基于无人机载高光谱断层扫描的全天候臭氧及其前体物污染监测系统

《Nature Communications》：Ozone pollution monitoring using a full-time hyperspectral tomography system for multiple air pollutants

本研究针对臭氧(O3)及其前体物缺乏全天候、高时空分辨率监测技术的难题，开发了大气污染物高光谱断层成像系统(AHCTIS)。该系统结合LED多波段光源与无人机(UAV)追踪技术，实现了对O3、甲醛(HCHO)和二氧化氮(NO2)的40米级空间分辨率监测，通过外场观测成功识别工业排放源，为精准溯源提供新方法。

　　

随着城市化进程加速，臭氧(O₃)污染已成为困扰全球大气环境的重要问题。这种由氮氧化物(NO_x)和挥发性有机化合物(VOCs)在光照条件下通过复杂化学反应生成的二次污染物，不仅对人体健康造成威胁，还会对农作物生产和生态系统平衡产生负面影响。然而，当前对臭氧及其前体物的监测仍面临技术瓶颈——传统监测手段如地面站点观测空间代表性有限，卫星遥感分辨率不足，而基于塔基或气球平台的观测则成本高昂且时效性差。尤其值得关注的是，夜间大气化学过程对次日空气质量具有重要影响，但现有技术难以实现全天候的高精度监测。

为突破这一技术壁垒，中国科学技术大学和中科院安徽光学精密机械研究所的联合团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果，研制出大气污染物高光谱断层成像系统(AHCTIS)。该系统创新性地将医学计算机断层扫描(CT)技术应用于大气环境监测，通过多波段LED光源与无人机(UAV)载角反射器阵列的协同工作，实现了对臭氧及其关键前体物（甲醛HCHO和二氧化氮NO₂）的全天时立体监测。

关键技术方法包括：1）采用多波长LED耦合技术替代传统氙灯/氘灯光源，通过光纤合束器实现310/325/340/365纳米波段优化组合；2）开发高精度视觉跟踪系统，通过二向色分光镜将跟踪光路与气体探测光路同轴校准，确保千米级距离下光路对准误差小于0.4米；3）基于高斯扩散模型的大气CT重建算法，通过最小二乘法反演污染物二维浓度场；4）结合移动DOAS（差分吸收光谱技术）走航观测进行空间分布验证。

研究结果方面，通过三个典型观测模式验证了系统性能：在快速矢量扫描模式下，系统成功识别出污水处理厂和垃圾焚烧厂的NO₂高浓度方位（平均浓度超36.0微克/立方米）；在污染源烟羽快速成像观测中，测得NO₂烟羽最高浓度达29微克/立方米，排放通量为27.1±16.4千克/小时；在水平CT成像观测中，系统以40米×40米的空间分辨率精准定位了热电厂出口处137.0微克/立方米的NO₂高值区。

特别值得注意的是，系统在2024年3月7日的全天候观测中揭示了臭氧及其前体物的昼夜变化规律。数据显示，热电厂区域夜间O₃、NO₂和HCHO浓度（峰值分别为99.0、146.2和29.5微克/立方米）显著高于白天（84.6、133.3和27.1微克/立方米），这种逆昼夜变化与夜间电力负荷增加导致的电厂运行强度提升密切相关。而化工厂周边污染物浓度昼夜变化相对平稳，表明不同污染源的排放特征存在显著差异。

通过与移动DOAS走航观测的对比验证，AHCTIS反演的O₃、NO₂和HCHO空间分布与实测结果具有高度一致性（决定系数分别为0.76、0.76和0.70）。在持续40小时的雨雾天气观测中，系统在能见度大于两倍观测距离（800米）条件下仍保持稳定运行，与固定站点监测结果的相关系数维持在0.773（NO₂）和0.748（O₃）以上。

研究团队还深入分析了系统的不确定性来源。实验表明，光源温度波动超过5℃会导致光谱峰值和形状变化，进而使反演误差增大一个数量级。通过采用闭环半导体制冷系统和负温度系数（NTC）电阻，将光源温度控制在25.0±0.1℃，有效降低了光谱反演的不确定性。此外，GPS轨迹验证显示光路定位误差主要分布在0.20米以下，相对千米级光程的误差比例小于0.1%。

在成本效益方面，AHCTIS（成本约3万欧元）相比TROPOMI卫星传感器（约2.4亿欧元）和车载质谱监测（约80万欧元）具有显著优势，填补了卫星与地面监测之间的尺度空白。虽然该系统在低能见度（小于观测距离）条件下适用性受限，但其在区域污染物分布检测和精准溯源方面的性能表现，为"美丽中国"和"减污降碳"战略提供了有力的科技支撑。

这项研究突破了传统大气监测技术的时空限制，首次实现了臭氧及其前体物的全天候高分辨率立体观测，为深入理解大气复合污染形成机制、精准识别污染来源提供了新的技术手段。该系统在环境监测、污染溯源和应急响应等领域具有广阔的应用前景，将推动大气环境监测技术向智能化、精准化方向发展。