基于旋翼無人機的北京城區(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)與實際情況存在較大的差距，而無人機因為其行動的巨大優(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搭載PM2.5傳感器，選取冬春兩季各一天對北京城區(qū)PM2.5低空垂直分布進行檢測并擬合了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數(shù)遞減的規(guī)律，但結(jié)合EPA對于室內(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

中圖分類號：X84 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（b）-0008-03

大氣細顆粒物尤其是PM2.5與人體健康密切相關(guān)，對空氣能見度和質(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間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大。

隨著人們對于空氣質(zhì)量的重視，針對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，此項研究對于污染企業(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、模塊化傳感器等設(shè)計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北京城區(qū) PM2.5低空垂直分布進行檢測并擬合了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

選取北京市朝陽區(qū)雙井地區(qū)的廣泉小區(qū)進行研究，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)的中心花園開展實驗，由于居民樓的高度一般不超過80 m，而且高度過高會影響藍牙數(shù)據(jù)傳輸，所以采用帶有GPS的無人機分別在10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m等高度進行了PM2.5濃度的檢測。

1.2 設(shè)備載機

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

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，得到電信號與顆粒物的對應(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。安裝在無人機上的傳感器將數(shù)據(jù)輸入藍牙串口模塊并發(fā)回地面的筆記本電腦，地面用于比對的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制數(shù)字并輸出。傳感器的垂直位置由無人機自帶的GPS模塊提供，時序信息為電腦串口程序自帶。

2 實驗操作

2.1 實驗方法

該研究選取1月21日（冬季）和3月2日（春季）進行研究，1月21日天氣狀況：氣溫-2 ℃～-9 ℃，陰天，東南風3～4級，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3～4級，PM2.5本底值162 ?g/m3。兩日均無對實驗有較大干擾的雨雪等天氣，風速條件接近。時間均選擇在下午3～5點。

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

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進制碼，在進行數(shù)據(jù)分析前，先根據(jù)數(shù)學(xué)公式將PM2.5數(shù)據(jù)換算成十進制數(shù)據(jù)。后將同一時刻地面與空中PM2.5數(shù)據(jù)關(guān)系以百分數(shù)形式記錄，并錄入Excel表格繪制成散點圖，以平滑曲線進行擬合并輸出曲線函數(shù)表達式。

3 實驗結(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PM2.5質(zhì)量濃度隨高度增加而遞減，并呈對數(shù)關(guān)系。在無人機所能到達的高度范圍內(nèi)最大衰減幅度為22.9%。

5 討論與結(jié)論

5.1 對結(jié)果的討論

盡管通過實驗得出了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等飛行器測量又難以保證長時間懸停在同一位置進行穩(wěn)定的測量。該研究在實驗中設(shè)計并采用的這套系統(tǒng)有著兼容性強、易于部署、操縱方便、狀態(tài)穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點，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平臺，還可以直接安裝氣體采樣設(shè)備，保證在任何時間和空間上都能進行檢測或研究，是環(huán)保部門執(zhí)法取證的一個簡便可行的方法。

參考文獻

[1] 楊龍，張強，王岐東，等.北京秋冬季近地層PM2.5質(zhì)量濃度垂直分布特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2005，18（2）：23-28.

[2] 牛記，王仁波.基于六旋翼無人機的PM2.5低空測量系統(tǒng)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2014，14（36）：72-76.

[3] LA Wallace，R Williams，J Suggs，et al.Estimating Contributions of Outdoor Fine Particles to Indoor Concentrations and Personal Exposures：Effects of Household Characteristics and Personal Activities[Z].