基于多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的大氣PM 2.5垂直 結(jié)構(gòu)觀測(cè)技術(shù)

王東生，彭仲仁,2，李白，李小兵，修光利

（1.上海交通大學(xué) 智能交通與無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究中心，上海 200240；2.佛羅里達(dá)大學(xué) 適應(yīng)性規(guī)劃和設(shè)計(jì)國(guó)際研究中心，美國(guó) 佛羅里達(dá) 蓋恩斯維爾 32611；3.華東理工大學(xué) 國(guó)家環(huán)境保護(hù)化工過程環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200237）

隨著我國(guó)近年來(lái)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源消耗逐步增加，大氣污染問題漸漸凸顯，“PM2.5”、“霧霾”等詞語(yǔ)已成為普通民眾耳熟能詳?shù)脑~語(yǔ)。研究表明，短期或長(zhǎng)期暴露于灰霾天氣中，會(huì)引發(fā)一系列健康危害，包括心血管疾病、呼吸道疾病、平均壽命降低等[1]。因而，解決大氣污染問題迫在眉睫。針對(duì)我國(guó)復(fù)合型大氣污染的現(xiàn)狀[2]，區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控成為了污染防治的關(guān)鍵所在[3]。大氣污染的垂直結(jié)構(gòu)是理解區(qū)域重污染發(fā)生、發(fā)展及實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)同治理的重要前提。目前，傳統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)站主要提供了地面的大氣污染物信息，對(duì)于大氣垂直結(jié)構(gòu)的信息獲取，則主要依賴于地基激光雷達(dá)[4]、多軸差分吸收光譜（MAX-DOAS）[5]等光學(xué)遙感手段。這些光學(xué)遙感技術(shù)不僅可以在固定的站點(diǎn)安裝使用，也可以發(fā)展為車載系統(tǒng)[6-7]，從而實(shí)時(shí)機(jī)動(dòng)觀測(cè)。光學(xué)遙感技術(shù)并非直接觀測(cè)，污染物濃度等信息仍需反演得出，因而其精度仍依賴于直接觀測(cè)數(shù)據(jù)校準(zhǔn)。大氣垂直結(jié)構(gòu)的直接觀測(cè)手段包括高塔觀測(cè)[8]、飛機(jī)航測(cè)[9-10]、大載荷系留氣艇[11]等，這些觀測(cè)手段獲取的數(shù)據(jù)也可以為光學(xué)遙感技術(shù)反演污染物濃度提供數(shù)據(jù)支撐[12]。這些手段或是有著相對(duì)較為高昂的實(shí)驗(yàn)成本，或是機(jī)動(dòng)性不如車載雷達(dá)等方式靈活，使得這些直接觀測(cè)手段難以被大范圍、經(jīng)常性地使用。因而，為完善大氣污染立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，加深對(duì)大氣污染垂直結(jié)構(gòu)的理解，需要一種可以廣泛應(yīng)用的大氣垂直結(jié)構(gòu)直接觀測(cè)手段。

無(wú)人機(jī)作為新的觀測(cè)工具，已逐漸應(yīng)用于大氣環(huán)境觀測(cè)領(lǐng)域[13-14]。多旋翼無(wú)人機(jī)可以靈活地在邊界層內(nèi)飛行，實(shí)現(xiàn)垂直起降和懸停，相較于載人飛機(jī)和系留氣艇而言，具有更好的機(jī)動(dòng)性和更為低廉的成本。目前，國(guó)內(nèi)外均已有研究[15-16]基于多旋翼無(wú)人機(jī)搭載小型傳感器，嘗試用于城區(qū)大氣污染觀測(cè)，但應(yīng)用范圍有限，也缺少與其他觀測(cè)方式的充分比對(duì)和有效校準(zhǔn)。本研究旨在設(shè)計(jì)基于多旋翼無(wú)人機(jī)的大氣污染觀測(cè)平臺(tái)，并將其與系留氣艇平臺(tái)比對(duì)校準(zhǔn)，使其可以廣泛推廣應(yīng)用于大氣邊界層范圍的大氣垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)，為激光雷達(dá)等觀測(cè)技術(shù)提供用于反演校準(zhǔn)的直接觀測(cè)數(shù)據(jù)，并為現(xiàn)有的大氣污染立體觀測(cè)網(wǎng)提供有機(jī)補(bǔ)充。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)

智能交通與無(wú)人機(jī)應(yīng)用研究中心搭建的無(wú)人機(jī)觀測(cè)平臺(tái)旨在以較低的成本，實(shí)現(xiàn)靈活的大氣垂直結(jié)構(gòu)探測(cè)任務(wù)，所以定點(diǎn)懸停和垂直起降的多旋翼無(wú)人機(jī)無(wú)疑是非常合適的設(shè)備載機(jī)。本平臺(tái)選用六旋翼的無(wú)人機(jī)。其動(dòng)力來(lái)源于兩塊鋰聚合物電池，完全充電后空載續(xù)航時(shí)間為45 min，滿載續(xù)航時(shí)間為30 min，可以執(zhí)行0～1000 m 高度范圍內(nèi)的大氣垂直結(jié)構(gòu)觀測(cè)任務(wù)。該無(wú)人機(jī)內(nèi)置了GPS 導(dǎo)航模塊，可以準(zhǔn)確地獲知無(wú)人機(jī)所處的經(jīng)緯度和垂直高度，定位精度可以達(dá)到0.5 m。該無(wú)人機(jī)的具體參數(shù)見表1。

表1 多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)參數(shù)

無(wú)人機(jī)通過數(shù)傳電臺(tái)與配套的地面站進(jìn)行通信，將飛機(jī)航速、飛機(jī)位置、電池電量、飛行姿態(tài)等信息實(shí)時(shí)回傳至地面站，并由地面站軟件顯示，從而讓實(shí)驗(yàn)人員及時(shí)獲知無(wú)人機(jī)狀況。無(wú)人機(jī)在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)主要有兩種方式：一種是通過飛控手利用遙控器控制無(wú)人機(jī)加速、減速飛行和懸停；另一種方式是在地面站軟件預(yù)設(shè)航線，按照設(shè)定的路線自主飛行。通常而言，預(yù)設(shè)航線的方式更適合執(zhí)行實(shí)驗(yàn)任務(wù)，降低實(shí)驗(yàn)人員負(fù)擔(dān)，而飛控手直接控制的方式更多用于應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況，將自主飛行模式切換回手動(dòng)模式，由經(jīng)驗(yàn)豐富的飛控手來(lái)處理。

1.2 機(jī)載設(shè)備

無(wú)人機(jī)平臺(tái)所搭載的便攜式設(shè)備主要包括顆粒 物檢測(cè)儀、黑碳儀、臭氧檢測(cè)儀、溫濕度計(jì)等，可以視實(shí)驗(yàn)任務(wù)需求進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。表2 列出了目前無(wú)人機(jī)平臺(tái)所集成的主要便攜式設(shè)備型號(hào)和其性能參數(shù)。出于保障無(wú)人機(jī)飛行安全考慮，無(wú)人機(jī)載設(shè)備集成至無(wú)人機(jī)下方吊艙內(nèi)部，以降低平臺(tái)重心。

表2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)中集成的便攜式設(shè)備型號(hào)及主要性能參數(shù)

無(wú)人機(jī)下方吊艙由碳纖維材料制成，無(wú)人機(jī)載便攜式設(shè)備集成至其中，總質(zhì)量在5 kg 以內(nèi)，這降低了無(wú)人機(jī)飛行能耗，從而提高了無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間。同時(shí)，無(wú)人機(jī)吊艙體積較小，有助于降低風(fēng)阻，進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)平臺(tái)的飛行穩(wěn)定性。吊艙和設(shè)備集成有助于快速安裝和拆卸，從而提高實(shí)驗(yàn)效率。

為了保障大氣污染物測(cè)量精度，降低無(wú)人機(jī)本身飛行產(chǎn)生的氣流影響，文中所使用的無(wú)人機(jī)平臺(tái)在配置泵吸式便攜式設(shè)備的進(jìn)氣管路時(shí)，參考了在其他用于大氣污染觀測(cè)的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的經(jīng)驗(yàn)[16-17]。將進(jìn)氣口配置于無(wú)人機(jī)頂部，并將進(jìn)氣管路從頂部延伸至設(shè)備所在的吊艙之內(nèi)。

1.3 地面比對(duì)實(shí)驗(yàn)

對(duì)于所搭建的無(wú)人機(jī)平臺(tái)而言，其所采集的數(shù)據(jù)可靠性首先取決于機(jī)載的便攜式設(shè)備本身。因而，盡管上述設(shè)備均經(jīng)過了出廠檢驗(yàn)，在配置于無(wú)人機(jī)平臺(tái)之前，仍將便攜式設(shè)備在地面與常規(guī)的大氣監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

設(shè)備地面比對(duì)地點(diǎn)位于上海市奉賢區(qū)，與后述高空比對(duì)實(shí)驗(yàn)同在2017 年冬季進(jìn)行。所有的便攜式設(shè)備安置于華東理工大學(xué)奉賢校區(qū)內(nèi)，與大載荷系留氣艇所裝載的監(jiān)測(cè)設(shè)備在同一區(qū)域。便攜式設(shè)備被固定于1 m 左右高度的三腳架上，放置于系留氣艇放飛場(chǎng)地內(nèi)。用于比對(duì)的數(shù)據(jù)來(lái)自于系留氣球任務(wù)掛架上掛載的大型監(jiān)測(cè)設(shè)備，所有數(shù)據(jù)均為1 min平均數(shù)據(jù)。

對(duì)于無(wú)人機(jī)平臺(tái)冬季重點(diǎn)關(guān)注的污染物PM2.5而言，從圖2 中可以看出，便攜式設(shè)備與大型監(jiān)測(cè)設(shè)備的線性關(guān)系很好，但絕對(duì)數(shù)值存在差異。無(wú)人機(jī)載設(shè)備的測(cè)量數(shù)值在校正前偏大，因而所采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)過線性公式校正后方可使用。根據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)[18]，Sidepak AM520 這類基于光散射測(cè)量法的設(shè)備的測(cè)量 偏差主要來(lái)源于灰霾事件、高濕天氣、顆粒物組分差異等。在地面比對(duì)期間，地面相對(duì)濕度在51%～97%之間，PM2.5濃度大致在0～200 μg/m3之間，基本覆蓋了重污染和高濕度的情形。在此種情形下，便攜式設(shè)備與大型監(jiān)測(cè)設(shè)備仍有著良好的線性關(guān)系，說(shuō)明造成測(cè)量偏差的主要原因不是灰霾事件和高濕天氣，而很可能是設(shè)備出廠校準(zhǔn)時(shí)使用的顆粒物組分差異。文中后述的高空實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，均經(jīng)過了圖2 中的線性公式校正處理。需要注意的是，由于不同實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的顆粒物組分可能不同，在上海以外的研究區(qū)域使用本平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)重新進(jìn)行地面校準(zhǔn)。

圖2 PM 2.5 便攜式設(shè)備（AM520）與系留氣艇 載監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)比

1.4 高空比對(duì)實(shí)驗(yàn)

由于地面比對(duì)實(shí)驗(yàn)僅能保障無(wú)人機(jī)在地面靜止時(shí)的數(shù)據(jù)可靠性，無(wú)法確保無(wú)人機(jī)平臺(tái)在高空可以正確獲取數(shù)據(jù)。因而有必要與其他平臺(tái)在高空進(jìn)行比對(duì)，確保無(wú)人機(jī)平臺(tái)在空中的可靠性。

上海市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心、中國(guó)電子科技集團(tuán)第38研究所及華東理工大學(xué)共同搭建的的大載荷系留氣艇平臺(tái)可以提供較大載重，所搭載的設(shè)備涵蓋了二氧化硫分析儀、氮氧化物分析儀、臭氧分析儀、黑碳儀、氣溶膠粒徑譜儀等[11]，已經(jīng)在近幾年進(jìn)行了多次觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[19-20]，基本證明了平臺(tái)的可靠性。該平臺(tái)可觀測(cè)的高度和無(wú)人機(jī)相接近，均在0～1500 m 高度之間，且主要獲取的數(shù)據(jù)形式均為垂直廓線，故選取該平臺(tái)與無(wú)人機(jī)進(jìn)行高空比對(duì)實(shí)驗(yàn)。

高空比對(duì)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于華東理工大學(xué)奉賢校區(qū)。系留氣艇在校區(qū)內(nèi)垂直上升，考慮到氣艇由纜繩牽引，在升空過程中會(huì)有水平偏移，出于實(shí)驗(yàn)安全考慮，無(wú)人機(jī)升空位置與氣球放飛位置保持約2 km的距離。在2017 年冬季11 月至12 月進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)高度以 0～1000 m 之間為主，最高達(dá)到 1300 m，兩平臺(tái)所測(cè)量的氣象和污染物垂直廓線可用于比對(duì)。

以無(wú)人機(jī)和系留氣艇兩平臺(tái)同時(shí)段廓線觀測(cè)較多的一天（12 月18 日）為例，當(dāng)天的無(wú)人機(jī)觀測(cè)計(jì)劃為0～1200 m 的垂直觀測(cè)。無(wú)人機(jī)按照預(yù)設(shè)的飛行計(jì)劃，自動(dòng)以2 m/s 的速度勻速上升至1200 m 高度，其后以2 m/s 的速度勻速下降至近地面10 m 高度，再切換至手動(dòng)模式，由飛控手執(zhí)行降落任務(wù)。為保障每個(gè)高度層有足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而減輕儀器數(shù)據(jù)波動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)帶來(lái)的影響，在繪制廓線圖和數(shù)據(jù)分析之前，以每50 m 高度為間隔，對(duì)該高度層的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。

由12 月18 日兩平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制的PM2.5垂直廓線如圖3 所示?？梢钥闯觯瑑善脚_(tái)所獲取的PM2.5垂直廓線展現(xiàn)出了較好的一致性，可以初步判斷無(wú)人機(jī)平臺(tái)所獲取的廓線有效，即可以認(rèn)為無(wú)人機(jī)平臺(tái)在執(zhí)行高空測(cè)量任務(wù)時(shí)是可靠的。

圖3 無(wú)人機(jī)平臺(tái)和系留氣艇平臺(tái)所獲得的廓線比對(duì)

2 結(jié)果及討論

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)控

對(duì)于無(wú)人機(jī)平臺(tái)用于大氣垂直結(jié)構(gòu)探測(cè)而言，最為重要的是其所采集的垂直廓線數(shù)據(jù)質(zhì)量。對(duì)于溫濕度等常見氣象參數(shù)而言，無(wú)人機(jī)平臺(tái)數(shù)據(jù)質(zhì)量基本只和所搭載的檢測(cè)設(shè)備本身的性能有關(guān)。對(duì)于顆粒物和污染氣體而言，情況則更為復(fù)雜。以顆粒物為例，無(wú)人機(jī)平臺(tái)與載人飛機(jī)航測(cè)面對(duì)的問題類似，需要考慮飛行器自身對(duì)氣流的干擾、氣流方向和氣流速度對(duì)顆粒物采樣的影響等因素[21]。因此，以PM2.5為例，重點(diǎn)討論P(yáng)M2.5的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

如前文所述，無(wú)人機(jī)平臺(tái)在設(shè)計(jì)和配置進(jìn)氣管路時(shí)，已盡量充分考慮上述影響因素。實(shí)際的數(shù)據(jù)質(zhì)量，需要和其他垂直觀測(cè)手段的數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向比較。考慮到聯(lián)合實(shí)驗(yàn)中使用的大載荷系留氣艇平臺(tái)已經(jīng)過充分驗(yàn)證，可以認(rèn)為系留氣艇平臺(tái)獲取的垂直廓線代表了真實(shí)的大氣垂直結(jié)構(gòu)。因而可以通過比對(duì)無(wú)人機(jī)與系留氣艇平臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)是否一致，來(lái)判斷無(wú)人機(jī)平臺(tái)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（Intraclass Correlation Coefficient，ICC）這一指標(biāo)將用于無(wú)人機(jī)和系留氣艇平臺(tái)的數(shù)據(jù)一致性評(píng)估。這一指標(biāo)主要用于判定不同測(cè)定方法對(duì)同一定量結(jié)果的一致性，其值介于0～1 之間，0 表示不可信，而1 則表示完全可信。

2017 年12 月18 日的四次對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，由無(wú)人機(jī)和系留氣艇PM2.5觀測(cè)結(jié)果計(jì)算所得的組內(nèi)相關(guān)系數(shù)和R2見表3。從R2結(jié)果可以看出，四次實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)和系留氣艇線性相關(guān)性均較好；從ICC 計(jì)算結(jié)果來(lái)看，航次1、航次2 和航次4 的可靠性良好，而航次3 的可靠性一般。造成航次3 信度一般的原因主要如下：首先，航次3 無(wú)人機(jī)和系留氣艇的觀測(cè)時(shí)間有大約20 min 的時(shí)間差，這期間PM2.5的濃度存在差異；其次，無(wú)人機(jī)平臺(tái)和系留氣艇平臺(tái)盡管保持了良好的線性一致性，由于兩平臺(tái)本身差異，實(shí)際觀測(cè)值仍可能受到兩平臺(tái)的設(shè)備數(shù)據(jù)波動(dòng)的一定影響。

整體而言，上述結(jié)果表明，無(wú)人機(jī)與系留氣艇平臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)線性一致性較好，但個(gè)別航次的絕對(duì)數(shù)值仍有差異。

表3 2017 年12 月18 日無(wú)人機(jī)與系留氣艇平臺(tái) PM2.5 觀測(cè)結(jié)果比對(duì)

2.2 規(guī)律探索

基本確保無(wú)人機(jī)平臺(tái)的數(shù)據(jù)質(zhì)量后，選取了2017年冬季較為典型的一次無(wú)人機(jī)觀測(cè)結(jié)果，來(lái)說(shuō)明無(wú)人機(jī)平臺(tái)所獲取數(shù)據(jù)在探索大氣污染垂直分布規(guī)律中的作用。2017 年12 月18 日實(shí)驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)平臺(tái)所獲取的PM2.5垂直廓線如圖4 所示。整體而言，所有廓線中，PM2.5都隨著高度的上升而呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，這和過往的PM2.5垂直觀測(cè)結(jié)論相一致[22-23]。

由圖4 中還可以看出，在無(wú)人機(jī)所觀測(cè)的四個(gè)時(shí)間段之中，早上地面的PM2.5濃度最高，達(dá)到了80 μg/m3。隨著高度的上升，PM2.5濃度快速降低，在200 m 高度時(shí)，PM2.5濃度已經(jīng)降到了40 μg/m3以下。到1000 m 高度時(shí)，PM2.5濃度更是降低到了接近0，這表明上午期間PM2.5很可能主要受到局地污染的影響。同時(shí)，0～200 m 高度的大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，阻礙了近地面污染物向上空擴(kuò)散，加重了近地面的污染狀況。在之后的幾個(gè)時(shí)間段，PM2.5的濃度從近地面至800 m 高度變化不大，表明在這一高度范圍，大氣充分混合，近地面的空氣質(zhì)量得以改善。

圖4 12 月18 日無(wú)人機(jī)獲取的PM2.5 垂直廓線

從上述結(jié)果可以看出，無(wú)人機(jī)平臺(tái)所獲取的垂直廓線有助于直觀了解大氣邊界層內(nèi)的污染情況，并幫助解釋近地面污染事件的發(fā)生和消散過程。

2.3 應(yīng)用中存在的不足

自2017 年以來(lái)，文中所搭建的多旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)，已在上海奉賢區(qū)等地完成了多次成功的大氣垂直結(jié)構(gòu)探測(cè)任務(wù)。然而，該平臺(tái)仍存在一些不足之處。

首先，受限于多旋翼無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間，該平臺(tái)無(wú)法在1000 m 以上高空進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間滯空觀測(cè)，這限制了平臺(tái)用于觀測(cè)高空區(qū)域輸送。其次，由于平臺(tái)自身載重和檢測(cè)設(shè)備質(zhì)量限制，平臺(tái)的觀測(cè)指標(biāo)有限，相較于載人飛機(jī)和大載荷系留氣艇而言，提供的信息有限。再者，由于空域管制和安全因素，該平臺(tái)難以用于人員密集的城市中心區(qū)域，該區(qū)域的大氣垂直結(jié)構(gòu)仍依賴于地基雷達(dá)遙感等手段獲知。

在后續(xù)研究中，課題組將考慮進(jìn)一步改善平臺(tái)的供電和載質(zhì)量配置，延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)平臺(tái)在高空的有效觀測(cè)時(shí)間，并增加觀測(cè)指標(biāo)。同時(shí)，考慮利用平臺(tái)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)，推算城市中心區(qū)域的大氣垂直結(jié)構(gòu)，拓展無(wú)人機(jī)平臺(tái)的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

1）基于便攜式檢測(cè)設(shè)備搭建的無(wú)人機(jī)平臺(tái)可以用于0～1000 m 范圍內(nèi)邊界層PM2.5的垂直探測(cè)。

2）無(wú)人機(jī)平臺(tái)和系留氣艇平臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好，但在個(gè)別情況下仍有一定的絕對(duì)誤差，造成誤差的主要原因可能是兩平臺(tái)的觀測(cè)時(shí)間差異。

3）無(wú)人機(jī)平臺(tái)所獲取的污染物信息（如PM2.5質(zhì)量濃度等）有助于了解邊界層內(nèi)的大氣污染時(shí)空分布，并幫助解釋污染事件的發(fā)生和消散。

4）無(wú)人機(jī)平臺(tái)仍存在續(xù)航時(shí)間和適用空域等限制，大范圍推廣應(yīng)用前仍需進(jìn)一步研究解決。