無人機立體監(jiān)測技術(shù)在村級工業(yè)園大氣環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究

顏培亮

（佛山市禪城生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 佛山 528000）

目前的大氣監(jiān)測手段多以地面監(jiān)測為主，對于垂直方向的大氣污染物還沒有成熟的浮空采樣監(jiān)測技術(shù)。國內(nèi)許多學(xué)者從傳感器的校準(zhǔn)、污染區(qū)域成像技術(shù)、應(yīng)急監(jiān)測等作了許多的研究，但對于污染源立體無組織排放的廢氣監(jiān)測方面，還未有較為系統(tǒng)的、成熟的經(jīng)驗可以借鑒。集中式工業(yè)園區(qū)常常存在多個企業(yè)排放同一種污染物，尤其是無組織排放的大氣污染物，其不可預(yù)見性和干擾性，給環(huán)境監(jiān)測工作帶來了很大的困擾。

1 無人機監(jiān)測系統(tǒng)的選擇

本次研究選用廣東北研航空遙感科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的無人機系統(tǒng)，包括硬件裝備和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。其中硬件設(shè)備包括無人機、空氣實時監(jiān)測設(shè)備等硬件設(shè)備。

1.1 無人機機型的選擇

無人機是六軸無人機，結(jié)合大氣監(jiān)測所需要的性能指標(biāo)組裝的飛行器，相比較其它類型的無人機，主要有以下優(yōu)點［1］：（1）能夠垂直起降，不需要起飛場地，適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境；（2）機身采用防護(hù)外殼密封設(shè)計，縫隙部位使用密封橡膠圈，內(nèi)部具備散熱系統(tǒng)，為設(shè)備提供熱穩(wěn)定環(huán)境工作，符合機身防止進(jìn)水、設(shè)備防止進(jìn)塵需求。防護(hù)等級設(shè)計IP55，能適應(yīng)較為復(fù)雜環(huán)境工作；（3）配備了基礎(chǔ)前視攝像頭，具有影像清晰的特點，飛行拍攝專業(yè)三軸云臺相機，并通過機載GPS，圖像傳輸定位獨立GPS模塊，大氣監(jiān)測軟件單獨配備GPS模塊，三個GPS共同實現(xiàn)飛行定位作業(yè)的精確化。保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實有效。

1.2 大氣實時監(jiān)測設(shè)備的選擇

監(jiān)測平臺搭載深國安電子生產(chǎn)的大氣監(jiān)測設(shè)備SGA-400/700D 系列智能型氣體傳感器模組是一款標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化一體泵吸式氣體檢測產(chǎn)品，內(nèi)部配置一個小型氣泵，使電源帶動氣泵對監(jiān)測區(qū)域的氣體進(jìn)行抽氣采樣，可控制氣流的速度，使傳感器采集的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，監(jiān)測速度比較快。具體檢測原理是，先將國外原裝進(jìn)口的氣體傳感器進(jìn)行信號放大、數(shù)據(jù)處理、智能計算后，再進(jìn)行全量程三點溫濕度補償，然后再用高精確度的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，各因子探測量程能滿足不同行業(yè)空氣排放標(biāo)準(zhǔn)檢測需要，對空氣超標(biāo)排放情況能做定性分析，NO2、O3、VOCS、CO、PM2.5、PM10等傳感器技術(shù)參數(shù)及相關(guān)監(jiān)測，原理如表1。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)及相關(guān)監(jiān)測原理表

1.3 數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)具有實施傳輸和上傳數(shù)據(jù)到服務(wù)器，精準(zhǔn)地圖及GPS定位，實時無人機視頻檢測的功能，實現(xiàn)環(huán)境中臭氧、二氧化氮、一氧化碳等多種有害氣體濃度及壓強、濕度、地理位置等相關(guān)輔助分析參數(shù)的同時檢測，并支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和實時顯示。其通過檢測平臺上配置的GPS定位系統(tǒng)及訊號發(fā)射器直接把實時監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到專用服務(wù)器，飛行操作人員及環(huán)保工作人員能實時通過已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)的軟件實時觀測數(shù)據(jù)測試結(jié)果。并且還能實時得出飛行運動軌跡、高度、飛行速度等數(shù)據(jù)，為保證檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效提供了保障。

2 研究內(nèi)容與技術(shù)路線

2.1 研究對象及內(nèi)容

本研究在禪城區(qū)內(nèi)選取具有代表性的某村級工業(yè)園區(qū)作為研究對象，對園區(qū)排放的無組織廢氣進(jìn)行監(jiān)測，對每次監(jiān)測進(jìn)行圖表、數(shù)據(jù)分析，做出氣體濃度的網(wǎng)格圖，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對、分析評價。

2.2 監(jiān)測方式

參照《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T55-2000）在村級工業(yè)園上空區(qū)域盤旋上升飛行，以定點和巡航飛行方式在工業(yè)園范圍分梯度監(jiān)測［2］，采集從地面到相對高度15～50米高度濃度空間分布數(shù)據(jù)，以每1秒采集1個數(shù)據(jù)，飛行軌跡為S蛇形反復(fù)走行，飛行時間90～120分鐘。對飛行過程中發(fā)現(xiàn)較高污染區(qū)域監(jiān)測不少于20分鐘；同時，在工業(yè)園區(qū)上風(fēng)向?qū)φ拯c監(jiān)測監(jiān)測，與工業(yè)園區(qū)同步監(jiān)測，對照點飛行監(jiān)測時間不少于20分鐘［3］。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析及評價方法

2.3.1 單獨（整體）評價

參照《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095-2012）、《家具制造行業(yè)揮發(fā)性有機化合物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB44814-2010）、《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行）》（HJ633-2-12）的有關(guān)規(guī)定，用空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）分別對NO2、O3、VOCs、CO、PM2.5、PM10監(jiān)測因子進(jìn)行質(zhì)量分類，見表2：

表2 監(jiān)測因子質(zhì)量分類表

2.3.2 比對分析

橫向比對分析工業(yè)園監(jiān)測數(shù)據(jù)、上風(fēng)向?qū)φ拯c數(shù)據(jù)、附近區(qū)域大氣監(jiān)測自動站點數(shù)據(jù)；縱向比對分析每月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行橫向比對統(tǒng)計分析，探索污染物變化規(guī)律。

3 實驗驗證結(jié)果與分析

以禪城區(qū)某工業(yè)園區(qū)為例，該園區(qū)占地約1.84平方公里，主要以不銹鋼加工、汽車零配件、家用電器裝配、塑料制品以及新材料為主體的工業(yè)園區(qū)。在高度為15米的高度飛行監(jiān)測。通過搭載的攝像、GPS和地圖軟件，可以全景顯示區(qū)域飛行衛(wèi)星圖及區(qū)域飛行軌跡。

3.1 傳感器準(zhǔn)確度測試

3.1.1 實驗室標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)

將搭載在無人機上的傳感器放置在實驗室一個密閉空間，分別通入所要校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)氣體，根據(jù)傳感器的特性，通過無人機遙感系統(tǒng)專用算法，進(jìn)行溫濕度補償。

3.1.2 自動站比對校準(zhǔn)

動靜結(jié)合，以大氣監(jiān)測自動站點為參照點，將無人機搭載傳感器飛行高度與大氣站點采樣高度基本相同，動態(tài)測試連續(xù)監(jiān)測20分鐘；將傳感器設(shè)備靜放在國控點50米左右的地方進(jìn)行靜態(tài)測試，將動靜態(tài)數(shù)據(jù)與自動點同時段各項目進(jìn)行比較，并對傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，無人機動態(tài)測試的相關(guān)監(jiān)測因子數(shù)據(jù)相對誤差均在30%以內(nèi)。

3.2 測試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 總體評級

各指標(biāo)（除VOCS外）濃度均比南莊大氣自動監(jiān)控點同期顯著高，片區(qū)PM2.5濃度均值為35.36 μg/m3比南莊監(jiān)控點同期（7 μg/m3）高405%，下風(fēng)面（16.17 μg/m3）比上風(fēng)面（8.04 μg/m3）高101%，網(wǎng)格濃度最大值為826.4 μg/m3。片區(qū)PM10濃度均值為103.9 μg/m3比南莊監(jiān)控點同期（17 μg/m3）高511%，下風(fēng)面（28.74 μg/m3）比上風(fēng)面（14.4 μg/m3）高99%，網(wǎng)格濃度最大值為976.4 μg/m3。片區(qū)NO2濃度均值為22.49 μg/m3比南莊監(jiān)控點同期（4 μg/m3）高462%，下風(fēng)面比上風(fēng)面低，網(wǎng)格濃度最大值為51.3 μg/m3，見表3。

表3 某村級工業(yè)園區(qū)氣體濃度平均值統(tǒng)計表

3.2.2 局部評價

參考《空氣質(zhì)量分指數(shù)及對應(yīng)的污染物項目濃度指數(shù)表》評價，該工業(yè)園區(qū)中局部區(qū)域為良好或輕度污染，主要污染指標(biāo)為PM2.5和PM10，借助監(jiān)測污染區(qū)域精準(zhǔn)GPS定位，可以精準(zhǔn)查找到對應(yīng)污染區(qū)域的情況，見圖1。

圖1 某工業(yè)區(qū)輕度污染區(qū)域圖示

4 結(jié)語

經(jīng)過測試，無人機立體監(jiān)測技術(shù)在村級工業(yè)園大氣環(huán)境監(jiān)測是可行的。（1）通過對所獲取的質(zhì)控校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)建模分析和二次的數(shù)據(jù)優(yōu)化質(zhì)控，無人機動態(tài)測試的相關(guān)監(jiān)測因子，數(shù)據(jù)相對誤差均在30%以內(nèi)，且監(jiān)測數(shù)據(jù)動態(tài)曲線圖和國控點的趨勢基本保持一致（國控點VOCs監(jiān)測數(shù)據(jù)，只進(jìn)行靜態(tài)比對），整體滿足項目的精度要求，對整個項目的進(jìn)行具有重大的指標(biāo)性參考價值；（2）通過對村級工業(yè)園監(jiān)測數(shù)據(jù)與上風(fēng)向?qū)φ拯c數(shù)據(jù)、附近區(qū)域大氣監(jiān)測自動站點數(shù)據(jù)分別比對分析，可以有效分析評判單個工業(yè)園區(qū)的整體空氣質(zhì)量的影響程度。（3）通過對村級工業(yè)園一年每月的監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行橫向比對統(tǒng)計分析，可以繪制大氣污染區(qū)域動態(tài)分布圖，分析污染物變化，探索污染物的空間分布狀況，迅速查明環(huán)境現(xiàn)狀。

總的來說，無人機立體監(jiān)測可實現(xiàn)從地面常規(guī)監(jiān)測，向區(qū)域立體尺度的污染精準(zhǔn)診斷監(jiān)測轉(zhuǎn)變，為村居工業(yè)園治理產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級改造提供相關(guān)技術(shù)支撐，對滿足大氣污染精準(zhǔn)防治具有重要意義，是對《大氣污染物無組織排放監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)一步完善和補充。但還存在一些問題需要繼續(xù)完善：（1）無人機飛行時，旋翼對氣流的干擾較大，可通過風(fēng)場、溫濕度等數(shù)值模擬、大數(shù)據(jù)算法等手段進(jìn)一步提升精準(zhǔn)度；（2）整合地面大氣自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)，搭載遙感、攝像、紅外線等功能，在定性分析的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步做定量分析，實現(xiàn)天地空一體化，進(jìn)一步提高監(jiān)測效率；（3）優(yōu)化監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，形成工業(yè)園區(qū)或者片區(qū)立體監(jiān)測系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，探索無人機對高空無組織排放監(jiān)控常態(tài)化的可行性。