无人机在环境污染物监测中应用价值研究

葛佳琦 陈宇航 杨忠 胡文竞 王炜栋

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

摘  要：现如今，国家对生态文明建设越来越重视，高新技术在生态环境保护领域发挥着重要作用。无人机凭借自身良好的性能和优势，建立一个方位全、领域宽、层次多，覆盖广的环境污染物监控系统。本文对无人机在环境污染物监测中应用价值进行综述，从无人机的选择，无人机在环境监管中的优势以及无人机在水质监测、森林防火、大气污染、船舶污染防治监管中的应用进行阐述，从而为无人机的发展以及在生态环境中的管理应用提供一些参考。

关键词：无人机  环境污染物  生态管理  生态环境

中图分类号：X87          文献标识码：A                   文章编号：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

近十几年来，我国经济飞速发展，与经济快速发展不相匹配的是累积了越来越多的复杂环境问题。目前中国正处于打赢蓝天保卫战的决胜之年，处于生态文明建设的“关键期、攻坚期”，必定要全面加强生态环境保护，坚决打好污染防治攻坚战，做好生态环境监测的网格化管理系统，建立独立、权威、高效的生态环境监测体系。

无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）最初被当做是人类飞行员的替代，它能够执行更多的“枯燥、污染、危险”的任务，在军事领域发挥了越来越重要的作用。科技的进步创新使得无人机在安全保卫、农业、工业等多个方面都有涉及。无人机技术由于其独一无二的优势，在环境监测方面具有极大的潜力。

無人机监测改善了传统监测方式中出现的静态监测、局地观测等弊端问题，打破了卫星遥感监测受制于天气影响、过境时间和精度限制的状况。并且无人机监测具有机动、快速、经济、可搭载各类成像载荷等优势，能为我国生态环境的优化提供精准的数据，为生态环境的管理提供重要保障。

1  无人机的选择

1.1 无人机不同机型特点

无人机根据机型分为固定机翼型和旋转机翼型。固定机翼型飞行时间较长，抗风能力较强，在较多情况下这类型的无人机被应用于污染区域监测。旋转机翼型可以改变螺旋桨的旋转速度，进行长时间的悬浮监控的工作，而且它能够根据需求自由飞升任意高度。通常在进行大气环境监测时都选择旋翼型的无人机。

1.2 无人机系统组成和飞行特点

根据系统组成和飞行特点，无人机可分为滑跑滑翔型、弹射起飞滑翔降落型、手抛伞降型、旋翼直升机。滑跑滑翔型无人机需要特定跑道，搭载高分辨航拍相机，载荷的重量不超过10g，航程最多可达3h，航速达100km/h。弹射起飞滑橇降落型起飞可以采用弹射架起飞，降落时可以滑行，所以这类型无人机对起飞降落的要求不高，相对平缓的地面就可以降落。它用于搭载任务微型合成孔径雷达。手抛伞降型无人机，这种机型是对场地没有任何要求，但易受风力和气流的影响，飞机期间不稳定。手抛伞降型飞机机型较小，不适合航拍。它所搭载的任务量也较小。旋翼直升机飞行稳定，可垂直起降，可在空中悬停，但是没有固定机翼，同等载荷条件下动力消耗较大，可支撑的飞行时间较短。这种适用于环境监测模式，以及需要悬停的场合。

2  无人机在环境监管中的优势

2.1 经济成本低，效益高

无人机在环境监管作业中，一次飞行任务可达100多个监测点，可加载10g油，能保持空中持续飞行16h以上。这样高效的工作效率所消耗的能源却很低，并且无人机机型较小，后期系统的保养和维修简便，能够极大程度减少数据获取的成本。具有监测时间长、区城广、使用成本低的优点。

2.2 安全系数高，受自然环境约束少

无人机在进行环境污染物监测时，操作人员在安全区操控无人机前往重度污染等高危地区工作，它可以在空中任意位置悬停并监测，解决高空污染检测难题。无人机代替工作人员进行环境监测，不仅大大降低了现场应急工作难度，而且还保障了现场工作人员的人身安全。无人机在环境监控时受到自然环境约束较少，能够在及其恶劣条件下多次成功完成低空飞行监测作业，提供监测数据，动态反映污染发展情况。

2.3 智能化、自动化水平高

无人机的自动化、智能化水平较高，可以通过在系统中事先设置飞行路线来达到无人驾驶，飞行过程中，通过不断的微细校对和调整来达到对目标的测量，运用物联网技术获取更为精准的数据分析。除此之外，它能够通过自带的摄像功能来获取高清的图像，能够实现定点监测、长航时监控，在完成某一区域的监测后继续进入以下区域的监测从而观察整体变化趋势以及细节变化。

3  无人机在环境污染物监测中的应用

3.1 无人机在水质监测中的应用

利用无人机遥感系统完成对辽河治理现状航拍和遥感监测，可以得到分辨率为0.1m的实景图像数据，对图像技术评估，能够及时掌握辽河治理重点区域的动态变化情况。这是我国首次将无人机技术应用于水质监测作业中。

我国水域辽阔，水体污染情况复杂，类型多样，因此对污染水体的监测难度较大。有研究将无人机搭载多光谱成像仪，能从整体上观测水质污染动态过程，提供水质污染的具体信息，包括富营养化，水体中外来物种入侵，排污口污染等。直观全面地监测地表水环境质量状况，从而达到对水质特征污染物监视性监测的目的。有研究打破了传统水质监测的固定模式，将无人机与检测水装置结合，进行全天候水质检测，实现远程操作、高效高能的检水作业，具备环境适应能力强、机动安全等优势。

3.2 无人机在森林防火中的监测应用

我国的森林资源丰富，覆盖率约达23%，占地面积2.2亿公顷。火灾是森林以及林业最严重的灾害，对生态环境具有毁灭性的打击，对森林火灾的监控至关重要。如果仅依靠人为监控，需要消耗大量人力、物力、财力。森林中潜在危机较大，一些区域及情况的发生必须要人员亲自勘探。森林中微小火种的出现都会瞬间爆发，引发大规模灾害，人员的人身安全受到极大的威胁。

应用无人机技术突破人们自身的局限，效降低人员出行率，减少意外，保障人员的安全。无人机能够快速直达到需要勘测的每个区域、角落甚至深处。即便在最恶劣的气候环境下，也能实时到达勘测点进行测查，及早发现，及时预报。除此之外，在森林巡测时，无人机能实现不间断的重复飞行，具有覆盖率广、效率高、部署严密的优势，精细程度极高。

在防火灭火补救中，无人机也发挥了重要的功能及作用。无人机在定速巡航监测时，一旦发现火源，其计算机操作系统迅速进行数据统计分析，采取必要措施将火种扑灭。针对解决不了的难题，也会及时传输、发送预警信号，通过合理的灭火措施加以解决，在防火的同时也采取了积极的补救措施。

3.3 无人机在大气污染监测中的应用

近年来，越来越多专家学者将无人机的研究重点转向大气污染等环保领域。无人机技术在大气污染监测中至关重要。它可以免受有毒有害等不良环境与地域条件的影响和限制，产生预警反应后第一时间到达污染事故现场，对事故现场的客观条件进行航拍、监测以及将数据图像信息及时分析处理，对污染事故的程度以及污染事故的范围准确划定。无人机的应急系统处理能够在第一时间对污染事故带来的不利影响进行系统处理，有利于分析污染事故发生的原因以及提出相应的解决措施。

突发性大气污染事故对人民健康、生态环境及社会安定带来了严重的危害。有研究设计了将大气环境监测系统平台与无人驾驶飞机遥感技术相结合。这项技术突破了传统的环境监测车辆的局限性，以及携带便携式设备为主体的应急监测系统，具有速度快、范围广及地形干扰小等优点。无人机技术在环保部门中也起到重要的决策作用，它能为决策管理部门提供快速、准确地事故的污染物类别、污染浓度分布及影响扩散范围等现场动态资料信息，为环保政府部门快速处理污染事故，赢到最宝贵的时间。

有无人机搭载了便携式CH4、nmhc等测试仪探测系统和多种气体检测仪、探测仪以及温度湿度传感器，能很好的执行高空飞行遥感监测任务，能及时监测焚烧等高空污染物，获取最为可靠的数据。并且能够提供监测数据采集、处理分析、存档及多组分气体浓度的实时显示等功能，为研究人员开展研究奠定了重要的基础。

3.4 无人机在船舶污染防治监管中的应用

水上交通快速发展，船舶污染问题日益严重，防治监管工作，水域巡查及动态监管发现难、取证难等因素的受到严峻考验。随着水上科学执法、安全保障、创新研究的需求在不断的提高。无人机机动性强、便携性优、拓展性广等特性，不仅在监管效率和效果方面相较于人工巡查有显著提升，还可大幅降低执法人员工作负担、保障人身安全，并在改善提升监管方式，同时对促进水上交通实现“提质增效、节能减排”。

有研究将多旋翼无人机运用到船舶污染气体监测工作中，这类型的无人机在船舶尾气排放位置能够精准悬停，实现同步移动精准监测。搭载污染监测仪的无人机通过数传或传输单元，将图像数据传送至地面平台，实时远程分析。船舶污染气体监测工作内河航道沿线环境带状分析、单个船舶污染監测点状分析都可以通过无人机监测系统平台进行动态数据跟踪。

船舶污染防治执法中构建海空一体化船舶污染监测体系是当前最为重要的研究重点。通过对大气、陆地、海洋类污染源信息模式化加工、处理、存储，将大气污染源基础数据转换，可用作船舶污染防治执法中的清单数据基础。在后期大量无人机信息采集的积累下，利用大数据分析技术形成可视化大气污染分布预警，为船舶污染防治执法提供丰富的决策依据。

4  结语

无人机技术是极具潜力的环境监测技术，有覆盖用途广、经济成本、机动灵活等诸多优点。本文对无人机在环境污染物监测中应用价值进行综述，从无人机的选择入手，介绍了按机型以及系统组成和飞行特点几种类型无人机的特征优势。提出了无人机在环境监管中经济成本低，效益高安全系数高，受自然环境约束少、智能化、自动化水平高的优势，阐述了无人机在水质、森林防火、大气污染、船舶污染防治监管中具体应用。但在实际应用操作过程中，无人机监测和实施还存在着不同问题，随着技术的不断创新发展，无人机协作监测环境研究技术将会逐步成熟，未来会发挥日益重要的作用。

参考文献

[1] 黄校春，姜国平，贾晓国，等.基于无人机的露天煤场盘煤系统研究与应用[J].电站系统工程，2020，36（5）：64-66.

[2] 蒋平，谢跃雷.基于飞控信号频谱特征的无人机检测与识别系统设计[J].电子器件，2020，43（4）：860-866.

[3] 陈汝强.无人机在森林防火监测方面的运用[J].农业技术与装备，2020（6）：49-50.

[4] 朱云阳，沈宝国，李笑瑜.智能无人机在环境保护中的应用[J].装备制造技术，2020（6）：176-178.

[5] 董智.地方政府生态管理绩效评价及影响因素分析[D].南京：南京邮电大学，2019.

[6] 李敏芳.法制环境、企业生态管理控制与环境绩效[D].扬州：扬州大学，2019.