大气污染立体监测技术及应用

＊黄理奇

（湖南省长沙燃气燃具监督检测中心 湖南 410000）

2020年9月22日，我国政府在第七十五届联合国大会上提出，努力争取2060年前实现碳中和目标，这对我国乃至全球的绿色发展极具积极影响。当前，我国大气污染立体监测技术能够有效实现对大气中NOx、SO2、TSP以及其他大气污染物的精准快速监测。加强大气污染立体监测的科学研究与合理应用，促进大气污染立体监测技术充分发挥作用和价值，对促进我国生态环境污染治理水平的有效提升具有极其关键的影响作用。大气污染立体监测技术已广泛应用于多个领域，同时在各领域都有较为长足的创新发展，为加快大气污染立体监测技术体系形成提供了有力支持，在地基遥感、机载遥感、星载遥感、车载遥感以及船载遥感监测技术及应用方面都起到了十分重要的积极作用，为我国生态环境保护可持续发展做出了相应的支持与贡献。

1.国内外技术比较分析

国外针对大气污染立体监测技术的研究时间较早，在其体系构建方面较为成熟，相关技术已达到业务化的应用水平，如美国的NASA和Langley研究机构，在20世纪80年代利用地基激光雷达技术对大气气溶胶及其特征等进行研究；20世纪90年代，德国多所大学应用地基主被动光谱技术对大气污染进行观测监测等。我国对天地海空一体化监测技术体系的构建己经进入快速发展阶段，在监测技术、监测设备等方面都有较为显著的进展。近几年，我国在激光雷达技术研发方面取得了一定的研究成果，如2014年，中科院合肥科学研究院专家发表了多地基MAX-DOAS的云和气溶胶类型鉴别方法的研究成果。

2.大气污染监测的重要性

随着社会经济的快速发展，社会大众对居住环境和生态环境愈加关注，对相关污染问题进行有效监测和治理就显得尤为重要。大气污染立体监测技术对我国进行生态环境污染防治、积极应对气候变化、合理改善人居环境、充分保障大众健康等都具有十分重要的影响作用。一方面，利用大气污染立体监测技术对当前大气环境进行持续监测，了解并掌握不同地区大气质量情况，通过对大气环境中各污染物含量占比分析，可全面且系统的看到大气污染分布情况，在制定针对性和目的性较强的污染治理方案时，能够为研究治理提供真实可靠的数据信息，进一步提升污染治理方案的科学性和可行性并强化了污染治理的调控性，有助于实时针对某一污染情况及时作出反应积极应对，同时也是我国污染治理能力和水平全面提升的具体体现[1]。另一方面，随着国家层面对生态环境治理力度的逐渐加强，明确提出碳达峰、碳中和的目标并陆续印发《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》和《2030年前碳达峰行动方案》等指导性文件，以及蓝天保卫计划的持续推进，各项计划的准确落实都需要有强大数据支撑，加强大气污染立体监测技术的推广应用，有助于确保计划的可行性和可操作性，同时可对计划的预期效果进行科学合理预测。另外，在实行监测阶段能够对违法违规排放废气进行精准快速定位，及时处置违法行为，对落实蓝天保卫计划和改善我国大众居住环境提升生活质量具有重要的现实意义。

3.大气污染形成原因

大气污染来源可分为自然污染源和人为污染源。其中，人为污染源可按照人类社会活动的不同功能划分为生活污染源、工业污染源以及交通污染源。生活污染源主要是指满足人们生活需要的同时，产生的一些大气污染源，如为满足冬季供暖需求，利用煤炭等燃料能源来实现冬季供暖，而煤炭燃烧会产生SO2、CO等污染气体造成大气污染。工业污染源是指在工厂燃料燃烧和生产工艺中产生的各类污染物废气，工业废气有颗粒性废气和气态性废气两种，在工业废气中主要包含COx、SOx、NOx、HCl、氟化物、烟尘及生产性粉尘等污染物，若未对工业废气污染源进行合理管控，将会造成较为严重的大气污染，同时工业废气可通过不同渠道对人体产生危害并影响人体健康。因此，应加强对工业污染源的科学管控，全面降低此类污染源对大气污染及人体健康造成的不利影响[2]。交通污染源也是造成大气污染的主要原因之一。例如：汽车尾气同样也是一种有害废气，汽车保有量的持续上升使得燃油类能源消耗量增加，燃油在燃烧做功的过程中会产生一些废气，也会对大气环境造成污染影响，因此，国家积极调整汽车排放标准并加大新能源汽车产业扶持力度，以此降低汽车尾气这类废气对大气造成的污染。

4.大气污染立体监测技术及应用

（1）地基监测技术及应用。地基监测技术是进行大气污染监测的常用技术，利用地面监测站能够将多项监测技术协调应用，以此确保大气污染检测的准确性和有效性。地基监测仪器设备如表1所示，对不同监测参数的综合分析可有效掌握大气污染的具体情况，便于积极应对处置[4]。

表1 地基监测仪器设备及主要监测参数

在地基监测技术中激光雷达技术具有较为广泛的应用范围，其技术原理是利用激光对大气的物理特性、大气的光学参数变化以及大气环境中各类气象参数的变化进行连续监测，以此获取更为全面且系统的监测区域大气环境数据情况。另外，随着地基监测技术的不断发展，现阶段地基监测技术应用逐渐实现商业化发展趋势，同时结合大数据技术、物联网技术等，产生许多应用程序并逐步得到较为有效的推广应用，使得大众也能够及时了解到大气环境情况，有助于进一步提升人们生活质量水平。

（2）机载监测技术及应用。将无人机技术与大气环境监测技术进行有机结合，对进一步实现大气污染的立体化监测具有十分关键的影响作用。机载监测技术利用无人机速度快、定位准、数据回传及时等优势特点，实现对特殊区域大气环境的有效监测，便于气象工作人员及时了解并掌握特殊区域大气环境情况，同时能够采取积极有效措施予以应对，对降低大气污染监测工作危险性具有极其关键的积极作用。机载监测技术需要搭载相应的系统来实现对各项参数的有效采集，系统中一般包含环境参数采集模块、定位模块、数据储存模块以及数据传输模块。其中，环境参数采集模块是机载监测技术系统的关键模块，主要采集目标为常规六参数（如表1所示），气体监测应用SINGOAN模组，颗粒物监测应用SDS021粉尘传感器，该传感器主要利用激光散射原理实现对不同颗粒物参数的采集工作[5]，并采用北斗技术作为定位模块。若对大气污染监测工作要求较高可选用GT-U7GPS模块并与小型BMP180气压传感器进行搭配应用，GT-U7GPS模块与BMP180气压传感器均具有高精度、小型化的优势特点，相较于其他模块与传感器更适用于搭载无人机进行大气环境监测，有助于获取具有高精度的定位信息。数据储存与传输模块对机载监测技术的完整性和实时性具有十分重要的影响作用，当大气环境较差时数据储存模块能够及时将已采集数据进行保管，避免因数据回传不及时影响大气监测数据的准确性；数据传输模块对实现大气环境实时监测具有十分重要的促进作用，可选用SIM800C GPRS无线传输芯片并利用AT指令实现JSON规格数据的远程传输，以此确保机载监测技术的有效应用。

（3）星载监测技术及应用。星载监测技术主要是指在卫星上搭载大气环境监测技术，有助于在短时间内对全球或是较大区域进行有效的大气环境监测，弥补了地基监测技术在空间维度方面的不足。星载监测技术在大气环境监测过程中能够具有较好的客观性，实施动态监测与预测，该技术具有更加广阔的应用发展前景。星载监测技术的原理主要为卫星利用不同物质在大气环境中的吸收特性，反向推演出不同物质在大气环境中的分布情况和浓度情况，以此判断不同区域大气污染具体情况。星载监测技术在覆盖范围、时效性、技术性、信息量等方面都有较为明显的优势特点，对大气污染立体监测技术的发展有着无法替代的重要作用[6]。当前，多个国家地区在星载监测技术应用方面正逐渐加大投入力度，不断深化星载监测技术的科学化和专业化程度，如我国自主研制的高分五号卫星，为保证大气环境监测技术有效应用，搭载了可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪共两台对地监测载荷仪器以及包含大气主要温室气体监测仪和大气痕量气体差分吸收光谱仪在内的4台大气探测载荷仪器，对CO2、NO2、SO2、O3等大气成分进行相应监测。另外，星载监测技术中的DOAS技术可进行痕量气体反向推演，该项技术主要利用的是大气和地面的后向散射光变化进行推演，一般可实现临边与天底两种监测模式。进行天底监测时DOAS技术系统的角度应正对着地球表面，美国NASA的EOS Aura卫星搭载的OMI、欧洲ESA开发的ERS-2卫星搭载的GOME以及METOP-A卫星搭载的GOME-2等都可实现天底监测，同时还可以实现临边监测，推演出具有较高分辨率的痕量气体垂直廓线。通过星载监测技术的不断发展和推广应用，使得大气环境监测更具有全面性和客观性，同时能够对大气污染进行有效预测，对我国进一步推进大气环境立体监测技术发展具有极其重要的现实意义。

（4）车载监测技术及应用。车载监测技术在时间、空间、季节等方面的限制明显优于其他搭载方式的监测技术，在突发情况的应急处置方面具有较强的优势特点，该项技术具有较为广阔的应用前景。车载监测技术系统主要有激光发射系统、接收系统、信号探测与收集系统及定位系统。激光发射系统将激光垂直射入大气之中，利用光的散射原理、透光率等，接收激光与大气产生物理反应之后的数据信息并收集到储存设备中。定位系统能够通过经纬度相关数据信息准确定位大气污染位置，同时传输至车载监测技术系统，进一步提升车载监测的准确性和有效性。车载监测技术系统一般搭载的有SOF-FTIR用来监测VOCs，DOAS监测SO2、NO2含量等。此外，还可以搭载空气质量监测系统，在移动过程中获取多种大气成分和气象参数并为环境质量治理改善提供数据支持。对车载监测技术应用进行分析，以DOAS监测技术为例。车载DOSA监测技术是利用对烟羽剖面实施扫面与测量（如图1所示），来获取通量（单位时间垂直通过单位面积的污染物的量）数据信息。

假设测量谱积分时间为∆t，设备移动距离为∆x，烟羽受到风的作用移动距离为y∆，此时的测量采样点气体VCD反映如图一中立方体烟羽平均柱密度所示，平均柱密度单位为μg/m2。设烟羽风向与行车方向BCGF成α角度，则∆t内垂直通过面BCGF的污染物的量可以写作式中表示风向垂直于运动方向的分量写作通过计算与点源的验证可得相应通量。在车载监测技术实际应用中需要与地基监测技术开展有效配合，同时需要在应用车载监测技术前对行动路线进行合理选定，以此保证数据信息获取的有效性和真实性，为大气污染立体监测技术发展贡献应有的作用与价值。

5.大气污染立体监测技术应用趋势及科研工作方向分析

通过对地基监测技术、机载监测技术、星载监测技术、车载监测技术以及船载监测技术的分析探究并结合应用方向对相关参数信息如何获取进行简要概述，由以上分析不难看出，大气污染立体监测技术具有较为广阔的发展前景，同时应用范围和应用人群也呈现出多元化的发展趋势，这对于我国大气环境立体监测技术的高质量发展具有较为重要的影响作用和现实意义。现阶段，在大智移云物各项科学技术的不断发展下，大气环境立体监测技术的发展应积极与相关科学技术进行结合发展，利用不同技术的优势特点，以补足立体监测技术中的不足之处，为更好更科学的建设集地面、空中、大气层以及移动端于一体的立体监测技术提供更多的可能性，以此促进我国大气污染立体监测技术的可持续发展，从而促使大气污染立体监测技术在未来会呈现出更加智能化、体系化的发展趋势。

为提升大气污染立体监测技术的准确性和科学性，我国该技术下一步的科研工作方向应为多技术的融合发展，借助当前不断发展的大数据技术、物联网技术以及人工智能技术等，在监测技术的使用范围和使用方式方面可进行充分拓展，解决以往无法达到区域的大气污染监测，在保证监测数据准确有效的基础上，同时可降低人力成本，以此促进大气污染监测技术的全面化发展。

6.结束语

综上所述，大气污染立体监测技术是一项将天地海空一体监测技术融为一体的综合性科学技术，从多角度、多维度、多方面对大气环境及污染情况进行有效监测，通过不同监测技术之间的有效协调和共同促进，使得立体监测技术在大气环境检测方面能够越来越精确有效，对提升我国大气污染治理水平和生态环境保护质量具有重要的现实影响。在具体监测技术应用的过程中须注重与实际情况的有机结合，以此保证立体监测技术能够发挥出应有的作用和优势。