葛佳琦 陳宇航 楊忠 胡文競(jìng) 王煒棟

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2009-5640-0199

摘? 要：現(xiàn)如今，國(guó)家對(duì)生態(tài)文明建設(shè)越來(lái)越重視，高新技術(shù)在生態(tài)環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。無(wú)人機(jī)憑借自身良好的性能和優(yōu)勢(shì)，建立一個(gè)方位全、領(lǐng)域?qū)?、層次多，覆蓋廣的環(huán)境污染物監(jiān)控系統(tǒng)。本文對(duì)無(wú)人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)中應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行綜述，從無(wú)人機(jī)的選擇，無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管中的優(yōu)勢(shì)以及無(wú)人機(jī)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)、森林防火、大氣污染、船舶污染防治監(jiān)管中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，從而為無(wú)人機(jī)的發(fā)展以及在生態(tài)環(huán)境中的管理應(yīng)用提供一些參考。

關(guān)鍵詞：無(wú)人機(jī)? 環(huán)境污染物? 生態(tài)管理? 生態(tài)環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)：X87 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，與經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展不相匹配的是累積了越來(lái)越多的復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題。目前中國(guó)正處于打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)的決勝之年，處于生態(tài)文明建設(shè)的“關(guān)鍵期、攻堅(jiān)期”，必定要全面加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)，堅(jiān)決打好污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)，做好生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的網(wǎng)格化管理系統(tǒng)，建立獨(dú)立、權(quán)威、高效的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系。

無(wú)人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）最初被當(dāng)做是人類(lèi)飛行員的替代，它能夠執(zhí)行更多的“枯燥、污染、危險(xiǎn)”的任務(wù)，在軍事領(lǐng)域發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。科技的進(jìn)步創(chuàng)新使得無(wú)人機(jī)在安全保衛(wèi)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等多個(gè)方面都有涉及。無(wú)人機(jī)技術(shù)由于其獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有極大的潛力。

無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)改善了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方式中出現(xiàn)的靜態(tài)監(jiān)測(cè)、局地觀測(cè)等弊端問(wèn)題，打破了衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)受制于天氣影響、過(guò)境時(shí)間和精度限制的狀況。并且無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)具有機(jī)動(dòng)、快速、經(jīng)濟(jì)、可搭載各類(lèi)成像載荷等優(yōu)勢(shì)，能為我國(guó)生態(tài)環(huán)境的優(yōu)化提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，為生態(tài)環(huán)境的管理提供重要保障。

1? 無(wú)人機(jī)的選擇

1.1 無(wú)人機(jī)不同機(jī)型特點(diǎn)

無(wú)人機(jī)根據(jù)機(jī)型分為固定機(jī)翼型和旋轉(zhuǎn)機(jī)翼型。固定機(jī)翼型飛行時(shí)間較長(zhǎng)，抗風(fēng)能力較強(qiáng)，在較多情況下這類(lèi)型的無(wú)人機(jī)被應(yīng)用于污染區(qū)域監(jiān)測(cè)。旋轉(zhuǎn)機(jī)翼型可以改變螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的懸浮監(jiān)控的工作，而且它能夠根據(jù)需求自由飛升任意高度。通常在進(jìn)行大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)時(shí)都選擇旋翼型的無(wú)人機(jī)。

1.2 無(wú)人機(jī)系統(tǒng)組成和飛行特點(diǎn)

根據(jù)系統(tǒng)組成和飛行特點(diǎn)，無(wú)人機(jī)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(jī)。滑跑滑翔型無(wú)人機(jī)需要特定跑道，搭載高分辨航拍相機(jī)，載荷的重量不超過(guò)10g，航程最多可達(dá)3h，航速達(dá)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(shí)可以滑行，所以這類(lèi)型無(wú)人機(jī)對(duì)起飛降落的要求不高，相對(duì)平緩的地面就可以降落。它用于搭載任務(wù)微型合成孔徑雷達(dá)。手拋傘降型無(wú)人機(jī)，這種機(jī)型是對(duì)場(chǎng)地沒(méi)有任何要求，但易受風(fēng)力和氣流的影響，飛機(jī)期間不穩(wěn)定。手拋傘降型飛機(jī)機(jī)型較小，不適合航拍。它所搭載的任務(wù)量也較小。旋翼直升機(jī)飛行穩(wěn)定，可垂直起降，可在空中懸停，但是沒(méi)有固定機(jī)翼，同等載荷條件下動(dòng)力消耗較大，可支撐的飛行時(shí)間較短。這種適用于環(huán)境監(jiān)測(cè)模式，以及需要懸停的場(chǎng)合。

2? 無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管中的優(yōu)勢(shì)

2.1 經(jīng)濟(jì)成本低，效益高

無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管作業(yè)中，一次飛行任務(wù)可達(dá)100多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可加載10g油，能保持空中持續(xù)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(wú)人機(jī)機(jī)型較小，后期系統(tǒng)的保養(yǎng)和維修簡(jiǎn)便，能夠極大程度減少數(shù)據(jù)獲取的成本。具有監(jiān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、區(qū)城廣、使用成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2.2 安全系數(shù)高，受自然環(huán)境約束少

無(wú)人機(jī)在進(jìn)行環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)時(shí)，操作人員在安全區(qū)操控?zé)o人機(jī)前往重度污染等高危地區(qū)工作，它可以在空中任意位置懸停并監(jiān)測(cè)，解決高空污染檢測(cè)難題。無(wú)人機(jī)代替工作人員進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，不僅大大降低了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作難度，而且還保障了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的人身安全。無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)控時(shí)受到自然環(huán)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(jiān)測(cè)作業(yè)，提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)反映污染發(fā)展情況。

2.3 智能化、自動(dòng)化水平高

無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化、智能化水平較高，可以通過(guò)在系統(tǒng)中事先設(shè)置飛行路線(xiàn)來(lái)達(dá)到無(wú)人駕駛，飛行過(guò)程中，通過(guò)不斷的微細(xì)校對(duì)和調(diào)整來(lái)達(dá)到對(duì)目標(biāo)的測(cè)量，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析。除此之外，它能夠通過(guò)自帶的攝像功能來(lái)獲取高清的圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)航時(shí)監(jiān)控，在完成某一區(qū)域的監(jiān)測(cè)后繼續(xù)進(jìn)入以下區(qū)域的監(jiān)測(cè)從而觀察整體變化趨勢(shì)以及細(xì)節(jié)變化。

3? 無(wú)人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1 無(wú)人機(jī)在水質(zhì)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

利用無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)完成對(duì)遼河治理現(xiàn)狀航拍和遙感監(jiān)測(cè)，可以得到分辨率為0.1m的實(shí)景圖像數(shù)據(jù)，對(duì)圖像技術(shù)評(píng)估，能夠及時(shí)掌握遼河治理重點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變化情況。這是我國(guó)首次將無(wú)人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)作業(yè)中。

我國(guó)水域遼闊，水體污染情況復(fù)雜，類(lèi)型多樣，因此對(duì)污染水體的監(jiān)測(cè)難度較大。有研究將無(wú)人機(jī)搭載多光譜成像儀，能從整體上觀測(cè)水質(zhì)污染動(dòng)態(tài)過(guò)程，提供水質(zhì)污染的具體信息，包括富營(yíng)養(yǎng)化，水體中外來(lái)物種入侵，排污口污染等。直觀全面地監(jiān)測(cè)地表水環(huán)境質(zhì)量狀況，從而達(dá)到對(duì)水質(zhì)特征污染物監(jiān)視性監(jiān)測(cè)的目的。有研究打破了傳統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)的固定模式，將無(wú)人機(jī)與檢測(cè)水裝置結(jié)合，進(jìn)行全天候水質(zhì)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、高效高能的檢水作業(yè)，具備環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)安全等優(yōu)勢(shì)。

3.2 無(wú)人機(jī)在森林防火中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用

我國(guó)的森林資源豐富，覆蓋率約達(dá)23%，占地面積2.2億公頃。火災(zāi)是森林以及林業(yè)最嚴(yán)重的災(zāi)害，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有毀滅性的打擊，對(duì)森林火災(zāi)的監(jiān)控至關(guān)重要。如果僅依靠人為監(jiān)控，需要消耗大量人力、物力、財(cái)力。森林中潛在危機(jī)較大，一些區(qū)域及情況的發(fā)生必須要人員親自勘探。森林中微小火種的出現(xiàn)都會(huì)瞬間爆發(fā)，引發(fā)大規(guī)模災(zāi)害，人員的人身安全受到極大的威脅。

應(yīng)用無(wú)人機(jī)技術(shù)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(wú)人機(jī)能夠快速直達(dá)到需要勘測(cè)的每個(gè)區(qū)域、角落甚至深處。即便在最?lèi)毫拥臍夂颦h(huán)境下，也能實(shí)時(shí)到達(dá)勘測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)查，及早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)預(yù)報(bào)。除此之外，在森林巡測(cè)時(shí)，無(wú)人機(jī)能實(shí)現(xiàn)不間斷的重復(fù)飛行，具有覆蓋率廣、效率高、部署嚴(yán)密的優(yōu)勢(shì)，精細(xì)程度極高。

在防火滅火補(bǔ)救中，無(wú)人機(jī)也發(fā)揮了重要的功能及作用。無(wú)人機(jī)在定速巡航監(jiān)測(cè)時(shí)，一旦發(fā)現(xiàn)火源，其計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)迅速進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，采取必要措施將火種撲滅。針對(duì)解決不了的難題，也會(huì)及時(shí)傳輸、發(fā)送預(yù)警信號(hào)，通過(guò)合理的滅火措施加以解決，在防火的同時(shí)也采取了積極的補(bǔ)救措施。

3.3 無(wú)人機(jī)在大氣污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

近年來(lái)，越來(lái)越多專(zhuān)家學(xué)者將無(wú)人機(jī)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向大氣污染等環(huán)保領(lǐng)域。無(wú)人機(jī)技術(shù)在大氣污染監(jiān)測(cè)中至關(guān)重要。它可以免受有毒有害等不良環(huán)境與地域條件的影響和限制，產(chǎn)生預(yù)警反應(yīng)后第一時(shí)間到達(dá)污染事故現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)的客觀條件進(jìn)行航拍、監(jiān)測(cè)以及將數(shù)據(jù)圖像信息及時(shí)分析處理，對(duì)污染事故的程度以及污染事故的范圍準(zhǔn)確劃定。無(wú)人機(jī)的應(yīng)急系統(tǒng)處理能夠在第一時(shí)間對(duì)污染事故帶來(lái)的不利影響進(jìn)行系統(tǒng)處理，有利于分析污染事故發(fā)生的原因以及提出相應(yīng)的解決措施。

突發(fā)性大氣污染事故對(duì)人民健康、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)安定帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。有研究設(shè)計(jì)了將大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)與無(wú)人駕駛飛機(jī)遙感技術(shù)相結(jié)合。這項(xiàng)技術(shù)突破了傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)車(chē)輛的局限性，以及攜帶便攜式設(shè)備為主體的應(yīng)急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有速度快、范圍廣及地形干擾小等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)人機(jī)技術(shù)在環(huán)保部門(mén)中也起到重要的決策作用，它能為決策管理部門(mén)提供快速、準(zhǔn)確地事故的污染物類(lèi)別、污染濃度分布及影響擴(kuò)散范圍等現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)資料信息，為環(huán)保政府部門(mén)快速處理污染事故，贏到最寶貴的時(shí)間。

有無(wú)人機(jī)搭載了便攜式CH4、nmhc等測(cè)試儀探測(cè)系統(tǒng)和多種氣體檢測(cè)儀、探測(cè)儀以及溫度濕度傳感器，能很好的執(zhí)行高空飛行遙感監(jiān)測(cè)任務(wù)，能及時(shí)監(jiān)測(cè)焚燒等高空污染物，獲取最為可靠的數(shù)據(jù)。并且能夠提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理分析、存檔及多組分氣體濃度的實(shí)時(shí)顯示等功能，為研究人員開(kāi)展研究奠定了重要的基礎(chǔ)。

3.4 無(wú)人機(jī)在船舶污染防治監(jiān)管中的應(yīng)用

水上交通快速發(fā)展，船舶污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，防治監(jiān)管工作，水域巡查及動(dòng)態(tài)監(jiān)管發(fā)現(xiàn)難、取證難等因素的受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。隨著水上科學(xué)執(zhí)法、安全保障、創(chuàng)新研究的需求在不斷的提高。無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、便攜性?xún)?yōu)、拓展性廣等特性，不僅在監(jiān)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(zhí)法人員工作負(fù)擔(dān)、保障人身安全，并在改善提升監(jiān)管方式，同時(shí)對(duì)促進(jìn)水上交通實(shí)現(xiàn)“提質(zhì)增效、節(jié)能減排”。

有研究將多旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)用到船舶污染氣體監(jiān)測(cè)工作中，這類(lèi)型的無(wú)人機(jī)在船舶尾氣排放位置能夠精準(zhǔn)懸停，實(shí)現(xiàn)同步移動(dòng)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。搭載污染監(jiān)測(cè)儀的無(wú)人機(jī)通過(guò)數(shù)傳或傳輸單元，將圖像數(shù)據(jù)傳送至地面平臺(tái)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程分析。船舶污染氣體監(jiān)測(cè)工作內(nèi)河航道沿線(xiàn)環(huán)境帶狀分析、單個(gè)船舶污染監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀分析都可以通過(guò)無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)跟蹤。

船舶污染防治執(zhí)法中構(gòu)建?？找惑w化船舶污染監(jiān)測(cè)體系是當(dāng)前最為重要的研究重點(diǎn)。通過(guò)對(duì)大氣、陸地、海洋類(lèi)污染源信息模式化加工、處理、存儲(chǔ)，將大氣污染源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可用作船舶污染防治執(zhí)法中的清單數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在后期大量無(wú)人機(jī)信息采集的積累下，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)形成可視化大氣污染分布預(yù)警，為船舶污染防治執(zhí)法提供豐富的決策依據(jù)。

4? 結(jié)語(yǔ)

無(wú)人機(jī)技術(shù)是極具潛力的環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，有覆蓋用途廣、經(jīng)濟(jì)成本、機(jī)動(dòng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)無(wú)人機(jī)在環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)中應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行綜述，從無(wú)人機(jī)的選擇入手，介紹了按機(jī)型以及系統(tǒng)組成和飛行特點(diǎn)幾種類(lèi)型無(wú)人機(jī)的特征優(yōu)勢(shì)。提出了無(wú)人機(jī)在環(huán)境監(jiān)管中經(jīng)濟(jì)成本低，效益高安全系數(shù)高，受自然環(huán)境約束少、智能化、自動(dòng)化水平高的優(yōu)勢(shì)，闡述了無(wú)人機(jī)在水質(zhì)、森林防火、大氣污染、船舶污染防治監(jiān)管中具體應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用操作過(guò)程中，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)和實(shí)施還存在著不同問(wèn)題，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，無(wú)人機(jī)協(xié)作監(jiān)測(cè)環(huán)境研究技術(shù)將會(huì)逐步成熟，未來(lái)會(huì)發(fā)揮日益重要的作用。

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