水質專家借助無人機開展危險礦坑場地監測工作

巧借無人機技術，助力水質專家監測高危礦坑場地

一架遙控八旋翼無人機在這片寬達 1 英里的湖面上方數米處懸停，穩穩地將搭載的多參數水質監測儀緩緩垂入碧藍的湖水之中。

美國蒙大拿州比尤特市的伯克利礦坑，水體 pH 值低至 4.3，酸度堪比番茄汁。礦坑湖四周環繞著坡度陡峭、持續風化的風化花崗巖邊坡。松散的邊坡遇外力極易引發湖面大幅涌浪，這讓伯克利礦坑成為人工乘船采樣的高危區域。

配圖說明：伯克利礦坑航拍圖。這座礦坑深達 255 米（836 英尺），蓄積著 1820 億升（480 億加侖）的有毒酸性水體。

為此，一款名為 ** 水質采樣平臺（WaSP）** 的專用無人機應運而生。該無人機由費爾韋瑟信息技術公司（FIT）與應用科技服務公司的Ian?Fairweather研發，專為水質采樣作業量身打造。

無人機搭載的改良型深海釣魚卷軸釋放出高強度魚線，牽引著多參數水質監測儀下沉。監測儀在向 250 多米（800 余英尺）深的湖底移動過程中，同步完成 pH 值、溫度、水深、溶解氧（DO）、氧化還原電位（ORP）、濁度及電導率的實時監測。

配圖說明：伯克利礦坑等深線分布圖。這座昔日的露天銅礦如今已淪為蓄積酸性水體的礦坑湖。

無人機的電池續航寶貴且有限，尤其是在負載較重的工況下。因此，費爾韋瑟與其設備操作員勃蘭特?溫克爾曼格外注重作業效率，力求在 20 分鐘內完成全流程操作：飛抵采樣點位、完成各項數據采集、操控 WaSP 無人機返回位于巖石高地的操控點。

配圖說明：費爾韋瑟及其團隊借助 WaSP 無人機，單日最多可完成 8 架次水質剖面監測飛行任務。

水質采樣無人機（WaSP）騰空起航

多年來，工作人員一直乘坐浮筒船在礦坑湖面上采集水樣，但這種人工乘船采樣的方式最終被判定為高危操作。而直升機采樣方案同樣不具備可行性 —— 不僅載人飛行本身會增加安全隱患，伯克利礦坑所處的空域還位于一條商業航線范圍內。

2017 年，伯邁斯特與費爾韋瑟展開合作，旨在研發一種更安全、高效的無人機監測方案，用于伯克利礦坑以及其他更為偏遠難抵的廢棄礦區的水質監測工作。

“他們委托我們研發這款采樣平臺，核心目的是讓我們能在岸邊安全采集水樣、獲取水質數據，全程無需人員置身險地，同時實現單日多次采樣。" 費爾韋瑟解釋道，“我們曾創下單日飛行 8 架次的紀錄，每架次均通過 YSI EXO1 型多參數水質監測儀完成水質剖面數據采集。"

配圖說明：沃茨創新公司研發的 PRISM 八旋翼無人機。

費爾韋瑟以沃茨創新公司的 PRISM 八旋翼無人機為載體，成功研發出這款擁有技術的水質采樣無人機（WaSP）。該無人機的四個機臂上，每個電機組件的頂部和底部均配備有螺旋槳。

該無人機搭載電池、收線卷軸、電機、兩臺攝像機及全套任務載荷后，整機重量控制在 25 千克（55 磅）的限值以內。一旦超出該重量，就需要按照美國聯邦航空管理局的相關規定，更換更高等級的飛行執照并遵守更為嚴格的監管要求。其任務載荷配置靈活多樣，可搭載 EXO1 型多參數水質監測儀、聲吶測深剖面儀、滿載水樣的采樣瓶、沉積物采集專用的伊姆霍夫錐形管，或是定制化污泥采樣器。

三速電動收線卷軸是 WaSP 無人機的核心配置。費爾韋瑟指出，相較于將采樣設備懸掛在 61 米（200 英尺）長的固定纜繩末端的設計，將設備緊貼無人機機身下方掛載的方案，能賦予無人機的作業靈活性與機動性。

配圖說明：WaSP 無人機是一款經專業優化的空中平臺，可實現精準數據采集與安全作業。

這一設計還能滿足伯邁斯特與地球化學家詹姆斯?喬納斯提出的各類特殊采樣需求 —— 包括操控設備下潛至礦坑湖底進行采樣。若設備在水下發生纏繞，搭載的閘刀式切割器可立即啟動，切斷纏繞物以解救設備。

EXO1 型監測儀的實戰應用

費爾韋瑟強調，YSI EXO1 型多參數水質監測儀從 WaSP 無人機的設計之初，就被納入核心配套設備清單。

“說實話，當初是大西洋里奇菲爾德公司指定我們采購這款設備的。" 費爾韋瑟笑著說，“我們先是租用了一臺，在 WaSP 原型機上完成了測試，采集到的數據表現十分理想。之后便直接采購了一臺，這樣就能自主完成所有校準工作。這款設備的實戰表現堪稱出色，我們還將兩臺 EXO1 型監測儀配備在了自主水面航行器（USV，即無人船）上。"

配圖說明：采樣設備被回收至 “作業回收點" 后，團隊在此完成數據下載、設備蒸餾水沖洗、電池更換等操作，隨后即可操控 WaSP 無人機再次起飛執行采樣任務。

費爾韋瑟借助賽萊默公司的 HYPACK 軟件構建數據矩陣，將聲吶測深數據、水質監測數據與 GPS 定位信息進行整合。這一操作讓團隊能夠在分析礦區水下地形的同時，同步開展水體表層地球化學特征研究。

“整合后的矩陣包含實時動態定位（RTK）的 GPS 信息、水域深度數據以及所有化學分析結果，極大地簡化了數據采集與處理流程。" 他介紹道，“所有數據都能在 HYPACK 軟件界面中查看。我們還繪制了礦坑內所有采樣點位的分布圖，因此監測儀無需全程與無人機保持連接，可獨立進行自主數據采集。"

“我們先啟動監測儀的記錄功能，將其掛載到無人機上，隨后操控無人機飛抵采樣點完成數據采集。監測儀會自主記錄所有數據，待無人機返航后，我們再將數據導出即可。"

每次飛行任務結束后，費爾韋瑟及其團隊都會使用蒸餾水，對 EXO1 型監測儀及 WaSP 無人機的所有配套設備進行全面的沖洗。