《低空经济应用技术》课件 第11、12章 环保监测、空中交通

汇报人:第11章

环保监测目录/Contents01无人机环保监测基础02无人机环保监测技术03无人机环保监测作业流程拓展项目目录/Contents04本章小结05练习与思考介绍无人机在环保监测中应用技术、类型、作业流程，强调其灵活机动、高效精准、成本低廉优势，助力学生掌握技能，解决实际环境问题。无人机环保监测01阐述我国生态文明建设背景下，环保监测面临的机遇与挑战，无人机技术作为新兴手段，快速推广，为学生未来环保工作奠定基础。环保监测机遇挑战02无人机技术在环保监测的应用01无人机环保监测基础改革开放后中国经济快速发展、城市扩张，人民生活改善，工业发展迅速，但也带来严重生态环境问题和环保监测压力。发展与环境压力01无人机环保监测是搭载监测传感器空中获取环境数据的新型观测方法，实现从“陆地”到“空中”的视角跨越，提高监测效率，减少作业时间。无人机环保监测02基本概念无人机环保监测特点无人机环保监测响应迅速，准备工作少，调试起飞快，可快速抵达现场，传回实时数据，具备全天候作业能力，不受时间和恶劣天气限制。响应迅速、应对及时无人机搭载高精度传感器快速获取多类数据，配备高清设备采集厘米级影像，融合生成高精度环境专题图。数据精度高广泛应用于大气、水、生态监测，快速响应环境应急，与卫星遥感互补，构建天地一体化监测网络。涵盖污染源排查、扬尘监测、臭氧追踪、河道巡查、水源保护、生态调查、应急响应，实现全面环境监控。应用范围广03无人机环保监测特点无人机环保监测是现代环境监测体系重要组成部分，为提高环境监管效能、提升环境治理水平提供有力技术支撑。无人机传感器是环境参数测量基础，通过遥感实时采集数据，助力生成生态环境监测报告。无人机传感器作用01遥感是应用探测仪器，不接触目标，记录电磁波特性，分析揭示物体特征性质及变化的综合性探测技术。遥感技术定义02不同地物反射吸收特征不同：植被绿光反射峰、蓝红光吸收峰、近红外强反射；水体反射率低，蓝光反射强。地物波谱特征03无人机环保监测原理紫外线波长0.38-0.43µm；蓝光波段0.43-0.47µm，主要用于识别水体、海岸线，水体对蓝光反射强紫外与蓝光波段01绿光波段0.5-0.56µm，可识别植被、反演覆盖、评估作物健康、监测水体藻类浓度，植被反射较强；红光波段0.62-0.76µm，可识别植被，植被吸收强。绿红光波段02无人机环保监测原理：遥感波段及用途近红外0.76-15µm：识别水体和植被，植被强反射、水体强吸收。热红外10-1000µm：热污染监测、地表温度和城市热岛反演，感知物体自身温度和辐射。近红外与热红外波段>1000µm微波用途：地表形变监测、土壤湿度测量、海洋油污监测；特征：主动遥感、波长长、不易反射、有穿透性。微波波段无人机环保监测原理：遥感波段及用途无人机环保监测原理：遥感波段及用途波长范围µm名称主要用途特征0.38-0.43紫外线/

0.43-0.47蓝光波段识别水体、海岸线。水体对蓝光波段的反射强。0.5-0.56绿光波段识别植被，进行植被覆盖反演和作物健康评估，监测水体藻类浓度。植被对绿光波段反射较强0.62-0.76红光波段识别植被植被对红光波段吸收强。0.76-15近红外识别水体和植被，提取水体边界。植被对近红外波段强反射，水体对近红外波段强吸收。10-1000热红外热污染监测、地表温度和城市热岛反演。感知物体自身温度和辐射。>1000微波地表形变监测、土壤湿度测量、海洋油污监测

常用于主动遥感，波长长，不易被反射，具有穿透性02无人机环保监测技术大气环境监测技术大气污染物分一次和二次污染物。一次污染物是直接从排放源排放的有害物质，如SO₂、NOₓ、CO、颗粒物等。大气污染物分类无人机大气环境监测技术利用无人机集成微型传感器采集数据，弥补传统监测不足，实现立体精准溯源，成环境监测网络重要部分。无人机监测技术概述无人机飞行中实时采集记录气象参数等数据并传输至地面站，操作人员规划航线、处理分析数据，生成污染物分布图和环保监测报告。无人机监测工作流程工业污染源溯源与执法，构建污染物三维立体分布模型，扬尘源常态化监测。无人机监测应用场景大气环境监测技术传感器类型常用传感器监测因子特点适用场景电化学传感器CO-B4、NO-B4、NO2-B43F、SO2-B4、H2S-B4SO₂,NO₂,O₃,CO,H₂S成本低、功耗小、响应快常规气体普查、应急筛查PID传感器

\VOCs(总挥发性有机物)灵敏度极高、响应快化工园区溯源、泄漏排查激光散射传感器OPC-N2、OPC-N3、OPC-R1PM2.5,PM10精度高、可直读质量浓度扬尘源监测、颗粒物分布研究非分散红外(NDIR)GS-Y5CO₂,CH₄选择性好、稳定性高温室气体排放监测水环境监测技术利用水质参数改变水体光学特性，通过传感器捕获反射光信号，建立反演算法模型，转化光谱信息为水质参数浓度。无人机水环境监测原理叶绿素a在0.70µm处反射陡坡，悬浮物反射峰红移且反射率升高，油污抑制水面波纹形成暗色条带，可溶性有机物在蓝光波段有强烈吸收。水质参数与光谱关系水环境监测技术水质参数反射率变化反演组合波段叶绿素a0.70µm处出现反射陡坡红边、近红外波段与红光波段的比值（如叶绿素指数NDCI）悬浮物反射峰红移，整体反射率升高红光、近红外波段，或红/蓝波段比值油污抑制水面波纹，形成暗色条带紫外、蓝光及热红外波段可溶性有机物可溶性有机物对蓝光波段（400-500nm）

有强烈吸收，使水体呈现黄褐色，反射率降低。蓝光波段针对湖泊等水体监测浮游植物爆发增殖，无人机搭载多光谱相机，通过叶绿素a浓度反演模型生成专题图，显示藻华空间分布、聚集程度和迁移路径。对水质监测的遥感监测任务载荷常选用多光谱相机，这种传感器最常用，可同时采集蓝、绿、红、红边、近红外等多个波段的影像数据，是反演多种水质参数的关键。高光谱相机能捕获数十至数百个连续窄波段的影像，数据维度极高，反演精度更高，但设备和数据处理成本也更高，多用于科研。热红外相机：用于探测水温异常，辅助排查温排水污染。可见光相机用于辅助判读、拍摄排污口影像证据。针对湖泊、水库、沿海等水体，监测浮游植物的爆发性增殖情况。藻华和赤潮会破坏水生生态系统，产生毒素，威胁供水安全。无人机可搭载多光谱相机，通过计算叶绿素a浓度反演模型，生成叶绿素浓度分布专题图，可清晰、直观地显示藻华的空间分布范围、聚集程度和动态迁移路径。藻华与水华监测与预警01排查沿河、沿湖、沿海区域的非法、隐蔽排污口，监控企业、污水处理厂排水口的运行情况。探测排污口位置、排放状态、以及周边环境痕迹，通过分析排水口下游水体的光谱特征变化，识别隐藏在水下或是制备中的污水管道，探测未处理违规排放的温排水，其温度与周围水体不同而在热影像上呈现明显异常。污染源与排污口排查02水环境监测技术——应用场景基于河道水体的富营养化检测

植被生态监测技术健康植被在红光波段吸收强，近红外波段反射极高，形成独特光谱特征，用于生态监测。植被光谱特征通过计算近红外与红光波段反射比，NDVI指数评估植被健康状况，值越高表示植被越茂盛。NDVI指数应用统计林木数量、评估健康度、监测病虫害，使用多光谱与可见光相机采集数据，生成影像和模型，计算NDVI及叶绿素含量分布图，划分林区等级，定位病虫害。林业资源调查与病虫害监测对目标区域施工全周期航测，估算植被覆盖度和生物量，生成生态修复评估报告，督促管护，无人机提升植被生态遥感评估效率。生态环境评估与修复监管利用无人机与多类型传感器，实现固体废物智能监管，关键于“无废城市”建设。无人机监测技术高清变焦相机远近兼顾，热红外相机探隐秘，多光谱相机辅绿评，GPS精确定位污染源。传感器应用利用可见光相机发现烟雾和明火，热红外相机定位火点，无人机实现“空中普查+精准取证”，提升固废监管效率和精准度。秸秆焚烧空中巡查无人机监督工地垃圾堆放点设置、渣土车密闭运输及乱排放，定期巡检判断合规与覆盖措施，记录运输行为。建筑工地垃圾管理固废污染监测技术03无人机环保监测作业流程监测前准备工作01明确任务目标明确需要监测的地理范围和环境要素，确定最后的数据成果类型、数据精度和分辨率要求。02空域与场地勘察查看空域是否禁限飞，规划飞行申请；勘察起飞环境与障碍物，评估无线电干扰，选择迫降点，查询天气；选择设备并检查校准；制定人员分工计划。航线规划设计地面站软件预先规划自动化航线，设置飞行高度、速度、航向/旁向重叠率（70%-80%）、云台角度等参数，不同应用对应航线规划如表15-3-1所示。航线规划基础设置01植被调查航线参数：高度80-120米，重叠率80%/70%，云台角度-90°，覆盖整个植被区域，区域过大可分割子区飞行。污染源巡查以手动航线为主自动为辅，先规划大范围网格航线筛查，发现可疑目标后手动飞近多角度变焦拍照录像取证。大气溯源监测：三维立体航线，多高度层低速飞行，绘制污染物垂直分布。河道巡查：带状航线，设偏航角使相机垂直河道。航线参数设置02（1）数据预处理主要依赖摄影测量软件自动完成，如Pix4Dmapper,DJITerra,ContextCapture。通过空三解算和生成三维点云，生成数字正射影像。在镶嵌和匀色后，生成无缝、无畸变的、带有精准坐标的地图。（2）信息提取与反演本过程主要使用ArcGIS、ENVI等遥感和地理信息分析处理软件，在生成精准正射影像的基础上进行定性或定量分析。大气环保监测：将无人机采集的离散点气体浓度数据，结合其GPS位置，通过克里金插值法、反距离权重法等空间插值算法，生成连续的污染物浓度分布云图，直观展示污染物的空间分布和扩散趋势。水质监测：计算NDCI（叶绿素）、NDSI（悬浮物）等，或采用更复杂的机器学习、深度学习模型，反演叶绿素浓度和悬浮物浓度，得到水质参数专题图。植被监测：计算NDVI、NDRE等，生成植被指数分布图，分析植被生态状况。固废监测、排污口排查、生态破坏评估：主要使用基于可见光影像的人工目视解译。在正射影像上，人工识别并标注出非法垃圾堆放点、排污口、违规开挖区域等目标物，并测量其面积、长度等信息。（3）形成环保检测报告。内业数据处理与监测分析

拓展项目：工业园区废水监测无人机查工业园区排废水工业园区疑似企业偷排废水，生态环境局接举报后，面对排查难题，决定启用无人机监测，高效突击检查。生态环境举报针对园区范围广、企业多、行为隐蔽问题，利用无人机监测系统，克服传统排查局限，实现快速精准检测。无人机监测应用任务目标1.对园区内所有企业排放口、雨水管网入河口及周边水体进行全域巡查，快速定位异常排污点。2.对疑似偷排点进行高清视频录制、多光谱扫描和水样采集，固定违法证据。利用无人机机动性，追踪污染带扩散范围，初步评估影响程度。飞行平台选择夜间侦测废水排放，温差显异常，精准定位热冷污染源。红外热成像相机昼夜监控，远程拍摄，详实记录违法排放证据。高清变焦云台相机任务载荷选择与航线规划基于园区地图，预先规划覆盖所有潜在排污节点的自动巡检航线。设置多个预备采样点。夜间作业无人机沿预设航线无声巡航，红外热成像发现企业非法排放，4K视频记录全过程，精准定位非法排放源。夜间作业无人机监测多光谱相机扫描，水质反演算法生成污染图，直观展示影响。实地采样工作人员采集水样，生成完整环境检测报告。白天作业04本章小结无人机环保监测技术概览01灵活高效，成本低，成环境监测关键工具，基于遥感技术，分析地物特性。02利用电磁波特性，搭载传感器，采集数据，反演分析，覆盖大气、水质、植被监测。无人机环保应用无人机监测原理05思考与练习无人机环保监测选择题1.在对工业园区进行夜间排污排查时，最有效的无人机载荷是：（

）A.多光谱成像仪B.高精度激光雷达C.红外热成像相机D.超高分辨率可见光相机2.无人机环保监测相比传统人工方式的最大优势是：（

）A.载荷设备更便宜B.无需专业人员操作C.效率高、覆盖广、无接触安全D.永远不需要进行地面验证3.要快速获取大面积水域的叶绿素a浓度分布情况，从而判断富营养化程度，应使用的载荷是：（

）A.气体传感器B.高音喇叭C.多光谱成像仪D.可见光相机无人机环保监测填空题6.利用_______技术，无人机可以在夜间通过探测温度差异，清晰发现偷排的废水痕迹。7.多光谱成像仪是通过分析水体的__________来间接反演水质参数的。8.评估植被健康的常用指数是__________，其计算依赖于植被对近红外光和__________光的反射特性。9.无人机大气监测具有__________优势，能够快速抵达人员难以进入的污染区域上空进行数据采集。10.对于无组织排放的废气，无人机通过搭载__________，可以绘制出污染气体的__________分布图。简答题8.简述无人机环保监测技术相比传统人工监测手段的三大优势，并每项优势结合一个具体应用实例说明。9.简述多光谱成像仪在植被监测和水质监测中应用原理的异同点。并思考，如果同一幅多光谱影像中同时包含植被和水体，该如何区分并解译它们的信息？感谢聆听第12章空中交通01空中交通概述02空中交通组织实施03低空交通的智能化管控与发展01空中交通概述

1.1空中交通基本概念空中交通是特定空域内航空器飞行及地面保障活动总和，管理需通信导航监控，低空体系含航空器等要素，无人机分多类别且管控要求不同。

空中交通管理是指利用通信、导航技术和监控手段对飞机飞行活动进行监视和控制，保证飞行安全和有秩序飞行。低空空中交通体系由航空器、空域资源、地面管控系统、通信导航设施等要素构成，无人机作为低空交通的主要参与者，按重量、用途可分为微型、轻型、小型及大型等类别，不同类别在飞行权限、管控要求上存在显著差异。1.2低空空域结构我国低空空域通常划分为管制空域、监视空域和报告空域。管制空域是管理要求最严格的空域类型，需全程审批与监控。具有以下显著特点：（1）实行全程主动管制，所有航空器必须接受空中交通管制单位的实时指挥。（2）需要预先提交详细的飞行计划并获得批准。（3）强制配备双向通信设备，保持与管制单位的持续联络。（4）实施严格的间隔标准，确保飞行安全。（5）通常设有固定的航路、航线或飞行走廊。1.2低空空域结构我国低空空域通常划分为管制空域、监视空域和报告空域。监视空域要求飞行者上报动态。具有以下显著特点：（1）监视空域采用中等强度的管理方式，主要特点包括：（2）实施被动监视，航空器需要主动上报位置信息。（3）要求配备自动相关监视（ADS-B）等监视设备。（4）飞行计划审批流程相对简化。（5）航空器之间自行保持安全间隔。（6）管制单位提供飞行情报服务和告警服务。1.2低空空域结构我国低空空域通常划分为管制空域、监视空域和报告空域。报告空域则仅需报备飞行计划。（1）报告空域是管理最为灵活的空域类型，其主要特点包括：（2）采用报备制管理方式。（3）不提供主动管制服务。（4）航空器自行保持间隔和避让。（5）通信要求相对宽松。（6）空域使用门槛较低。1.2低空空域结构管理维度管制空域监视空域报告空域审批要求预先审批备案登记飞行报备监控方式全程主动监控被动监视无监控通信要求保持持续通信定时报告必要时通信间隔责任管制员负责共同负责飞行员负责设备要求全套通信导航设备监视和通信设备基本通信设备适用飞行量大流量中等流量小流量空域复杂度高中低我国低空空域通常划分为管制空域、监视空域和报告空域。国际通用规则1.3空中交通规则体系国际民航组织制定《国际民用航空公约》附件，规定空域分类、飞行规则、通信标准等空中交通规则及航空器适航性、机组资质等基础要求。国内核心法规国内核心法规是规范低空飞行的顶层设计，覆盖无人机登记、经营性飞行等关键环节，具强制性与普适性，是参与者基本准则。行业专项规范各行业主管部门制定专项规范，对通用法规进行补充与细化，确保不同领域的飞行活动既合规又适配行业特性。管控层级1.4空中交通管控体系

低空交通管控采用国家、区域、地方三级体系。国家级制定政策、统筹活动；区域协调资源、处理跨区任务；地方实施管控、处理日常申请与监控。管控主体

管控主体包括空管部门、民航监管机构、公安部门等，不同主体按职责分工协作，如民航部门负责无人机适航管理，公安部门负责空域安全执法。常见管控技术与设备

电子围栏技术划定虚拟禁飞区，无人机接收入系统，禁飞前告警并限飞，用于机场、政府机关等敏感区域。

ADS-B系统自动广播航空器位置信息，实现空中交通态势感知，增强飞行安全。

雷达监控探测航空器位置、速度，适用于中低空域监控，小型雷达补盲区。

地面站系统集成通信、导航、监控，实时显示无人机状态、航线，支持远程操控、应急处理。1.4空中交通管控体系

1.4空中交通管控体系管控流程案例：深圳市建立了覆盖全市的无人机飞行管理服务系统，将深圳市空域划分为管制、监视、报告不同类型的飞行区域，并通过深圳无人机在线平台为用户提供空域查询、飞行计划报备、实时预警等服务。用户可在手机App上清晰看到禁飞区、限飞区和可飞区，并在线提交飞行计划。系统整合了ADS-B、雷达、蜂窝网络等多种监视技术，实现对合法飞行无人机的实时监控和对非法入侵无人机的侦测与反制。涵盖飞行前审批、飞行中监控、飞行后评估三个阶段，形成闭环管理。飞行中监控通过地面雷达、电子围栏等技术手段，实时掌握航空器动态。2空中交通组织实施2.1空域规划空域规划是指为了安全、高效、有序地利用空域资源，根据空域用户的需求、空域固有的物理特性、以及国家政策法规，对特定空域范围的结构、分类、使用规则和运行程序进行系统性设计和安排的过程。空域规划是低空经济发展和安全管理中基础的设计工作。无人驾驶航空器综合管理平台空域信息模块，可查询无人驾驶航空器的适飞空域。无人机用户还可在新增飞行活动申请时选择我的常飞空域并进行维护。2.1航线设计（1）安全性原则是航线设计的首要原则。航线规划必须避开各类障碍物，包括建筑物、高压线、树木等地面障碍，规避禁飞区、限制区等特殊空域，并与人群密集区、危险品存储区等高风险区域保持足够的安全距离。在设计过程中，需要考虑无人机的性能特性，留出充足的安全裕度，并制定相应的应急避险方案。（2）经济性原则要求在不影响任务完成质量的前提下，通过优化航线设计降低运营成本。具体表现为选择能耗最低的飞行路径，减少不必要的飞行距离和时间，优化航点设置避免重复飞行，并根据任务特点合理配置飞行高度和速度。经济性设计不仅要考虑单次飞行的成本，还要兼顾长期运营的效益。（3）合规性原则强调航线设计必须符合空域管理相关规定。包括遵守空域分类使用要求，严格按照审批的飞行空域和高度飞行，尊重其他空域使用者的权益，避免造成空域使用冲突，并确保飞行活动符合法律法规和行业标准要求。（4）适应性原则要求航线设计具备足够的灵活性和可调整性。设计时应考虑不同气象条件下的飞行要求，预留应对突发情况的调整空间，能够根据实时空域交通状况进行动态优化，并支持多种任务模式下的航线调整需求。低空航线设计原则在实际航线设计过程中，需要综合运用这四个原则，根据具体任务需求进行权衡和优化2.2航线设计方法与步骤低空航线设计原则与挑战低空航线设计是一个系统性工程，尤其针对无人机和eVTOL等新型航空器，需要兼顾安全性、效率、经济性和可扩展性。其核心思想是从宏观到微观，从理论到实践，逐步细化低空航线设计方法概览低空航线设计根据任务复杂度和技术条件，主要采用手动设计、自动规划、协同规划三种设计方法。手动设计适用于简单场景，通过地图工具规划大致航线，标注关键航点。自动规划指利用专业航线规划软件，输入任务参数后自动生成最优航线，支持三维路径规划。协同规划指多机作业时，需进行航线协同设计，避免航空器之间的冲突航线设计综合分析与优化航线设计需基于区域地理环境、气象条件、空域结构以及航空器性能等多维度因素进行综合分析。通过地理信息系统和航空气象数据的集成，确定航线的最佳路径。在设计过程中，应优先考虑避开人口密集区、自然保护区以及军事禁区等敏感区域，同时确保航线与现有高空航线、地面交通网络的有效衔接，避免空域冲突.2.2航线设计方法与步骤航线设计的具体步骤包括：（1）需求分析：明确航线服务的目标区域、航空器类型、飞行频率以及运输需求。（2）空域评估：分析区域内现有空域使用情况，确定可用空域资源。（3）路径优化：结合地形、气象和空域限制，优化航线路径。（4）安全性评估：通过仿真模拟，评估航线在不同气象条件下的安全性，确保飞行风险可控。（5）经济性分析：计算航线运营成本，包括燃油消耗、维护费用以及空域使用费用，确保经济效益最大化。飞行计划申报通常包括以下步骤：（1）通过国家空域管理系统或地方政务服务平台提交飞行申请，内容包括飞行时间、区域、高度、航空器信息等。登录无人驾驶航空器综合管理平台，点击【运行管理】，选择【一般飞行活动】，再点击【新增】，进入无人驾驶航空器飞行活动申请界面，补充相关信息，点击【保存】、【完成申请】。（2）空管部门对申请进行审核，评估飞行活动对空域安全的影响。（3）审核通过后，获得飞行许可文件，需在飞行前核对许可信息。在一般飞行活动界面可查询申请记录。飞行活动已获得批准的单位或者个人，应当在计划起飞1小时前向空中交通管理机构报告预计起飞时刻和准备情况，经空中交通管理机构确认后方可起飞。（