基于无人机的生态环境监测设备协同巡查系统研究.pdf

SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION基于无人机的生态环境监测设备协同巡查系统研究陈敏 李博阳(武汉博感空间科技有限公司 湖北武汉 430074)摘要：无人机加载生态环境监测设备协同巡查系统作为一项高新技术，具有响应快、受天气与地理空间环境影响小、使用便捷、成本费用低等突出优点。无人机加载生态环境监测设备协同巡查系统集成了长航时无人机加载平台、可机载的水质采样装置、水质监测仪、气体监测分析仪。该文旨在推进无人机在环保领域的技术应用，弥补人工采样和自动监测站点在地域分布上的局限性，为环境监测提供快速、便捷的监测手段，减少天气与地理空间对环境监测的影响，增强环境安全监管的及时性，应对各种环境污染应急事件，为各类环境污染应急指挥提供技术支撑。关键词：无人机 生态环境 监测设备 水质监测 气体监测中图分类号：X835文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2023)20-0005-04Research on the Cooperative Patrol System of Ecological Environment Monitoring Equipment Based on UAVsCHEN Min LI Boyang(Wuhan Bogan Space Technology Co.,Ltd.,Wuhan,Hubei Province,430074 China)Abstract:As a new high-tech technology,the cooperative patrol system of ecological environment monitoring equipment loaded by UAVs has outstanding advantages such as fast response,small impact by weather and the geospatial environment,convenient use and low cost.The collaborative inspection system of ecological environment monitoring equipment loaded by UAVs integrates a long-endurance UAV loading platform,an airborne water quality sampling device,a water quality monitor and a gas monitoring analyzer.This paper aims to promote the technical application of UAVs in the field of environmental protection,make up for the limitations of manual sampling and automatic monitoring stations in the geographical distribution,provide fast and convenient monitoring means for environmental monitoring,reduce the impact of weather and geographical space on environmental monitoring,enhance the timeliness of environmental safety supervision,respond to various environmental pollution emergencies,and provide technical support for various environmental pollution emergency command.Key Words:UAV;Ecological environment;Monitoring equipment;Water quality monitoring;Gas monitoring中共中央办公厅、国务院办公厅于2019年印发了关于构建现代环境治理体系的指导意见，要求强化监测能力建设、加快构建陆海统筹、天地一体、上下协同、信息共享的生态环境监测网络，实现环境质量、污染源和生态状况监测全覆盖1。实行“谁考核、谁监测”，不断完善生态环境监测技术体系，全面提高监测自动化、标准化、信息化水平，推动实现环境质量预报预警，确保监测数据“真、准、全”。推进信息化建设，形成生态环境数据一本台账、一张网络、一个窗口。加大监测技术装备研发与应用力度，推动监测装备精准、快速、便携化发展2。无人机加载生态环境监测设备协同巡查系统作为DOI：10.16661/ki.1672-3791.2303-5042-8689作者简介：陈敏（1980），女，硕士，工程师，研究方向为环境工程、软件工程。5SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯一项高新技术，具有响应快、受天气与地理空间环境影响小、使用便捷、成本费用低等突出优点。特别是在机动性、遥感设备的可更换性、可重复观测性以及立体观测等很多方面都具有明显优势3。该技术能有效弥补人工采样和自动监测站点在地域分布上的局限性，可以飞到哪里便测到哪里，采样与分析同步进行，充分节省监测所需时间。尤其是面对突发情况时，更显示其优势，可快速追踪污染源位置，协助制订应急方案。1 系统组成无人机加载环境监测设备协同巡检系统包含无人机环境监测设备加载、远程操控以及无人机平台集成分析仪网络系统模型搭建，如图1所示。分析任务，确定传感器型号和数据链路系统后，确定载荷重量，进而对无人机进行选型，系统线路规划，衔接零部件个性化定制，构建无人机平台，系统集成，最后交付使用，如图2所示。2 无人机采集系统与监测仪水样、气体采集是环境监测工作中的重要基础内容，其采集样品质量是环境保护监测分析工作准确、科学、合理进行的前提，而在使用无人机进行实际水样采集工作中，其工作质量经常会受到采集技术、无人机样品采集装置、采集环境等的诸多因素影响，这一定程度上也影响了环境监测数据的准确率，传统的无人机样品采集装置结构简单，仍存在以下缺陷4：一是无论水样采集还是气体采集，都只能单组样品采集，不能单次飞行，完成多组采样；二是采集装置只适合采集浅层水样但很难对深层次水体进行采样；三是具备深水处采集能力的无人机采集装置，其绕管容易在采样过程中出现混乱5。综上所述，现有技术中的无人机采集装置不够完善。本文研究了一种无人机采集装置与系统，如图3所示，其主要包括无人机主体与采集装置。无人机主体包括机身，机身上设有蓄电池、控制主板、高度测量仪、GPS导航仪以及无线收发器，蓄电池与控制主板电连接，在机身的4个拐角处设有向外延伸的用以驱动机身升起的动力装置。采集装置设在无人机的底部且位于两个支撑架之间，其中采集箱是采集装置之一，采集箱的内部设有水样采集装置与气体采样装置，且水样采集装置和气体采样装置之间用隔板隔开解决了气体、水样采集不能自由切换的问题与深水处水样采集绕管混乱的问题，不但提高了取样工作的工作效率，也有利于快速准确地采集大气、水体样品，用于环境质量检测。气体监测分析仪可监测气体基本六参数（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），水质监测仪可监测6项水质指标：水质五参数（温度、pH、溶解氧、电导率、浊度）和氨氮，无人机搭载水质监测仪如图4所示。图1 无人机加载环境监测设备系统任务分析无人机平台系统构建系统线路规划衔接零部件个性化定制无人机选型传感器选型数据链路系统确定载荷数量范围确定系统集成交付使用 图2 无人机平台集成传感器网络系统模型图3 无人机搭载水质采样装置图4 无人机搭载水质监测仪6SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯 2023 NO.20 信 息 与 智 能科技资讯SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION3 系统软硬件研制研发续航能力长的无人机加载平台，一是减少机身自重，增强机身原位监测时的稳定性；二是降低加载仪器和装置的功耗；三是应用5G技术，提高数据传输效率。飞行平台性能参数：飞行时间60 min，起飞最大重量45 kg，最大安全负重20 kg。机载气体监测分析仪，可监测气体基本六参数（PM2.5、PM10、CO、NO2、SO2、O3），具备扩展监测功能；水质采样装置，包含升降和储存单元；机载水质监测仪，可监测水质五参数（温度、pH、溶解氧、电导率、浊度）和氨氮，具备扩展监测功能。具备GPS悬停、指点飞行、航线自动飞行、一键返回等功能。支持全高清1 080 p/60 fps图传输出；支持5G信号传输；延时低至50 ms；信号传输距离远达5 km。同时开发了在线一体化环境监测平台，可对监测数据进行接收，对数据进行智能化分析及预警处理。系统软硬件具体开发设计包括以下几点：（1）微型气体六参数监测仪的硬件开发，嵌入式程序开发，整体组装，传感器标定；（2）作业App，定点采样的坐标输入，导入采样点集，自动规划并采样，按标准输出数据到平台；（3）环境监测平台系统具有综合监管、在线监测、巡视巡察（协同巡查任务安排）、历史查询功能；（4）环境监测平台后台管理系统，具有空气污染物管理、水环境标准管理、人员管理、角色管理等功能；（5）将监测数据接入环境监测平台系统。4 系统实现与应用本文实现了生态环境监测巡查应用场景下的无人机和加载环境监测设备的模块化、通用化、系统化，如图5所示。在进行无人机系统设计时优化其内部结构提升续航能力和稳定性，运用环境监测设备的模块化技术，根据任务性质采用不同的功能设备来完成任务，真正实现一机多用。通过搭载空气监测仪、水质采样装置、水质检测仪，可分别实现空气质量监测、河流水域自动采集水样和水质原位监测，并搭配平台系统，实现各项任务单元的协同作业与管理，如图6所示。通过建立无人机平台加载环境监测设备，构建空地一体化的环境监测与管理体系，助力推动我国生态环境监测系统建设，意义重大：一是推进无人机在环保领域的技术应用，弥补人工采样和自动监测站点在地图5 无人机App操作界面图6 任务规划操作界面7SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯信 息 与 智 能 2023 NO.20 SCIENCE&TECHNOLOGY INFORMATION科技资讯域分布上的局限性，具有广阔的应用前景；二是为环境监测提供了快速、便捷的监测手段，减少天气与地理空间对环境监测的影响，增强环境安全监管的及时性；三是可应对各种环境污染应急事件，为各类环境污染应急指挥提供技术支撑6。项目成果可在环保项目上推广使用，减少巡察人员投入、大幅缩短巡察周期、提高巡察效率、保证巡察质量，可服务于政府生态环境部门的生态环境本底调查、环境执法日常巡查、应急事故现场调查等领域，具有较高的社会经济效益，具体如图7、图8所示。5 结论本文通过建立无人机平台加载环境监测设备，构建空、地一体化的环境监测与管理体系，推动我国生态环境监测系统建设，意义重大。主要表现在：（1）推进无人机在环保领域的技术应用，弥补人工采样和自动监测站点在地域分布上的局限性，具有广阔的应用前景；（2）为环境监测提供了快速、便捷的监测手段，减少天气及地理空间对环境监测的影响，增强环境安全监管的及时性；（3）可应对各种环境污染应急事件，为各类环境污染应急指挥提供技术支撑。参考文献1 胡义强,杨骥,荆文龙,等.基于无人机遥感的海岸带生态环境监测研究综述J.测绘通报,2022(6):18-24.2 徐爱兰,耿建生.基于5G与AI的生态环境监测网络平台探讨J.环境监测管理与技术,2021,33(3):5-8.3 王宙.面向城市河道的无人机高光谱遥感水质监测研究D.武汉:湖北大学,2021.4 周志伟.基于无人机遥感和计算机解译的岸滩塑料垃圾监测技术D.上海:华东师范大学,2022.5 李澜.基于无人机高光谱遥感的城市中小河流水质等级判别研究D.上海:中国科学院上海技术物理研究所,2021.6 熊颖郡.无人机遥感技术在生态环境监测领域的应用研究J.中国资源综合利用,2021,39(2):59-61.图7 基于平台进行河道查询图8 基于平台的河道管理8