顏培亮

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

目前的大氣監(jiān)測(cè)手段多以地面監(jiān)測(cè)為主，對(duì)于垂直方向的大氣污染物還沒(méi)有成熟的浮空采樣監(jiān)測(cè)技術(shù)。國(guó)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(cè)等作了許多的研究，但對(duì)于污染源立體無(wú)組織排放的廢氣監(jiān)測(cè)方面，還未有較為系統(tǒng)的、成熟的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。集中式工業(yè)園區(qū)常常存在多個(gè)企業(yè)排放同一種污染物，尤其是無(wú)組織排放的大氣污染物，其不可預(yù)見(jiàn)性和干擾性，給環(huán)境監(jiān)測(cè)工作帶來(lái)了很大的困擾。

1 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)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(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)、空氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備等硬件設(shè)備。

1.1 無(wú)人機(jī)機(jī)型的選擇

無(wú)人機(jī)是六軸無(wú)人機(jī)，結(jié)合大氣監(jiān)測(cè)所需要的性能指標(biāo)組裝的飛行器，相比較其它類型的無(wú)人機(jī)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)［1］：（1）能夠垂直起降，不需要起飛場(chǎng)地，適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境；（2）機(jī)身采用防護(hù)外殼密封設(shè)計(jì)，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(jī)身防止進(jìn)水、設(shè)備防止進(jìn)塵需求。防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)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(diǎn)，飛行拍攝專業(yè)三軸云臺(tái)相機(jī)，并通過(guò)機(jī)載GPS，圖像傳輸定位獨(dú)立GPS模塊，大氣監(jiān)測(cè)軟件單獨(dú)配備GPS模塊，三個(gè)GPS共同實(shí)現(xiàn)飛行定位作業(yè)的精確化。保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效。

1.2 大氣實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的選擇

監(jiān)測(cè)平臺(tái)搭載深國(guó)安電子生產(chǎn)的大氣監(jiān)測(cè)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(cè)產(chǎn)品，內(nèi)部配置一個(gè)小型氣泵，使電源帶動(dòng)氣泵對(duì)監(jiān)測(cè)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(cè)速度比較快。具體檢測(cè)原理是，先將國(guó)外原裝進(jìn)口的氣體傳感器進(jìn)行信號(hào)放大、數(shù)據(jù)處理、智能計(jì)算后，再進(jìn)行全量程三點(diǎn)溫濕度補(bǔ)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(cè)量程能滿足不同行業(yè)空氣排放標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)需要，對(duì)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(cè)，原理如表1。

表1 傳感器技術(shù)參數(shù)及相關(guān)監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)無(wú)人機(jī)視頻檢測(cè)的功能，實(shí)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(qiáng)、濕度、地理位置等相關(guān)輔助分析參數(shù)的同時(shí)檢測(cè)，并支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和實(shí)時(shí)顯示。其通過(guò)檢測(cè)平臺(tái)上配置的GPS定位系統(tǒng)及訊號(hào)發(fā)射器直接把實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)通過(guò)已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)的軟件實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果。并且還能實(shí)時(shí)得出飛行運(yùn)動(dòng)軌跡、高度、飛行速度等數(shù)據(jù)，為保證檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效提供了保障。

2 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線

2.1 研究對(duì)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(jí)工業(yè)園區(qū)作為研究對(duì)象，對(duì)園區(qū)排放的無(wú)組織廢氣進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)每次監(jiān)測(cè)進(jìn)行圖表、數(shù)據(jù)分析，做出氣體濃度的網(wǎng)格圖，并對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)、分析評(píng)價(jià)。

2.2 監(jiān)測(cè)方式

參照《大氣污染物無(wú)組織排放監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》（HJ/T55-2000）在村級(jí)工業(yè)園上空區(qū)域盤(pán)旋上升飛行，以定點(diǎn)和巡航飛行方式在工業(yè)園范圍分梯度監(jiān)測(cè)［2］，采集從地面到相對(duì)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(gè)數(shù)據(jù)，飛行軌跡為S蛇形反復(fù)走行，飛行時(shí)間90～120分鐘。對(duì)飛行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)較高污染區(qū)域監(jiān)測(cè)不少于20分鐘；同時(shí)，在工業(yè)園區(qū)上風(fēng)向?qū)φ拯c(diǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)，與工業(yè)園區(qū)同步監(jiān)測(cè)，對(duì)照點(diǎn)飛行監(jiān)測(cè)時(shí)間不少于20分鐘［3］。

2.3 數(shù)據(jù)處理分析及評(píng)價(jià)方法

2.3.1 單獨(dú)（整體）評(píng)價(jià)

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(jī)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(duì)NO2、O3、VOCs、CO、PM2.5、PM10監(jiān)測(cè)因子進(jìn)行質(zhì)量分類，見(jiàn)表2：

表2 監(jiān)測(cè)因子質(zhì)量分類表

2.3.2 比對(duì)分析

橫向比對(duì)分析工業(yè)園監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、上風(fēng)向?qū)φ拯c(diǎn)數(shù)據(jù)、附近區(qū)域大氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)；縱向比對(duì)分析每月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行橫向比對(duì)統(tǒng)計(jì)分析，探索污染物變化規(guī)律。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(cè)。通過(guò)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(cè)試

3.1.1 實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)

將搭載在無(wú)人機(jī)上的傳感器放置在實(shí)驗(yàn)室一個(gè)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(guò)無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)專用算法，進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償。

3.1.2 自動(dòng)站比對(duì)校準(zhǔn)

動(dòng)靜結(jié)合，以大氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)站點(diǎn)為參照點(diǎn)，將無(wú)人機(jī)搭載傳感器飛行高度與大氣站點(diǎn)采樣高度基本相同，動(dòng)態(tài)測(cè)試連續(xù)監(jiān)測(cè)20分鐘；將傳感器設(shè)備靜放在國(guó)控點(diǎn)50米左右的地方進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，將動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)與自動(dòng)點(diǎn)同時(shí)段各項(xiàng)目進(jìn)行比較，并對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，無(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試的相關(guān)監(jiān)測(cè)因子數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)。

3.2 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

3.2.1 總體評(píng)級(jí)

各指標(biāo)（除VOCS外）濃度均比南莊大氣自動(dòng)監(jiān)控點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jiàn)表3。

表3 某村級(jí)工業(yè)園區(qū)氣體濃度平均值統(tǒng)計(jì)表

3.2.2 局部評(píng)價(jià)

參考《空氣質(zhì)量分指數(shù)及對(duì)應(yīng)的污染物項(xiàng)目濃度指數(shù)表》評(píng)價(jià)，該工業(yè)園區(qū)中局部區(qū)域?yàn)榱己没蜉p度污染，主要污染指標(biāo)為PM2.5和PM10，借助監(jiān)測(cè)污染區(qū)域精準(zhǔn)GPS定位，可以精準(zhǔn)查找到對(duì)應(yīng)污染區(qū)域的情況，見(jiàn)圖1。

圖1 某工業(yè)區(qū)輕度污染區(qū)域圖示

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，無(wú)人機(jī)立體監(jiān)測(cè)技術(shù)在村級(jí)工業(yè)園大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)是可行的。（1）通過(guò)對(duì)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(wú)人機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試的相關(guān)監(jiān)測(cè)因子，數(shù)據(jù)相對(duì)誤差均在30%以內(nèi)，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)曲線圖和國(guó)控點(diǎn)的趨勢(shì)基本保持一致（國(guó)控點(diǎn)VOCs監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，只進(jìn)行靜態(tài)比對(duì)），整體滿足項(xiàng)目的精度要求，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的進(jìn)行具有重大的指標(biāo)性參考價(jià)值；（2）通過(guò)對(duì)村級(jí)工業(yè)園監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與上風(fēng)向?qū)φ拯c(diǎn)數(shù)據(jù)、附近區(qū)域大氣監(jiān)測(cè)自動(dòng)站點(diǎn)數(shù)據(jù)分別比對(duì)分析，可以有效分析評(píng)判單個(gè)工業(yè)園區(qū)的整體空氣質(zhì)量的影響程度。（3）通過(guò)對(duì)村級(jí)工業(yè)園一年每月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行橫向比對(duì)統(tǒng)計(jì)分析，可以繪制大氣污染區(qū)域動(dòng)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(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)立體監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)從地面常規(guī)監(jiān)測(cè)，向區(qū)域立體尺度的污染精準(zhǔn)診斷監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，為村居工業(yè)園治理產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級(jí)改造提供相關(guān)技術(shù)支撐，對(duì)滿足大氣污染精準(zhǔn)防治具有重要意義，是對(duì)《大氣污染物無(wú)組織排放監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》進(jìn)一步完善和補(bǔ)充。但還存在一些問(wèn)題需要繼續(xù)完善：（1）無(wú)人機(jī)飛行時(shí)，旋翼對(duì)氣流的干擾較大，可通過(guò)風(fēng)場(chǎng)、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(dòng)監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)天地空一體化，進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)效率；（3）優(yōu)化監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，形成工業(yè)園區(qū)或者片區(qū)立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，探索無(wú)人機(jī)對(duì)高空無(wú)組織排放監(jiān)控常態(tài)化的可行性。