大气环境质量监测
一．项目背景
大气环境质量监测是我国环境保护工作的重要组成部分，传统的环境监测方式往往以地面设立监测点为主，但是当面对地形广阔、环境复杂、监测设施数量有限等情况时，不仅会提高环境监测的成本，影响工作效率以及数据传输实时性，还存在获取的数据空间覆盖程度有限、不能对污染物来源及其变化趋势分析进行有效预测等问题。
图1 无人机方案
圣凯安通过无人机技术、传感器技术、GPRS技术以及软件设计技术开发了一款基于无人机技术的大气环境监测系统，通过无人机作为搭载平台，可以采集多种复杂地区环境条件下的大气环境数据，并通过无线网络上传至服务器，后端人员可实时通过终端对大气环境数据进行查询，解决了传统的人工取样范围局限性，数据准确性、实时性等问题。
二．方案建设
1. 建设依据
《环境空气质量自动监测系统技术规范》HJ/T193-2005
《环境空气质量自动监测系统技术规范》HJ/T193-2013
《环境空气质量标准》 GB 3095-2012
《环境空气质量指数（AQI）技术规定》 HJ633-2012
《环境空气质量监测点位布设技术规范》 HJ664-2013
《环境空气质量监测规范》试行
《环境空气质量评价技术规范》（试行）HJ663-2013
《大气污染防治行动计划》（国发﹝2013﹞37 号）
《关于印发<2014 年全国环境监测工作要点>的通知》（环办﹝2014﹞2 号）
《京津冀及周边地区 2017 年大气污染防治工作方案》
《环境空气颗粒物（PM2.5）手工监测方法（重量法）技术规范》HJ 656-2013
《环境空气质量评价技术规范》（试行）HJ663-2013
《十三五环境监测质量管理工作方案》 （粤环办函〔2016〕364 号）
《京津冀及周边地区 2017 年大气污染防治工作方案》
《建筑施工场界噪声限值》GB12523-90
《社会生活环境噪声排放标准》GB22337-2008
2. 建设原则
▲ 数据传输实时性：数据传输的实时性是实施大区域精准化管理的基础，高效快速地检测方式可为后续一系列的治理措施提供支撑依据，
▲ 数据可视化：数据可视化能够充分挖掘数据隐含的空间关联，揭示气体污染物的迁移转化规律，有助于科研人员、监测机构科学直观地判读并分析大气污染情况，节约人力成本。
▲ 高空间分辨率：由于大气污染物变化迁移的动态性，高空间分辨率能捕捉到更多的空气质量信息。此外，在污染源监测的过程中，由于每种类型的污染源监测重点存在一定差异，因此可以实施种类划分，保证无人机监测技术应用的针对性和有效性。
▲ 数据传输稳定性：无人机大气环境应用实时连续监测，监测数据应实时汇集至数据处理中心进行处理。
▲ 灵活便携性：高强度的分辨率和灵活性能够在同一时间内进行多组分测试，并全天候、实时、连续、自动监测。
3. 建设目标：
通过无人机搭载的智能气体传感器对大气污染因子进行数据采集，并对采集终端进行统一管理和监控，将采集到的大气环境数据通过无线接入方式存储到数据中心(云平台)，通过在数据中心对采集的原始数据进行分析，产生分析结果数据，最终以服务的方式为演示终端软件、 移动端APP或者第三方气象、 环境应用提供数据支撑。
为全面客观反映区域的空气量状况，了解区域内大气污染水平分布强度，分析区域内整体大气污染物的浓度水平和传输规律，研判大气污染发生发展趋势，为污染减排及监控提供数据支撑。
三．系统架构：
无人机的大气环境监测系统主要由大气环境数据采集系统、数据汇聚平台、多媒体应用综合层所组成。
图2 系统架构
大气环境数据采集系统：该部分主要由CH4传感器、H2传感器、VOC浓度传感器、NH3传感器、温湿度传感、GPRS无线数据模块等组成。由于无人机系统无法搭载质量较大的设备，为了减少整个系统的重量，采用小型系统设计方案，更大限度地延长整个系统的飞行区域以及飞行时间。
数据汇聚平台：采集到的数据通过GPRS传输到云平台，平台再对采集到的数据进行处理、分析和储存，同时利用ArcGIS Engine服务，实现采集的实时查询分析，历史调取以及绘制指定时段的历史空气质量曲线等功能。
图3 通讯方式
多媒体应用综合层：用户可以通过云平台将无人机采集到的监测数据实时发布到多媒体广告一体机、LED显示屏、电视机或者平板电脑等各类多媒体显示屏上。
四．产品介绍：
1. 产品介绍
图4 无人机气体检测仪
圣凯安无人机气体检测仪是一款高性能的无人机环保监测设备，可同时搭载6支传感器，与无人机、汽车等移动载具相互配合，实现“去到哪里，检测就到哪里”。同时，圣凯安还配备了专门的分析软件，可以让用户更直观地对气体浓度、成分进行查阅。
图5 产品尺寸图
检测仪内置的电化学传感器模组在传统技术的基础上，提高了设备的稳定性，能有效抵抗天气，气压，风速等不定因素的影响，以达到高速行驶，快速稳定，迅速抓拍，高清像素的效果。在硬件本身的安全方面，圣凯安技术人员通过改变外壳材料来保障内部线路安全，达到防湿、防爆、抗压的效果，保障监测流程的顺利进行，监测任务的保质保量完成。
图6 产品组成
2. 产品优势：
• 软件系统可以与多家无人机制造商包括大疆所有系列适配；
• 带有自动识别功能，可任意设定检测气体，并显示湿度、温度、PM2.5、O3、PM10、VOCs等上千种气体实时浓度值；
• 实时显示监测数据，生成对应趋势曲线，还可随时与历史数据查看比对。
• 为用户解决了数据采集、数据分析、结果呈现、工作汇报、数据储存等一整个流程问题，更大程度上地节省了时间与人力成本；
• 外壳采用防水、防风、防尘、防撞击设计，大大增加了仪器的抗风险能力；
• 采集的数据具有超高的空间分辨率，可精确到每条街、每栋楼、甚至每个高度，且实现了ppb级别的检测精度；
• 可同步实时显示经纬度、高度、飞机状态、温度、PM10、PM2.5，以及上千种气体浓度值；
4. 产品优势
供电 | 12-24V |
功耗 | 2W |
重量 | 700g |
GPRS | 有 |
检测气体 | 见下表 |
传输方式 | 4G/数传 |
工作温度 | -20℃-70℃ |
工作湿度 | ＜95%RH |
防护等级 | IP65 |
精度 | 2%FS |
寿命 | 2年 |
适用机型 | 多旋翼、固定翼 |
适用行业 | 管道巡检、环境巡检、烟道检测、消防应急检测等 |
五、检测参数
检测参数 | 型号 | 参数 | 备注 |
一氧化碳CO | 7NE/CO-200 | 测量范围0-200ppm；分辨率：0.01ppm；准确度：±2%FS | 供电：5V |
二氧化硫SO2 | 7NE/SO2-1 | 测量范围0-1000ppb；分辨率：1ppb；准确度：±2%FS | |
二氧化氮NO2 | 7NE/NO2-1 | 测量范围0-1000ppb；分辨率：1ppb；准确度：±2%FS | |
臭氧O3 | 7NE/O3-1 | 测量范围0-1000ppb；分辨率：1ppb；准确度：±2%FS | |
有机挥发物VOC | 7NE/VOC-50 | 测量范围0-50ppm；分辨率：1ppb；准确度：±2%FS | |
PM2.5/PM10 | NE-PM | 量程：0-1000ug/m3；分辨率 1ug/m3；精度：±10% | |
温度 | NE-WD | 测量范围：-40℃～+70℃；分辨率：0.1℃；准确度：±0.5℃ | |
湿度 | NE-SD | 测量范围：10～90 %RH；分辨率：1 %RH；准确度：±5 %RH |