一、項(xiàng)目背景
隨著我國近幾年來大氣污染狀況越來越嚴(yán)重，特別霧霾（顆粒物PM2.5、PM10等）在污染物中所占的比例越來越重，因此我國的大氣污染檢測與治理的任務(wù)也越來越重。國家對此也在大多數(shù)城市布設(shè)或者完善了顆粒物、氣體檢測設(shè)備，形成了國控點(diǎn)結(jié)合省控點(diǎn)分布密集的地面污染源檢測網(wǎng)。
然而我們也能清楚的看到，依據(jù)國控點(diǎn)地面檢測數(shù)據(jù)所作出的預(yù)測與實(shí)際環(huán)境污染狀況的發(fā)展還是存在較大差距，此外，依據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)所實(shí)施的治理手段，如地面灑水、建筑工地遮蓋、交通限行、工業(yè)限產(chǎn)、鍋爐改造、脫硫脫硝處理等方案，效果也不盡如人意。
作為繼航空、航天遙感后的第3代遙感技術(shù)的無人機(jī)遙感技術(shù)，具有立體監(jiān)測、響應(yīng)速度快、監(jiān)測范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點(diǎn), 是今后進(jìn)行大氣突發(fā)事件污染源識(shí)別和濃度監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一。
由于大眾對環(huán)境保護(hù)認(rèn)知度的提升，我國在環(huán)保工作上的投入力度逐步增大，作為環(huán)境保護(hù)先頭兵的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域也是一路高歌，突飛猛進(jìn)。眾多的技術(shù)與突破，使得我國的環(huán)境監(jiān)測愈驅(qū)成熟，其中最不可忽視的新興技術(shù)就要數(shù)無人遙感技術(shù)了。近年來，無人監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)用已經(jīng)成為主流趨勢之一，無人機(jī)遙感監(jiān)測更是在環(huán)保監(jiān)測領(lǐng)域掀起一股熱浪。
二、無人機(jī)氣體監(jiān)測系統(tǒng)
1 無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
智易時(shí)代無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要包括無人飛行器、智易時(shí)代sensor氣體檢測、數(shù)傳/GPRS、地面站/服務(wù)器、數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成。主要的作用于檢測大氣空氣質(zhì)量AQI與應(yīng)急檢測有毒有害氣體，其精度可以達(dá)到1PPB。改變了傳統(tǒng)固定點(diǎn)的檢測使得氣體檢測變得靈活、快速、準(zhǔn)確、方便。
2 氣體濃度數(shù)據(jù)采集的軟件實(shí)現(xiàn)
氣體檢測這塊有著成千上萬種氣體種類、量程、精度等。為了簡化用戶的操作與成本，我司特設(shè)計(jì)一套系列的傳感器。有著一整套完整的軟件信息系統(tǒng)，把所有可以檢測到的氣體種類我們有效的劃分開實(shí)現(xiàn)全部智能化的識(shí)別系統(tǒng)。客戶可以根據(jù)不同的檢測場景搭配不同的傳感器；使得無人機(jī)氣體檢測非常靈活不受荷載的影響。數(shù)據(jù)采集主要如下圖所示。
根據(jù)氣體傳感器的通訊方式可以采用模擬電壓、模擬電流、TTL、RS485，我司的采用的是RS485通訊方式。
串口波特率9600，校驗(yàn)位無，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位；數(shù)值為Hex
三、無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測軟件界面及數(shù)據(jù)分析
地面接收系統(tǒng)的軟件是我司專門設(shè)計(jì)的可用于上述監(jiān)測數(shù)據(jù)接收、解碼、顯示、處理、報(bào)告并向云端上傳的軟件，它與通用飛控軟件Mission Planner相結(jié)合，在獲取飛行路徑規(guī)劃及飛行器飛行姿態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加我司的氣體檢測設(shè)備的實(shí)時(shí)濃度值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析融合，并支持多探測器同步數(shù)據(jù)回傳和處理功能。
數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，主要功能應(yīng)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示、歷史數(shù)據(jù)查詢、區(qū)域的GPS經(jīng)緯度、時(shí)間等信息同步傳回地面接收系統(tǒng)。
(1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示
平臺(tái)可對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示。將空氣質(zhì)量氣體傳感器數(shù)據(jù)、有毒氣體應(yīng)急監(jiān)測數(shù)據(jù)匯入到統(tǒng)一平臺(tái)，統(tǒng)一管理，綜合展示。氣體傳感器數(shù)據(jù)以不同顏色代表不同污染級別。
以下為近1小時(shí)內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：
(2)歷史數(shù)據(jù)查詢
將各點(diǎn)位的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的統(tǒng)計(jì)分析，例如日變化分析、時(shí)間序列分析等，幫助采購方節(jié)約手動(dòng)分析時(shí)間成本，同時(shí)還能夠幫助采購方了解基本污染狀況。
(3)區(qū)域污染概率分析
通過計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)，各區(qū)域污染超標(biāo)的累積概率，能夠得到經(jīng)常發(fā)生污染的區(qū)域，即為超標(biāo)重點(diǎn)區(qū)域，也可能為潛在污染源，管理者可根據(jù)分析結(jié)果對此類區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)管。
(4)污染排名統(tǒng)計(jì)
實(shí)時(shí)排名分析讓采購方掌握新的污染動(dòng)態(tài)，歷史排名分析可以幫助采購方查找重點(diǎn)污染區(qū)域。
(5)移動(dòng)GIS開發(fā)平臺(tái)
1.數(shù)據(jù)編輯：空間地物點(diǎn)選、框選、任意多邊形的拾取；空間地物的增、刪、查、改功能；地物節(jié)點(diǎn)的增、刪、查、改及捕捉功能；回退與撤銷1.功能；快速草圖編輯、繪制功能。
2.數(shù)據(jù)管理：項(xiàng)目式數(shù)據(jù)采集管理模式；方便的數(shù)據(jù)查詢和坐標(biāo)數(shù)據(jù)現(xiàn)場自動(dòng)更新功能；可定制文檔報(bào)表輸出，包括位置、屬性、照片及統(tǒng)計(jì)內(nèi)容。
3.數(shù)據(jù)交互：平臺(tái)端+移動(dòng)端可建立起基于通訊網(wǎng)絡(luò)模式的數(shù)據(jù)交換，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)端；查看移動(dòng)端作業(yè)模式，軌跡上傳、下載、內(nèi)部OA流通訊，任務(wù)工單；下達(dá)、上傳，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)調(diào)取，并完成基于LBS的相關(guān)位置數(shù)據(jù)交互服務(wù)。
4.數(shù)據(jù)采集：GPS手動(dòng)/自動(dòng)/平滑、手繪、偏距等采集方式；公共點(diǎn)、公共邊、多線段及含面地物的空間拓?fù)洳杉挥牲c(diǎn)成線/面、由線成點(diǎn)/面、由面成點(diǎn)/線的多種幾何轉(zhuǎn)換功能；現(xiàn)場照片、聲音、視頻信息的采集并與坐標(biāo)自動(dòng)匹配；可通過藍(lán)牙無線協(xié)同測距儀、探測儀、專業(yè)數(shù)碼相機(jī)等外設(shè)進(jìn)行作業(yè)。
5.地圖應(yīng)用：海量柵格與矢量數(shù)據(jù)的秒級瀏覽；*的行業(yè)數(shù)字地圖及GU歌地圖應(yīng)用；豐富的柵格、矢量數(shù)據(jù)疊加渲染風(fēng)格；快速的矢量圖元疊加分析功能、專題化分析結(jié)果展示。
6.基于ARC GIS類似軟件開發(fā)。
(6)無人機(jī)航線規(guī)劃平臺(tái)
1、智能手持終端中使用“全自動(dòng)作業(yè)”APP可選定監(jiān)測區(qū)域并智能規(guī)劃。規(guī)劃區(qū)塊后，只需填寫速度及高度要求，即可自動(dòng)生成航線、劃分架次等功能，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)飛行。★
2、實(shí)現(xiàn)云端、本地雙重備份。
3、搭載RTK模塊精確繪制顆粒物實(shí)時(shí)云圖。
(8)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器
CPU配置：8核并支持超高主頻實(shí)例；
內(nèi)存配置：內(nèi)存從32G到768G 自由擴(kuò)展。為了能更好發(fā)揮計(jì)算性能，CPU和內(nèi)存的配比比例是1:4或者1:8；
存儲(chǔ)配置：支持從虛擬機(jī)鏡像及云盤啟動(dòng)，讓分鐘交付成為可能。支持掛載多塊云盤，讓存儲(chǔ)彈性盡情展現(xiàn)；
網(wǎng)絡(luò)配置：支持虛擬專有云（VPC）網(wǎng)絡(luò)，保持和普通ECS實(shí)例以及其它云產(chǎn)品的互聯(lián)互通。同時(shí)，也提供和物理機(jī)網(wǎng)絡(luò)相媲美的性能和穩(wěn)定性。
(9)巡檢無人機(jī)系統(tǒng)
巡檢無人機(jī)參數(shù)：
1、載荷：不低于1500g★
2、機(jī)身材質(zhì)：碳纖維+鋁合金
3、飛行速度：≤15m/s
4、續(xù)航時(shí)間：標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載（攜帶顆粒物檢測模塊）不低于40min
5、飛行相對高度：≤400m
6、起降方式：垂直起降
7、抗風(fēng)能力：≤6級
8、定位精度：垂直0.1m ，水平0.1m
9、工作溫度：-10°C至40°C
10、搭載RTK高精度定位定向模塊★
智能電池參數(shù)：
1、標(biāo)稱電量：不低于16000mAh（360Wh）
2、循環(huán)次數(shù)：不低于300次
(10)移動(dòng)采集終端
1.操作系統(tǒng):Android 5.1以上★
2.處理器:不低于1.7GHz主頻,8核處理器
3.內(nèi)存:不小于2GB RAM內(nèi)存
4.閃存:不小于32GB大容量閃存
5.顯示:分辨率不小于1280×1080,5點(diǎn)觸控，支持電容手套操作
6.定位技術(shù):GPS+北斗+GIONASS+SBAS+AGPS
7.shou次定位時(shí)間：不大于25秒
8.SBAS定位精度：1-2米
9.cors定位精度：0.8米★
10.數(shù)據(jù)更新頻率不低于1HZ
11．通訊制式：4G全網(wǎng)通（移動(dòng)，聯(lián)通，電信）★
12.WIFI：IEEE 802.11b/g/n,AP wapi
13.藍(lán)牙：BlueTooth 4.0，支持BLE
14.擴(kuò)展卡：T-Flash存儲(chǔ)卡；支持不小于128GB Micro-SD擴(kuò)展存儲(chǔ)
15.USB：TypeC，具有OTG功能
16.容量：鋰電池容量不低于5000mAh，支持在線充電★
17.工作時(shí)間：單塊電池可連續(xù)工作不低于10-12小時(shí)
18.攝像頭：不低于1300萬像素，自動(dòng)對焦，高亮LED閃光燈
19.麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器：支持
20.耳機(jī)：3.5mm音頻插孔，支持耳機(jī)通話，外置耳機(jī)可當(dāng)FM天線
21.感應(yīng)器類型：重力傳感器、電子羅盤、氣壓計(jì)
22.RFID讀寫/NFC：支持
23.重量：不大于350g★
24.工作溫度：不低于-40℃～+85℃
25.存儲(chǔ)溫度：不低于-50℃～+85℃
26.防塵防水：不低于IP65
27.防震：全強(qiáng)固式設(shè)計(jì)，抗1.5米自由跌落
四、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備
我司專門針對大氣中氣體的監(jiān)測研發(fā)出一款智能型“四氣兩塵”傳感器組件。該組件的傳感器采用高靈敏的進(jìn)口電化學(xué)傳感器，采取擴(kuò)散式氣體檢測方法；該組件操作方便、測量準(zhǔn)確、工作可靠、體積輕小；利用我們設(shè)計(jì)的支架可以方便安裝至無人機(jī)上，利用無人機(jī)的*優(yōu)勢可以實(shí)現(xiàn)空中軌跡的氣體監(jiān)測。同時(shí)利用我們的軟件平臺(tái)，集成顯示經(jīng)緯度、高度、飛機(jī)狀態(tài)、溫度、濕度、PM2.5、PM10、CO、O3、SO2、NO2、VOC等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和三維可視化展示。為三維立體空間的空氣質(zhì)量分析提供一個(gè)有效的監(jiān)測手段。
五、無人機(jī)環(huán)境監(jiān)測儀主要技術(shù)指標(biāo)
●適用：多旋翼無人機(jī)、固定翼
1.揚(yáng)塵在線監(jiān)測設(shè)備技術(shù)指標(biāo)
1）顆粒物傳感器：
技術(shù)原理：激光散射式
測量精度：≧±20%
顆粒物讀數(shù)范圍：PM2.5、PM10（0-999ug/m3）
分辨率：1ug/m3
★NO2：測量范圍/分辨率：0-1/0.001ppm
★CO：測量范圍/分辨率：0-10/0.01ppm
★SO2：測量范圍/分辨率：0-1/0.001ppm
★O3：測量范圍/分辨率：0-1/0.001ppm
★PM2.5、PM10：檢測范圍：0～1000ug/m3；分辨率：0.1ug/m3；
2）電源系統(tǒng)
太陽能板功率：不低于6W*2
高密度鋰電池：不低于4000mAh/7.4V＊2
電源管理系統(tǒng)：自動(dòng)讀取實(shí)時(shí)電壓，智能充放電。
供電時(shí)間：在陰雨天氣下，持續(xù)工作 7天
3）通訊系統(tǒng)：
數(shù)據(jù)傳輸：3G/4G
支持運(yùn)營商：支持聯(lián)通、移動(dòng)、電信4G數(shù)據(jù)SIM卡
4）設(shè)備參數(shù)：
輸入電壓：7.4V
防護(hù)等級：IP65；防風(fēng)等級：十級
響應(yīng)時(shí)間：4s；傳輸間隔：5min
5）內(nèi)置系統(tǒng)：
更新方式：支持OTA（空中升級）
處理器：ARM
2.相對誤差：≤±15%
3.重復(fù)誤差：≤±15%
4.采樣時(shí)間：無限制
5.總功耗：約為2.4W
6.電源電壓：DC12V
7.供電方式：采用12V蓄電池（鋰電池）供電
8.供電時(shí)長：1小時(shí)
9.數(shù)據(jù)：可采用本地存儲(chǔ)或上傳數(shù)據(jù)
10.尺寸：長×寬×高（2600mm×110mm×90mm）
11.工作環(huán)境、濕度：-20-70℃；10～95%RH(非凝結(jié)）
2.氣體檢測模塊
●勻速抽取螺旋槳上方氣體進(jìn)行檢測
●內(nèi)部有氣室設(shè)計(jì)、保障氣體全面接觸
●采用進(jìn)口高精度氣體傳感器
3.環(huán)保應(yīng)用
六、無人機(jī)氣體監(jiān)測荷載特點(diǎn)
無人機(jī)整體效果圖
●軟件可以支持多家無人機(jī)制造商包括大疆所有系列。
●上千種氣體傳感器可以隨時(shí)更換，系統(tǒng)帶有自動(dòng)識(shí)別功能。
●外殼防水、防風(fēng)、防塵、防撞擊設(shè)計(jì)
●實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并生成對應(yīng)的趨勢曲線。
●可查看歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并同時(shí)生成曲線分析圖，列表和圖表樣式顯示歷史數(shù)據(jù)，方便對比查看。
●同時(shí)顯示經(jīng)緯度、高度、飛機(jī)狀態(tài)、溫度、濕度、PM1、PM2.5、PM10、上千種氣體實(shí)時(shí)濃度值。
●檢測精度可達(dá)到ppb級。
●實(shí)時(shí)無線傳輸數(shù)據(jù)到地面端，也可以通過GPRS實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器。
無人機(jī)氣體監(jiān)測荷載尺寸圖：
