无人机立体监测技术在村级工业园大气环境监测中的应用研究

颜培亮

（佛山市禅城生态环境监测站，广东 佛山 528000）

目前的大气监测手段多以地面监测为主，对于垂直方向的大气污染物还没有成熟的浮空采样监测技术。国内许多学者从传感器的校准、污染区域成像技术、应急监测等作了许多的研究，但对于污染源立体无组织排放的废气监测方面，还未有较为系统的、成熟的经验可以借鉴。集中式工业园区常常存在多个企业排放同一种污染物，尤其是无组织排放的大气污染物，其不可预见性和干扰性，给环境监测工作带来了很大的困扰。

1 无人机监测系统的选择

本次研究选用广东北研航空遥感科技有限公司研发生产的无人机系统，包括硬件装备和数据处理软件系统。其中硬件设备包括无人机、空气实时监测设备等硬件设备。

1.1 无人机机型的选择

无人机是六轴无人机，结合大气监测所需要的性能指标组装的飞行器，相比较其它类型的无人机，主要有以下优点［1］：（1）能够垂直起降，不需要起飞场地，适应于各种复杂环境；（2）机身采用防护外壳密封设计，缝隙部位使用密封橡胶圈，内部具备散热系统，为设备提供热稳定环境工作，符合机身防止进水、设备防止进尘需求。防护等级设计IP55，能适应较为复杂环境工作；（3）配备了基础前视摄像头，具有影像清晰的特点，飞行拍摄专业三轴云台相机，并通过机载GPS，图像传输定位独立GPS模块，大气监测软件单独配备GPS模块，三个GPS共同实现飞行定位作业的精确化。保证监测数据的真实有效。

1.2 大气实时监测设备的选择

监测平台搭载深国安电子生产的大气监测设备SGA-400/700D 系列智能型气体传感器模组是一款标准化、模块化一体泵吸式气体检测产品，内部配置一个小型气泵，使电源带动气泵对监测区域的气体进行抽气采样，可控制气流的速度，使传感器采集的数据更准确，监测速度比较快。具体检测原理是，先将国外原装进口的气体传感器进行信号放大、数据处理、智能计算后，再进行全量程三点温湿度补偿，然后再用高精确度的标准气体进行数据校准，各因子探测量程能满足不同行业空气排放标准检测需要，对空气超标排放情况能做定性分析，NO2、O3、VOCS、CO、PM2.5、PM10等传感器技术参数及相关监测，原理如表1。

表1 传感器技术参数及相关监测原理表

1.3 数据处理软件系统

数据处理软件系统具有实施传输和上传数据到服务器，精准地图及GPS定位，实时无人机视频检测的功能，实现环境中臭氧、二氧化氮、一氧化碳等多种有害气体浓度及压强、湿度、地理位置等相关辅助分析参数的同时检测，并支持远程数据传输和实时显示。其通过检测平台上配置的GPS定位系统及讯号发射器直接把实时监测数据发送到专用服务器，飞行操作人员及环保工作人员能实时通过已经联网的软件实时观测数据测试结果。并且还能实时得出飞行运动轨迹、高度、飞行速度等数据，为保证检测数据准确有效提供了保障。

2 研究内容与技术路线

2.1 研究对象及内容

本研究在禅城区内选取具有代表性的某村级工业园区作为研究对象，对园区排放的无组织废气进行监测，对每次监测进行图表、数据分析，做出气体浓度的网格图，并对监测结果进行比对、分析评价。

2.2 监测方式

参照《大气污染物无组织排放监测技术导则》（HJ/T55-2000）在村级工业园上空区域盘旋上升飞行，以定点和巡航飞行方式在工业园范围分梯度监测［2］，采集从地面到相对高度15～50米高度浓度空间分布数据，以每1秒采集1个数据，飞行轨迹为S蛇形反复走行，飞行时间90～120分钟。对飞行过程中发现较高污染区域监测不少于20分钟；同时，在工业园区上风向对照点监测监测，与工业园区同步监测，对照点飞行监测时间不少于20分钟［3］。

2.3 数据处理分析及评价方法

2.3.1 单独（整体）评价

参照《环境空气质量标准》（GB 3095-2012）、《家具制造行业挥发性有机化合物排放标准》（DB44814-2010）、《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633-2-12）的有关规定，用空气质量分指数（IAQI）分别对NO2、O3、VOCs、CO、PM2.5、PM10监测因子进行质量分类，见表2：

表2 监测因子质量分类表

2.3.2 比对分析

横向比对分析工业园监测数据、上风向对照点数据、附近区域大气监测自动站点数据；纵向比对分析每月的监测数据，进行横向比对统计分析，探索污染物变化规律。

3 实验验证结果与分析

以禅城区某工业园区为例，该园区占地约1.84平方公里，主要以不锈钢加工、汽车零配件、家用电器装配、塑料制品以及新材料为主体的工业园区。在高度为15米的高度飞行监测。通过搭载的摄像、GPS和地图软件，可以全景显示区域飞行卫星图及区域飞行轨迹。

3.1 传感器准确度测试

3.1.1 实验室标准气体校准

将搭载在无人机上的传感器放置在实验室一个密闭空间，分别通入所要校准传感器的标准气体，根据传感器的特性，通过无人机遥感系统专用算法，进行温湿度补偿。

3.1.2 自动站比对校准

动静结合，以大气监测自动站点为参照点，将无人机搭载传感器飞行高度与大气站点采样高度基本相同，动态测试连续监测20分钟；将传感器设备静放在国控点50米左右的地方进行静态测试，将动静态数据与自动点同时段各项目进行比较，并对传感器进行校准，无人机动态测试的相关监测因子数据相对误差均在30%以内。

3.2 测试数据分析

3.2.1 总体评级

各指标（除VOCS外）浓度均比南庄大气自动监控点同期显著高，片区PM2.5浓度均值为35.36 μg/m3比南庄监控点同期（7 μg/m3）高405%，下风面（16.17 μg/m3）比上风面（8.04 μg/m3）高101%，网格浓度最大值为826.4 μg/m3。片区PM10浓度均值为103.9 μg/m3比南庄监控点同期（17 μg/m3）高511%，下风面（28.74 μg/m3）比上风面（14.4 μg/m3）高99%，网格浓度最大值为976.4 μg/m3。片区NO2浓度均值为22.49 μg/m3比南庄监控点同期（4 μg/m3）高462%，下风面比上风面低，网格浓度最大值为51.3 μg/m3，见表3。

表3 某村级工业园区气体浓度平均值统计表

3.2.2 局部评价

参考《空气质量分指数及对应的污染物项目浓度指数表》评价，该工业园区中局部区域为良好或轻度污染，主要污染指标为PM2.5和PM10，借助监测污染区域精准GPS定位，可以精准查找到对应污染区域的情况，见图1。

图1 某工业区轻度污染区域图示

4 结语

经过测试，无人机立体监测技术在村级工业园大气环境监测是可行的。（1）通过对所获取的质控校准数据，进行大数据建模分析和二次的数据优化质控，无人机动态测试的相关监测因子，数据相对误差均在30%以内，且监测数据动态曲线图和国控点的趋势基本保持一致（国控点VOCs监测数据，只进行静态比对），整体满足项目的精度要求，对整个项目的进行具有重大的指标性参考价值；（2）通过对村级工业园监测数据与上风向对照点数据、附近区域大气监测自动站点数据分别比对分析，可以有效分析评判单个工业园区的整体空气质量的影响程度。（3）通过对村级工业园一年每月的监测数据，进行横向比对统计分析，可以绘制大气污染区域动态分布图，分析污染物变化，探索污染物的空间分布状况，迅速查明环境现状。

总的来说，无人机立体监测可实现从地面常规监测，向区域立体尺度的污染精准诊断监测转变，为村居工业园治理产业转型、升级改造提供相关技术支撑，对满足大气污染精准防治具有重要意义，是对《大气污染物无组织排放监测技术导则》进一步完善和补充。但还存在一些问题需要继续完善：（1）无人机飞行时，旋翼对气流的干扰较大，可通过风场、温湿度等数值模拟、大数据算法等手段进一步提升精准度；（2）整合地面大气自动监测站数据，搭载遥感、摄像、红外线等功能，在定性分析的基础上再进一步做定量分析，实现天地空一体化，进一步提高监测效率；（3）优化监测标准，形成工业园区或者片区立体监测系统标准，探索无人机对高空无组织排放监控常态化的可行性。