無人機三維空氣質量監測研究

張興瑤，吳冬梅

（新疆石河子市環境監測站，新疆 石河子 832000）

前言

隨著社會的發展，很多工業生產企業廢氣排放嚴重超標，導致空氣質量越來越差，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，現代社會發展過程中對于高水平的空氣質量監測工作的需求已經非常高。隨著時間的推移、國內的社會經濟和科學技術都實現了快速的發展，其重要表現之一就是無人機設備的出現和應用。

1 國內無人機三維空氣質量監測工作整體情況和環境情況分析

近年以來，我國的國民經濟得到了快速的發展，其中傳統工業、化工業等等行業做出了巨大的貢獻，但是這些行業在發展過程中對于環境也產生了比較大的負面影響，尤其是這些行業的不斷發展和擴張對于空氣質量產生了比較大的污染。國內對于空氣污染的治理工作比較重視，并且已經取得了一定的進展，但是與標準的控制質量要求還存在著一定的差距，甚至已經對人類的身體健康形成了負面影響[1]，依據公開的數據可以發現，由于大氣污染的逐漸增強，導致城市地面水污染比較嚴重，并且呈現出逐漸惡化的趨勢，由大氣污染現象而導致的煙塵、酸雨污染程度加大，全國內三分之二的河流和大面積的農田被污染，從中不難看出，大氣污染情況已經對國內社會實際的發展產生了比較大的影響，從宏觀角度上來說這影響的是我國的核心競爭力，難以應對日益激烈的國際競爭形勢。

雖然無人機技術在國內的發展水平已經比較高，但是無人機市場中卻存在著參差不齊的現象，真正意義上掌控無人機飛行精準控制核心技術的企業依舊是比較少的，很多標榜無人機銷售的企業，其本質上只能簡單進行無人機的組裝工作，并不能為無人機提供良好的技術支撐，就不用說在實際的空氣質量監測工作中進行運用了[2]。另外，無人機三維空氣質量監測，其本質上屬于一個相對新興的領域，環保無人機雖然出現在廣大人民群眾的視野當中，但是還未形成一個比較成熟的產業鏈，很多無人機設備在空氣質量監測工作中運用的都是其自身的航拍功能，然而，無人機設備于空氣質量監測工作的價值不僅僅是拍攝，簡單來說，現階段無人機三維空氣質量監測工作還未能將無人機的作用和價值完全發揮出來，也就是說，無人機三維空氣質量監測工作方面還具有非常大的提升空間。

2 無人機三維空氣質量監測設備的構成分析

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微型設備2套；

高光譜相機2套。

另外，為了提升無人機三維空氣質量監測工作的具體效果，可以將大氣樣本采集便攜設備 TSI DustTrak DRX進行運用[3]，以此為基礎對空氣質量進行化學成分的分析，進而探索不同高度的空氣質量的化學成分情況。以上諸多設備都是為了在無人機飛行時采集大氣參數發揮作用，因此在地面移動空氣質量監測過程中也可以進行運用。在進行正式的無人機三維空氣質量監測工作之前，所有使用到的監測設備都需要進行嚴格的校準，并且采取戶外監測站及實驗室測試兩種方式進行設備評價。

3 無人機三維空氣質量監測的具體運用

3.1 具體的采樣方案設計

無人機三維空氣質量監測工作于傳統的空氣治理監測模式和方法具有比較大的區別，因此更加需要重視不同因素對于無人機三維空氣質量監測工作的影響，包含采樣時間、地點、無人駕駛平臺、航線、輔助監測裝置等等，在確定具體的采樣方案之后，需要針對突發事件、因素進行良好的處理，這就需要綜合考量具體的天氣情況，譬如，針對長三角地區典型城市，需要依據城市具體的形態、地理因素、氣候特征以及大氣污染源特征進行采樣方案的設計，設計處具有良好針對性的數據和信息采集方案，具體的空間采樣方案可以依據下圖為主體進行相對應的設計工作；

圖1 無人機三維空氣質量監測的空間采樣方案圖

簡單來說，在進行無人機三維空氣質量監測的數據采樣方案設計工作中，需要綜合考量各個方面的因素，以此來降低無人機自身的數據采樣的不穩定性，使得無人機三維空氣質量監測能夠獲取到相對精確的空氣質量數據和信息，從而為實際的空氣質量提升提供堅實的基礎，這也是進行無人機三維空氣質量監測工作的主要原因之一，這一點需要給予足夠的重視，使得無人機三維空氣質量監測的數據采樣方案具有科學合理的主要特點。

3.2 數據準確性和可靠性的校正

雖然無人機三維空氣質量監測能夠取得很好的作用和效果，但不可避免的是，無人機設備作為大氣污染的空中監測工具，其可靠性比較低，并且無人機設備的空中飛行控制也是比較難的，這使得采集到的數據和信息缺少準確性檢驗，目前經常對無人機三維空氣質量監測設備進行單一的地面校正，以此來闡明相關數據和信息的有效性，即可以圍繞地面固定的空氣監測站進行飛行，使得二者的高度接近統一，采集到的數據與地面監測站的數據進行對比，以此為基礎進行校正。

3.3 大氣污染四維時空變化規律探索

國內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雜的特點，再加上氣象條件和不規律的三維城市形態的影響，會使得這種現象變得更加復雜，對于無人機三維空氣質量監測工作會產生明顯的影響，因此相關的工作人員和空氣質量監測機構需要進行大氣污染四維時空變化規律探索，從而更加準確、有效地刻畫出區域大氣污染的真實情況，而且進行不同時間、不同采樣區、不同垂直高度上大氣污染物的時空分布及變化規律的解析工作，也有利于進行后期的空氣質量監測工作。

4 結論

綜上所述，本文針對無人機三維空氣質量監測工作的系統研究和分析，從文中闡述內容中不難看出，傳統的空氣質量監測工作具有較多的不足，尤其是在高空空氣質量監測方面，無人機三維空氣質量監測就能夠很好地解決這一問題。但是在實際的操作過程中，無人機三維空氣質量監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據采樣方案，避免其他因素產生的影響，提升無人機三維空氣質量監測的效果，為空氣質量預報提供更加科學和精確的數據支持，也為城市規劃時環境評估提供數據支持。