智能無人機在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用

朱云陽，沈?qū)殗钚﹁?/p>

（江蘇航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212134）

0 引言

在現(xiàn)代社會發(fā)展中，無人機[1]已經(jīng)成為了生產(chǎn)生活應(yīng)用中的重要的輔助工具，在人們的社會活動和生活中的地位逐步提升。無人機從最初的軍事領(lǐng)域擴展到農(nóng)業(yè)、工業(yè)、環(huán)境保護(hù)等各個領(lǐng)域，尤其在處理嚴(yán)重的土壤污染、水污染、大氣污染問題。同時，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)的迅速發(fā)展，利用其先進(jìn)的理念和關(guān)鍵的技術(shù)，使得智能無人機能夠全面提高環(huán)境保護(hù)的效率，讓污染物處理設(shè)備和公共基礎(chǔ)設(shè)施更加人工智能化，讓監(jiān)管更加高效，從而推動了智能無人機在環(huán)境保護(hù)[2]中的發(fā)展。本文首先對傳統(tǒng)方式方法下環(huán)境保護(hù)的手段予以闡述，同時，對無人機在環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用場景進(jìn)行介紹并通過對比發(fā)現(xiàn)，突顯出無人機在環(huán)境保護(hù)中具有高效、便捷的優(yōu)點。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 環(huán)境保護(hù)現(xiàn)狀

隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化建設(shè)過程高速發(fā)展，環(huán)境壓力越來越大，因而環(huán)境保護(hù)任務(wù)也日趨繁重。主要表現(xiàn)在三個方面：第一是體現(xiàn)在災(zāi)害監(jiān)測[3]、森林資源調(diào)查、土壤等生態(tài)環(huán)境方面的保護(hù)。由于涉及的區(qū)域較廣，傳統(tǒng)的方法常為采用人工定期巡查的方式，這就意味著不能及時的發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的隱患。第二是由于工業(yè)排放，包括固廢等所造成的水資源環(huán)境保護(hù)[4]。在工業(yè)經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，工業(yè)排放大都不符合排放標(biāo)準(zhǔn)，這些工業(yè)排放所攜帶獨特顏色與氣味，輕則會引起人們感官上的不快，重則會導(dǎo)致水中的懸浮物堵塞從而造成海洋中水生動物的窒息死亡，長時間的隨著水流的遷移會進(jìn)一步的影響人體健康。此外，在不符合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)排放中，會含有酸堿性等污染物和各種各樣的無機鹽。這樣的水體對水生生物的危害很大。而無機鹽能大大增加水的滲透壓，對淡水生物及土壤中植物生長極為不利，另外還會提高水的硬度從而增加工業(yè)用水的處理費用。傳統(tǒng)的監(jiān)測方法在時間和空間上存在著很大的缺陷，無法做到實時精確的對排放企業(yè)的監(jiān)測。第三則是在城市發(fā)展中導(dǎo)致的大氣環(huán)境保護(hù)。尤其是在經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，空氣質(zhì)量較差已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的正常生活。在傳統(tǒng)的方法中對環(huán)境保護(hù)或者地面檢測的技術(shù)手段比較有限，而且以往的檢測技術(shù)手段并不能實時動態(tài)的反映出環(huán)境的質(zhì)量，另外，它在時空上也有很大的缺陷。所以以往的技術(shù)手段不能滿足現(xiàn)代社會發(fā)展的需要，因此必須要運用新型的技術(shù)獲取環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)，無人機技術(shù)便由此誕生了。無人機技術(shù)不僅靈活，而且能夠長時間的對高危地區(qū)進(jìn)行探測，通過對數(shù)據(jù)的搜集、分析、監(jiān)控來進(jìn)行實時監(jiān)管。另外，智能無人機也有利于對環(huán)境的常規(guī)檢測和對突發(fā)污染災(zāi)害的及時監(jiān)測。

1.2 無人機發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)2019 全球無人機行業(yè)市場競爭格局分析簡報中發(fā)布的2019 年無人機市場環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球已經(jīng)有包括中國、美國、以色列等49 個國家研發(fā)無人機。隨著電子、通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，無人機技術(shù)的發(fā)展也進(jìn)入了快車道，根據(jù)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2018 年度的全球軍用無人機市場規(guī)模為141 億美元。同時，全球民用無人機的銷量告訴增長，從1990 年的2.5 萬架到2018 年的313 萬架，市場規(guī)模達(dá)到73 億美元，同比增速28%。預(yù)計2019 年全球民用無人機出貨量達(dá)到370 萬架。

2 環(huán)境保護(hù)對無人機的新需求

2.1 應(yīng)用場景

（1）無人機在生態(tài)環(huán)境中的監(jiān)測應(yīng)用。在生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面主要體現(xiàn)在災(zāi)害監(jiān)測、森林資源調(diào)查、土壤生態(tài)環(huán)境等方面。通過無人機搭載的任務(wù)載荷進(jìn)行圖像獲取，并配合監(jiān)控軟件以及地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)對所獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，從而實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境高效準(zhǔn)確監(jiān)測。

（2）無人機在水資源環(huán)境[5]中的監(jiān)測應(yīng)用。由于水體環(huán)境較為復(fù)雜、水域面積較為分散且污染類型多樣，對數(shù)據(jù)精度要求較高，傳統(tǒng)方法中采用隨機取點的方式進(jìn)行監(jiān)測已經(jīng)無法適用，同時，水資源監(jiān)測所涉及的人力資源設(shè)備較為繁雜，且效率較低。因此利用無人機所攜帶的任務(wù)載荷對水資源環(huán)境的監(jiān)測尤為高效便捷。

（3）無人機在大氣環(huán)境中的監(jiān)測應(yīng)用。目前，大氣污染是我國污染較為嚴(yán)重的領(lǐng)域之一，它已經(jīng)嚴(yán)重地威脅了人民的生命和財產(chǎn)安全，利用高科技手段對環(huán)境災(zāi)害或者是污染企業(yè)進(jìn)行更有效的監(jiān)控和預(yù)防已經(jīng)迫在眉睫。傳統(tǒng)的大氣環(huán)境監(jiān)測方法對監(jiān)測人員的考驗較大，存在著人身安全隱患。而利用無人機所搭載的任務(wù)載荷裝備能夠自動地完成作業(yè)，從而避免了人為因發(fā)生意外而造成傷亡的現(xiàn)象，同時也適合去完成一些夜間任務(wù)。

2.2 能力需求

為實現(xiàn)上述智能無人機在環(huán)境保護(hù)中的應(yīng)用場景，需要結(jié)合多門學(xué)科進(jìn)行全方位的進(jìn)行無人機應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建。從技術(shù)功能層面看，主要包括智能性、可靠性、便捷性等，具體需求如下：

（1）智能性。無人機不僅可以在無人操作的情況下實現(xiàn)全自主方式飛行，而且對于待測區(qū)域進(jìn)行可以實時的路徑優(yōu)化。此外，在特殊緊急情況下，對于數(shù)據(jù)的采集后具有預(yù)處理的能力。

（2）可靠性。對于整個系統(tǒng)而言，可靠性主要表現(xiàn)在無人機系統(tǒng)和搭載的任務(wù)載荷兩個方面。在系統(tǒng)運行期間，需要保證無人機系統(tǒng)的飛行安全和地面操作人員的人身安全。此外，對于搭載的任務(wù)載荷，需要加強在監(jiān)測時采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

（3）便捷性。傳統(tǒng)的環(huán)境保護(hù)方式消耗了大多數(shù)人力物力資源，從整個方案的運營成本，或是監(jiān)測的快速性考慮，對于整個無人機系統(tǒng)以及攜帶的任務(wù)載荷都要考慮便捷性。

2.3 具體實現(xiàn)

對于在生態(tài)環(huán)境中的監(jiān)測，利用無人機遙感技術(shù)通過在無人機上攜帶任務(wù)載荷，如數(shù)碼相機或光譜類設(shè)備（如紅外攝影機、紅外掃描儀、微波輻射計等）獲取遙感影像或是采用高分辨率的數(shù)碼相機來進(jìn)行對監(jiān)測區(qū)域的實時圖像獲取，根據(jù)其搜集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，從而實現(xiàn)宏對觀環(huán)境監(jiān)測或大范圍監(jiān)測指標(biāo)（如土地利用、植被覆蓋等）監(jiān)測。此外，也可結(jié)合使用地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）等技術(shù)，遙感圖像系統(tǒng)獲取的圖像信息通過無人機實時傳輸系統(tǒng)傳遞至地面監(jiān)控軟件，并配合采用地下電子標(biāo)識系統(tǒng)來輔助分析公路路域的土地利用類型、植被覆蓋和土壤侵蝕等生態(tài)環(huán)境要素定位變化信息，從而構(gòu)建處土壤等生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)土壤生態(tài)環(huán)境的快速監(jiān)測調(diào)查。

對于水資源環(huán)境中的監(jiān)測，采用圖像和水質(zhì)數(shù)據(jù)采樣雙重方式從宏觀上監(jiān)測水質(zhì)狀況，并通過無人機的航跡規(guī)劃建立出監(jiān)測水域的實景圖像數(shù)據(jù)，從而實時追蹤和監(jiān)測突發(fā)環(huán)境污染事件的發(fā)展。其中，監(jiān)測指標(biāo)主要涵蓋了水溫、赤潮、海上溢油、水深、藻華等，而任務(wù)載荷和數(shù)據(jù)采樣包括照相機、多光譜成像儀、CCD 攝影機、輕型紅外航掃儀、激光測深儀、成像光譜儀、化學(xué)傳感器等。例如，對于水資源的監(jiān)測，通過在無人機端裝載取水裝置，待無人機飛行至待測區(qū)域，遙控器發(fā)送指令，飛控系統(tǒng)通過控制舵機將取水裝置下放至待測水域中進(jìn)行水樣提取。此外，在相應(yīng)的河道中的不同區(qū)域點進(jìn)行多次采樣，從而分析并判斷出水資源是否被污染。

對于大氣環(huán)境中的監(jiān)測，通過在無人機上搭載紅外成像相機，通過熱像儀的熱分布可視化特點以及測溫相關(guān)的特性，即可實現(xiàn)在夜間對大氣環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，從而可以準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)在夜間還在進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)、排放污物的企業(yè)。此外，對于一些毒害氣體而言，可以利用無人機搭載高精度氣體傳感器實現(xiàn)對大氣環(huán)境的監(jiān)測，并根據(jù)具體的指標(biāo)測試分析出相關(guān)的污染源。對氣體傳感器進(jìn)行合理應(yīng)用，可以最大限度地將對大氣環(huán)境的監(jiān)測效率有效提高，這與傳統(tǒng)的由監(jiān)測工作人員親自進(jìn)行巡查的方式相比，不論是監(jiān)測的質(zhì)量還是效率，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的監(jiān)測方式。對于很多較為嚴(yán)重、難處理的問題，通過氣體傳感器的應(yīng)用也可以快速解決。例如，對于大氣環(huán)境的監(jiān)測，通過在無人機端裝載氣體檢測儀（如富凱特公司的環(huán)境檢測儀FKT-AQI-L），待無人機飛行至待測區(qū)域，氣體監(jiān)測裝置將監(jiān)測到的PM2.5、CO、SO2、NO2、溫度等參數(shù)通過無線方式傳遞至地面端的軟件監(jiān)控平臺從而實現(xiàn)對大氣環(huán)境的監(jiān)測。

3 結(jié)語

隨著人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、云計算等產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，無人機在各行各業(yè)的應(yīng)用愈加廣泛。作為一中新興的產(chǎn)業(yè)技術(shù)，無人機可以完成高難度、高風(fēng)險任務(wù)，提高了環(huán)境保護(hù)的工作效率以及保障了操作人員的人身安全。本文通過探討無人機在環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用場景，旨在為無人機在環(huán)境保護(hù)中的發(fā)展作參考。