【应用方案】工业级无人机环保行业应用通用方案

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工业级无人机 环保行业应用通用方案 第一章 背景及需求 1.1. 应用背景及意义 现今，我国的工业建设与农业建设虽取得了很大成效，但是环境污染十分 严重，生态环境受到破坏，这对于我国经济的持续稳定发展带来了一定影响。 我国是一个人口众多的大国，加强环境保护是落实科学发展的重要举措。环境 是人类生存和发展的一个最基础的前提，可以说，不论是从人们的生存来看， 还是从生存的未来发展来看，环境都为人们的生活提供了一些必要的资源条件。 随着我国经济以及各项事业的的不断发展，环境保护问题已经被纳入一项重点 工作。做好环境保护、减少大气污染、促进生态平衡建设在当今的社会发展中 显得尤为重要。改革开放以来，我国一直处于发展中，做好环境保护工作是我 国的一项基本国策，解决环境问题才会促进环境与经济的发展，这也是未来发 展的重要趋势。 随着中国经济的持续快速发展，城市进程和工业化进程的不断增加，环境 污染日益严重，国家对环保的重视程度也越来越高。由于国家加大了环保基础 设施的建设投资，有力拉动了相关产业的市场需求，环保产业总体规模迅速扩 大，产业领域不断拓展，产业结构逐步调整，产业水平明显提升。数据显示， 2016-2020 年中国环保产业市场规模呈增长趋势，2020 年其市场规模达到 7.9 万亿元。预计随着环保产业的发展，2021 年环保产业市场规模将达 8.7 万亿元， 2022 年将增至 10 万亿元。目前，我国环保设备在大气污染防治设备、水污染 治理设备和固体废物处理设备三大领域已经形成了一定的规模和体系。中商产 业研究院预测，2021 年我国环保设备行业市场规模可达 3905.4 亿元，2022 年 将进一步达到 4033.8 亿元。 “绿水青山就是金山银山，推动生态环境保护，像保护眼睛一样保护生态环 境，像对待生命一样对待生态环境。”在环境保护工作中，环境状况监测是“哨 兵”和“耳目”，是生态环境保护的最为重要的基础性和前沿性工作。在以往环境 监测技术手段中更多依靠人力，长途跋涉，现场取样，不但费时费力，效率低， 同时隐蔽性较差。而无人机进入环保领域，以速度快、监管成本低、监查隐蔽、 不受空间时间影响等特点，逐渐展现出越来越强的竞争实力。而无人机在环保 领域的逐步使用，也是响应国家环保建设的大势所趋。由于无人机遥感系统具 有低成本、高安全性、高机动性和高分辨率等技术特点，使其在环境保护领域 中的应用有着得天独厚的优势，在建设项目环境保护管理、环境监测、环境监 察、环境应急和生态保护等方面，无人机遥感系统均能够发挥其强有力的技术 支持作用。 1.1.1. 环境保护国家相关政策 在建设美丽中国和“双碳”战略的大背景下，今年，国家对于环保产业的重 视并没有因为疫情的影响而有所减弱。资金层面上，8 月 23 日，2022 年中央 生态环境资金共安排了 621 亿元，较去年增加 49 亿元，增长了 8.6%。政策层 面上，据笔者不完全统计，今年前 8 个月，各大部委颁布环保低碳政策累计 30 余部，不仅涉及大宗固废综合利用、农村污染治理、农村垃圾收运处置、无废 城市、黄河流域生态环保、环保装备制造等领域内容，而且锁定双碳目标，减 污降碳协同增效， 在环保低碳领域做文章。 作为十四五规划开局的第二年，虽说有些环保领域规划、指导意见已经在 去年频频印发，但是今年仍有一些颇有参考价值的政策文件发布，例如： （１）《农业农村污染治理攻坚战行动方案（2021—2025 年）》 （２）《环保装备制造业高质量发展行动计划（2022—2025 年）》 （３）《关于加快推进城镇环境基础设施建设的指导意见》 （４）《关于发布“十四五”时期“无废城市”建设名单的通知》 （５）《关于进一步加强农村生活垃圾收运处置体系建设管理的通知》 （６）关于印发《减污降碳协同增效实施方案》的通知 （７）关于印发 《农业农村减排固碳实施方案》 （８）《关于推进开发性金融支持县域生活垃圾污水处理设施建设的通知》 （９）《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030 年）》 不可否认，经过近年来努力，我国生态环境治污阶段已经取得阶段性成绩， 肉眼可见的蓝天白云越来越多了，河道水质黑臭问题也得到缓解，但是总体来 看，进入十四五，构成环境污染的压力依然存在，河流汛期污染、农村环境、 县域环境基础设施补短板、涌现出新的污染物，经济发展中一些深层次的结构 性、根源性问题仍未有效解决，实现双碳目标仍然艰巨，可以说现在生态环境 治理已经进入 “船到中流浪更急、人到半山路更陡”啃硬骨头的关键阶段。 首先，大方向上，由以前治污逐步过渡至减污降碳协同增效，追求更高更 精细化的目标， 并且生态环境部、发改委等七部门还专门印发《减污降碳协同 增效实施方案》，从目标协同、区域协同、领域协同等六方面协同，为生态环 境质量改善和实现碳达峰碳中和战略任务的深度协同做出顶层设计。其次，啃 最硬的骨头，环保市场逐步下沉至县域、城镇、农村。今年各大部门出台 30 个 环保碳中和领域政策，5 个跟县域、城镇、农村污染物治理直接相关，其中还有 产业金融利好政策《关于开发性金融支持县域生活垃圾污水处理设施建设》的 通知文件。 1.1.2. 环保信息化建设现状及意义 作为国家整个信息化的重要组成部分，环保信息化是推进生态环境治理体 系和治理能力现代化的内在要求和重要支撑。按业务应用类型分类，环保信息 化应用系统可分为包括环境保护的核心业务应用系统和综合应用系统两大类。 随着环保工作的深入推进和信息化技术的不断进步，我国环境质量监测、环境 调查评估、污染源监管等环境数据资源和种类日渐丰富，环境应急、环境评价、 环境统计、环境监测、环境监督执法等核心业务体系不断完善。环保信息化市 场下游需求群体主要是国家环境保护行政主管部门、污染源企业、工业园区等， 随着我国环境保护行业对信息化和风险管理的要求不断提升，对相关的应用软 件系统产生了较大需求，这为环保信息化行业提供了良好的发展机遇。 2016 年我国环境监测、环境监管、环境监察和环境决策及其他领域信息 化市场规模分别约为 47.1 亿元、38.2 亿元、19.7 亿元和 15.1 亿元，占全国环 保信息化市场规模的比重分别为 39.2%、31.8%、16.4%和 12.5%。 在国家“信息强环保”战略的指引下，信息化已成为推动环境管理模式转型 创新，提升环境管理精细化水平的重要手段。在环境保护形势日趋严峻的新形 势下，为符合人们对生存环境质量的期望与要求，有效地实现环境保护科学化 管理，必须加强环保信息化建设。随着生态环境保护体制深化改革，以及物联 网、云计算、大数据、移动互联等新兴信息技术的不断发展和深入应用，为环 保信息化建设注入了新的活力，中国的环保信息化建设已进入由“数字环保”向 “智慧环保”全面推进的新时期。 ① 弥补了人员的不足 智能化监管转变了“人海战术”执法监管模式，科学统筹有限的执法资源。工作人 员即使没有到达现场，也可以通过摄像头进行 24 小时实时监测，一旦发现问题 可以及时溯源追责。 ② 对人力形成了有益补亮 以往执法监管靠双脚去走、双眼去看、双手去测，但仅靠人力难以解决一些急 难险重的问题，而技术手段的协助能够有效提高工作效率。 ③ 提高了筑法精度 大数据分析技术能从海量监管信息中智能排除无效数据，筛选线索，聚焦问题。 物联网技术将人和物快速、紧密、准确地联系在一起。实现执法力量实时精准 调度，有效提升应对突发环境事件的能力。 ④ 实观了金帽化、可追润 1.2. 项目背景及需求 1.2.1. 环保单位基本概况 1.2.2. 项目需求分析 近年来随着我国经济的高速发展，有些企业忽视环境保护工作片面追求经 济利益，导致生态破坏和环境污染事故频发，更有甚者，为了节约成本故意不 正常使用治污设施偷排污染物。如今环境形势严峻，环境监管执法任务越来越 繁重，深度和难度也在不断增加，监管模式相对单一，传统的环保执法方式已 无法满足当前环境监管工作的需要。 ① 设施不够完善，缺乏有效监管。 污染处理设施量大面广，监管部门的监管设施不能全覆盖，难以全面无遗漏地 监管。尤其针对重点污染源的排污口和污染治理设施，传统的监管手段仅靠执 法人员定期巡检和群众举报，难以有效监测污染处理设施的非正常运行状态。 ② 执法不够精准，监管难度较大。 此前，环保监管手段主要靠执法人员定期巡查，执法效果依赖于执法人员的个 人经验及能力，缺乏科学有力的工具支撑精准稽查。部分排污企业环保意识相 对薄弱又抱有侥幸心理，为了追求利润而躲避环保部门执法，选择在夜间加班 加点生产，污染治理设施处于停运状态，监管部门难以对这部分企业的违法行 为实现精准锁定、精准打击。 ③ 管理手段落后，监管存在盲区。 一方面，传统人工监管手段落后，人工所检测的数据会因为时间、条件等情况 的不同而产生差异，检测结果可能存在误差；另一方面，环境监察执法力量薄 弱，目前只能重点监管部分大型排污企业，对于面广量多的中小企业，环保监 测存在一定盲区，全面监测存在不到位状态。 ④ 企业情况复杂，执法效率低下。 传统监管方式需要对行业分布广泛、工艺错综复杂的大量企业逐家进行实地检 查、采集资料，同时由于监管缺乏有效指标和预警手段，人员判断污染源耗费 精力大、监管效率低。 第二章 无人机环保总体方案 2.1. 总体目标及设计思路 当无人机加入环保行业，当科技产品助力环保治理，双方的合作带来的不 只是工作成效的提升，更是开拓了一片新的市场。随着“无人机+环保”的不断成 熟，利用无人机具有使用便利、成本较低、安全性高等优点，可以实现减少成 本投入、提高工作效率的目的，还能在一定程度上减少环境污染。结合信息化 平台，将获得的数据进行可视化、批量化整理和分析，实现对环境的持续监测 和保护，同时为环境保护政策及策略提供可靠的数据支撑。 通过在无人机上搭载不同的载荷，实现对不同场景下的环境监察和管控。 在监测方面，无人机通过搭载各种传感器和平台系统对大气、水体固废污染等 进行实时监测。由于无人机具有机动灵活、适用范围广等优点，使得无人机环 保监测能够获取到多方面的数据信息，同时数据采集和传输也更加稳定和准确， 比传统的监测方式效率更高。在取证方面，通过搭载高清相机，无人机大幅增 强了环保督查和执法的力度。当出现各种违规生产和非法排放等问题时，以前 只能依靠传统的人工取证和处理，具有一定的困难，且效率较低。通过无人机 在空中拍照取证进行环保监测，能够及时获取准确的数据信息，提高了环保执 法的工作水平和效率。在测绘方面，通过搭载测绘相关载荷（正射相机、倾斜 摄影、多光谱相机等）无人机还可以对水、土地等资源进行测绘，为相关部门 掌握环境状况提供了有效的数据支持，从而制定科学的环保政策和采取合理的 行动。 另外，搭建环保信息化平台也是整个“无人机+环保”系统中必不可少的部分。 在日常状态下，实现对无人机信息的监控和管理、对采集数据的整理和分析、 对图像的快速拼接、校正和处理，通过对所有数据进行分类、筛选和存取，逐 渐丰富异常类别和执法经验，最终实现对环保监测的自动化、智能化；在应急 状态下，针对突发性水环境污染事件，根据事发地点进行初步判断，并提供快 速航迹现场规划、航拍、视频监控等功能，无人机获取的相关信息能够有效地 推送到环境应急平台后台支撑系统和现场移动应急指挥系统，为突发环境应急 事件处理处置提供决策支持。 总的来说，在不同的环保场景需求下，选择合适的无人机飞行平台搭载不 同的载荷，实现该场景下的环保目标；并通过不断丰富数据库，更新监测目标 信息，结合环保信息化平台，形成长期有效的数据整合分析，作为环境保护方 向和决策的可靠依据，不断完善环保策略，实现对生态环境的可持续改善。 2.2. 工业无人机环保行业应用 环境保护是人类永恒的主题和责任，我国越来越注重推进生态文明建设。 为了深入贯彻落实国家环保政策，顺利开展执法、监查工作，各地环保执法机 构已加快普及应用无人机等智能科技装备，“无人机+环保”系统已经广泛应用到 河流巡检、污染源监测、气体监测、地理环境测绘等环保场景下。 ① 可视化巡检 目前我国工业级无人机已经可以实现全自主飞行，通过搭载高清相机，可用 于污染源排放、河道排污口以及厂区无组织排放口等对象的实时远程监察，并 可以将监测数据实时回传，对于一些执法人员不方便查看，以及无法进入的一 些区域，无人机可以进行全面的检测，快速高效的检测出污染源。还可以根据 辖区内风险源、重点源分布情况制定巡检航线规划，对环境质量状况及环境违 法行为进行周期性巡航监察。 ② 环境监测 利用无人机进行环境监测包括很多内容，比如大气实时检测，大气采样，水 质采样，蓝绿藻、水华监测等。在复杂地形环境高时空分辨率大气污染立体 探测中，利用无人机载平台搭载大气气体监测传感器或 DOAS 系统等，研究 大气颗粒物和污染气体的高分辨率立体分布快速扫描技术及其反演方法，快 速获取廓线、立体分布及通量分布，并建立基于三维 GIS 的可视化评估方法， 一直是大气污染检测的有效手段。 ③ 生态保育 生态保育，从生态学的原理上来说，是监测人与生态系统间的相互影响，包含 对于生态的普查与监测、野生动植物的饲育、自然景观生态的维护工作等，并 协调人与生物圈的相互关系，以达到保护地球上单一生物物种乃至不同生物群 落所依存栖地的目的，并实现自然资源的可持续利用与永续维护。通过无人机 航拍技术获取某一区域的正射影像或多光谱影像，并结合地理信息系统技术， 可以时刻关注区域的环境变迁。 ④ 应急监测 对于一些突发环境事故，也可以运用无人机来进行应急监测。运用无人机监测 的优势是其可以实时回传视频、红外图像和泄露气体浓度分布，可以在地图上 实时描绘有害和致死浓度区域的分布，以及计算扩散的方向和速度，为执法人 员对环境事故的处置提供高效的数据支撑。可以使得执法人员快速的对突发环 境事故具体情况进行全面掌握，进而做出及时的补救。 2.3. 工业无人机环保应用解决方案 2.3.1. 系统架构 “无人机+环保”系统主要包含无人机飞行平台、载荷系统、数据链系统、地面控 制系统及信息化管理系统。 2.3.2. 系统组成及特性 2.3.2.1. 无人机飞行平台 无人机飞行平台主要包含：飞行控制系统、动力系统、定位系统和机载数 据链，根据使用场景和需求的不同，可选择不同的无人机飞行平台，按构型主 要分为多旋翼和复合翼。多旋翼无人机结构简单，可垂直起降，具有体积小、 重量轻、易操作、灵活性高等优点，但续航时间较短，飞行范围也较小；复合 翼无人机结合多旋翼和固定的构型特点，同时兼备两种构型的优点，同时也有 体积较大、使用和运输复杂的缺点。目前在项目中主要考虑使用大疆的多旋翼 无人机以及公司自有的复合翼无人机。 2.3.2.2. 载荷 载荷是无人机实现不同功能最重要的组成部分，根据不同的作业目标，选择 合适的无人机载荷，达成最终的作业目的。载荷具有多样性和可适配性，主要 介绍以下几种类型： ① 高清相机：包括云台相机和光电吊舱，通过高倍率可变焦镜头，实现空中对 地面目标的可见光画面观测，基本功能拍照、摄像，延伸功能有识别、跟踪等， 是巡检监察应用中的主要载荷。 ② 测绘载荷：包括正射相机、倾斜摄影相机、激光雷达、光谱相机等，主要是 对地面进行地理信息测绘，并使用专业图像处理软件进行处理，可对区域内的 地面信息进行全面的观测和分析。 ③ 气体监测仪：通过无人机空中飞行采集区域的气体，进行气体成分、浓度、 分布等分析，实现对大气污染的监测或者对指定气体的监测，并通过分析结果， 对整个区域内的空气质量作出分析和判断。 2.3.2.3. 定位系统 无人机使用差分定位系统实现高精度定位飞行和作业，包含机载端和地面端， 差分定位系统一般为 RTK 和 PPK。 RTK 技术(Real-time kinematic)实时动态载波相位差分技术，是实时处理两 个测量站载波相位观测量的差分方法。即将基准站采集的载波相位发送给用户 (移动站)接收机，进行求差解算坐标。 PPK 技术(Post-Processing Kinematic，动态后处理差分)载波相位事后差分 技术，与 RTK 系统一样，同样由基准站和流动站组成。工作原理是使用同步观 测的一台基准站和至少一台移动载体站同时对卫星的载波相位进行测量且实时 记录，初始化后的移动站在每个待定点移动过程中持续保持对卫星的连续测量， 将整周模糊度传递至下一待定点。当整体测量完成之后，使用 GPS 软件将基准 站和移动站同步接收的不同数据在计算机中进行线性组合，得到虚拟载波相位 观测量值，计算接收端之间精确的相对位置，通过坐标转换得到移动载体在地 方坐标系中的坐标情况。 在实际应用中，一般来说，RTK 用于无人机实时飞行定位，PPK 用于测绘数 据的后处理。 2.3.2.4. 数据链系统 数据链是无人机与地面控制端交互的数据通道，一般包含数据传输和图像 传输。数据链同样包含机载端和地面端，根据所需数据的不同可选择 840M 数 传或长距离的图数一体数据链。 2.3.2.5. 地面控制系统 地面控制系统一般由遥控器、地面站、地面站软件组成。通过地面控制系统 可对无人机进行远程操控，实现手动或自动飞行，也可以实时获取无人机飞行 数据和作业数据。地面站软件的主要功能包括:无人机状态监测、航线自主规划 和设计、作业数据实时显示、无人机远程控制等。 2.3.2.6. 环保信息化平台 环保信息化平台是结合无人机进行环境监测任务获得的数据进行数据整合分 析和环境持续监控的智慧化平台。通过信息化平台可实现对实时监测数据的可 视化观察和智能分析，对无人机系统的管理和调度，形成长期的数据统计和趋 势走向，便于相关部门进行环保政策的制定和应急决策。 环保信息化平台是一个综合的信息化管理平台，可以将各类物联网设备采 集的信息进行分类和统计。一般应具有以下特点： ① 可视化 可实时观测数据变化；将获得的原始数据进行了分类整理和分析，形成了易懂 易看的图形图表，方便随时查看和长期分析。 ② 数据准确 保证数据来源准确，才能对真实情况进行合理有效的分析和处理。 ③ 智能化 通过不断增加数据，建立风险数据模型，实现对监测目标的自动识别和预警， 并对异常数据进行报警和纠错。 ③ 综合性 完整的信息化平台还应当具有完善的角色管理系统、调度指挥系统、会议系统 等，并且可以整合和处理多种数据来源，具有较高的包容性、可拓展性。 第三章 环保行业应用客户案例 3.1. 嘉陵江燃油泄露综合演练项目 3.1.1. 项目简述 “嘭”的一声巨响，江面瞬间出现大面积“浮油”，2021 年 11 月 4 日 9 点，四 川南充阆中嘉陵江刘家坝两艘船舶发生“碰撞”，9 名船员被困面临“生命危险”； 同时，江面“浮油”还危及着下游 5 公里 45 万人的饮用水安全！这是“天府卫士 —2021 年疫情防控背景下嘉陵江流域突发生态环境事件多目标应急综合演练” 的现场。 此次演练由四川省生态环境事件指挥部主办，生