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【中國環(huán)保在線 環(huán)境監(jiān)測】12月中旬，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心痕量氣體大氣化學研究組協(xié)同多家單位成功開展了無人機大氣立體監(jiān)測系統(tǒng)實驗。這一監(jiān)測系統(tǒng)填補了大氣環(huán)境監(jiān)測和研究盲區(qū)，提升了監(jiān)測的程度，契合了當前大氣污染科學迫切需要精細化監(jiān)測的需求。
無人機監(jiān)測系統(tǒng)填補技術(shù)盲區(qū) 助力大氣監(jiān)測度升級
伴隨著一聲“開始降落”的指令，在河北望都縣農(nóng)村環(huán)境研究站，新研制的無人機大氣立體監(jiān)測裝備完成污染物監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸任務之后穩(wěn)穩(wěn)落地。
12月中旬，中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心痕量氣體大氣化學研究組協(xié)同多家單位成功開展了無人機大氣立體監(jiān)測系統(tǒng)實驗。據(jù)項目負責人張成龍介紹，這一監(jiān)測系統(tǒng)將低功耗大流量顆粒物采樣技術(shù)、多通道真空氣體采樣技術(shù)與無人機技術(shù)結(jié)合，契合了當前大氣污染科學迫切需要精細化監(jiān)測的需求。
填補大氣環(huán)境監(jiān)測和研究盲區(qū)
在對流層大氣中，大氣污染物多從近地面垂直向上或水平擴散，作為大氣化學反應重要驅(qū)動力的太陽輻射則自上而下傳輸。因此，張成龍認為，大氣環(huán)境化學研究不能只關(guān)注近地面污染，還要關(guān)注一定高度范圍(特別是邊界層)內(nèi)的大氣層結(jié)構(gòu)和成分變化，否則很難全面揭示對流層實際的大氣化學反應過程。
此前已有多種大氣環(huán)境垂直監(jiān)測方法得到應用，如大氣邊界層塔、有人飛機、氣球及氣艇等。但邊界層塔位置固定，高度通常在300米以下，且多建于城市地區(qū);有人飛機只能在數(shù)百米及以上的高度飛行;氣球或氣艇抗風能力和移動性差，需要填充大量氦氣，單次運行成本高。這些方法已經(jīng)無法滿足新時期大氣污染研究的需求。
“無人機的機動性和靈活性可以有效彌補上述缺陷，讓原來不容易接近的地方變得容易到達，使大氣監(jiān)測真正做到動態(tài)性和立體性。”張成龍說，“農(nóng)村地區(qū)不同于城市地區(qū)，它的下墊面多為農(nóng)田和低矮村莊，大氣污染物處于較低大氣層，正好是無人機適合飛行和采集樣本的高度。”
無人機大氣立體監(jiān)測系統(tǒng)為農(nóng)村大氣面源污染的深入研究提供重要工具，也為區(qū)域大氣氧化性、大氣光化學過程及二次顆粒物形成等深入研究提供基礎數(shù)據(jù)。
化大氣研究工具
記者了解到，在中科院無人機大氣監(jiān)測系統(tǒng)實驗成功之前，市場上已經(jīng)有少數(shù)無人機產(chǎn)品應用于環(huán)境監(jiān)測領域并和政府環(huán)境執(zhí)法活動展開合作。對此，為本次無人機大氣監(jiān)測系統(tǒng)提供無人機設備的華翼天基科技有限公司相關(guān)負責人表示：“市場上的無人機設備不僅用于環(huán)保，也用于電力、消防等，并不專業(yè)，只是搭載幾種空氣傳感器，遠遠不能解決大氣多樣化和化的監(jiān)測需求。”
為此，張成龍帶領團隊為提升系統(tǒng)化做出了一系列努力。
在傳感器選擇階段，研發(fā)團隊找到曾對傳感器精度做了長期比對工作的南京信息工程大學教授龐小兵進行取經(jīng)。龐小兵告訴《中國科學報》記者，大氣傳感器會受到大氣溫度、濕度、其他共存成分以及電信號噪音的干擾，因此要通過多種技術(shù)手段降低上述因素對傳感器精度的影響。
終，他們確定了具有較強抗干擾能力、能在實際大氣氣體中提取信息的低功耗大流量顆粒物采樣器、多通道真空氣體采樣器以及傳感器。傳感器可一次性記錄和傳輸10種參數(shù)，包括顆粒物、PM2.5和PM10等常規(guī)污染物參數(shù)。除此之外，采樣設備隨無人機升空之前，要經(jīng)過地面標準臺站的數(shù)據(jù)校準;無人機升空之后，還要保證提前計算設計好的采樣器體積、續(xù)航能力等均滿足遠程控制、GPS三維定點懸停以及收集足夠分量大氣樣品的要求。
該立體監(jiān)測系統(tǒng)攻克了低功耗大流量顆粒物采樣以及多通道真空氣體采樣等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)大氣顆粒態(tài)、氣態(tài)以及液態(tài)等樣品的立體化定點采樣，為大氣污染立體化的診斷提供重要的技術(shù)支持。
從無到有的科研“創(chuàng)業(yè)”
在張成龍看來，這次無人機大氣監(jiān)測系統(tǒng)的實驗成功是一次從無到有的科研“創(chuàng)業(yè)”。沒有充足的資金來源，參與研制并提供傳感器、采樣器、無人機的企業(yè)也沒有向他索取任何費用，但他們卻向著一個共同的目標努力。
這支由交叉學科領域的人員臨時搭建的“夢之隊”，不斷突破技術(shù)難點，根據(jù)大氣采集監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足的科研要求對產(chǎn)品進行完善。華翼天基相關(guān)負責人表示：“為了提升監(jiān)測系統(tǒng)在高空收集樣品時的抗風能力和穩(wěn)定性，我們專門為無人機設計了氣動外形結(jié)構(gòu)。”
談到無人機大氣監(jiān)測系統(tǒng)的應用前景，張成龍則認為“一千個人有一千個想法”。目前也有一些科研單位出于興趣聯(lián)系他們。在立體化化大氣化學研究工具的應用前景之外，他大膽設想，未來在火災、垃圾焚燒、環(huán)境污染執(zhí)法等應急監(jiān)測領域，無人機可以到達人們無法接近的地方發(fā)揮更大的作用，希望不同行業(yè)的人看到這個系統(tǒng)都能對其應用萌生不同的想法。
原標題：無人機助力大氣環(huán)境立體監(jiān)測
