无人机助力大气环境立体监测

在河北省王度县农村环境研究站完成污染物监测和数据传输任务后，新研制的无人机空中三维监测设备在“启动着陆”命令的陪同下，平稳着陆。

12月中旬，中国科学院生态环境研究中心微量气体大气化学研究组与多个单位一起，成功开展了无人机大气立体监测系统实验。据项目负责人张介绍，该监测系统首次将低功耗大流量颗粒物采样技术、多通道真空气体采样技术和无人机技术相结合，满足了当前大气污染科学全面精细监测的迫切需要。

填补大气环境监测与研究的盲区

在对流层大气中，大气污染物大多从近地面垂直或水平扩散，而太阳辐射作为大气化学反应的重要驱动力，是从上到下传播的。因此，张认为，大气环境化学研究不仅要关注近地表污染，还要关注一定高度范围内(尤其是边界层)大气结构和成分的变化，否则很难全面揭示对流层中实际的大气化学反应过程。

大气环境的各种垂直监测方法以前已经得到应用，如大气边界层塔、载人飞机、气球和气体船等。然而，边界层塔是固定的，通常高度在300米以下，而且大多建在城市地区。有些飞机只能在数百米或更高的高度飞行。气球或汽艇的抗风能力和机动性较差，需要充入大量氦气，因此单次操作成本较高。这些方法已经不能满足新时期空气污染研究的需要。

无人机的机动性和灵活性可以有效弥补上述缺陷，使不易到达的地方更容易到达，使大气监测真正做到动态和立体张说:“农村和城市不同。它的下垫面主要是农田和低矮的村庄。空气污染物在低层大气中，这正是适合无人机飞行和采集样本的高度。”

无人机空气立体监测系统为深入研究农村空气非点源污染提供了重要工具，也为深入研究区域大气氧化、大气光化学过程和次生颗粒物形成提供了基础数据。

精密大气研究工具

记者了解到，在中国科学院无人机大气监测系统试验成功之前，一些无人机产品已经应用于环境监测领域，并配合*的环境执法活动。对此，为该无人机空中监控系统提供无人机设备的华谊航天科技有限公司相关负责人表示:“市场上的无人机设备不仅用于环保，还用于电力、消防等。这不专业。它只配备了几种空气传感器，远远不能满足大气多样化和精密化的监测要求。”

为此，张带领团队做出了一系列努力来提高系统的准确性。

在传感器选择阶段，研发团队找到了南京信息工程大学教授庞，他对传感器精度做了长期的比较，以供参考。庞告诉《中国科学报》记者，大气传感器会受到大气温度、湿度、其他共存成分和电信号噪声的干扰。因此，应通过各种技术手段减少上述因素对传感器精度的影响。

最终确定了低功耗大流量颗粒物采样器、多通道真空气体采样器和传感器，它们具有较强的抗干扰能力，能够从实际大气气体中提取准确的信息。该传感器可同时记录和传输10种参数，包括颗粒物、PM2.5和PM10等常规污染物参数。此外，取样设备在随无人机升空之前，应根据地面标准站的数据进行校准。无人机发射后，为了满足遥控、全球定位系统三维定点悬停和采集足够的大气样本的要求，必须预先计算设计的采样器的体积和续航时间。

本发明克服了低功耗、大流量颗粒物采样和多通道真空气体采样等关键技术，实现了大气颗粒物状态、气态、液态等样品的三维定点采样，为大气污染的全方位三维精确诊断提供了重要的技术支持。

科研从零开始“创业”

在张看来，的无人机大气监测系统实验的成功是一个从零开始的科研“冒险”。没有足够的资金来源，参与开发和供应传感器、采样器和无人驾驶飞行器的企业没有向他索要任何费用，但他们正在朝着一个共同的目标努力。

这个由跨学科人员临时组建的“梦之队”不断突破技术难关，根据空气采集与监测系统需要满足的科研要求，完善产品。“为了提高监测系统在高空采集样本时的抗风能力和稳定性，我们专门设计了无人机的气动布局结构，”华谊航天的相关官员表示。

谈到无人机空中监控系统的应用前景，张认为有“千人有千人的想法”。目前，一些科研机构出于兴趣联系了他们。除了三维精密大气化学研究工具的应用前景外，他大胆设想无人机在未来火灾、垃圾焚烧、环境污染执法等应急监测领域将发挥更大的作用。他希望不同行业的人能看到这个系统，并对其应用有不同的想法。