基于旋翼無人機(jī)的北京城區(qū)PM2.5低空垂直分布研究

胡景鵬+莫菲+孫敏

摘 要：近年來，我國大氣污染中的PM2.5所占比例越來越高。在傳統(tǒng)的地面監(jiān)測中，所獲得的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在較大的差距，而無人機(jī)因?yàn)槠湫袆?dòng)的巨大優(yōu)勢，為PM2.5監(jiān)測提供了有力的支持。通過改裝的四旋翼無人機(jī)搭載PM2.5傳感器，選取冬春兩季各一天對(duì)北京城區(qū)PM2.5低空垂直分布進(jìn)行檢測并擬合了PM2.5質(zhì)量濃度垂直廓線方程。研究表明，冬春兩季PM2.5垂直分布隨高度增加呈對(duì)數(shù)遞減的規(guī)律，但結(jié)合EPA對(duì)于室內(nèi)室外PM2.5濃度關(guān)系的研究，在一般居民樓高度范圍內(nèi)，室內(nèi)PM2.5濃度與高度關(guān)系并不顯著。

關(guān)鍵詞：PM2.5 質(zhì)量濃度 垂直分布 低空 無人機(jī)

中圖分類號(hào)：X84 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0008-03

大氣細(xì)顆粒物尤其是PM2.5與人體健康密切相關(guān)，對(duì)空氣能見度和質(zhì)量都有較大影響。與較粗的大氣顆粒物相比，細(xì)顆粒物粒徑小，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時(shí)間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對(duì)人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

隨著人們對(duì)于空氣質(zhì)量的重視，針對(duì)PM2.5的研究越來越多，尤其是關(guān)于PM2.5分布的研究。此前關(guān)于PM2.5的研究大多局限于水平空間的分布，所測得的數(shù)據(jù)可能與現(xiàn)今的實(shí)際情況有較大差異。由于PM2.5的垂直分布與人們選擇居住樓層、購買空氣凈化器、開關(guān)門窗等行為息息相關(guān)，公眾對(duì)與此相關(guān)的研究成果和結(jié)論關(guān)注度較高。另一方面，此項(xiàng)研究對(duì)于污染企業(yè)的排污監(jiān)測和執(zhí)法取證，有著極為顯著的作用。所以，簡便可行的PM2.5垂直分布研究便顯得尤為重要。

該研究通過采用近年來得以推廣的新技術(shù)如四旋翼無人機(jī)、模塊化傳感器等設(shè)計(jì)并組裝了一套低成本、簡易可靠的PM2.5檢測設(shè)備，選取冬春兩季各一天對(duì)北京城區(qū) PM2.5低空垂直分布進(jìn)行檢測并擬合了PM2.5質(zhì)量濃度垂直廓線方程。

1 背景與方法

1.1 檢測地點(diǎn)

選取北京市朝陽區(qū)雙井地區(qū)的廣泉小區(qū)進(jìn)行研究，該小區(qū)位于東二環(huán)、東三環(huán)之間，周圍馬路來往的車輛及較為密集的居民樓對(duì)空氣質(zhì)量有一定影響，但附近沒有大型煙囪等顯著污染源，所以在該小區(qū)測得的PM2.5垂直分布數(shù)據(jù)對(duì)全北京的大部分居民區(qū)具有代表性。該研究在該小區(qū)的中心花園開展實(shí)驗(yàn)，由于居民樓的高度一般不超過80 m，而且高度過高會(huì)影響藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，所以采用帶有GPS的無人機(jī)分別在10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m等高度進(jìn)行了PM2.5濃度的檢測。

1.2 設(shè)備載機(jī)

該研究選用由大疆創(chuàng)新公司生產(chǎn)的Phantom2 Vision型四旋翼無人機(jī)搭載PM2.5檢測設(shè)備，該無人機(jī)控制簡單，續(xù)航時(shí)間長，遙控距離較遠(yuǎn)，能實(shí)現(xiàn)較為精確的懸停，有足夠空間搭載實(shí)驗(yàn)載荷，且內(nèi)置了GPS與指南針，能精確指示無人機(jī)所處的水平與垂直位置，因此適合作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備載機(jī)。

1.3 檢測設(shè)備

該研究采用北京云彤科技公司生產(chǎn)的YT01型傳感器，該傳感器采用激光散射原理，即令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度用探測器接收散射光，產(chǎn)生的光電流經(jīng)放大后，得到電信號(hào)與顆粒物的對(duì)應(yīng)曲線。微處理器采集數(shù)據(jù)后，經(jīng)過一系列算法得出單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物質(zhì)量，并以數(shù)字接口形式輸出。安裝在無人機(jī)上的傳感器將數(shù)據(jù)輸入藍(lán)牙串口模塊并發(fā)回地面的筆記本電腦，地面用于比對(duì)的PM2.5傳感器直接將數(shù)據(jù)輸入筆記本電腦，再通過串口程序換算成十六進(jìn)制數(shù)字并輸出。傳感器的垂直位置由無人機(jī)自帶的GPS模塊提供，時(shí)序信息為電腦串口程序自帶。

2 實(shí)驗(yàn)操作

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

該研究選取1月21日（冬季）和3月2日（春季）進(jìn)行研究，1月21日天氣狀況：氣溫-2 ℃～-9 ℃，陰天，東南風(fēng)3～4級(jí)，PM2.5本底值132.1 ?g/m3；3月2日天氣狀況：氣溫2 ℃～17 ℃，晴轉(zhuǎn)多云，東南風(fēng)3～4級(jí)，PM2.5本底值162 ?g/m3。兩日均無對(duì)實(shí)驗(yàn)有較大干擾的雨雪等天氣，風(fēng)速條件接近。時(shí)間均選擇在下午3～5點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)場所放飛無人機(jī)后，根據(jù)GPS將其指引至每一預(yù)定高度，操作無人機(jī)進(jìn)行懸停，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后讀數(shù)，將地面與空中兩臺(tái)傳感器讀數(shù)連同GPS高度與串口程序給出的時(shí)間錄入，一組數(shù)據(jù)錄入完成后解除懸停，操縱無人機(jī)飛入下一目標(biāo)高度并進(jìn)行相同實(shí)驗(yàn)操作，直至進(jìn)入最高目標(biāo)高度80 m完成實(shí)驗(yàn)。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

由于傳感器通過串口程序輸出的是16進(jìn)制碼，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析前，先根據(jù)數(shù)學(xué)公式將PM2.5數(shù)據(jù)換算成十進(jìn)制數(shù)據(jù)。后將同一時(shí)刻地面與空中PM2.5數(shù)據(jù)關(guān)系以百分?jǐn)?shù)形式記錄，并錄入Excel表格繪制成散點(diǎn)圖，以平滑曲線進(jìn)行擬合并輸出曲線函數(shù)表達(dá)式。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

PM2.5垂直廓線的建立與擬合如圖2、圖3所示。

4 結(jié)果與分析

通過數(shù)據(jù)的處理，可以確認(rèn)PM2.5質(zhì)量濃度隨高度增加而遞減，并呈對(duì)數(shù)關(guān)系。在無人機(jī)所能到達(dá)的高度范圍內(nèi)最大衰減幅度為22.9%。

5 討論與結(jié)論

5.1 對(duì)結(jié)果的討論

盡管通過實(shí)驗(yàn)得出了PM2.5質(zhì)量濃度隨高度遞減的結(jié)果，但是根據(jù)EPA的研究，室內(nèi)PM2.5濃度平均為室外的66%，而根據(jù)北京市環(huán)保局公布的數(shù)據(jù)，2015年北京PM2.5年平均值為80.6 ?g/m3，可以計(jì)算出，即使是在一般住宅的高層，室內(nèi)PM2.5的平均值也只比樓下低13.2%，也就是低10 ?g/m3左右，所以衰減并不顯著。

5.2 結(jié)論

（1）在冬春兩季，北京PM2.5低空質(zhì)量濃度隨高度增加而遞減，并呈對(duì)數(shù)關(guān)系。

（2）在北京城區(qū)非特殊區(qū)域，PM2.5濃度隨高度的增加而產(chǎn)生的衰減并不顯著。

5.3 檢測系統(tǒng)的應(yīng)用推廣

據(jù)相關(guān)報(bào)道，有些污染企業(yè)只要發(fā)現(xiàn)執(zhí)法人員靠近就立即關(guān)停鍋爐停止排放污染氣體，致使執(zhí)法人員無法取證。而且，傳統(tǒng)的空氣污染物及氣候、氣象研究主要依賴氣象鐵塔或其它高層建筑物，操作較為復(fù)雜，測量較為困難，而在沒有高層建筑物的地方使用固定翼飛機(jī)等飛行器測量又難以保證長時(shí)間懸停在同一位置進(jìn)行穩(wěn)定的測量。該研究在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)并采用的這套系統(tǒng)有著兼容性強(qiáng)、易于部署、操縱方便、狀態(tài)穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且可以輕松換裝其他傳感器并且做到“即插即用”，如果安裝在載荷更大的無人機(jī)平臺(tái)，還可以直接安裝氣體采樣設(shè)備，保證在任何時(shí)間和空間上都能進(jìn)行檢測或研究，是環(huán)保部門執(zhí)法取證的一個(gè)簡便可行的方法。

參考文獻(xiàn)

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