基于無人機的生態環境監測設備協同巡查系統研究

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年印發了《關于構建現代環境治理體系的指導意見》，要求強化監測能力建設、加快構建陸海統籌、天地一體、上下協同、信息共享的生態環境監測網絡，實現環境質量、污染源和生態狀況監測全覆蓋[1]。實行“誰考核、誰監測”，不斷完善生態環境監測技術體系，全面提高監測自動化、標準化、信息化水平，推動實現環境質量預報預警，確保監測數據“真、準、全”。推進信息化建設，形成生態環境數據一本臺賬、一張網絡、一個窗口。加大監測技術裝備研發與應用力度，推動監測裝備精準、快速、便攜化發展[2]。

無人機加載生態環境監測設備協同巡查系統作為一項高新技術，具有響應快、受天氣與地理空間環境影響小、使用便捷、成本費用低等突出優點。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勢[3]。該技術能有效彌補人工采樣和自動監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，充分節省監測所需時間。尤其是面對突發情況時，更顯示其優勢，可快速追蹤污染源位置，協助制訂應急方案。

1 系統組成

無人機加載環境監測設備協同巡檢系統包含無人機環境監測設備加載、遠程操控以及無人機平臺集成分析儀網絡系統模型搭建，如圖1所示。分析任務，確定傳感器型號和數據鏈路系統后，確定載荷重量，進而對無人機進行選型，系統線路規劃，銜接零部件個性化定制，構建無人機平臺，系統集成，最后交付使用，如圖2所示。

圖1 無人機加載環境監測設備系統

圖2 無人機平臺集成傳感器網絡系統模型

2 無人機采集系統與監測儀

水樣、氣體采集是環境監測工作中的重要基礎內容，其采集樣品質量是環境保護監測分析工作準確、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，其工作質量經常會受到采集技術、無人機樣品采集裝置、采集環境等的諸多因素影響，這一定程度上也影響了環境監測數據的準確率，傳統的無人機樣品采集裝置結構簡單，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混亂[5]。綜上所述，現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，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，用于環境質量檢測。

圖3 無人機搭載水質采樣裝置

氣體監測分析儀可監測氣體基本六參數（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），水質監測儀可監測6項水質指標：水質五參數（溫度、pH、溶解氧、電導率、濁度）和氨氮，無人機搭載水質監測儀如圖4所示。

圖4 無人機搭載水質監測儀

3 系統軟硬件研制

研發續航能力長的無人機加載平臺，一是減少機身自重，增強機身原位監測時的穩定性；二是降低加載儀器和裝置的功耗；三是應用5G技術，提高數據傳輸效率。飛行平臺性能參數：飛行時間60 min，起飛最大重量45 kg，最大安全負重20 kg。機載氣體監測分析儀，可監測氣體基本六參數（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），具備擴展監測功能；水質采樣裝置，包含升降和儲存單元；機載水質監測儀，可監測水質五參數（溫度、pH、溶解氧、電導率、濁度）和氨氮，具備擴展監測功能。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。同時開發了在線一體化環境監測平臺，可對監測數據進行接收，對數據進行智能化分析及預警處理。

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

4 系統實現與應用

本文實現了生態環境監測巡查應用場景下的無人機和加載環境監測設備的模塊化、通用化、系統化，如圖5所示。在進行無人機系統設計時優化其內部結構提升續航能力和穩定性，運用環境監測設備的模塊化技術，根據任務性質采用不同的功能設備來完成任務，真正實現一機多用。通過搭載空氣監測儀、水質采樣裝置、水質檢測儀，可分別實現空氣質量監測、河流水域自動采集水樣和水質原位監測，并搭配平臺系統，實現各項任務單元的協同作業與管理，如圖6所示。

圖5 無人機App操作界面

圖6 任務規劃操作界面

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

項目成果可在環保項目上推廣使用，減少巡察人員投入、大幅縮短巡察周期、提高巡察效率、保證巡察質量，可服務于政府生態環境部門的生態環境本底調查、環境執法日常巡查、應急事故現場調查等領域，具有較高的社會經濟效益，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 結論

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