將無人機的研究重點轉向大氣污染等環保領域。無人機技術在大氣污染監測中至關重要。它可以免受有毒有害等不良環境與地域條件的影響和限制，產生預警反應后第一時間到達污染事故現場，對事故現場的客觀條件進行航拍、監測以及將數據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確劃定。無人機的應急系統處理能夠在第一時間對污染事故帶來的不利影響進行系統處理，有利于分析污染事故發生的原因以及提出相應的解決措施。

突發性大氣污染事故對人民健康、生態環境及社會安定帶來了嚴重的危害。有研究設計了將大氣環境監測系統平臺與無人駕駛飛機遙感技術相結合。這項技術突破了傳統的環境監測車輛的局限性，以及攜帶便攜式設備為主體的應急監測系統，具有速度快、范圍廣及地形干擾小等優點。無人機技術在環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、準確地事故的污染物類別、污染濃度分布及影響擴散范圍等現場動態資料信息，為環保政府部門快速處理污染事故，贏到最寶貴的時間。

有無人機搭載了便攜式CH4、nmhc等測試儀探測系統和多種氣體檢測儀、探測儀以及溫度濕度傳感器，能很好的執行高空飛行遙感監測任務，能及時監測焚燒等高空污染物，獲取最為可靠的數據。并且能夠提供監測數據采集、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。

3.4 無人機在船舶污染防治監管中的應用

水上交通快速發展，船舶污染問題日益嚴重，防治監管工作，水域巡查及動態監管發現難、取證難等因素的受到嚴峻考驗。隨著水上科學執法、安全保障、創新研究的需求在不斷的提高。無人機機動性強、便攜性優、拓展性廣等特性，不僅在監管效率和效果方面相較于人工巡查有顯著提升，還可大幅降低執法人員工作負擔、保障人身安全，并在改善提升監管方式，同時對促進水上交通實現“提質增效、節能減排”。

有研究將多旋翼無人機運用到船舶污染氣體監測工作中，這類型的無人機在船舶尾氣排放位置能夠精準懸停，實現同步移動精準監測。搭載污染監測儀的無人機通過數傳或傳輸單元，將圖像數據傳送至地面平臺，實時遠程分析。船舶污染氣體監測工作內河航道沿線環境帶狀分析、單個船舶污染監測點狀分析都可以通過無人機監測系統平臺進行動態數據跟蹤。

船舶污染防治執法中構建海空一體化船舶污染監測體系是當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，將大氣污染源基礎數據轉換，可用作船舶污染防治執法中的清單數據基礎。在后期大量無人機信息采集的積累下，利用大數據分析技術形成可視化大氣污染分布預警，為船舶污染防治執法提供豐富的決策依據。

4? 結語

無人機技術是極具潛力的環境監測技術，有覆蓋用途廣、經濟成本、機動靈活等諸多優點。本文對無人機在環境污染物監測中應用價值進行綜述，從無人機的選擇入手，介紹了按機型以及系統組成和飛行特點幾種類型無人機的特征優勢。提出了無人機在環境監管中經濟成本低，效益高安全系數高，受自然環境約束少、智能化、自動化水平高的優勢，闡述了無人機在水質、森林防火、大氣污染、船舶污染防治監管中具體應用。但在實際應用操作過程中，無人機監測和實施還存在著不同問題，隨著技術的不斷創新發展，無人機協作監測環境研究技術將會逐步成熟，未來會發揮日益重要的作用。

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