国土整治监测移动实验室研制与应用

一、工作现状

     重庆市国土整治中心主要为全市国土整治、耕地保护和生态修复提供基础性、技术性、事务性支撑和服务，完成机构改革后成立质量监测评价室，做实国土整治监测评价，对验收后的全域国土综合整治项目开展跟踪监测评估，开展补充耕地后续利用常态化监测。目前对各业务工作实现监测主要以人工调查的手段为主， 存在监测方法单一、时效性差、效率低、空间异质性信息刻画不完整等问题。为了确保重庆市国土整治中心国土综合整治、耕地资源质量分类、遏制耕地“非农化”等业务工作监测具有科学稳定性、长期可比性、强业务支撑性及强应用互通性，亟需增强多元化的高技术监测手段，提高监测效率，完成监测任务。利用移动实验室进行现场速测、分析和执法是提升监测能力的方法之一。

    移动实验室是一种能够在车内形成实验室级别的环境，提升仪器设备精度的特种车辆。移动实验室所具有的机动、快捷、现场检测等特点，可以弥补传统人工采样和实验室分析方法在深入偏远地区进行监测工作时的局限性。在美国、巴西、印度等国家通过移动实验室开展国土监测已成为其中一个监测方法。我国在食品安全、公共卫生和环境监测这三个领域已有大量的成果案例，在自然资源领域主要用于水质监测、大气监测等方面。通过研制国土整治监测移动实验室，可全面及时准确高效的获取相关业务的监测指标，为“十四五”时期国土整治系统化、生态化、资产化、智能化管理提供技术支撑。

    因此，重庆市国土整治中心设立了重庆市国土整治监测移动实验室研发与应用项目，以实现重庆市国土整治监测的集成化、智能化、便利化、精细化、安全化，推动重庆市国土整治中心的发展。该项目已经完成立项的专家论证，筛选了重庆市国土整治移动监测指标，优选了包括无人机和速测仪器在内的仪器设备，并完成对移动实验室车辆平台的选型和初步改造设计。现需采购一台商务车作为 移动实验室车辆平台，对商务车进行改造使其形成一台国土整治监测移动实验室，为接下来的多元监测仪器设备集成与移动实验室信息管理系统研发提供平台支持。

三、总体架构

为实现重庆市国土整治监测的集成化、智能化、便利化、精细化、安全 化，本项目的移动实验室不仅是一台在现场部署实验室环境的车辆平台，更重要的是数字化管理的移动实验室信息管理系统，实现国土整治监测的快速获 取、现场分析和信息化数据管理，提升重庆市国土整治的智能化监测能力。

国土整治监测移动实验室整体架构如图 1 所示，由在国土整治工程实施现场进行采样的无人机、便携速测仪和移动终端，以及在车内的台式速测仪和移动工作站组成。车辆到达整治项目现场后，实验人员使用无人机和便携速测仪采集现场数据并使用移动终端记录信息，采集的土壤样品带回车内使用台式速测仪检验分析，所有数据通过车载移动工作站进行汇聚、管理、展示并上传至远程系统内。 

图 1 国土整治监测移动实验室架构

四、车辆选型

根据重庆市国土整治监测移动实验室的架构和整治项目区周边情况，结合必要性分析，改装车辆需要能适应如下环境：

1. 车辆平台外部尺寸不能过大，需要满足复杂路况的通过性。

    移动实验室的主要监测目标是国土整治项目，车辆平台需要尽可能接近国土整治项目的目标地块。移动实验室越接近，工作人员往返采集样品所需步行的距离和时间就越短，无人机起飞后到达目标区域的路程和耗电量就越少，这就能提升整体工作效率。箱型货车、中型客车等车辆平台的外部尺寸过大，只能在道路条件较好的区域进行监测工作。

2. 车辆平台内部尺寸不能太小，需要在加装实验室功能配置后依旧留有让人员在车内进行实验的空间。

    移动实验室车辆平台需要能够在车内进行实验操作。速测仪器在车内稳定的环境下进行测试，数据的稳定程度和误差将小于直接在野外环境下进行测试。无人机等现场测量仪器设备，也需要在车内进行接收、预处理、初步分析和传输，以实现快速分析、展示和与历史数据对比。SUV、MPV 和皮卡等车辆平台的内部空间太小，难以在车内进行土壤养分速测等实验操作。

3. 车辆平台的动力系统需要满足重庆多山多坡的道路条件，以及适应长期在项目区进行监测。

    重庆市地貌以丘陵、山地为主，国土整治项目大多分布在偏远山区，需要车辆平台有足够强的动力和传动。国土整治监测通常需要在不同项目区连续作业多天，对能量的补充形式和节能也有一定要求。纯电动车辆平台的爬坡能力弱，因充电桩分布不均、车内仪器设备耗电量大，缺乏在较偏远的整治项目区长期工作能力。

由此可见，根据国家汽车公告所发布的车型信息，长度在 5-7 米、使用燃油发动机的商务车车型最适宜改装为重庆国土整治监测移动实验室。

综上所述，5 米的商务车内部空间过于狭小，难以在车上进行速测实验，7 米的商务车外部尺寸过大，较难接近部分偏远的项目区，5.5 米长的柴油动力商务车能满足重庆市国土整治监测移动实验室的车辆平台需求。

 五、改造功能 

移动实验室的车辆平台是整个架构的核心。本项目根据移动实验室的快速采样、现场分析和信息化数据管理的技术需求，根据国土整治监测移动实验室的监测指标及监测方法，考虑重庆市耕地及其周边道路等环境特点，分析各行业移动实验室案例，进行车辆研发设计，提出移动实验室车辆平台功能需求。 

图 2 车辆改造功能设计图

1. 车身改造

车内空间分隔为驾驶区、实验区和承载区。驾驶区为前部驾驶、副驾驶位置；实验区在中部，到达现场后实验人员在该区域进行速测及数据分析；承载区在后部，搭载各类仪器设备。

实验区主要用于进行车内速测实验和现场数据分析。内部加装一张至少1200×450mm 工作台；或者两张至少 600×450mm 工作台。工作台上或台前至少 2 个插座，并且其中一处有网线和视频线接口。工作台下改为柜子或者加固定仪器箱的绑带，放小设备、背包或笔记本包。

承载区存储进行国土整治监测所需的仪器设备和工具，包括无人机、速测仪等。其中一侧留有放置长柄工具的空间。增加固定仪器设备工具的部件。现有仪器设备的主要尺寸为：

高光谱无人机：750×640×980mm 图像无人机：360×340×180mm

土壤养分速测仪：683×443×308mm 土壤元素分析仪：500×400×200mm

主要设计图及其它移动实验室承载区已有案例如图所示。

图3 车内空间分区示意图

2. 供电

车内加装锂电池和电控单元，负责到达项目现场后，独立给车内土壤养分速测仪等速测仪器、移动工作站等设备、驻车空调等车内功能供电，无需车辆发动机怠速供电。减少在驻车情况下，怠速状态长时间运行对车辆发动机和发电机带来的损耗。

3. 供水

装配水系统，包括净水箱、污水箱、洗手盆。加装的供水系统可以为土壤速测实验和清洗采样工具提供净水；排水系统可以存储车内速测实验过程中产生的废水，并在适当的地方排放。

4. 恒温通风

驻车空调可以在车辆到达项目现场，发动机熄火驻车后使用，通过锂电池进行供电，为各类仪器设备提供温度恒定的实验环境，降低温度变化对速测仪器造成的误差。

推拉窗用于车内空间与外界的空气对流，将车内废气排出车外，防止土壤速测实验中各类试剂气味在车内积攒，也可以将车外空气吹进车内，在驻车空调运行时保证车内有新鲜空气。

5.系统通信

    包括数据展示和通信网络两个功能。数据展示是在车内部署大屏幕，用于现场展示实时采集和速测的数据、历史数据对比、操作指导等信息。视频线埋入车身，另一端在工作台。网络通信是安装无线路由器，实现车内形成无线和有线局域网络，以及车内与公网通信。网线埋入车内，另一端在工作台与视频接口一起。