Development of a low-cost lightweight water quality measurement system equipped on Unmanned Aerial Vehicle (UAV) platform for reservoir water quality monitoring

論文翻譯標題: 研發低成本輕量化水質測量系統應用於無人機水庫水質監測
  • 林 郁竣

學生論文: Doctoral Thesis

摘要

台灣水庫面臨水量不足及水質惡化的問題,導致水庫的有效容積量逐年降低及優氧化,因此政府制訂環境水體水質監測計畫,其中的水庫水質分為人供採樣回實驗室分析及現場觀測兩個部分,不過隨著科技的進步,感測器及物聯網的技術逐漸成熟,無人機操作門檻也降低?多,水庫管理單位可以運用全自動高頻監測技術(Automatic High Frequency Monitoring AHFM)結合高機動性的無人機規劃即時且全面的水質監測網路,但市面上商業化的全自動高頻監測系統,動輒數十萬到上百萬,體積及重量也十分龐大,不適合直接搭載於無人機。同時本研究回顧可運用於全自動高頻監測技術的水質項目,發現沙奇深度(Secchi depth)沒有可以直接量測的感測器,因此本研究預計開發兩款可直接搭載於無人機的水質感測器,第一個是低成本輕量化的水質測量系統,簡稱WQMS,第二個是低成本取代沙奇盤測量沙奇深度的感測器,簡稱為KdUINO,將兩款水質感測器搭載於無人機應用於水庫水質監測。 本研究設計WQMS的預計量測水溫、導電度、溶氧及pH等水質項目,從市面上購買所需的水質感測器及零件,以Arduino控制板整合硬體,以C++程式語言編譯WQMS的程式碼,並於七股漁塭中以商業化多參數水質測量設備EXO2測試WQMS的穩定性及準確性;KdUINO的設計架構是參考(Bardaji et al 2016)開發的低成本測量水中光衰減係數(Kd)的光度計,在澄清湖水庫同時測量Kd與SD,根據SD物理模式建立兩者的關係式,最後應用無人機搭載WQMS與KdUINO光度計在澄清湖水庫隨機挑選採樣點測量水質,以空間內差法(Spline with Barrier)建立現地測量的水質地圖,與最近日期的澄清湖水質監測站水質比較,另外也利用Sentinel-2A衛星拍攝的影像以海洋演算法建立Kd、SD水質圖與現地量測的水質圖比較,由於KdUINO的Kd與衛星遙測的Kd尺度不同必須建立關係式,才可以進行比較。 本研究開發的WQMS的成本為新台幣15 228元,重量為1公斤,遠低於市售的多參數水質測量設備,在七股測試WQMS的穩定性及準確性的結果,可以知道導電度及水溫感測器的穩定性低,測量結果產生誤差,pH及溶氧感測器的穩定性較佳。本研究研發的KdUINO光度計成本為新台幣3100元,重量約2公斤,由於市面上沒有相似的產品無法比較;從實驗的結果來看,根據SD物理模式所推估Kd與SD的關係式,發現兩者具有顯著的相關性,但這個關係式有使用範圍限制;以WQMS測量水質所建立的水質圖,與最近日期的澄清湖水質監測站水質資料相比,雖然導電度及水溫感測器長時間測量水質的穩定性差,但短時間測量水質的穩定性較佳,結果顯示四種水質參數建立的水質圖皆為合理;以KdUINO測量Kd建立Kd、SD的水質圖,也清楚反映澄清湖水庫的實際情況,Sentinel-2A衛星遙測建立的Kd、SD水質圖比較結果,發現KdUINO測量到的Kd超過測量極限將不再變化,因此使用相似的Sigmoid函數建立衛星遙測Kd與KdUINO Kd的關係式,結果顯示兩者具有顯著的相關性,轉換式同樣有使用範圍限制,KdUINO Kd經過轉換式轉換建立的水質圖與衛星遙測的Kd水質圖具有相同的趨勢,同樣的結果也發現在KdUINO SD水質圖與衛星遙測SD水質圖,雖然在湖心的SD有顯著的差異,但其他區域的SD兩者之間有相同的趨勢。 從WQMS的測試結果知道,DFRobot公司所生產的導電度及水溫感測器較為不穩定,建議可以使用品質較好的廠牌,不過導電度及水溫感測器短時間測量水質建立成水質圖的結果是合理的;KdUINO光度計測量的Kd與現地量測的SD及衛星遙測的Kd具有高度的正相關性,建立的Kd水質圖與衛星遙測的水質圖也有相同的趨勢,表示KdUINO是可以取代沙奇盤測量SD的感測器。
獎項日期2020
原文English
監督員Chih-Hua Chang (Supervisor)

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