陳敏 李博陽

(武漢博感空間科技有限公司 湖北武漢 430074)

中共中央辦公廳、國務院辦公廳于2019年印發(fā)了《關于構建現(xiàn)代環(huán)境治理體系的指導意見》，要求強化監(jiān)測能力建設、加快構建陸海統(tǒng)籌、天地一體、上下協(xié)同、信息共享的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量、污染源和生態(tài)狀況監(jiān)測全覆蓋[1]。實行“誰考核、誰監(jiān)測”，不斷完善生態(tài)環(huán)境監(jiān)測技術體系，全面提高監(jiān)測自動化、標準化、信息化水平，推動實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量預報預警，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)“真、準、全”。推進信息化建設，形成生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)一本臺賬、一張網(wǎng)絡、一個窗口。加大監(jiān)測技術裝備研發(fā)與應用力度，推動監(jiān)測裝備精準、快速、便攜化發(fā)展[2]。

無人機加載生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設備協(xié)同巡查系統(tǒng)作為一項高新技術，具有響應快、受天氣與地理空間環(huán)境影響小、使用便捷、成本費用低等突出優(yōu)點。特別是在機動性、遙感設備的可更換性、可重復觀測性以及立體觀測等很多方面都具有明顯優(yōu)勢[3]。該技術能有效彌補人工采樣和自動監(jiān)測站點在地域分布上的局限性，可以飛到哪里便測到哪里，采樣與分析同步進行，充分節(jié)省監(jiān)測所需時間。尤其是面對突發(fā)情況時，更顯示其優(yōu)勢，可快速追蹤污染源位置，協(xié)助制訂應急方案。

1 系統(tǒng)組成

無人機加載環(huán)境監(jiān)測設備協(xié)同巡檢系統(tǒng)包含無人機環(huán)境監(jiān)測設備加載、遠程操控以及無人機平臺集成分析儀網(wǎng)絡系統(tǒng)模型搭建，如圖1所示。分析任務，確定傳感器型號和數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)后，確定載荷重量，進而對無人機進行選型，系統(tǒng)線路規(guī)劃，銜接零部件個性化定制，構建無人機平臺，系統(tǒng)集成，最后交付使用，如圖2所示。

圖1 無人機加載環(huán)境監(jiān)測設備系統(tǒng)

圖2 無人機平臺集成傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)模型

2 無人機采集系統(tǒng)與監(jiān)測儀

水樣、氣體采集是環(huán)境監(jiān)測工作中的重要基礎內(nèi)容，其采集樣品質(zhì)量是環(huán)境保護監(jiān)測分析工作準確、科學、合理進行的前提，而在使用無人機進行實際水樣采集工作中，其工作質(zhì)量經(jīng)常會受到采集技術、無人機樣品采集裝置、采集環(huán)境等的諸多因素影響，這一定程度上也影響了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確率，傳統(tǒng)的無人機樣品采集裝置結(jié)構簡單，仍存在以下缺陷[4]：一是無論水樣采集還是氣體采集，都只能單組樣品采集，不能單次飛行，完成多組采樣；二是采集裝置只適合采集淺層水樣但很難對深層次水體進行采樣；三是具備深水處采集能力的無人機采集裝置，其繞管容易在采樣過程中出現(xiàn)混亂[5]。綜上所述，現(xiàn)有技術中的無人機采集裝置不夠完善。

本文研究了一種無人機采集裝置與系統(tǒng)，如圖3所示，其主要包括無人機主體與采集裝置。無人機主體包括機身，機身上設有蓄電池、控制主板、高度測量儀、GPS 導航儀以及無線收發(fā)器，蓄電池與控制主板電連接，在機身的4個拐角處設有向外延伸的用以驅(qū)動機身升起的動力裝置。采集裝置設在無人機的底部且位于兩個支撐架之間，其中采集箱是采集裝置之一，采集箱的內(nèi)部設有水樣采集裝置與氣體采樣裝置，且水樣采集裝置和氣體采樣裝置之間用隔板隔開解決了氣體、水樣采集不能自由切換的問題與深水處水樣采集繞管混亂的問題，不但提高了取樣工作的工作效率，也有利于快速準確地采集大氣、水體樣品，用于環(huán)境質(zhì)量檢測。

圖3 無人機搭載水質(zhì)采樣裝置

氣體監(jiān)測分析儀可監(jiān)測氣體基本六參數(shù)（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），水質(zhì)監(jiān)測儀可監(jiān)測6項水質(zhì)指標：水質(zhì)五參數(shù)（溫度、pH、溶解氧、電導率、濁度）和氨氮，無人機搭載水質(zhì)監(jiān)測儀如圖4所示。

圖4 無人機搭載水質(zhì)監(jiān)測儀

3 系統(tǒng)軟硬件研制

研發(fā)續(xù)航能力長的無人機加載平臺，一是減少機身自重，增強機身原位監(jiān)測時的穩(wěn)定性；二是降低加載儀器和裝置的功耗；三是應用5G技術，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。飛行平臺性能參數(shù)：飛行時間60 min，起飛最大重量45 kg，最大安全負重20 kg。機載氣體監(jiān)測分析儀，可監(jiān)測氣體基本六參數(shù)（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），具備擴展監(jiān)測功能；水質(zhì)采樣裝置，包含升降和儲存單元；機載水質(zhì)監(jiān)測儀，可監(jiān)測水質(zhì)五參數(shù)（溫度、pH、溶解氧、電導率、濁度）和氨氮，具備擴展監(jiān)測功能。具備GPS懸停、指點飛行、航線自動飛行、一鍵返回等功能。支持全高清1 080 p/60 fps圖傳輸出；支持5G信號傳輸；延時低至50 ms；信號傳輸距離遠達5 km。同時開發(fā)了在線一體化環(huán)境監(jiān)測平臺，可對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行接收，對數(shù)據(jù)進行智能化分析及預警處理。

系統(tǒng)軟硬件具體開發(fā)設計包括以下幾點：（1）微型氣體六參數(shù)監(jiān)測儀的硬件開發(fā)，嵌入式程序開發(fā)，整體組裝，傳感器標定；（2）作業(yè)App，定點采樣的坐標輸入，導入采樣點集，自動規(guī)劃并采樣，按標準輸出數(shù)據(jù)到平臺；（3）環(huán)境監(jiān)測平臺系統(tǒng)具有綜合監(jiān)管、在線監(jiān)測、巡視巡察（協(xié)同巡查任務安排）、歷史查詢功能；（4）環(huán)境監(jiān)測平臺后臺管理系統(tǒng)，具有空氣污染物管理、水環(huán)境標準管理、人員管理、角色管理等功能；（5）將監(jiān)測數(shù)據(jù)接入環(huán)境監(jiān)測平臺系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

本文實現(xiàn)了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測巡查應用場景下的無人機和加載環(huán)境監(jiān)測設備的模塊化、通用化、系統(tǒng)化，如圖5所示。在進行無人機系統(tǒng)設計時優(yōu)化其內(nèi)部結(jié)構提升續(xù)航能力和穩(wěn)定性，運用環(huán)境監(jiān)測設備的模塊化技術，根據(jù)任務性質(zhì)采用不同的功能設備來完成任務，真正實現(xiàn)一機多用。通過搭載空氣監(jiān)測儀、水質(zhì)采樣裝置、水質(zhì)檢測儀，可分別實現(xiàn)空氣質(zhì)量監(jiān)測、河流水域自動采集水樣和水質(zhì)原位監(jiān)測，并搭配平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)各項任務單元的協(xié)同作業(yè)與管理，如圖6所示。

圖5 無人機App操作界面

圖6 任務規(guī)劃操作界面

通過建立無人機平臺加載環(huán)境監(jiān)測設備，構建空地一體化的環(huán)境監(jiān)測與管理體系，助力推動我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設，意義重大：一是推進無人機在環(huán)保領域的技術應用，彌補人工采樣和自動監(jiān)測站點在地域分布上的局限性，具有廣闊的應用前景；二是為環(huán)境監(jiān)測提供了快速、便捷的監(jiān)測手段，減少天氣與地理空間對環(huán)境監(jiān)測的影響，增強環(huán)境安全監(jiān)管的及時性；三是可應對各種環(huán)境污染應急事件，為各類環(huán)境污染應急指揮提供技術支撐[6]。

項目成果可在環(huán)保項目上推廣使用，減少巡察人員投入、大幅縮短巡察周期、提高巡察效率、保證巡察質(zhì)量，可服務于政府生態(tài)環(huán)境部門的生態(tài)環(huán)境本底調(diào)查、環(huán)境執(zhí)法日常巡查、應急事故現(xiàn)場調(diào)查等領域，具有較高的社會經(jīng)濟效益，具體如圖7、圖8所示。

圖7 基于平臺進行河道查詢

圖8 基于平臺的河道管理

5 結(jié)論

本文通過建立無人機平臺加載環(huán)境監(jiān)測設備，構建空、地一體化的環(huán)境監(jiān)測與管理體系，推動我國生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建設，意義重大。主要表現(xiàn)在：（1）推進無人機在環(huán)保領域的技術應用，彌補人工采樣和自動監(jiān)測站點在地域分布上的局限性，具有廣闊的應用前景；（2）為環(huán)境監(jiān)測提供了快速、便捷的監(jiān)測手段，減少天氣及地理空間對環(huán)境監(jiān)測的影響，增強環(huán)境安全監(jiān)管的及時性；（3）可應對各種環(huán)境污染應急事件，為各類環(huán)境污染應急指揮提供技術支撐。