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【應(yīng)用】基于無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）的甲烷排放測量

發(fā)布人：rxzhang 來源： 發(fā)布時(shí)間：2024-05-06 23:04:25


   概述  
甲烷作為一種強(qiáng)效溫室氣體，在氣候變化中扮演著重要角色。準(zhǔn)確測量甲烷排放對于了解和減緩其環(huán)境影響至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法通常缺乏精確性，并且在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集方面存在困難，因此需要創(chuàng)新解決方案。近日，Jonathan F. Dooley等科學(xué)家團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種高靈敏度無人機(jī)系統(tǒng)，無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）與先進(jìn)傳感器（Aeris傳感器）的集成提供了一種有望徹底改變甲烷排放測量的方法， 通過分析C2H6/CH4比值，研究人員成功區(qū)分了生物源和熱源甲烷排放，并能夠?qū)Σ煌瑏碓吹募淄榕欧胚M(jìn)行精確量化。  

該系統(tǒng)已用于直接量化點(diǎn)源排放，以及像垃圾填埋場這樣的分布式排放源，其測量能力覆蓋排放速率0.04kg/h~1500kg/h（最低檢測限約0.007kg/h），排放速率量化下限超過衛(wèi)星和飛機(jī)CH4監(jiān)測系統(tǒng)，有助于減小和彌合基于地面和自上而下的測量系統(tǒng)之間的測量差距。通過CH4和C2H6混合比、矢量風(fēng)速和位置數(shù)據(jù)的同時(shí)測量使得源分類（生物源與熱源）、區(qū)分和排放速率無需對風(fēng)、垂直混合或其他環(huán)境條件進(jìn)行建?；蛳闰?yàn)假設(shè)。該UAS已在美國西南部部署用于系統(tǒng)驗(yàn)證和有針對性地量化各種低于其他飛機(jī)和衛(wèi)星系統(tǒng)檢測限的源頭。該系統(tǒng)提供了一種直接、可重復(fù)的方法，用于水平和垂直剖面排放羽流，提供了對于區(qū)域空中調(diào)查以及本地地面監(jiān)測提供互補(bǔ)信息的尺度。該工作于2024年3月19日發(fā)表于EGUSphere上（https://doi.org/10.5194/egusphere-2024-760）。


  方法    
該研究利用了配備快速（1 Hz）又靈敏（CH4：1ppb；C2H6：0.5ppb）的Aeris MIRA傳感器的集成無人機(jī)系統(tǒng)。Aeris MIRA傳感器以其高靈敏度和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集能力而聞名，可以精確測量甲烷濃度。傳感器利用3.3μm CH4吸收帶的強(qiáng)吸收能力，其CH4靈敏度為0.84ppb/s，而對乙烷（C2H6）的靈敏度小于0.5ppb/s。無人機(jī)系統(tǒng)被策略性地操控，圍繞著目標(biāo)源（如油氣井、廢棄井、污水處理廠和垃圾填埋場）展開多次飛行，以捕獲全面的數(shù)據(jù)。該工作綜合評估了相對風(fēng)速調(diào)整、背景混合比估算、飛行模式選擇和直接通量量化等，確保測量精度最優(yōu)。

無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）設(shè)計(jì)概述。（左）系統(tǒng)框圖：（A）Trisonica Mini氣象傳感器（TWS），（B）雙開口采樣器進(jìn)氣口，（C）Matrice 600 Pro無人機(jī)（M600P UAV），（D）Raspberry Pi 4機(jī)載計(jì)算機(jī)，以及（E）Aeris MIRA Pico傳感器。TWS和采樣器進(jìn)氣口（A和B）安裝在M600P旋翼之上85cm高的碳纖維管桅桿上
高斯羽流模擬飛行：（頂部）排放源直下風(fēng)處X米處的羽流橫截面，模擬的橫截線顯示為虛線。(中部) 在恒定水平橫截線速度Vs下的模擬橫截面重采樣。(底部) 中心線水平位置的隨機(jī)變化，模擬變化的風(fēng)條件和時(shí)間上分離的羽流橫截面


 結(jié)果  
Aeris MIRA傳感器與無人機(jī)系統(tǒng)的集成產(chǎn)生了顯著結(jié)果。傳感器的高靈敏度使其能夠檢測到低至20 ppb的CH4增強(qiáng)和2ppb的C2H6增強(qiáng)，超過了傳統(tǒng)監(jiān)測方法的測量能力。

從東側(cè)（左下角）、南側(cè)（右下角）和從上方（右上角）觀察的羽流橫截線飛行模式
兩次下風(fēng)處天然氣點(diǎn)源的試飛中CH4和C2H6基線估計(jì)殘差（ε0 = χ0 ? χbg）的分布。對于CH4和C2H6增強(qiáng)檢測，3σ置信區(qū)間（99.7%）約為20 ppb和2 ppb


無人機(jī)通過量化從每小時(shí)0.040千克（kg/h）到排放達(dá)到1500 kg/h的受控釋放的廣泛范圍內(nèi)的排放量，展示了該系統(tǒng)的寬動態(tài)范圍。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集促進(jìn)了即時(shí)分析和決策制定，提高了排放量量化的效率。

2022年11月的8次獨(dú)立飛行中無人機(jī)計(jì)算的通量與相應(yīng)解盲計(jì)量排放的比較顯示出了非常高的一致性。左圖突出了UAS的寬動態(tài)范圍。右圖側(cè)重于大多數(shù)飛機(jī)量化方法檢測限度以下的排放率
新墨西哥州垃圾填埋場的示例飛行
新墨西哥州索科羅市污水處理的廠示例飛行
多個獨(dú)立場地的乙烷與甲烷增強(qiáng)比率，不同排放源都展示出了乙烷與甲烷增強(qiáng)比率的穩(wěn)定性
不同排放源估算甲烷通量的比較。無人機(jī)系統(tǒng)具有較大的動態(tài)范圍，能夠量化來自較小源（小于1千克/小時(shí)）的排放速率。水平虛線顯示了與本系統(tǒng)估算的下限（約0.007千克/小時(shí)）相對應(yīng)的衛(wèi)星和飛機(jī)量化方法的絕對最低檢測限


 Aeris MIRA傳感器的優(yōu)勢和應(yīng)用  
高靈敏度：Aeris MIRA傳感器卓越的靈敏度使其能夠檢測到微小的甲烷增強(qiáng)，這對于準(zhǔn)確量化甲烷排放甚至來自低強(qiáng)度源的排放至關(guān)重要。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集：傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的能力提供了即時(shí)反饋，允許現(xiàn)場調(diào)整和優(yōu)化測量策略。
寬動態(tài)范圍：從檢測微量甲烷濃度到測量大規(guī)模排放，Aeris MIRA傳感器展示了廣泛的動態(tài)范圍，適用于各種應(yīng)用場景。
精確性和準(zhǔn)確性：Aeris MIRA傳感器在甲烷測量方面的精確性和準(zhǔn)確性通過在復(fù)雜環(huán)境條件下持續(xù)可靠的數(shù)據(jù)得到了證實(shí)。
多功能性：Aeris MIRA傳感器的多功能性使其能夠集成到各種無人機(jī)平臺中，擴(kuò)展了其在不同行業(yè)和研究領(lǐng)域中的適用性。


結(jié)論  
Aeris MIRA傳感器與無人機(jī)技術(shù)的成功集成標(biāo)志著甲烷排放測量的重大進(jìn)展。該研究結(jié)果突顯了Aeris MIRA傳感器在靈敏度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和多功能性方面的優(yōu)勢，展示了其在徹底改變環(huán)境監(jiān)測工作中的潛力。通過進(jìn)一步的研究和開發(fā)，Aeris MIRA傳感器有望被廣泛應(yīng)用于氣候變化減緩策略中，為準(zhǔn)確高效的甲烷排放量化提供了強(qiáng)大工具。