霧霾天到底“有多臟”?化工園區(qū)上空有沒(méi)有異常排放?森林火災(zāi)煙 plume 如何擴(kuò)散?傳統(tǒng)固定監(jiān)測(cè)站給出的只是“某個(gè)點(diǎn)”的數(shù)據(jù)，真正的大氣變化，卻是在三維空間里流動(dòng)。那么問(wèn)題來(lái)了：有沒(méi)有辦法把儀器“送上天”，在不同高度、不同位置，把空氣情況摸清楚?
這時(shí)候，無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)儀器就登場(chǎng)了——一臺(tái)可以飛的檢測(cè)平臺(tái)，把傳感器掛到空中去測(cè)。它到底是怎么工作的?能測(cè)什么?適合哪些單位使用?值不值得投入?下面就從幾個(gè)關(guān)鍵維度，把這套“空中大氣實(shí)驗(yàn)室”拆開(kāi)來(lái)說(shuō)。
一、為什么大氣檢測(cè)要“飛”起來(lái)?
1.1 地面監(jiān)測(cè)站的局限在哪里?
地面監(jiān)測(cè)站的優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定、連續(xù)，但也有明顯短板：
空間覆蓋有限：只能代表站點(diǎn)周邊環(huán)境，難以反映某個(gè)污染團(tuán)在上空的分布。
高度信息缺失：對(duì)近地層以上幾十米、幾百米的大氣狀況幾乎“看不見(jiàn)”。
布點(diǎn)成本高：每多建一個(gè)站，土建、設(shè)備、維護(hù)都是一筆不小的費(fèi)用。
在城區(qū)、化工園區(qū)、港口、礦區(qū)等復(fù)雜區(qū)域，只靠幾座固定站，難以看清細(xì)節(jié)變化。
1.2 無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)的意義
讓檢測(cè)儀器搭載在無(wú)人機(jī)上，帶來(lái)的變化非常直接：
可以沿著河道、道路、廠界等路線飛行，走“巡查路線”;
可以在不同高度分層采樣，獲得“垂直剖面”;
遇到突發(fā)事件(泄漏、燃燒、爆炸)，可以迅速起飛偵測(cè)，減少人員風(fēng)險(xiǎn)。
簡(jiǎn)單一句話：無(wú)人機(jī)讓大氣監(jiān)測(cè)從“平面”變成“立體”，從“被動(dòng)等待”變成“主動(dòng)追蹤”。
二、無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)儀器由哪些部分組成?
不要把它想得太復(fù)雜，本質(zhì)上是“無(wú)人機(jī)平臺(tái) + 一整套檢測(cè)、采樣和數(shù)據(jù)系統(tǒng)”。
2.1 飛行平臺(tái)：承載一切的基礎(chǔ)
不同任務(wù)，對(duì)無(wú)人機(jī)的要求不一樣，常見(jiàn)幾類(lèi)：
多旋翼無(wú)人機(jī)
起降方便、懸停能力強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活，適合城市、園區(qū)、小范圍精細(xì)巡檢。
固定翼無(wú)人機(jī)
續(xù)航長(zhǎng)、航程遠(yuǎn)，適合大范圍走航監(jiān)測(cè)、邊境和大面積農(nóng)田上空的大氣調(diào)查。
垂直起降復(fù)合翼
兼顧固定翼續(xù)航和多旋翼起降優(yōu)勢(shì)，在復(fù)雜地形、缺乏跑道的區(qū)域很實(shí)用。
選什么機(jī)型，取決于：載重、續(xù)航、作業(yè)半徑、飛行空域這些條件。
2.2 氣體與顆粒物傳感器模塊
無(wú)人機(jī)之所以能“感知”大氣質(zhì)量，靠的就是掛在機(jī)身上的各類(lèi)傳感器，常見(jiàn)包括：
氣態(tài)污染物傳感器
SO?、NO/NO?、O?、CO 等常規(guī)污染物
VOCs(揮發(fā)性有機(jī)物)
某些特定有毒有害氣體(如氨氣、硫化氫等，視任務(wù)而定)
顆粒物監(jiān)測(cè)模塊
檢測(cè) PM2.5、PM10，甚至更細(xì)顆粒物，通過(guò)光散射或更高級(jí)的測(cè)量方式得到質(zhì)量濃度或數(shù)目濃度。
氣象五參數(shù)傳感器
溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向，這些數(shù)據(jù)對(duì)理解污染物擴(kuò)散路徑非常關(guān)鍵。
有的系統(tǒng)會(huì)將這些模塊做成一體化“艙”，減輕體積和重量，方便在不同平臺(tái)之間快速拆裝。
2.3 采樣系統(tǒng)與控制單元
只是把傳感器綁上去還不夠，采樣方式也很重要：
擴(kuò)散式采樣：依靠空氣自然流入傳感器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低，適合濃度較高、對(duì)響應(yīng)速度要求一般的任務(wù)。
泵吸式采樣：通過(guò)小型泵主動(dòng)抽氣，利于獲得更穩(wěn)定的樣氣流量，并可連接管路采集特定位置的空氣。
控制單元?jiǎng)t負(fù)責(zé)：
統(tǒng)一管理多路傳感器的數(shù)據(jù);
記錄時(shí)間戳、GPS 坐標(biāo)和高度;
根據(jù)預(yù)設(shè)策略調(diào)整采樣頻率;
與無(wú)人機(jī)飛控、數(shù)據(jù)鏈配合工作。
2.4 通信與數(shù)據(jù)鏈路
飛在空中的數(shù)據(jù)如何“落到你手里”?通常有幾種方式：
實(shí)時(shí)回傳：通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)鏈把濃度、位置等信息傳輸?shù)降孛嬲荆咃w邊看。
任務(wù)后回放：飛行過(guò)程中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在機(jī)載存儲(chǔ)設(shè)備上，任務(wù)結(jié)束后導(dǎo)出分析。
雙重保險(xiǎn)：實(shí)時(shí)回傳 + 本地存儲(chǔ)，避免鏈路中斷導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。
對(duì)于突發(fā)應(yīng)急、現(xiàn)場(chǎng)判斷類(lèi)任務(wù)，實(shí)時(shí)回傳非常關(guān)鍵。
2.5 地面軟件與分析平臺(tái)
最后一步，是把“原始數(shù)字”變成能看懂的圖和結(jié)論。軟件平臺(tái)一般會(huì)提供：
飛行軌跡疊加濃度的地圖顯示;
實(shí)時(shí)曲線圖，查看某一污染物的變化趨勢(shì);
航線規(guī)劃、任務(wù)管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能;
某些高階系統(tǒng)還支持三維可視化和溯源分析。
三、無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)主要測(cè)什么、用在哪些地方?
3.1 典型監(jiān)測(cè)指標(biāo)
根據(jù)使用單位的需求不同，常見(jiàn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：
環(huán)境空氣質(zhì)量相關(guān)指標(biāo)：PM2.5、PM10、O?、NO?、SO?、CO
工業(yè)與園區(qū)監(jiān)測(cè)指標(biāo)：VOCs、特定有毒氣體(如氯氣、氨氣等)
背景大氣和科研類(lèi)指標(biāo)：黑碳、超細(xì)顆粒物、溫濕度廓線、邊界層特征等
指標(biāo)可以自由組合，構(gòu)成針對(duì)性強(qiáng)的“任務(wù)包”。
3.2 城市與園區(qū)空氣質(zhì)量精細(xì)化監(jiān)測(cè)
助力查找局部污染熱點(diǎn);
沿道路、廠界、河道飛行，輔助分析排放源影響范圍;
搭配地面監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)“站點(diǎn) + 走航 + 高度剖面”的立體網(wǎng)。
對(duì)環(huán)保部門(mén)、市政部門(mén)來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)是提升監(jiān)管精細(xì)化程度的一把利器。
3.3 工業(yè)園區(qū)、化工廠安全巡檢
沿管廊、儲(chǔ)罐區(qū)飛行，檢查是否存在異常泄漏;
對(duì)事故發(fā)生后的有害氣體云團(tuán)進(jìn)行邊界探查;
與視頻、熱成像結(jié)合，提高安全防護(hù)等級(jí)。
相比讓人員穿防護(hù)服靠近危險(xiǎn)區(qū)域，無(wú)人機(jī)明顯更安全、更靈活。
3.4 應(yīng)急事故與火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)大氣評(píng)估
火災(zāi)、爆炸、化學(xué)品泄漏發(fā)生時(shí)：
無(wú)人機(jī)可以快速接近煙羽上方或下風(fēng)向通道;
評(píng)估污染擴(kuò)散方向和影響范圍;
為人員疏散、警戒區(qū)域劃定提供參考。
在這種場(chǎng)景下，時(shí)間和安全性的重要性不言而喻。
3.5 農(nóng)業(yè)、林業(yè)與特殊場(chǎng)景
評(píng)估秸稈焚燒、農(nóng)藥噴灑對(duì)周邊大氣的影響;
森林火災(zāi)煙 plume 的擴(kuò)散路徑分析;
高海拔、山區(qū)、海島等傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)難以覆蓋的區(qū)域。
科研團(tuán)隊(duì)也經(jīng)常利用無(wú)人機(jī)平臺(tái)做短期觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。
四、無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)儀器的優(yōu)勢(shì)在哪里?
4.1 高度與空間自由度大
無(wú)人機(jī)可以：
在幾十米到幾百米高度靈活穿梭;
沿任意路線飛行，不受地形和道路限制;
在某一點(diǎn)懸停，做定點(diǎn)剖面觀測(cè)。
這種自由度，是固定監(jiān)測(cè)站永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
4.2 安全性高，替代人工進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域
有毒有害、易燃易爆的環(huán)境，對(duì)人員都是高風(fēng)險(xiǎn)的。無(wú)人機(jī)可以：
代替人員靠近事故源;
在高溫、濃煙、缺氧環(huán)境中完成檢測(cè);
遠(yuǎn)程操控，保障作業(yè)人員安全。
對(duì)應(yīng)急救援、?；沸袠I(yè)來(lái)說(shuō)，這一條尤為關(guān)鍵。
4.3 時(shí)空分辨率高，數(shù)據(jù)更“細(xì)膩”
無(wú)人機(jī)可以按秒級(jí)、甚至更高頻率記錄數(shù)據(jù)，同時(shí)具備精確的時(shí)間和位置標(biāo)記，意味著：
可以繪制出高分辨率的濃度云圖;
快速識(shí)別污染“熱點(diǎn)”和濃度梯度變化;
支撐更加精細(xì)的模型分析和溯源研究。
這遠(yuǎn)比一小時(shí)一條數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方式要“好用”。
4.4 成本與效率的平衡
與布建大量固定站相比，無(wú)人機(jī)方案：
前期投入集中在少數(shù)平臺(tái)和儀器上;
可以根據(jù)任務(wù)靈活調(diào)配，不使用時(shí)幾乎沒(méi)有額外成本;
適合“需要時(shí)就上、不需要時(shí)?！钡墓ぷ髂Ｊ?。
對(duì)很多單位而言，這是兼顧性能和預(yù)算的折中選擇。
五、如何選擇適合自己的無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)系統(tǒng)?
5.1 明確任務(wù)場(chǎng)景
先把需求說(shuō)清楚，比看參數(shù)重要得多。比如：
是長(zhǎng)期例行監(jiān)測(cè)，還是臨時(shí)應(yīng)急為主?
主要是在城市、園區(qū)，還是在山地、海上等復(fù)雜地形?
對(duì)精度、響應(yīng)時(shí)間、數(shù)據(jù)可視化的要求有多高?
場(chǎng)景不一樣，平臺(tái)與傳感器的組合完全不同。
5.2 核心關(guān)注點(diǎn)：平臺(tái) + 儀器 + 軟件
平臺(tái)
載荷能力：能不能穩(wěn)妥帶起你需要的所有傳感器?
續(xù)航時(shí)間：一次起飛能完成多少觀測(cè)任務(wù)?
抗風(fēng)能力：在常見(jiàn)風(fēng)力條件下能否安全飛行?
檢測(cè)儀器
測(cè)量范圍、分辨率、精度;
響應(yīng)時(shí)間，是否適合走航監(jiān)測(cè);
校準(zhǔn)方式、維護(hù)成本。
軟件與系統(tǒng)集成
是不是支持?jǐn)?shù)據(jù)與飛行軌跡同步顯示?
能否方便導(dǎo)出報(bào)表和原始數(shù)據(jù)?
是否可以和現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或平臺(tái)對(duì)接?
5.3 合規(guī)與培訓(xùn)也不能忽視
了解相關(guān)空域管理和民航、公安等部門(mén)的管理要求;
針對(duì)飛手和數(shù)據(jù)分析人員進(jìn)行培訓(xùn);
建立規(guī)范的作業(yè)流程和安全管理制度。
這樣才能讓系統(tǒng)真正“落地”，而不是停留在展示階段。
六、使用與維護(hù)中的一些關(guān)鍵點(diǎn)
6.1 規(guī)范的作業(yè)流程
一套比較穩(wěn)妥的流程大致包括：
任務(wù)設(shè)計(jì)：確定目標(biāo)、路線、高度、采樣頻率。
飛前檢查：檢查電池、電機(jī)、螺旋槳、傳感器狀態(tài)與儲(chǔ)存空間。
現(xiàn)場(chǎng)勘察：確認(rèn)起降點(diǎn)、周邊障礙物、禁飛區(qū)域。
執(zhí)行飛行：嚴(yán)格按計(jì)劃執(zhí)行，注意天氣變化。
數(shù)據(jù)處理：飛行結(jié)束后及時(shí)備份數(shù)據(jù)，進(jìn)行清洗、分析。
結(jié)果輸出與歸檔：生成圖表和報(bào)告，做好記錄備份。
6.2 儀器維護(hù)與校準(zhǔn)
定期用標(biāo)準(zhǔn)氣體或參考設(shè)備對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn);
注意防水、防塵、防震，避免在雨雪、沙塵環(huán)境下無(wú)保護(hù)飛行;
對(duì)電池、數(shù)據(jù)線、接插件等易損件定期檢查和更換。
維護(hù)做得好，檢測(cè)結(jié)果才有說(shuō)服力。
七、未來(lái)趨勢(shì)：從“單機(jī)作業(yè)”走向“智能協(xié)同”
無(wú)人機(jī)大氣檢測(cè)儀器還在快速演進(jìn)，幾個(gè)明顯的方向是：
傳感器更小更精：在不增加重量的情況下，增加更多檢測(cè)項(xiàng)目，提高精度。
多平臺(tái)協(xié)同作業(yè)：多架無(wú)人機(jī)協(xié)同飛行，形成更大范圍、更高密度的觀測(cè)網(wǎng)。
與物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)深度融合：數(shù)據(jù)自動(dòng)上云，實(shí)時(shí)分析、自動(dòng)預(yù)警、與其他監(jiān)測(cè)手段聯(lián)動(dòng)。
人工智能輔助分析：通過(guò)算法識(shí)別異常模式，輔助判斷污染源與擴(kuò)散趨勢(shì)。
未來(lái)的某個(gè)時(shí)刻，大氣監(jiān)測(cè)有可能演變成：地面站 + 高空無(wú)人機(jī) + 衛(wèi)星協(xié)同工作，真正構(gòu)建起立體精細(xì)的大氣環(huán)境“監(jiān)控網(wǎng)”。
