基于無人機(jī)技術(shù)的長(zhǎng)春市近地面PM2.5 濃度監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

劉曉倩 于雪芹*

（吉林建筑大學(xué)，吉林長(zhǎng)春 130118）

1 概述

長(zhǎng)春市是吉林省省會(huì)，是我國(guó)的重要工業(yè)基地，被譽(yù)為汽車之城，地處東北平原腹地，地勢(shì)較為平坦，城市森林覆蓋率較高，氣候宜人，也有森林城市的美譽(yù)。近幾十年由于城市的發(fā)展，長(zhǎng)春市的大氣污染不容忽視，PM2.5 作為霧霾的重要成分，對(duì)它的監(jiān)測(cè)和分析意義重大。隨著無人機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，采用“無人機(jī)+監(jiān)測(cè)儀器”模式對(duì)長(zhǎng)春市近地面垂直上空的PM2.5濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而進(jìn)一步探究城市下墊面與PM2.5 垂直分布之間關(guān)系[1]，對(duì)今后研究長(zhǎng)春近地面PM2.5 分布規(guī)律，進(jìn)而合理布局道路、建筑、水體、綠地等城市規(guī)劃工作，減少環(huán)境污染等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 無人機(jī)技術(shù)及在大氣環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

無人機(jī)是無人駕駛的飛機(jī)，通常采用模塊化組裝[2]，一般體積較小，是由專用無線電遙控設(shè)備操作，最初應(yīng)用于軍用領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、水利、電力、國(guó)土、測(cè)繪等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域。

近幾年無人機(jī)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用方面越來越廣泛，一方面體現(xiàn)在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，無人機(jī)能夠按照設(shè)計(jì)的航線運(yùn)行，對(duì)不同高度的近地面大氣質(zhì)量實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采集的數(shù)據(jù)也較為完整；另外一方面體現(xiàn)在大氣環(huán)境治理，無人機(jī)執(zhí)法機(jī)動(dòng)性好，不受地形與其他人為干擾限制，突擊性時(shí)效性強(qiáng)，巡查范圍廣，靈活快捷，尤其是在霧霾嚴(yán)重的地區(qū)，使得執(zhí)法人員隱蔽及時(shí)排查到污染源，在一定程度上控制并減緩霧霾等大氣污染起到積極作用[3]。

3 研究區(qū)域分析

長(zhǎng)春市位于北緯43°05'～45°15'，東經(jīng)124°18'～127°05' 之間，下轄7 個(gè)區(qū)、1 個(gè)縣，代管3 個(gè)縣級(jí)市，總面積24662平方千米，戶籍人口854.4 萬人，城鎮(zhèn)人口445.1 萬人[4]。

長(zhǎng)春氣候特點(diǎn)是四季分明，春夏季短促，冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)，年平均氣溫4.6℃，年降水量600-700 毫米，全年無霜期為140-150 天，全年冰凍期為5 個(gè)月[4]。在長(zhǎng)春市城區(qū)均勻分布著10 個(gè)PM2.5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每小時(shí)更新一次[5]。

4 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)獲取設(shè)備設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)垂直觀測(cè)近地面PM2.5 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，需要選用六旋翼或負(fù)載能力更大的無人機(jī)，同時(shí)搭載PM2.5 監(jiān)測(cè)儀器、電池、便攜式自動(dòng)氣象站等設(shè)備組成低空測(cè)量系統(tǒng)[6]，如圖1所示，這里要求電池的續(xù)航能力最少要超過30 分鐘。

圖1 無人機(jī)低空PM2.5 測(cè)量系統(tǒng)

4.2 城市不同下墊面選擇

在垂直觀測(cè)近地面PM2.5 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，為了更好的與監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)比分析，選擇城市道路、居民地、公園綠地、城市水體和工業(yè)廠區(qū)5 種下墊面類型[7]。

4.3 采樣高度設(shè)計(jì)

將近地面垂直高度分為三部分：0m-40m、41m-70m、71m-100m，根據(jù)城市下墊面類型和實(shí)地情況，第一部分采樣高度為10m、20m、30m 和40m，第二部分采樣高度為50m、60m、70m，第三部分采樣高度為80m、90m、100m。

4.4 采樣時(shí)間設(shè)計(jì)

作為北方城市的長(zhǎng)春，冬季和春季氣候更為干燥，這一時(shí)期的PM2.5 濃度更具有代表性，因此采樣時(shí)間選擇在冬季12月至第二年的2 月和春季3 月至5 月，時(shí)間段可以分為上午7-8 時(shí)、上午10-11 時(shí)、下午13-14 時(shí)和下午17-18 時(shí)。

4.5 近地面PM2.5 濃度監(jiān)測(cè)流程

采用低空無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)春市近地面PM2.5 濃度監(jiān)測(cè)的流程如圖2 所示。

圖2 低空無人機(jī)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)春市近地面PM2.5 濃度監(jiān)測(cè)流程

4.5.1 監(jiān)測(cè)儀器準(zhǔn)備

利用環(huán)保部門實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)PM2.5 濃度監(jiān)測(cè)儀器和自動(dòng)氣象站進(jìn)行校正，并初始化，同時(shí)將無人機(jī)的電池和若干備用電池充滿電，作好野外實(shí)測(cè)的相關(guān)準(zhǔn)備工作。

4.5.2 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)

制根據(jù)不同下墊面類型，不同采樣高度和不同時(shí)間，設(shè)計(jì)制定具體監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方案，選擇無風(fēng)或是微風(fēng)的天氣進(jìn)行野外實(shí)地監(jiān)測(cè)，獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

4.5.3 數(shù)據(jù)處理與分析

分析不同下墊面類型的PM2.5 濃度垂直分布規(guī)律，根據(jù)監(jiān)測(cè)的相應(yīng)大氣溫度和濕度，并結(jié)合吉林省環(huán)境保護(hù)廳公布的環(huán)保監(jiān)測(cè)站相關(guān)數(shù)據(jù)，計(jì)算PM2.5 濃度與溫度、濕度之間的相關(guān)性。

5 外業(yè)監(jiān)測(cè)

選用大疆創(chuàng)新公司生產(chǎn)的經(jīng)緯M600 型六旋翼無人機(jī)，選取2020 年12 月和2021 年4 月中各一天進(jìn)行無人機(jī)PM2.5 野外數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)。

5.1 2020 年12 月5 日，天氣狀況：氣溫-5.1 ℃～-11.8℃，晴天，東南風(fēng)1～2 級(jí)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從早上7：00 到下午17：00，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選擇在長(zhǎng)春市二道區(qū)勞動(dòng)公園及周邊，如表1 及表2顯示了部分野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 2020 年12 月5 日勞動(dòng)公園綠地PM2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表2 2020 年12 月5 日二道區(qū)領(lǐng)東路旁PM2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

5.2 2021 年4 月21 日，天氣狀況：氣溫9.2℃～16.1 ℃，晴天天，東北風(fēng)1～2 級(jí)，監(jiān)測(cè)時(shí)間從下午14：00 到下午16：00，監(jiān)測(cè)地點(diǎn)選擇在長(zhǎng)春市二道區(qū)勞動(dòng)公園及周邊，如表3 及表4 顯示了部分野外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表3 2021 年4 月20 日二道區(qū)領(lǐng)東路旁PM2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

表4 2021 年4 月20 日二道區(qū)勞動(dòng)公園水體PM2.5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

6 總結(jié)與展望

無人機(jī)PM2.5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，靈活性強(qiáng)，操控簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)懸停測(cè)量，也能夠精確給出平面位置和高度位置，為近地空氣象觀測(cè)提供了強(qiáng)有力的支持。下一步就是根據(jù)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行全面的野外監(jiān)測(cè)工作，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理和分析，得出長(zhǎng)春市近地面PM2.5 濃度分布特點(diǎn)，進(jìn)一步給出調(diào)控城市空間模式優(yōu)化方案的策略，從而改善局地微氣候來減輕霧霾。