【无人机技术在大气监测中的应用研究5800字（论文）】

无人机技术在大气监测中的应用研究目录TOC\o"1-3"\h\u313571绪论 绪论1.1国内外无人机大气监测技术研究现状随着世界经济发展，工业化建设以及城市化建设脚步的不断加快，人类社会不断从环境中获取资源，生产产品，排出废物，推动社会的进步。但是由于人类自身的短视行为，人们在享受现代文明成果的同时，社会和环境也被环境污染危害。为此，人类需要对一切有害的环境问题进行监测。随着国内外对于环境监测工作愈来愈重视，大量先进的技术被应用到环境监测中，人们不断探索和研究如何可靠、精确、及时地获得更快速、更方便、更低资金投入的环境参数。以美国、日本为代表的发达国家对环境监测建立了比较完整的研究系统，且建立了相应的技术研究机构。如美国环保局组建了9个环境监测分析技术研究中心。日本大学、环境研究机构、国立环境研究所一起制定了日本的环境监测技术标准。借助地理信息系统技术（GLS）、遥感技术（RS）和全球卫星定位系统技术（GPS）建立了自动连续监测系统和宏观生态监测系统。我国对于环境监测的起步比较晚，但随着环境保护意识的提高，环境监测需求日渐增加，近些年来，监测能力全面提升、监测队伍综合素质大幅提升，监测体系初步形成。然而传统的环境监测也存在很多的问题，例如多数监测站（点）分布不均匀，主要围绕城市周边，忽略了农村环境的监测，使环境监测的数据缺乏普遍性；其次监测的环境要素也比较单一；监测的范围较小，监测手段单一，分析过程复杂等不利条件，无法满足当前环境保护工作的需求。1.2国外无人机大气监测技术发展无人机遥感系统是在无人机等相关技术发展成熟之后形成的一种新型的航空遥感系统。它利用无人机作为遥感平台，集成小型高性能的遥感传感器和其他辅助设备，形成灵活机动、续航时间长、全天候作业的遥感数据获取和处理系统。无人机所能搭载的传感器也是多样的，澳大利亚利用美国研制出的“全球鹰”无人机搭载的光电（EO）/红外（IR）/SAR一体化集成载荷可应用于海洋监测等。美国航空航天局（NASA）也将多种无人机应用于海洋遥感（包括监测飓风和龙卷风）等研究项目。进入21世纪以后，无人机逐步进入民用领域并形成产业，美国能源部在大气辐射测量（ARM）计划中应用Altus无人机对大气对流层中的云层进行辐射和散射测量，以研究云层与来源于太阳和大地的辐射的互作用，为准确预测二氧化碳引起的地表温室效应研究服务。1.3国内无人机大气监测技术发展中国无人机的产业发展起步晚，在技术水平等各个方面跟发达国家相比有明显差距，但发展迅速。20世纪50年代中国正式开始研制无人机，60年代生产出了低速遥控靶机，70到80年代发展成功了“长虹”以及“长空1号”无人机。直到21世纪以后，中国的无人机工业才进入了飞速发展的阶段，北京航空航天大学、南京航空航天大学、西安爱生技术集团、南京模拟技术研究所等科研院所和公司研制了各种类型的无人机，但其主要用途仍以军事侦察为主。20世纪90年代，中国测绘科学研究院开始民用无人机的研制，较早应用于大气监测领域。21世纪起，无人机遥感技术在中国起步并快速发展起来。国内对无人机集群技术的研究起步较晚，但对无人机集群技术任务规划研究比较深入。目前，国内北京航空航天大学、国防科技大学、中国电子科技集团电子科学技术研究院等单位围绕多无人机系统的协同感知与信息共享、路径实施规划、自主编队与编队重构、智能协同决策等技术开展了相关研究，如2017年6月，中国电子科技集团成功完成119架小型固定翼无人机集群飞行试验。2无人机的概况2.1无人机的定义及分类无人机的概念是指使用远程遥控设备和自制飞行系统用来控制的不载人飞行器。按动力类型可以分为油动无人机和电动无人机。油动无人机机构占比约3%，主要是由于操作难度大，价格昂贵，研发难度大。因为无人机技术在各个领域的不断发展，特别是在民用方面，越来越多的无人机被用于警务安防、电力巡检、空中航拍、灾害救援、物流输送等等。无人机在日常生活中的应用，其慢慢成为各个领域中不可或缺的部分。例如现在的外卖无人机和物流无人机，在疫情防控期间越来越多的人提倡无接触取货，工作人员将货物放在无人机上，设定好无人机的航线，利用无人机的运输功能穿梭于各大高楼之间，这样的传输方式减少了接触性的病毒，也降低了感染新冠病毒的风险。2.2无人机的发展无人机的设想最早于1914年由英国的卡德尔和皮切尔两位将军提出。1917年，英国皇家航空研究院研制了世界上第一架无人驾驶飞机。1991年海湾战争中，多国部队先后利用无人机完成战场侦察、雷达诱饵、目标捕捉等目的，极大地改变了战争态势的发展，推进了战争的进度，大大减少了多国部队地面部队和海军的伤亡和损失。此后，以军事应用为背景的无人机技术的研究工作成为各国争相发展的重要技术。由于其机动性能好、空域生存能力强、运营成本低，部署方便、使用灵活等优点，已被广泛应用于空中侦察、战场监视、目标定位、跟踪、毁伤评估、反恐抓捕等军事领域以及航空摄影、电力巡检、灾害监测、制造浪漫和沿海反走私等民用领域，这种广泛的应用创造了一个巨大的产业。据据中国银河证券研究所预测，未来15年我国无人机市场需求将超过3300亿元。其中，军用无人机市场需求接近2000亿元。2.3无人机的组成部分无人机系统主要由3部分组成，即无人驾驶飞行器、地面控制站、由地面控制站负责指挥和控制无人机的数据传输系统，当前无人机市场仍然以军用为主，民用为辅，但近年来随着无人机制造成本的走低，以及其与人工智能技术的深度结合，民用无人机与军用无人机市场的占比差距正在加速缩减。

3无人机在大气监测中的优劣3.1无人机在大气监测中的优点首先，无人机环境监察系统作为专业便携式监测仪器，配备智能可视化分析软件，搭载于无人机，实时获取精确的空气污染空间分布信息，为环保、巡检、应急等行业提供及时有效的决策支持，帮助人们显著提升工作效率、降低安全风险与成本。同时此前已有多种大气环境垂直监测方法得到应用，如大气边界层塔、有人飞机、气球及气艇等。但边界层塔位置固定，高度通常在300米以下，且多建于城市地区；有人飞机只能在数百米及以上的高度飞行；气球或气艇抗风能力和移动性差，需要填充大量氦气，单次运行成本高。这些方法已经无法满足新时期大气污染研究的需求。而无人机的机动性和灵活性可以有效弥补上述缺陷，让原来不容易接近的地方变得容易到达，使大气监测真正做到动态性和立体性。农村地区不同于城市地区，它的下垫面多为农田和低矮村庄，大气污染物处于较低大气层，正好是无人机适合飞行和采集样本的高度。无人机大气立体监测系统为农村大气面源污染的深入研究提供重要工具，也为区域大气氧化性、大气光化学过程及二次颗粒物形成等深入研究提供基础数据。3.2无人机在大气监测中的缺点目前电动无人机成为很多小企业切入植保无人机领域必然选择。电机飞行80%靠飞控，20%靠飞手经验，轻巧，灵活，操作简单，故障率低，对飞手的技能要求较低；油机对操控手的技能要求比较高，目前国内操作娴熟的无人机飞手短缺。况且电机比较容易维修和维护，而油机相对复杂，维修和保养要求都相对较高。国内的土地单户的种植面积较小，土地分散且大都不平整，使得在大气监测应用中的油动无人机续航时间长载荷量大的优点发挥不出来。再加上油动无人机价格昂贵，导致目前国内的应用监测的无人机只有3%是油动的。对于企业而言，用于航模航拍的电动无人机在中国是一个完整且竞争充分的行业，而油动工程型无人机载荷在10-45公斤之间，是处在航模与载人飞机之间的一个断层，研发没有现成教材，都是在尝试和摸索，相对困难。同时，随着我国近几年来大气污染状况越来越严重，特别雾霾（颗粒物PM2.5、PM10等）在污染物中所占的比例越来越重，因此我国的大气污染监测与治理的任务也越来越重。国家对此也在大多数城市布设或者完善了颗粒物、气体检测设备，形成了国控点结合省空点分布密集的地面污染源监测网。然而我们也能清楚的看到，依据国控点地面检测数据所做出的预测与实际环境污染状况的发展还是存在较大差距，此外，依据地面监测数据所实施的治理手段，如地面洒水、建筑工地遮盖、交通限行、工业限产、锅炉改造、脱硫脱硝处理等方案，效果也不尽如人意。作为继航空、航天遥感后的第3代遥感技术的无人机遥感技术，具有立体监测、响应速度快、监测范围广、地形干扰小等优点，是今后进行大气突发事件污染源识别和浓度监测的重要发展方向之一。但是由于无人机的载荷有限．要完成高精度的大气环境监测工作需要高精度的传感器荷载．而传统传感器往往在体积、重量等方面的限制可供选择的不多。因此．研究开发适合无人机搭载的小型．轻型传感器荷载来实现无人机大气污染监测、无人机固定污染物。4无人机在大气环境监测中的应用和实例4.1无人机大气环境监测中的任务载荷伴随着轻小型无人机平台的发展，涌现了大量的轻小型无人机遥感载荷，如光学、红外谱段、激光雷达、成像光谱及合成孔径雷达、偏振载荷等，在抗震救灾、环境治理、农业植保等领域得到很好应用。由于其复杂程度降低，使开发成本较低，在我国有较大的应用需求，目前，轻小型无人机遥感载荷正朝着小型、多样、多功能、多组合方向发展。这类无人机在大气环境监测中的任务载荷特点如下：软件可以支持多家无人机制造商包括大疆所有系列。上千种气体传感器可以随时更换，系统带有自动识别功能。外壳防水、防风、防尘、防撞击设计。实时显示监测数据，并生成对应的趋势曲线。可查看历史实时数据，并同时生成曲线分析图，列表和图表样式显示历史数据，方便对比查看。同时显示经纬度、高度、飞机状态、温度、湿度、PM1、PM2.5、PM10、上千种气体实时浓度值。检测精度可达到ppb级。实时无线传输数据到地面端，也可以通过GPRS实时传输到服务器。4.2无人机大气环境监测中的应用和实例无人机大气环境监测中的应用领域主要集中在：①大气污染移动监测。短时间内扫描大面积区域，如居民区、工业园区、建筑工地、交通道路等，同步查看多种污染物的三维浓度分布情况，快速锁定污染源位置与传输方向。适用于常规环境监测、污染源位置排查、环境应急监测等领域。②厂区自检。突破地形限制、避免人工攀爬与近距离接触有害气体而带来的风险，三维巡检结果可为企业决策提供有效依据，以满足企业超低排放或纯粹的安全需求。适用于石油化工类、钢铁焦化类、垃圾填埋等可能存在污染气体排放或泄露的企业。③公益诉讼。涉及到大气污染的公益诉讼中，无人机搭载气体检测仪，能做到快速检测、及时取证，动态获取高精度空间分辨率的空气污染数据，解决人工调查取证难的问题，是各地检察机关公益诉讼能力建设的科技新兵。④科学研究。科研工作者对数据质量通常有着严苛的要求。灵嗅搭载于无人机、系留气艇，可采集不同高度下具有高质量与三维坐标标记的气象与空气污染物数据，是科研项目中理想的数据采集与分析工具。大气环境监测是生态环境保护的“生命线”。一直以来，在蓝天保卫战中对大气环境监测的重视推动着空气监测设备的更新迭代，使得环境监测朝更科学的方向发展，也加快了“双碳”目标的实现。例如，2021年9月3日，甘肃省环境监测中心站生态环境监测社会化运维项目（2021-2023年）－省级环境空气自动监测网社会化运维项目招标，该项目预算金额为1709.05万元，主要建设内容包括环境空气质量监测站；沙尘暴自动监测站；非甲烷总烃自动监测站以及大气组分超级监测站等。8月31日，铜陵市城市点位VOCs自动监测站项目招标，项目预算金额为387.693万元，主要采购内容包括甲烷/非甲烷总烃在线监测系统、VOCs在线监测系统、标准动态校准仪、高纯零气发生器等各一套，以及该项目两年的运维服务。此外，8月27日，内江市大气环境走航监测设备采购项目公开招标，该项目采购项目预算为570.5万元，项目核心产品为大气颗粒物监测激光雷达和VOCs走航监测系统。如上所述的大气监测项目，现下能见到的越来越多，在需求端上也能看出端倪。而回顾“十三五”时期，各地在大气环境监测工作的完成度上还是可圈可点的。以山东省为例，山东省积极推进环境空气质量自动监测网络建设，为全省大气环境质量持续改善提供了坚实的技术支撑。2016年完成全省空气站点位优化工作，2017年完成县级空气站建设并由省生态环境监测中心直接运行管理，2018年将空气站建设延伸到乡镇（街道），实现省、市、县、乡四级环境空气质量监测全指标全自动全覆盖和互联互通。再如南宁市，截至2020年12月21日，南宁市区建成39个空气自动监测站点，在全区率先实现市区建成区街道（乡镇）网格化监测全覆盖；提前超额完成了“十三五”规划及2020年度环境空气质量目标任务。国家减碳形势的大背景下，大气环境监测仪器设备的市场需求也是不断地增长。在此背景下，大气污染治理开始采取越来越多的科技手段来进行支持，如当前颇受市场青睐的无人机监测模式，以及移动式走航监测车设备。无人机在大气污染监测领域的应用也将使我国大气污染治理进入一个新的局面。结论综上所述，无人机大气监测技术在生态环境领域的应用对提高生态环境领域的整体工作效率起着非常重要的作用。但是从目前无人机大气监测技术在生态领域应用的实际情况来看，与具体的工作要求还有较大的差距，因此需要继续加大无