李琪

（廣東慧航無人機(jī)科技有限公司，廣東 東莞 523123）

1 引言

當(dāng)前，我國多地區(qū)面臨大氣環(huán)境質(zhì)量改善的巨大壓力。對(duì)此，業(yè)內(nèi)人士表示，只有精確找到本地污染物排放的來源，結(jié)合地理、氣象、環(huán)境衍生等眾多原因綜合分析，才能實(shí)現(xiàn)大氣污染治理精準(zhǔn)決策和快速應(yīng)對(duì)。

由于大氣污染具有涉及區(qū)域范圍較廣、區(qū)域之間污染物傳輸量大、污染源種類多、污染因子相對(duì)復(fù)雜等特點(diǎn)，環(huán)境監(jiān)管難度非常大。傳統(tǒng)的空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的站房用地面積大，加上其成本及后期運(yùn)營費(fèi)用較高，因此很難進(jìn)行大面積、精密化布點(diǎn)，并且基本上“說不清污染來源”。即使花大價(jià)錢采取空氣監(jiān)測(cè)站加密的方式進(jìn)行監(jiān)控，但以點(diǎn)位進(jìn)行布置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)始終很難判斷污染源遷移和擴(kuò)散的情況，更無從確定污染發(fā)生的直接源頭。

地方政府需要一套快速、高效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，克服人工、視頻、監(jiān)測(cè)站等監(jiān)管存在的數(shù)據(jù)支撐不足等問題，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控，以滿足大氣污染防治的需求。

“大區(qū)域”“精準(zhǔn)”“高效快速”，無人機(jī)技術(shù)仿佛就是面對(duì)這樣的關(guān)鍵詞產(chǎn)生的，但環(huán)保無人機(jī)市場(chǎng)卻一直以來少有人問津。無人機(jī)與大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)能否擦出火花，本文將從多個(gè)方面對(duì)此進(jìn)行探討。

2 無人機(jī)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

2.1 可見光相機(jī)

目前在環(huán)保方面應(yīng)用最廣的，就是傳統(tǒng)的無人機(jī)+可見光云臺(tái)。某些企業(yè)甚至簡單地購買幾臺(tái)“精靈”（無人機(jī)），對(duì)人員稍加培訓(xùn)，就形成“環(huán)保無人機(jī)監(jiān)測(cè)隊(duì)伍”。

不可否認(rèn)，單純的相機(jī)甚至變焦相機(jī)已能夠給環(huán)境監(jiān)測(cè)帶來新的思路，但可見光相機(jī)對(duì)大氣污染物的觀測(cè)僅停留在拍照、視頻階段（詳情見圖1），缺乏精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(duì)污染濃度較大的可見性污染源（如黑煙囪、秸稈焚燒等）進(jìn)行監(jiān)控。

常規(guī)可見光載荷在環(huán)保方面只能算是錦上添花，環(huán)境監(jiān)測(cè)人員難以有效地使用，買回來用不著，最后只會(huì)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(yīng)用。在環(huán)保應(yīng)用方面，搭載紅外成像儀的無人機(jī)，可使無人機(jī)在夜間條件下進(jìn)行監(jiān)測(cè)，熱像儀的熱分布可視化、測(cè)溫等特性能夠較有效地發(fā)現(xiàn)夜間生產(chǎn)的排污企業(yè)（見圖2），可作為遏制夜間偷排的一種手段。

圖1 無人機(jī)發(fā)現(xiàn)的某個(gè)正在排放的黑煙囪

圖2 某企業(yè)日間（可見光）和夜間（熱成像）風(fēng)機(jī)影像

但熱像儀受環(huán)境條件的影響過大，且不同種類企業(yè)的熱分布形式不同，排放溫度與排放量沒有必然的關(guān)聯(lián)，相關(guān)模型復(fù)雜需較長時(shí)間比對(duì)和監(jiān)測(cè)才能得出檢測(cè)結(jié)論，難以滿足環(huán)境監(jiān)測(cè)的迫切需求。

2.3 氣體傳感器

“無人機(jī)+氣體傳感器”即通過無人機(jī)搭載多種因子（如VOCs、SO2、PM2.5）的高精度氣體監(jiān)測(cè)傳感器或氣體采集裝置，在測(cè)區(qū)進(jìn)行大范圍巡查，以尋找污染特征因子的監(jiān)測(cè)方式。

以大疆M100搭載傳感器為例，配合航線規(guī)劃自動(dòng)飛行，不到20分鐘就能覆蓋1平方公里區(qū)域的20～30家工廠，得出氣體濃度分布情況，其效率是傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)人員地面巡查的百倍，同時(shí)一并解決了數(shù)據(jù)、影像、定位等問題。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，便攜式傳感器的精度（如圖3）尤其是基于光離子化檢測(cè)器（PID）方法的傳感器，其檢出限、精度甚至可達(dá)到ppb級(jí)別，已完全可滿足測(cè)量大氣污染物濃度的要求。

圖3 高精度VOCs傳感器的檢測(cè)曲線

在理論支撐方面，彭仲仁[1]教授帶領(lǐng)的上海交通大學(xué)智能交通與無人機(jī)應(yīng)用研究中心早在2011年就已對(duì)無人機(jī)在空氣監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，其《基于無人機(jī)（UAV）技術(shù)的城市空氣質(zhì)量4-D監(jiān)測(cè)研究》《基于無人機(jī)觀測(cè)的PM2.5垂直分布規(guī)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(guī)律

在實(shí)際應(yīng)用方面，一些無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已先行在東莞市等多個(gè)地市使用帶有氣體監(jiān)測(cè)儀的無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，協(xié)助環(huán)境監(jiān)測(cè)執(zhí)法（見圖5），同時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)大隊(duì)依據(jù)無人機(jī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)并查處了不少違法企業(yè)。

圖5 無人機(jī)協(xié)助環(huán)境監(jiān)測(cè)執(zhí)法

圖6 傳統(tǒng)表格式數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)可視化

環(huán)境監(jiān)測(cè)執(zhí)法注重時(shí)效性，企業(yè)的違法偷排情況可能只會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)時(shí)間段，甚至只是某一個(gè)瞬間，這也是環(huán)境監(jiān)測(cè)取證難、執(zhí)法難的原因之一。

在大氣污染調(diào)查工作中，無人機(jī)配備的氣體傳感器會(huì)獲取大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（見圖6），傳統(tǒng)利用excel進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及管理的辦法不僅無法直觀展現(xiàn)污染物的空間分布形態(tài)，大量數(shù)據(jù)還需多個(gè)工作日的處理和分析才能得出相關(guān)結(jié)論，難以為下一步的監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)隱含的空間關(guān)聯(lián)，揭示氣體污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律（見圖7、圖8），有助于科研人員、監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)科學(xué)直觀地判讀并分析大氣污染情況，高效快速地檢測(cè)方式可為后續(xù)一系列的治理措施提供支撐依據(jù)，節(jié)約人力成本。

圖7 結(jié)合地圖信息的氣體格柵分布

圖8 結(jié)合高程的3D可視化數(shù)據(jù)分布

4 案例

某日夜晚，環(huán)保局接到居民投訴有刺鼻異味，環(huán)境監(jiān)測(cè)人員迅速派出兩臺(tái)氣體監(jiān)測(cè)無人機(jī)對(duì)劃定區(qū)域進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)，通過氣體監(jiān)測(cè)地面站顯示的數(shù)據(jù)直觀地查看區(qū)域的氣體濃度分布（見圖9）。區(qū)域1的VOCs濃度均高于其他3個(gè)區(qū)域，VOCs的平均濃度為0.1580ppm，VOCs濃度最高值高達(dá)0.7961ppm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)2個(gè)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(biāo)后，安排執(zhí)法人員進(jìn)行突擊檢查，在短時(shí)間內(nèi)快速處置了環(huán)境突發(fā)事件。

圖9 監(jiān)測(cè)區(qū)域的污染氣體濃度分布圖

圖10 氣體監(jiān)測(cè)無人機(jī)自動(dòng)生成的報(bào)告

5 結(jié)語

在環(huán)保應(yīng)用上，無人機(jī)+傳感器的模式已嶄露頭角，但仍存在不少問題。

（1）監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國家對(duì)環(huán)保監(jiān)測(cè)的方法和標(biāo)準(zhǔn)有嚴(yán)格的規(guī)定，與大氣相關(guān)的技術(shù)規(guī)范已有上百部（如《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（HJ/T 75-2007）等），無人機(jī)是新生事物，其自身的標(biāo)準(zhǔn)目前尚未確定，更遑論無人機(jī)的氣體監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

但沒有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，就沒有依據(jù)，因此無人機(jī)監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)，只能夠作為參考佐證或科研數(shù)據(jù)，并不能直接用于執(zhí)法。

（2）數(shù)據(jù)可靠性

無人機(jī)飛行于空中，所監(jiān)測(cè)到的氣體數(shù)據(jù)并不能說明一定是來自某個(gè)工廠的，因?yàn)楦呖沾髿猸h(huán)流復(fù)雜，同時(shí)還存在無人機(jī)氣流擾動(dòng)等影響，污染物擴(kuò)散模型難以建立，要做到對(duì)污染物垂直柱濃度分布和區(qū)域污染物時(shí)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(shí)驗(yàn)室指標(biāo)已令人滿意，但是其各方面性能仍與監(jiān)測(cè)站的要求有一定的差距，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的各種干擾下，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性尚不能確定。

因此，無人機(jī)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不能簡單地使用，還需要與常規(guī)監(jiān)測(cè)站、大氣環(huán)境、在線監(jiān)控系統(tǒng)等多平臺(tái)數(shù)據(jù)比對(duì)、校準(zhǔn)，并利用大數(shù)據(jù)平臺(tái)和相關(guān)模型進(jìn)行分析解析。同時(shí)應(yīng)結(jié)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(jī)載大氣顆粒物和污染氣體三維觀測(cè)技術(shù)研究，推動(dòng)相關(guān)檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化[2]。

無人機(jī)與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合是發(fā)展趨勢(shì)，“無人機(jī)+氣體監(jiān)測(cè)”已實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)污染物動(dòng)態(tài)變化，快速捕捉污染源的異常排放行為，助力環(huán)境監(jiān)測(cè)人員實(shí)現(xiàn)差異化管理和靶向管理，在突破技術(shù)難題后，未來一定會(huì)有更廣闊的發(fā)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(fù)雜地形區(qū)域大氣污染車載和機(jī)載走航觀測(cè)技術(shù)[Z] .2016.