無人機(jī)支持下的長(zhǎng)春市近地面PM2.5濃度監(jiān)測(cè)與分析

劉曉倩,于雪芹,潘偉華

(吉林建筑大學(xué) 測(cè)繪與勘查工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

1 研究區(qū)域分析

長(zhǎng)春市是吉林省省會(huì)，位于北緯43°05′～45°15′，東經(jīng)124°18′～127°05′，氣候特點(diǎn)是四季分明，年平均氣溫4.6℃。在長(zhǎng)春市城區(qū)均勻分布著10個(gè)PM2.5監(jiān)測(cè)點(diǎn)，它們分別位于長(zhǎng)春食品廠、長(zhǎng)春客車廠、長(zhǎng)春郵電學(xué)院、長(zhǎng)春勞動(dòng)公園、長(zhǎng)春園林處、長(zhǎng)春凈月潭、長(zhǎng)春甩灣子、長(zhǎng)春經(jīng)開區(qū)環(huán)衛(wèi)處、長(zhǎng)春高新區(qū)管委會(huì)和長(zhǎng)春岱山公園，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每小時(shí)更新一次，它為無人機(jī)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)春市近地面PM2.5提供初始化數(shù)據(jù)，也為成果檢核提供科學(xué)依據(jù)。

2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 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)，這里要求電池的續(xù)航能力最少要超過30 min。

2.2 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)，為了更好地與監(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。

2.3 采樣高度設(shè)計(jì)

將近地面垂直高度分為3部分：0～40 m、41～70 m、71～100 m，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 10、20、30、40 m，第二部分采樣高度為50、60、70 m，第三部分采樣高度為80、90、100 m。

2.4 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)。

2.5 近地面PM2.5濃度監(jiān)測(cè)流程

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，做好野外實(shí)測(cè)的相關(guān)準(zhǔn)備工作。

2)實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)。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)。

3)數(shù)據(jù)處理與分析。結(jié)合吉林省環(huán)境保護(hù)廳公布的環(huán)保監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù),分析不同下墊面類型的PM2.5濃度垂直分布特點(diǎn)，并利用線性回歸原理計(jì)算PM2.5濃度與溫度、濕度之間相關(guān)性等。

3 野外監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備

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)，該無人機(jī)是DJI為專業(yè)級(jí)影視航拍及行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域打造的全新一體化飛行平臺(tái)。輕量化設(shè)計(jì)的機(jī)身搭載了全天候大負(fù)載動(dòng)力系統(tǒng)，并集成了新一代精準(zhǔn)可靠的A3飛行控制系統(tǒng)及Lightbridge 2高清數(shù)字圖傳。經(jīng)緯M600采用了智能飛行電池組和電池管理系統(tǒng)，并提供豐富的擴(kuò)展接口，更支持高精度D-RTK GNSS及地面站系統(tǒng)，將性能、可靠性和操控體驗(yàn)提升至全新高度。

選用激光傳感器-YT01 PM2.5監(jiān)測(cè)儀，它體積小、響應(yīng)迅速，測(cè)量準(zhǔn)確，用于獲得空氣中單位體積內(nèi)PM2.5質(zhì)量數(shù)據(jù)，并以數(shù)字接口形式輸出。本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(cè)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。

3.2 外業(yè)監(jiān)測(cè)

選取2020年12月和2021年4月進(jìn)行無人機(jī)PM2.5野外數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)。

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，表1顯示了一個(gè)時(shí)段二道區(qū)領(lǐng)東路旁PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

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)間從早上7：00到下午18：00，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，表2顯示了一個(gè)時(shí)段二道區(qū)勞動(dòng)公園水體PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 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)

表2 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)

4 數(shù)據(jù)處理與分析

4.1 2020年12月PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1)7：00至8:00監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析。當(dāng)下墊面為公園綠地時(shí)：隨著高度的增加 PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)。10 m 高度 PM2.5濃度最高，為 17 μg/m3；在 0～40 m PM2.5濃度變化較為平緩，變化幅度在 15～17 μg/m3；50～60 m PM2.5濃度出現(xiàn)小范圍波動(dòng)，濃度在 12～14 μg/m3；60～100 m PM2.5濃度出現(xiàn)變化呈現(xiàn)出緩和波動(dòng)趨勢(shì)；濃度在 8～12 μg/m3；100 m 處 PM2.5濃度最低，為8 μg/m3。

當(dāng)下墊面為城市道路時(shí)：隨著高度的增加PM2.5濃度呈下降趨勢(shì)。30 m高度PM2.5濃度最高，為28 μg/m3；在0～40 m PM2.5濃度變化較為平緩，變化幅度在24～28 μg/m3；40～60 m PM2.5濃度波動(dòng)范圍不大，濃度在24～27 μg/m3；60～100 m PM2.5濃度出現(xiàn)變化呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢(shì)；濃度在12～24 μg/m3；100 m處PM2.5濃度最低，為12 μg/m3。

將實(shí)測(cè)PM2.5濃度數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖1所示。

通過對(duì)7：00至8：00時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合PM2.5濃度、溫度以及濕度的變化，將0和100 m高度分為3個(gè)等級(jí)：0～40、40～70、70～100 m，然后根據(jù)不同高度進(jìn)行PM2.5濃度變化分析。綜合可知在0～40 m，兩種下墊面垂直上空的PM2.5濃度均較小，但道路上空相比公園綠地PM2.5濃度值要高很多；在40～70 m區(qū)間，公園綠地和道路垂直上空的PM2.5濃度下降幅度較大，在70～100 m，公園綠地和道路垂直上空PM2.5濃度變化成平緩下降趨勢(shì)，在100 m處PM2.5濃度達(dá)到最低。

圖1 7：00至8：00PM2.5濃度變化曲線圖

2)16：00至17:00監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與分析。將實(shí)測(cè)PM2.5濃度數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖2所示。

與前面時(shí)間段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，公園綠地垂直上空的PM2.5濃度與道路垂直上空的PM2.5濃度均有大幅增加，道路垂直上空的PM2.5濃度增加較多，公園綠地垂直上空的PM2.5濃度比前兩個(gè)時(shí)間段監(jiān)測(cè)的數(shù)值顯著增加，道路垂直上空的PM2.5濃度始終高于公園綠地垂直上空的PM2.5濃度，但在60 m以上差值減少，但始終有差值，不同于11：00至12:00監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分布特點(diǎn)。

4.2 2021年4月PM2.5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

將實(shí)測(cè)PM2.5濃度數(shù)據(jù)繪制成折線圖，如圖3所示：

圖2 16：00至17：00PM2.5濃度變化曲線圖

圖3 三種下墊面PM2.5濃度變化曲線圖

3種下墊面在不同高度的PM2.5濃度的變化，道路上空PM2.5濃度最大，公園水體上空PM2.5濃度最小，公園綠地上空PM2.5濃度居中，公園綠地與公園水體上空PM2.5濃度相差較小，在30 m以上的高度趨于一致。道路上空PM2.5濃度隨著高度的增加而增加，30 m以上又隨著高度的增加而降低，70 m以上濃度變化幅度比較平緩。公園綠地與公園水體上空PM2.5濃度也隨著高度的增加而增加，但增加值較小，30 m以上又隨著高度的增加而降低，但下降值波動(dòng)也較小，70 m以上濃度變化幅度更為平緩。

5 結(jié)束語

無人機(jī)PM2.5監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為近地空氣象觀測(cè)提供了強(qiáng)有力的支持。通過監(jiān)測(cè)分析長(zhǎng)春市近地面，得出城市近地面PM2.5濃度大小受人類活動(dòng)影響較大。本文中選擇的道路、水體和綠地相聚較近，但因道路上有較多的汽車和行人，因此PM2.5濃度較大，特別是在早晚上班上學(xué)下班放學(xué)等時(shí)段較為明顯。下一步工作應(yīng)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，包括居民區(qū)和工業(yè)區(qū)，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)。

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