蓝海还是难题:无人机与大气环境监测

来源:宇辰网 作者:慧航无人机-李琪 时间:2017-08-09 分享至:
[宇辰导读]环保无人机市场一直以来少有人问津,其原因何在?这里究竟是一个蓝海,还是一个难题?

一、大气治理问题形势严峻

当前,我国多地区面临大气环境质量改善巨大压力。对此,业内人士表示,只有精确找到本地污染物排放来源,结合地理、气象、环境衍生等众多原因综合分析,才能实现大气污染治理精准决策和快速应对。

由于大气污染具有涉及区域范围较大、区域之间污染物传输量大、污染源种类多、污染因子相对复杂等特点,环境监管难度非常大。传统的空气自动监测站的站房用地面积大,加上其成本及后期运营费用较高,因此很难进行大面积、精密化布点,并且基本上“说不清污染来源“。即使花大价钱采取空气监测站加密的方式进行监控,但以点位进行布置的监测数据始终很难判断污染源迁移和扩散情况,更无从确定污染发生的直接源头。

地方政府需要一套快速、高效监测系统进行实时监控,克服人工、视频、监测站等监管存在的数据支撑不足等问题,实现精准监控,以满足大气污染治防治需求。

“大区域”“精准”“高效快速”,无人机技术仿佛就是面对这样的关键词而生的,然而环保无人机市场却一直以来少有人问津,其原因何在?

这里究竟是一个蓝海,还是一个难题?

无人机与大气环境监测能否擦出火花,本文将从多个方面对此进行探讨。

二、无人机环保解决方案

无人机在大气环境监测方面的应用,目前主要有以下三个方向:

1、可见光相机

目前在环保方面应用最广的,就是传统的无人机+可见光云台,某些企业甚至简单的进行购买几台精灵,对人员稍加培训,就形成“环保无人机监测队伍”。

不可否认,单纯的相机甚至变焦相机已经能够给环境监测带来新的思路,但是可见光相机对大气污染物的观测仅停留在拍照、视频阶段,缺乏精准监测数据作为支撑,并且受光照、雨雾、摄像头低分辨率等因素的影响,只能对污染浓度较大的可见性污染源如黑烟囱、秸秆焚烧等进行监控。

常规可见光载荷在环保方面只能算是锦上添花,环监人员难以有效的进行使用,买回来,用不着,最后只会沦为展示道具。

无人机发现的某个正在排放的黑烟囱/图 来源网络

2、红外成像

红外成像仪在电力巡检上已有非常广泛的应用。在环保应用方面,搭载红外成像仪的无人机,可以使无人机在夜间条件下进行监测,热像仪的热分布可视化、测温等特性能够较有效地发现夜间生产的企业,可作为遏制夜间偷排的一种手段。

某企业日间(可见光)和夜间(热成像)风机影像

但是热像仪同样受到环境条件的影响过大,并且,不同种类的企业的热分布形式不一、排放温度与排放量没有必然的关联,相关模型复杂需要长久的比对和监测才能得出检测结论,难以满足环监的迫切需求。

3、气体传感器

“无人机+气体传感器”即通过无人机搭载多种因子(如VOCs、SO2、PM2.5)的高精度气体监测传感器或者气体采集装置,在测区进行大范围的巡查,以寻找污染特征因子的监测方式。

以大疆M100搭载传感器为例,配合航线规划自动飞行,不到20分钟就能够覆盖1平方公里的区域20-30家工厂,得出气体浓度分布情况,其效率是传统环监人员地面巡查的百倍,同时一并解决了数据、影像、定位等问题。

看似很美好,然而这样的监测是否可行?

随着技术的进步,便携式传感器精度已经达到可以接受的程度,尤其基于光离子化检测器(PID)方法的传感器,其检出限、精度甚至可以达到ppb级别,已经足够满足测量大气污染物浓度的要求。

高精度VOCs传感器的检测曲线/图 来源网络

在理论支撑方面,长江学者彭仲仁教授带领的上海交通大学智能交通与无人机应用研究中心早在2011年已经对无人机在空气监测方面的应用进行了研究,其《基于无人机(UAV)技术的城市空气质量4-D监测研究》、《基于无人机观测的PM2.5垂直分布规律研究》等多篇论文已经被多次引用。

PM2.5垂直分布规律/图 来源:《基于无人机观测的PM2.5垂直分布规律研究:以中国杭州为例》

在实际应用方面,如慧航无人机、幻飞智控等企业已先行尝试在多个地市使用带有气体监测仪的无人机进行监测,协助环监执法,同时环监大队根据无人机的发现进行查处了不少违法企业 。

无人机协助环监执法/图 来源网络

三、数据可视化

有数据,仍不够,环监执法非常讲究时效性,企业的违法偷排情况可能只会出现在某个时间段、甚至只是某一个瞬间,这也是环监取证难、执法难的原因之一。

无人机气体传感器在大气污染调查工作中会得到大量的实测数据,传统利用excel进行数据分析与管理的办法不仅无法直观展现污染物的空间分布形态,大量的数据需要多个工作日的处理和分析才能得出相关结论,难以为下一步的监测管理和治理工作提供决策支持。 

传统表格式数据/图 来源网络

而可视化处理能够充分挖掘数据隐含的空间关联,揭示气体污染物的迁移转化规律,有助于科研人员、监察机构、科学直观地判读与分析大气污染情况,

高效快速的检测方式可为后续的一系列的治理措施提供支撑依据,节约人力成本。

结合地图信息的气体格栅分布/图 来源网络

结合高程的3D可视化数据分布/图 来源网络

五、案例介绍

某日夜晚,环保局接到居民投诉有刺鼻异味,环监人员迅速派出两台气体监测无人机对划定区域进行气体监测,通过气体监测地面站显示的数据直观地查看区域的气体浓度分布图,寻找排放气体的污染源,最后在锁定目标后安排执法人员突击检查,在短时间内快速处置了环境突发事件。

(区域1的VOCs浓度均高于其它三个区域,VOCs的平均浓度为0.1580ppm,VOCs浓度最高值高达0.7961ppm,同时发现两个波峰位置,锁定污染源。)

气体监测无人机自动生成的报告/图  /图 来源网络

五、小结

虽然在环保应用上,无人机+传感器的模式崭露头角,但是其仍存在不少突出的问题:

1、监测标准

国家对环保监测的方法和标准拥有严格的规定,与气相关的技术规范已经上百部(如《HJ/T 75—2007 固定污染源烟气排放连续监测技术规范》等),无人机乃新鲜事物,自身的标准仍未确定,遑论无人机气体监测标准。

没有标准、规范,就没有依据,因此无人机监测所获得的数据,只能够作为参考佐证或科研数据,并不能直接用于执法。

2、数据可靠性

无人机飞行于工厂上空,所监测到的气体数据能够说明即来自该工厂吗?高空大气环流复杂、同时还存在无人机气流扰动等的影响,污染物扩散模型难以建立,要做到对污染物垂直柱浓度分布和区域污染物时空分布快速反演并非易事。

尽管便携式传感器精度已有很大提高,实验室指标已让人满意,但是其各方面性能仍然与监测站有一定的差距,在实际应用场合的各种干扰中,数据的准确性还得打个问号。

因此,无人机监测的数据不能简单地进行使用,还需要与常规监测站、大气环境、在线监控系统等多平台数据比对、校准,并利用大数据平台和相关模型的进行分析解析。同时应结合专家智库,开展大气颗粒物、痕量气体的高精度、高分辨率立体分布反演方法研究,开展机载大气颗粒物和污染气体三维观测技术研究,推动相关检测方法的标准化。

无人机与行业应用相结合是当下趋势,“无人机+气体监测”已实现实时监控区域内污染物动态变化,快速捕捉污染源的异常排放行,助力环监人员实现差异化管理和靶向管理,在突破技术难题后,一定会有个更广阔的前景。

参考资料:

1.Peng, Z. R., Wang, D., Wang, Z., Gao, Y., & Lu, S. (2015). A study of vertical distribution patterns of pm 2.5, concentrations based on ambient monitoring with unmanned aerial vehicles: a case in hangzhou, china. Atmospheric Environment, 123, 357-369.

2.李白、李超 《复杂地形区域大气污染车载和机载走航观测技术》


注:本文作者广东慧航无人机科技有限公司李琪,作者投稿并授权发布。转载请注明作者和“来源:宇辰网”。广东慧航无人机科技有限公司www.huihanguav.com系专注于环保无人机研发和服务的初创企业,主打产品AirSense-100气体监测无人机经过CMA检测和拥有5项专利技术,目前已在多个地市开展应用。


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