无人机环保领域大放异彩 成技术利器

无人机环保领域大放异彩 成技术利器

中国近二三十年建设了全球规模最大、花费最高的污染排放在线监测系统，耗资数百亿元。但根据现实看，这套系统难防排放造假和偷排，而此漏洞恰是中国空气和水环境恶化的最重要原因之一。

目前无人机在环保领域应用已较频繁。环保部近几年多次动用无人机，对钢铁、焦化、电力等重点企业排污、脱硫设施运行等情况进行直接检查，发现多家企业存在污染治理设施不正常运行，废水、烟气排放超标等问题。

同时，地方的环保部门也顺应潮流，例如武汉曾利用无人机追踪黑烟囱，黑龙江利用无人机监察秸秆焚烧以及兰州利用无人机为冬防保驾护航等。

无人机是指通过机载程序系统或者无线电遥控设备进行控制的不载人飞行器。其监察污染偷排的主要技术可以统称为遥感技术，无人机遥感技术是继航空、航天遥感技术之后的第三代遥感技术。

相比较载人飞机、卫星等技术在环保领域中的应用，无人机遥感系统运行成本相对较低。从实际运用中来看，无人机可突破时空的限制，以其机动性和快速性可提高环保巡查的效率以及快速响应应急状况。代替工作人员进行高危或者不宜进入的地区进行作业，还能保障工作人员的人身安全。

各方将其视为利器，目前正在突破如何使其小型化、轻型化、集成化等方面的技术，使其更有效，并在研究使无人机执法常态化。

但也有不少受访专家提出中肯意见：道高一尺，魔高一丈，就像过去的监察神器在线系统一样，或许在无人机监察常态化后，也会被排污企业攻破，让环境监管再次成为“猫捉老鼠”游戏。

1.“千里眼”难防偷排

中国污染源在线监测系统的建设始于20世纪90年代。2004年，为建立国家层面的污染源污染物排放数据库，中国开始在全国范围内构建环境监控网络。

污染源在线监测系统是一个综合性的在线监测与预警系统，是对众多的污染源安装对应的烟气在线监测系统、污水在线监测系统、水质在线监测系统等在线实时监控装置。

目前，中国已建成国家、省、市、重点企业四级监测体系。

由中央和地方配套投入污染在线监测网络的资金已逾数百亿元，该系统能够对全国上万个污染源进行实时监控。

然而，现实残酷。业内公认，该系统虽表面显示上万家企业绝大部分达标排放，但现实却是不少企业污染超标排放、偷排现象严重。

仅举几例：2013年5月，国内15家因脱硫设施不正常运行、监测数据弄虚作假的企业被环保部挂牌督办，更意外的是，华电、中石化、中石油等国企子公司赫然在列。2014年，河北省邢台市环保局对建滔(河北)焦化有限公司进行检查时发现，53天中，烟尘超标38天，超标率高达71.7%。

企业是如何在污染源在线监测系统中造假的呢?业内人士指出，自动监测设备有间歇式的采样规律，比如1小时或者2小时采样一次，而这间隔时间恰好成为部分企业偷排的“良机”。

愿意“多费点心”的企业，通过修改设备工作参数等软件手段造假，让不达标的数据变“达标”。还有企业通过对采样系统进行破坏等硬件手段造假，比如在设备采样管上私接稀释装置。甚至，有的企业直接拔掉采样探头、断开采样系统，停用设备，致使监测设备采集不到真实样品。如此，永远达标就成为“现实”了。

为规避在线监测系统的造假，山西省近年开始在废水排放位上安装一个视频监控。效果如何，还未有答案。

有不少环境专家提出，面对企业的技术造假，环保部门应该同样采用科技手段进行打假。作为近几年来科技发展的新宠，无人机被认为或许是不错的选择。

2.无人机尖兵

2015年5月18日，环保部网站通报了2015年3月无人机执法检查及处理处罚情况。

3月中旬，环保部利用无人机对河北省邯郸市等地进行执法检查，并采用航拍等技术空中巡查手段。最终，无人机发现邯郸市一些重点企业大气污染治理设施不正常运行、夜间治污设施停运、烟气排放超标等问题线索。

其实，环保部利用无人机执法早已不是什么新鲜事。2014年，为贯彻落实《大气污染防治行动计划》，环保部环监局、监测司联合卫星环境应用中心、华北督查中心在河北省、山西省、内蒙古自治区的重点地区进行了无人机执法检查行动。打响了“整治违法排污企业保障群众健康环保专项行动”的第一场战役。

这是继2013年11月至2014年2月在河北省唐山、邢台、邯郸市单点无人机执法检查试验飞行之后，在航管部门的批准和大力支持下，环保部进行的又一次较大规模无人机执法检查行动。

在这次执法的任务中，共检查企业254家，出动中型、小型无人机共11个架次，总飞行时间约20小时，总航程超过2000公里，覆盖面积达1000多平方公里。发现了疑似存在环境问题的企业64家，主要问题有烟尘超标排放、烟粉尘无组织排放严重、脱硫设施及废水处理设施不正常运行等。

据资料显示，在2012年至2013年间，环保部卫星环境应用中心先后组织开展30多次无人机遥感应用，作业面积超过4000平方公里。

事实上，中国各地的环保部门也开始使用无人机。

据公开资料显示，内蒙古包头市环保局曾在2011年就购置了无人机，开展了环境保护的空中监管模式。辽宁省环保局2012年采用了无人机遥感系统，对辽河流域进行了辽河治理现状航拍和遥感监测，以便及时掌握辽河治理重点区域的状态变化情况。

“我们是从2011年开始用无人机进行环保工作的。此后无人机在环保领域的应用工作逐步展开。”参与无人机事项的辽宁省环境工程评估审核中心工作人员徐建超在接受财新记者采访时说。2014年，武汉市环保监察支队曾租用两台无人机，在空气质量较差的区域上空陆续巡查三天，每天巡查范围达二三十平方公里。然后从拍摄的照片和视频寻找违法线索，进行定点执法。同年10月份，哈尔滨市环保局利用无人机搭载摄像头对焚烧秸秆进行巡查。除此之外，扬州、济南、天津等多地都进行了环保无人机应用或探索。

2014年11月，国务院办公厅发布的《关于加强环境监管执法的通知》(国办发[2014]56号)中提到，要强化自动监控、卫星遥感、无人机等技术监控手段运用。伴随着此份通知的发布，中国或将掀起无人机在环保领域应用的一股小高潮。

3.无人机遥感

神秘的面纱下，无人机到底是如何对环境进行监察和监测的呢?

准确地来说，无人机用于环保执法是利用无人机遥感系统技术。遥感技术一般来说是不直接接触物体本身，从远处通过传感器探测和接收来自目标物体的信息，经过信息的传输和处理分析，从而识别物体的属性及其分布等特征。

无人机遥感技术，是借用无人机这个飞行的平台，搭载一套遥感系统，利用无人驾驶飞行器技术、遥感遥测技术、通讯技术、遥感传感器技术、定位技术以及遥感应用技术，从而完成遥感数据的获取以及进行处理分析。

作为信息系统源头的传感器网络，可直接获取所需的物质或数据，是该系统的关键部分。传感器通过无线传输系统可实时地传回地面需要的监测数据;或者为了保障数据的安全性，也可保存于无人机平台中，待无人机落地后再进行处理和分析。

能发现废气偷排乱放的最关键传感器，是航拍图像传感器和机载大气环境监测传感器。

常见的就是在无人机上搭载高分辨率的数码相机或者摄像机，进行航拍。可以实时传输回所航拍到的画面，也可以将图像信息存储，无人机落地后再获取图像数据，并且还可以利用图像拼接技术，形成对大区域环境的整体认知，从而观察地面是否存在废气偷排乱放现象。

“因为通过航拍的手段，可以看到烟囱有没有冒烟，冒的是不是黑烟。”中科宇图资源环境科学研究院副院长、工程技术研究中心主任谢涛对财新记者介绍说，“这可以从航拍的影像上，快速地发现问题。”

机载大气环境监测传感器正是大气监测领域的核心部分。

谢涛介绍说，这方面的设备从工作模式上，主要包括两种，一种是基于二维面状航拍作业模式的光谱类设备，比如气体滤光分析器、红外干涉仪、傅里叶变换干涉仪、可见光辐射偏振仪和激光雷达等;另一种是基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备，比如粒子探测仪、差分吸收光谱探测系统、电化学类气体监测设备等。

气体滤光分析器是用选择性滤光器使样品池里的气体能吸收一定波长的光波，用来研究大气中污染物对光谱吸收作用，以分辨气体的光谱。这种仪器适用于 2微米至20微米光谱段。在飞机上装置的气体滤光分析器，可测得一氧化碳的浓度。对二氧化硫、二氧化氮、氨、甲醛、甲烷和二氧化碳也能用气体滤光分析器进行试验监测。

红外干涉仪可以分辨一氧化碳、一氧化二氮、二氧化氮、氨和碳酸等污染物组分，适用于1微米至5微米的光谱段。变换干涉仪使用范围也是1微米至5微米的光谱段，可用于测定二氧化硫、二氧化氮、一氧化二氮和氨等。测量大气中的悬浮颗粒物一般应用可见光辐射偏振仪和激光雷达。可见光辐射偏振仪可从太阳辐射能的偏振反射中测出颗粒物的物理特性，如颗粒大小、形状和组成以及垂直分层分布和空间浓度变化。激光探测大气污染是向大气中发射一定波长的光束，从接收的回波中获知大气物理量的分布规律。

对于基于泵吸式点状采样监测模式的机载气体监测设备，谢涛表示，以颗粒物采样为例，无人机飞到哪儿，泵吸式采样测到哪儿。一边飞的时候，一边进行颗粒物的采样。里面颗粒物监测的仪器就可以对其进行感知。或者是把颗粒物截留在滤纸膜上，待无人机落地后，把样本拿下来化验。这样就可以知道相关的具体信息了。

在监察废水方面，可以对废水热污染情况进行监管。利用普通CCD相机，可以通过水色变化对排污进行监管。

当然，无人机遥感系统也并不是单独使用的，需要与现有的监测手段和监察工具进行配合使用。通过无人机遥感系统技术进行执法检查，获得企业违法线索信息后，环保部门还要进行地面核查，来锁定违法违规证据，然后依照法律法规进行处罚。

4.常态化执法尚远

当无人机执法步入常态化后，会带来什么效果呢?

徐建超认为，无人机监测具备诸多优点。一是不受空间和地形制约。无人机优势是高空监测，在地面上不可能看见的或看不清的污染，从空中看则是一目了然。通过无人机带回的高清图像信息，执法者可以清楚地了解地面上的真实情况。二是无人机机动性、时效性好，可以迅速到达指定区域进行监测，获得最及时的材料。三是无人机飞行速度快、监测范围广，可以在短时间内实现对大范围区域的监测，提高监测效率，节约成本。

无人机遥感具备这些优点，可以为环境保护工作提供准确、及时、可靠的数据，成为环境保护工作的重要技术手段。

广东空航航空科技有限公司无人机团队技术负责人杨兴星，谈及无人机遥感技术执法的优势时，他介绍说，有些工厂很大，动不动就几千亩，环保人员徒步进入厂区查看是很困难的，第一人力资源有限，第二可能监管到的范围很小。而无人机去做这些监管就不一样，首先高空拍照，可以知道哪个地方的浓烟密度最大;第二通过传感器可以感知大气的污染度。每天在每个点固定地飞一次收集数据，可以相对方便、快捷和高效地帮助执法人员执法。

地面的监测方式只能监测到近地面大气的状态，很难形成区域、面状的大气质量信息以及大气的立体空间状态。

“无人机可以弥补地面监测的不足，通过地面站点监测，原来可能只知道地面污染分布的信息。通过无人机航空遥感监测能知道垂直分布的信息。”谢涛表示。“通过无人机，定期或者不定期地巡查，起到一个侦察的作用。提升了环境监察能力，改善执法的方式。”

自去年以来，无人机被频频用于执法。希望无人机常态化执法的声音也不绝于耳。

不少环保部门曾表示要使用好无人机这一“利器”，不定期对重点区域开展空中巡查，实现无人机执法检查常态化。不少业内专家也表示希望无人机能作为环保部门进行常规环境巡查的设备之一。

但从目前看，无人机尚不具备常规化执法的条件。技术发展的瓶颈、人才的缺乏、成本的限制、以及空域的管制等，是无人机成为常规空中“侦察兵”的阻力。

中科宇图资源环境科学研究院院长刘锐在接受财新记者采访时介绍说，无人机遥感系统在监测时，可以监测某一区域大气存在污染，但这污染气体具体来源于地面哪家工厂，哪家企业，却不得而知。

另外，无人机飞行的面积依然是有局限的。“因为无人机飞行也是一条航迹或者一条线，只能感知到所飞的那条线上或者所飞到的那个位置的局地小环境。采用泵吸式采样监测设备进行气体监测，往往由于气体在近地面扩散，而无法侦测到。”谢涛表示。

众多的技术难题也待突破。无人机遥感系统不是把不同的设备简单地集成。例如，传感器需要做机载化的改造，需要把原来的便携式、小型化的空气质量监测的设备，进行机载化的改造。

谢涛介绍说，无人机在飞行的过程中，气流会对采样造成干扰。从对颗粒物采样的角度来说，需要保证等速采样，才更能符合采样的规范。

在无人机遥感系统感知后获得的数据，需要实时传回地面，这将涉及到不同设备之间的接口问题。这也是需要一个机载化改造的过程。

好马还得配好鞍。除了技术问题，新应用的发展离不开一个良好的环境和土壤。无人机遥感系统在环保领域中的应用，目前还没有配套的机制体制的支撑，相关部门对无人机也没有给出明确的适航技术标准、适航认证管理以及相关人员培训的标准等。专业人才的缺乏也限制了无人机遥感系统在环保领域的常态化应用。

所以，看起来如此耀眼的硬件设备，而目前也只发挥最基本的功能，主要是通过航拍来配合环境监察。在这个无人机、遥感和环境监测等多种技术结合的交叉领域，无人机环境遥感目前还处于一个探索和尝试的阶段。距离真正地步入常态化，恐怕还有一段路程要走。

无人机虽好，但不少专家仍然发表了审慎和理性的看法。

国家环境保护城市空气颗粒物污染防治重点实验室主任冯银厂接受财新记者采访时指出，靠无人机等技术的进步来查污染偷排固然让人欣喜，但中国的污染问题需从制度建设上解决。“当前，企业守法意识薄弱，守法要花钱，违法可赚钱，这是问题。”

谢涛也指出，中国在污染监测方面仅靠技术进步是不够的，真正的思路应该是考虑如何通过一些经济杠杆，或者法制逐渐地建立起企业在环境保护方面的诚信机制，让企业自发地去保护环境。