水质专家借助无人机开展危险矿坑场地监测工作

水质专家借助无人机开展危险矿坑场地监测工作

巧借无人机技术，助力水质专家监测高危矿坑场地

一架遥控八旋翼无人机在这片宽达 1 英里的湖面上方数米处悬停，稳稳地将搭载的多参数水质监测仪缓缓垂入碧蓝的湖水之中。

美国蒙大拿州比尤特市的伯克利矿坑，水体 pH 值低至 4.3，酸度堪比番茄汁。矿坑湖四周环绕着坡度陡峭、持续风化的风化花岗岩边坡。松散的边坡遇外力极易引发湖面大幅涌浪，这让伯克利矿坑成为人工乘船采样的高危区域。

配图说明：伯克利矿坑航拍图。这座矿坑深达 255 米（836 英尺），蓄积着 1820 亿升（480 亿加仑）的有毒酸性水体。

为此，一款名为 ** 水质采样平台（WaSP）** 的专用无人机应运而生。该无人机由费尔韦瑟信息技术公司（FIT）与应用科技服务公司的Ian・Fairweather研发，专为水质采样作业量身打造。

无人机搭载的改良型深海钓鱼卷轴释放出高强度鱼线，牵引着多参数水质监测仪下沉。监测仪在向 250 多米（800 余英尺）深的湖底移动过程中，同步完成 pH 值、温度、水深、溶解氧（DO）、氧化还原电位（ORP）、浊度及电导率的实时监测。

配图说明：伯克利矿坑等深线分布图。这座昔日的露天铜矿如今已沦为蓄积酸性水体的矿坑湖。

无人机的电池续航宝贵且有限，尤其是在负载较重的工况下。因此，费尔韦瑟与其设备操作员勃兰特・温克尔曼格外注重作业效率，力求在 20 分钟内完成全流程操作：飞抵采样点位、完成各项数据采集、操控 WaSP 无人机返回位于岩石高地的操控点。

配图说明：费尔韦瑟及其团队借助 WaSP 无人机，单日最多可完成 8 架次水质剖面监测飞行任务。

水质采样无人机（WaSP）腾空起航

多年来，工作人员一直乘坐浮筒船在矿坑湖面上采集水样，但这种人工乘船采样的方式最终被判定为高危操作。而直升机采样方案同样不具备可行性 —— 不仅载人飞行本身会增加安全隐患，伯克利矿坑所处的空域还位于一条商业航线范围内。

2017 年，伯迈斯特与费尔韦瑟展开合作，旨在研发一种更安全、高效的无人机监测方案，用于伯克利矿坑以及其他更为偏远难抵的废弃矿区的水质监测工作。

“他们委托我们研发这款采样平台，核心目的是让我们能在岸边安全采集水样、获取水质数据，全程无需人员置身险地，同时实现单日多次采样。" 费尔韦瑟解释道，“我们曾创下单日飞行 8 架次的纪录，每架次均通过 YSI EXO1 型多参数水质监测仪完成水质剖面数据采集。"

配图说明：沃茨创新公司研发的 PRISM 八旋翼无人机。

费尔韦瑟以沃茨创新公司的 PRISM 八旋翼无人机为载体，成功研发出这款拥有技术的水质采样无人机（WaSP）。该无人机的四个机臂上，每个电机组件的顶部和底部均配备有螺旋桨。

该无人机搭载电池、收线卷轴、电机、两台摄像机及全套任务载荷后，整机重量控制在 25 千克（55 磅）的限值以内。一旦超出该重量，就需要按照美国联邦航空管理局的相关规定，更换更高等级的飞行执照并遵守更为严格的监管要求。其任务载荷配置灵活多样，可搭载 EXO1 型多参数水质监测仪、声呐测深剖面仪、满载水样的采样瓶、沉积物采集专用的伊姆霍夫锥形管，或是定制化污泥采样器。

三速电动收线卷轴是 WaSP 无人机的核心配置。费尔韦瑟指出，相较于将采样设备悬挂在 61 米（200 英尺）长的固定缆绳末端的设计，将设备紧贴无人机机身下方挂载的方案，能赋予无人机的作业灵活性与机动性。

配图说明：WaSP 无人机是一款经专业优化的空中平台，可实现精准数据采集与安全作业。

这一设计还能满足伯迈斯特与地球化学家詹姆斯・乔纳斯提出的各类特殊采样需求 —— 包括操控设备下潜至矿坑湖底进行采样。若设备在水下发生缠绕，搭载的闸刀式切割器可立即启动，切断缠绕物以解救设备。

EXO1 型监测仪的实战应用

费尔韦瑟强调，YSI EXO1 型多参数水质监测仪从 WaSP 无人机的设计之初，就被纳入核心配套设备清单。

“说实话，当初是大西洋里奇菲尔德公司指定我们采购这款设备的。" 费尔韦瑟笑着说，“我们先是租用了一台，在 WaSP 原型机上完成了测试，采集到的数据表现十分理想。之后便直接采购了一台，这样就能自主完成所有校准工作。这款设备的实战表现堪称出色，我们还将两台 EXO1 型监测仪配备在了自主水面航行器（USV，即无人船）上。"

配图说明：采样设备被回收至 “作业回收点" 后，团队在此完成数据下载、设备蒸馏水冲洗、电池更换等操作，随后即可操控 WaSP 无人机再次起飞执行采样任务。

费尔韦瑟借助赛莱默公司的 HYPACK 软件构建数据矩阵，将声呐测深数据、水质监测数据与 GPS 定位信息进行整合。这一操作让团队能够在分析矿区水下地形的同时，同步开展水体表层地球化学特征研究。

“整合后的矩阵包含实时动态定位（RTK）的 GPS 信息、水域深度数据以及所有化学分析结果，极大地简化了数据采集与处理流程。" 他介绍道，“所有数据都能在 HYPACK 软件界面中查看。我们还绘制了矿坑内所有采样点位的分布图，因此监测仪无需全程与无人机保持连接，可独立进行自主数据采集。"

“我们先启动监测仪的记录功能，将其挂载到无人机上，随后操控无人机飞抵采样点完成数据采集。监测仪会自主记录所有数据，待无人机返航后，我们再将数据导出即可。"

每次飞行任务结束后，费尔韦瑟及其团队都会使用蒸馏水，对 EXO1 型监测仪及 WaSP 无人机的所有配套设备进行全面的冲洗。