大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

袁思宇

（江蘇省環(huán)科院環(huán)境科技有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210000）

較高的靈敏度、較為清晰的監(jiān)測圖像以及較好的監(jiān)測環(huán)境適應(yīng)性是大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用特點，也是此類技術(shù)的基本應(yīng)用要求。技術(shù)人員在應(yīng)用此類技術(shù)時，須注意分析不同類型監(jiān)測技術(shù)的技術(shù)應(yīng)用平臺的特點，包括地基技術(shù)應(yīng)用平臺、車載技術(shù)應(yīng)用平臺以及機載技術(shù)應(yīng)用平臺等。針對大氣環(huán)境中的各類成分，技術(shù)人員也應(yīng)注意分析不同成分的監(jiān)測指標，確保監(jiān)測工作的準確性和有效性。另外，由于大氣環(huán)境具有動態(tài)變化的特點，同一區(qū)域的立體監(jiān)測過程可能需要在時間和空間上進行一定的適應(yīng)性變化，工作人員應(yīng)注意靈活選用具體的大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)，或者聯(lián)合使用多種監(jiān)測技術(shù)，進而提高大氣環(huán)境立體監(jiān)測工作的整體質(zhì)量。

1 大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用趨勢分析

從大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用趨勢角度分析，在線類型監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用需求呈爆發(fā)式增長，并且在信息技術(shù)的支持下，技術(shù)人員可使用非接觸式的監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測大氣環(huán)境的整體質(zhì)量，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至智慧化大數(shù)據(jù)平臺，其監(jiān)測的準確性、實時性、有效性顯著高于傳統(tǒng)的手工監(jiān)測。另外，近些年，遠程遙感類型的大氣監(jiān)測技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，雖然此種技術(shù)的應(yīng)用與其他類型的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用的融合過程還不夠成熟，但已經(jīng)能在一定程度上提高大氣環(huán)境立體監(jiān)測工作的質(zhì)量和效率，并促使大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)朝著智能化、體系化以及主動化的方向發(fā)展[1]。

2 大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

2.1 色譜監(jiān)測技術(shù)

色譜監(jiān)測技術(shù)是常見的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)。在對大氣有機污染物質(zhì)的監(jiān)測中，一般采用氣相色譜和質(zhì)譜監(jiān)測聯(lián)用技術(shù)，此項技術(shù)有較高的監(jiān)測準確度、靈敏度和響應(yīng)度，且對監(jiān)測設(shè)備的使用環(huán)境有較高要求，實際的技術(shù)應(yīng)用成本也相對較高。氣相色譜的流動相是氣體，其中涉及氣—固體色譜、氣—液體色譜。作為流動相的氣體在色譜柱中流動時不會產(chǎn)生較大的阻力，其擴散系數(shù)也相對較大，在組分兩相之間能夠?qū)崿F(xiàn)物質(zhì)的快速傳遞，使得分離更加快速、高效。在實際監(jiān)測中，色譜設(shè)備嚴格記錄色譜柱的流出時間，并繪制相應(yīng)的色譜監(jiān)測圖像，并在圖中明確標示出峰值時間以及相應(yīng)的順序信息。在應(yīng)用此類技術(shù)時，技術(shù)人員需要對此類技術(shù)的應(yīng)用原理進行詳細地了解，明確此類監(jiān)測技術(shù)的使用環(huán)境、應(yīng)用范圍和注意事項。

2.2 電化學(xué)監(jiān)測技術(shù)

電化學(xué)傳感器可應(yīng)用于監(jiān)測各種各樣的有毒性氣體，并顯示出了良好的敏感性與選擇性。電化學(xué)傳感器的工作原理是其與通過傳感器的被測氣體反應(yīng)并產(chǎn)生與濃度成正比的電信號。氣體首先通過微小的毛管型開孔與傳感器發(fā)生反應(yīng)，然后通過疏水屏障層，達到電極的表面。當氣體達到電極表面時，氣體與傳感器就會發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電信號。通過電極之間的電阻，與被測濃度成正比的電流會在正極與負極之間流動，通過測量電流的大小就可以確定氣體的濃度。但此類技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)較為復(fù)雜。技術(shù)人員需要在單片機中設(shè)置有效的主控指令，并引導(dǎo)其串聯(lián)傳感模塊、通信模塊以及執(zhí)行模塊，方可現(xiàn)實有效的監(jiān)測工作。另外，這種技術(shù)在實際運用中容易受到監(jiān)測環(huán)境的影響，其中，環(huán)境溫度、濕度、大氣中顆粒物濃度等對其應(yīng)用效果影響較大[2]。

2.3 污染氣體光學(xué)法監(jiān)測技術(shù)

光學(xué)監(jiān)測技術(shù)具有更廣泛的應(yīng)用范圍，并且此種大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)具有較好的技術(shù)應(yīng)用擴展性。在污染氣體監(jiān)測方法上，一般分為主動的傅里葉紅外光譜法（FTIR ）、差分光學(xué)吸收光譜法（DOAS）和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法（TDLAS）等，在應(yīng)用此種類型的污染氣體監(jiān)測技術(shù)時，技術(shù)人員需要確定實際的監(jiān)測環(huán)境目標，從氣體特征、光吸收程度等方面考察污染氣體的監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用要求。其中，F(xiàn)TIR技術(shù)利用邁克爾遜干涉儀使樣品路和參考路的光產(chǎn)生干涉，并通過傅立葉變換將干涉圖轉(zhuǎn)換為紅外光譜圖，從而得到氣體成分的光譜信息。DOAS是在紫外和可見波段對氣體分子的特征吸收進行監(jiān)測分析的技術(shù)。DOAS將經(jīng)過氣體吸收后的光學(xué)厚度變化分為隨波長的快速變化部分（即所謂的“高頻成分”）和隨波長的緩慢變化部分（即“低頻成分”）。TDLAS技術(shù)是根據(jù)Lambert-Beer定律和波長隨注入電流和溫度改變的特性，實現(xiàn)對分子吸收譜線的測量，然后通過對氣體吸收后的光進行光譜分析，可以準確得出被測各項氣體的指標參數(shù)[3]。

2.4 顆粒物立體監(jiān)測技術(shù)

對大氣環(huán)境中顆粒物的立體監(jiān)測較多使用激光雷達技術(shù)，借助激光雷達的高密度探測射線，可對區(qū)域內(nèi)的大氣環(huán)境進行立體高頻的質(zhì)量監(jiān)測。此種技術(shù)具有高時空分辨率的特點，并且具有較高的探測高度，可在同一時間傳輸較多的監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有較好的監(jiān)測數(shù)據(jù)同步效率。更為關(guān)鍵的是，此種顆粒物監(jiān)測技術(shù)的實際監(jiān)測精度相對較高，并且不容易受到其他環(huán)境因素的影響，在激光大氣傳輸、全球氣候監(jiān)測以及氣溶膠氣候監(jiān)測等方面應(yīng)用廣泛。在應(yīng)用此類監(jiān)測技術(shù)時，技術(shù)人員首先應(yīng)選擇合適的激光雷達儀器設(shè)備，主要考慮的選擇因素包括實際的監(jiān)測功率、可持續(xù)高精度監(jiān)測的周期以及硬件設(shè)備的布置需求和算法的處理精度等；其次，技術(shù)人員也應(yīng)對常見的顆粒物的結(jié)構(gòu)特點進行了解。一般而言，常見顆粒物的直徑較小，但顆粒物之間的變化范圍較大（一般為0.3～20 μm），在這種較高范圍的監(jiān)測過程中，技術(shù)應(yīng)用過程也具有了一定的動態(tài)應(yīng)用特點。

2.5 機載遙感監(jiān)測技術(shù)

大氣污染機載遙感技術(shù)是近些年的熱點，在應(yīng)用此類機載遙感技術(shù)時，技術(shù)人員首先要選擇合適的機載平臺，常見的機載平臺包括飛艇、飛機、氣球和無人機等。其中，無人機的機動性更好，實際操控性能也更強，并且類如大疆工程用機的續(xù)航時間也相對較長，可滿足周期性的機載遙感監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用要求。此間，技術(shù)人員需要明確機載遙感技術(shù)的應(yīng)用目的，如果想要對大氣系統(tǒng)進行立體監(jiān)測，則需要選擇具有動態(tài)分析監(jiān)測功能的機載系統(tǒng)，實際的機載系統(tǒng)應(yīng)用形式應(yīng)符合具體的監(jiān)測應(yīng)用要求，包括較短的操作滯后性以及高速的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?；其次，如果在?yīng)用此種機載遙感監(jiān)測技術(shù)時，實際的監(jiān)測高度變化較為明顯，則在選擇具體的機載遙感監(jiān)測設(shè)備時，技術(shù)人員應(yīng)確保系統(tǒng)中包含自適應(yīng)的高度監(jiān)測模塊，這樣在出現(xiàn)監(jiān)測高度變化時，系統(tǒng)可自行修正監(jiān)測參數(shù)，進而降低手動操作的誤差。

2.6 星載遙感監(jiān)測技術(shù)

星載遙感技術(shù)的應(yīng)用平臺為人造衛(wèi)星，其實際的大氣環(huán)境監(jiān)測范圍較廣，可覆蓋地球的大部分區(qū)域，并可根據(jù)實際的大氣環(huán)境監(jiān)測需求，靈活變化具體的技術(shù)應(yīng)用指標。技術(shù)人員在選用此類星載遙感監(jiān)測技術(shù)時，應(yīng)從技術(shù)應(yīng)用成本的角度對技術(shù)應(yīng)用的實際效能進行考察，雖然星載遙感監(jiān)測技術(shù)的監(jiān)測效率較高，并且可借助不同類型的光譜實現(xiàn)多光譜監(jiān)測，但是此類監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用過程需要多部門的密切配合，對技術(shù)人員的能力要求也相對較高。衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)相較于其他類型的大氣環(huán)境監(jiān)測技術(shù)，其可以更好地反映大氣層的平均狀況，并且可從整體上對大氣層的基本情況進行分析，在監(jiān)測污染平均分布情況以及技術(shù)指標制定等方面具有相對明顯的優(yōu)勢。在應(yīng)用此種星載遙感技術(shù)時，技術(shù)人員需要注意選擇合理的監(jiān)測視角，主要包括的視角選擇元素為視場角度（此角度現(xiàn)階段可以達到114°）。在選定視場角度之后，技術(shù)人員需要選擇具體的氣體監(jiān)測類型，常見的氣體監(jiān)測類型包括二氧化硫、二氧化氮、臭氧以及氧化溴等。以此為基礎(chǔ)，技術(shù)人員應(yīng)盡量選擇多通道類型的光譜儀器設(shè)備，避免出現(xiàn)光譜儀雜散光抑制之類的問題[4]。

3 結(jié)語

總之，大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用形式較多，實際的技術(shù)應(yīng)用效果存在差異，其不僅與技術(shù)應(yīng)用的內(nèi)在原理相關(guān)，也與實際的技術(shù)應(yīng)用環(huán)境相關(guān)。技術(shù)人員在選用此類大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)時，一定要明確技術(shù)應(yīng)用的實際需求，這樣方可提高技術(shù)應(yīng)用的整體適應(yīng)性，無論是地基遙感監(jiān)測技術(shù)，還是機載遙感監(jiān)測技術(shù)，或者是星載遙感監(jiān)測技術(shù)，都應(yīng)兼顧技術(shù)應(yīng)用的成本要求，這樣才可以充分利用技術(shù)條件，提高大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)的整體應(yīng)用效能。