基于無人機技術的突發性污染事件監測與評估

中圖分類號：X505 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）16-0115-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.023

Monitoring and Evaluation of Sudden Pollution Events Based on Drone Technology

ZHANGYun1LI Lan2 （1.Linfen Ecological Environment Monitoring Center of Shanxi Province，Linfen O41Ooo， China; 2.Angel YeastCo.，Ltd.，Yichang 4430O0，China）

Abstract：[Purposes] This study investigates the monitoring and evaluation of sudden polltion events based on drone technology to address the limitations of traditional monitoring methods.[Methods] Taking an industrial waste gas leakage event as a case study，the drone system was equipped with a variety of sensors to monitor air quality，gas concentrations，and meteorological conditions in real time，and dynamic evaluation of the pollution event was conducted by combining multidimensional data.[Findings] The monitoring data showed that the drone-based system could respond rapidly to pollution events，capturing pollutant concentrations and dispersion pattrns in real time while providing high-precision data support.The system significantly expanded the monitoring coverage，enabling comprehensive assessment of the accident site and surrounding areas.[Conclusions] The drone system enables rapid deployment and data collection after pollution events，providing timely and accurate pollution assessment data.

Keywords： drone technology; sudden pollution event; environmental monitoring; pollution assessment

0 引言

分，通常具有發生迅速、影響范圍廣和危害嚴重等特點。其不僅對生態環境和公共健康構成威脅，還給應急響應和治理帶來了極大挑戰。傳統的污染突發性污染事件作為環境污染的重要組成部監測方法多依賴人工巡檢和固定監測點，存在響應時間長、覆蓋范圍有限、數據采集不全面等問題，在面對突發性污染時，往往無法做到及時、準確地監測與評估[1-2]。因此，亟須更加高效和靈活的技術手段來應對挑戰。近年來，無人機技術因其靈活性、高效性和成本效益優勢，在環境監測領域得到了廣泛應用。無人機可快速部署至污染現場，進行實時數據采集，在污染事件發生后的應急響應中展現出重要價值。無人機搭載多種傳感器和監測設備，能夠獲取空氣質量、溫度、氣體濃度等關鍵環境參數，為突發性污染事件的監測與評估提供高效、精準的技術支持。本研究旨在探討基于無人機的突發性污染事件監測與評估技術，分析當前面臨的挑戰，評估無人機在污染事件中的應用潛力，并提出相應的應急響應策略，以期為環境治理與應急管理提供參考。

1突發性污染事件監測的現狀與挑戰

首先，現有的污染監測體系大多依賴固定監測站點或人工巡檢，這種方式的最大局限在于時效性差，難以在污染事件初期及時獲取關鍵數據[3]。尤其是在污染源分布廣泛、變化迅速的情況下，人工巡檢往往無法覆蓋到所有受影響區域，造成監控盲區，延誤污染評估和應急響應。此外，固定監測站點因其位置的固化性，往往無法靈活適應突發事件的動態變化且通常只采集單一的環境參數，難以全面、準確地反映污染的復雜性。其次，在突發性污染事件發生后，污染擴散速度通常較快且受地理、氣候等因素的影響，污染源可能位于較為偏遠或難以到達的區域。在這種情況下，傳統監測手段往往因資源分配和人員調度的局限，無法做到快速反應。若污染擴散未能在初期得到有效遏制，可能加劇對生態環境和公眾健康的負面影響[4-5]。

2無人機監測系統的概述

2.1 系統構成與工作原理

無人機監測系統主要由無人機、無人機艙系統和管理平臺構成。無人機部分采用工業四旋翼設計，配備多種任務載荷，用于執行巡邏巡檢任務，具有高效能的飛行作業能力。無人機艙系統是核心的存儲和充電平臺，包含無人機起降平臺、自動充電系統、氣象站等組件。通過自動化的充電與存儲功能，無人機可在不需要人工干預的情況下進行長期待命，并能實時監測環境氣候條件，及時調整作業策略以應對惡劣天氣。管理平臺通過終端控制軟件實現對無人機的遠程管理與控制，監控無人機的飛行狀態、任務進展和設備健康狀況，支持任務的調度與規劃。系統結合北斗衛星導航、云計算平臺和地圖數據，實現無人機的精準定位與自主飛行，從而在低空區域實現全自動巡檢與巡邏。該系統具備空中自動駕駛能力，能夠高效地執行定時、定點、定航線等巡檢任務，確保任務的全面性與實時性。

2.2 硬件設備

大華A200無人機場系統配備了一系列高性能硬件設備，確保無人機巡邏巡檢任務的高效執行。該系統的核心組件包括無人機、無人機艙、氣象監測設備、自動化巡檢控制系統及相關輔助設備。具體設備配置清單見表1。

表1設備配置清單

3基于無人機的突發性污染事件監測與評估

3.1 案例概述

2023年6月，某城市突發工業廢氣泄漏事件，導致該地區空氣質量嚴重污染。由于事故發生在深夜且現場監控系統未能及時捕捉到污染源，污染擴散迅速，最終造成了周邊 500km² 范圍內空氣質量超標。該事件涉及的污染物主要為二氧化硫0 [SO₂] ）、氮氧化物（ [NO_x] 和一氧化碳（CO）。事件發生后的前 2h 內，污染物濃度急劇上升， SO₂ 濃度從常規水平的 10×10^-9 迅速飆升至超過 1000×10^-9 ，氮氧化物和一氧化碳的濃度亦分別超標至 500×10^-9 和 300×10^-9 ，遠遠超過正常環境值。受此影響，周邊地區的空氣質量指數（AQI）在事件發生后的 6h 內達到了嚴重污染級別，空氣污染指數（API）高達310，遠超健康風險標準。針對這一突發事件，傳統監測手段未能及時覆蓋事件區域，導致污染評估工作滯后，影響了及時的應急響應。

3.2無人機數據采集與污染事件評估

突發性污染事件發生后，無人機監測系統迅速部署至事故現場進行數據采集，為及時評估污染擴散情況提供關鍵支持。通過無人機平臺集成的多種傳感器，包括氣體檢測云臺、高光譜成像云臺，以及溫濕度傳感器，進行全面的數據采集，進而為后續的應急響應提供依據。

無人機在事件發生后的 3h 內進行空中巡檢，監測關鍵環境因子，包括污染源周圍的空氣質量、氣體濃度、風速和風向等。在數據采集過程中，氣體檢測云臺利用紅外傳感器和電化學傳感器精準測量了空氣中主要污染物的濃度，例如， SO₂，NO_x CO和揮發性有機化合物VOCs。

設污染物濃度為 C（t） ， χ_t 表示時間，h。根據監測數據， SO₂ 的濃度變化計算公式為式（1）。

C_SO2（t）=C₀?e^αt

式中： C₀ 是初始濃度（常規水平為 10×10^-9 ）； a 是污染物擴散的增長率；t是時間， h

根據監測數據， SO₂ 的濃度從 10×10^-9 迅速上升至 500×10^-9 ，且在 ³h 后達到 800×10^-9 以上，這一趨勢表明污染物濃度在初期呈指數增長。

突發性污染事件監測數據見表2。 SO₂ 濃度在事件發生后的前2h從 10×10^-9 增長至 500×10^-9 且達到 800×10^-9 時，污染物濃度的增長可被近似為指數函數，考慮增長率 α=0.5 （設的增長率），估算污染物濃度在不同時間點的變化的計算公式為式（2）、式（3）。

C_so1=10?e^0.5?2=10?e¹≈27.3×10^-9

C_so2=10?e^0.5?3=10?e^1.5≈45.6×10^-9（3）

污染物的擴散不僅受污染源強度的影響，還與環境因素（如風速、風向和溫濕度條件）密切相關。風速和風向影響污染物的擴散方向與速度，污染物

擴散的速度計算公式為式（4）。

式中： V_☉* 表示污染物擴散速度； D 是污染物擴散系數； C（t） 是污染物濃度； s 是污染物的源強度；V_X 是當前風速； 是最大風速。

風速在事件發生后的 12h 內達到最大值，為15km/h ，結合監測數據，能夠計算出污染物的擴散速度，并預測污染物在一定時間內擴展的距離。根據風速、污染物濃度等參數，可以使用擴散模型預測污染物擴展范圍。在風速較高的情況下，污染物的擴散速度會顯著加快。假設污染源的擴散范圍計算公式為式（5）。

式中： R（t） 表示污染物擴展的距離； χ_t 為時間，h。若污染物在 6h 內擴展至 10～12km ，隨著時間推移，污染物在 12h 后進一步擴展至 20km 以上。通過該模型，能夠得出污染物濃度隨距離變化的計算公式為式（6）。

由此可進一步評估污染物的影響范圍。

風速和風向對污染物的擴散有著顯著的影響。根據監測數據，風速在事件發生后的 6h 內達到了最大值 15km/h ，并且風向持續為東北風。這一因素使得污染物迅速向東北方向擴展，影響范圍更廣。風速與污染物擴散的關系可以通過以下的擴散方程進行量化，計算公式為式（7）。

式中 ：D 是污染物的擴散系數（與風速相關） _;v 是風速， .m/s;C（x，t） 是污染物在位置 x 和時間 Φ_t 的濃度。通過該方程可以進一步分析風速對污染物濃度的傳播速度的影響。設風速 v=4.17m/s （即 15km/h） ，可以用式（7）計算不同風速下污染物濃度的變化，幫助分析污染物的擴散速度和范圍。

3.3 應急響應與處置策略

針對突發性污染事件的應急響應與處置，必須依托實時監測數據，快速啟動響應機制。首先，在污染事件發生后，應立即通過無人機監測系統獲取第一手數據，評估污染物濃度和擴散范圍，特別是空氣中有害氣體如 和CO的變化。這些數據有助于判斷污染事件的嚴重性及影響區域。無人機系統的高效性和靈活性使其能夠迅速覆蓋傳統監測無法到達的區域，尤其是事故發生后的初期階段，及時捕捉污染物擴散動態。一旦評估出污染的嚴重性，應立即通知相關部門啟動緊急處置措施，包括但不限于：向受影響區域發布緊急預警，組織當地居民疏散或采取防護措施；向污染源所在企業或工廠發出停產、封閉通道的指令，以控制污染源擴散。與此同時，消防、環境保護、衛生防疫等部門需協調配合，針對污染物的特性，選擇合適的應急治理方法。例如，針對空氣污染，可以利用高效除塵設備和吸附劑，減少有害氣體的濃度。此外，風速和風向是突發污染事件處理中重要的影響因素，應實時監測這些氣象條件，確保處置措施的合理性。例如，強風天氣可能加劇污染物的擴散，應考慮調節處置策略或加強污染源區域的封控。

表2突發性污染事件監測數據

4結論

無人機系統能夠迅速獲取實時數據，提供污染源的精準定位和污染物濃度的動態變化，為環境應急響應提供強有力的數據支持。通過無人機搭載的多種傳感器，能夠全面監測空氣質量、溫濕度及氣體濃度，為及時評估污染事件提供可靠依據。盡管當前無人機監測系統在技術和應用上已取得一定進展，但在復雜環境下的穩定性、長時間作業能力及高精度數據采集方面仍存在提升空間。未來，隨著無人機技術的不斷進步，尤其是在續航能力、傳感器精度和數據處理能力方面的提升，預計無人機將在突發污染事件的監測與評估中發揮更加重要的作用，并推動環保應急響應體系的進一步優化和完善。

參考文獻：

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