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无人机监测污染土壤Drone surveying of polluted soil

大多数人都熟悉航拍,它是由拥有四至五个直升机型螺旋桨构成的小型无人机完成的。即使是这些小型无人机,也可以帮助经验丰富的土壤学家来通过颜色辨别土壤问题。但是,真正的科学始于运用近红外光谱带摄像器械,记录下不同的化学元素形成的各种信号。其次,真正的科学也不是有趣的低空飞行,而是采用固定翼飞机(而不是一个旋转的垂直飞行悬浮器)。科学监测的第三个特点是飞行路径为设定好的平行线,如同耕作时的模式,可以覆盖所有地区。编程控制一直持续到飞机返回办公室,然后使用全球定位系统(GPS),将整个条形影像整合成所监测土地的一幅综合图片。固定翼无人机最好采用小型轨道系统起飞。

这项技术是最近兴起的新技术,需要有经验的操作者操控。固定翼飞机的初始成本和编程软件约为一万两千元人民币。在承包方提供有效廉价的服务之前,还需要进行成百小时的试验和训练。操作者需要执照以确保飞行安全并符合有关规定。采用固定翼飞行的原因很简单,因为空气流过固定空气动力学形状机翼时的速度能轻易地升高飞机,而这需要垂直升降螺旋桨用力飞行和盘旋才能达到。固定翼飞机可以快速地直线飞行,并能够承载更重的感应设备,具备更长的续航能力。飞行路径也更容易设定。

中国在农村地区经历了工业生产和制造的放开,导致了农业土壤的工业污染。在最坏的几种情景下,一个电池回收棚可能会通过蒸汽或者液体废弃物向邻近的农场土壤泄露铅。这些污染可能在回收站点附近并且显而易见。但是通过长期淋洗,污染物会以一种奇怪的方式渗透到很远的地方。如果怀疑某个农场有污染,无人机将参与监测,并将污染地点和污染程度展现出来。几个地点的“地面实况”需要将整个地面看到的整体情况与污染地区用仪器人工测量的结果相结合方能显现出来。

这种方法在解决问题时存在一个重大区分。一方面,是不是要监测裸露的土壤来观察污染物的着色;另一方面,是不是要设置仪器来监测植被,通过植被的健康状况来反应土壤污染程度。现实中,决策权往往在监测者手中–要么是选择裸露的土壤,要么是已经覆盖草或作物的土壤。

确定某些污染物的技术演变最初是由飞机或卫星在高空携带的设备,这些设备通常重达20至100公斤。无人机翼展为1.5米的携带极限为3公斤左右。原始仪器重量较重的原因是:即使是一个“容易”的元素,如镉,也需要相机同时接收3个不显眼的波长。这样的3个读数转化为一个三维的“标识”,才能正确地读取为镉、砷,或其他元素。

目前,世界领先的技术是全球都在使用的HyMap,它是由澳大利亚政府联邦科学工业研究组织(CSIRO)发明的。它是一个圆筒形的,重25公斤的设备,通常由轻型飞机携带。世界各地的科学家们都致力于基本技术的小型化。到目前为止,无人机携带仪器能力有限,只能感应有限的红外带宽标识。

急切的需求驱动了这一新技术的发展。即使在城市土地发展中,进行这样的监测也能够发现路人看不到的土壤污染问题。在农场,农民通常能够知道污染的存在,但不清楚污染程度。无人机监控可以发现逻辑图并提供解决方案。中国亟需这些解决方案,也同样需要创造新技术来管理和解决土壤污染问题。