無人機支持下的長春市近地面PM2.5濃度監測與分析

劉曉倩,于雪芹,潘偉華

(吉林建筑大學 測繪與勘查工程學院，吉林 長春 130118)

1 研究區域分析

長春市是吉林省省會，位于北緯43°05′～45°15′，東經124°18′～127°05′，氣候特點是四季分明，年平均氣溫4.6℃。在長春市城區均勻分布著10個PM2.5監測點，它們分別位于長春食品廠、長春客車廠、長春郵電學院、長春勞動公園、長春園林處、長春凈月潭、長春甩灣子、長春經開區環衛處、長春高新區管委會和長春岱山公園，這些監測點PM2.5監測數據每小時更新一次，它為無人機監測長春市近地面PM2.5提供初始化數據，也為成果檢核提供科學依據。

2 監測方案設計

2.1 數據獲取設備設計

為了更好地實現垂直觀測近地面PM2.5的實測數據，需要選用六旋翼或負載能力更大的無人機，同時搭載 PM2.5監測儀器、 電池、便攜式自動氣象站等設備組成低空測量系統，這里要求電池的續航能力最少要超過30 min。

2.2 城市不同下墊面選擇

在垂直觀測近地面PM2.5的實測數據時，為了更好地與監測點數據實現對比分析，選擇城市道路、居民地、公園綠地、城市水體和工業廠區5種下墊面類型。

2.3 采樣高度設計

將近地面垂直高度分為3部分：0～40 m、41～70 m、71～100 m，根據城市下墊面類型和實地情況，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 采樣時間設計

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

2.5 近地面PM2.5濃度監測流程

1)監測儀器準備。利用環保部門實測的數據對PM2.5濃度監測儀器和自動氣象站進行校正，并初始化，同時將無人機的電池和若干備用電池充滿電，做好野外實測的相關準備工作。

2)實驗監測。根據不同下墊面類型，不同采樣高度和不同時間，設計制定具體監測實驗方案，選擇無風或是微風的天氣進行野外實地監測，獲取相應的數據。

3)數據處理與分析。結合吉林省環境保護廳公布的環保監測站點的數據,分析不同下墊面類型的PM2.5濃度垂直分布特點，并利用線性回歸原理計算PM2.5濃度與溫度、濕度之間相關性等。

3 野外監測

3.1 監測設備

選用大疆創新公司生產的經緯 M600型六旋翼無人機，該無人機是DJI為專業級影視航拍及行業應用領域打造的全新一體化飛行平臺。輕量化設計的機身搭載了全天候大負載動力系統，并集成了新一代精準可靠的A3飛行控制系統及Lightbridge 2高清數字圖傳。經緯M600采用了智能飛行電池組和電池管理系統，并提供豐富的擴展接口，更支持高精度D-RTK GNSS及地面站系統，將性能、可靠性和操控體驗提升至全新高度。

選用激光傳感器-YT01 PM2.5監測儀，它體積小、響應迅速，測量準確，用于獲得空氣中單位體積內PM2.5質量數據，并以數字接口形式輸出。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生散射，同時在某一特定角度用探測器接收散射光，產生的光電流經放大后，得到電信號與顆粒物的對應曲線。微處理器采集數據后，經過一系列算法得出單位體積內不同粒徑的顆粒物質量。

3.2 外業監測

選取2020年12月和2021年4月進行無人機PM2.5野外數據采集監測。

1)2020年12月5日，天氣狀況：氣溫-5.1 ℃～-11.8 ℃，晴天，東南風1～2級，監測時間從早上7：00到下午17：00，監測地點選擇在長春市二道區勞動公園及周邊，表1顯示了一個時段二道區領東路旁PM2.5監測數據。

2)2021年4月21日，天氣狀況：氣溫9.2℃～16.1 ℃，晴天天，東北風1～2級，監測時間從早上7：00到下午18：00，監測地點選擇在長春市二道區勞動公園及周邊，表2顯示了一個時段二道區勞動公園水體PM2.5監測數據。

表1 2020年12月5日 二道區領東路旁PM2.5監測數據

表2 2021年4月20日 二道區勞動公園水體PM2.5監測數據

4 數據處理與分析

4.1 2020年12月PM2.5監測數據分析

1)7：00至8:00監測數據與分析。當下墊面為公園綠地時：隨著高度的增加 PM2.5濃度呈下降趨勢。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濃度出現小范圍波動，濃度在 12～14 μg/m3；60～100 m PM2.5濃度出現變化呈現出緩和波動趨勢；濃度在 8～12 μg/m3；100 m 處 PM2.5濃度最低，為8 μg/m3。

當下墊面為城市道路時：隨著高度的增加PM2.5濃度呈下降趨勢。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濃度波動范圍不大，濃度在24～27 μg/m3；60～100 m PM2.5濃度出現變化呈現持續下降態勢；濃度在12～24 μg/m3；100 m處PM2.5濃度最低，為12 μg/m3。

將實測PM2.5濃度數據繪制成折線圖，如圖1所示。

通過對7：00至8：00時間監測數據的分析，結合PM2.5濃度、溫度以及濕度的變化，將0和100 m高度分為3個等級：0～40、40～70、70～100 m，然后根據不同高度進行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，在100 m處PM2.5濃度達到最低。

圖1 7：00至8：00PM2.5濃度變化曲線圖

2)16：00至17:00監測數據與分析。將實測PM2.5濃度數據繪制成折線圖，如圖2所示。

與前面時間段監測數據相比，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濃度比前兩個時間段監測的數值顯著增加，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監測數據分布特點。

4.2 2021年4月PM2.5監測數據分析

將實測PM2.5濃度數據繪制成折線圖，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，但下降值波動也較小，70 m以上濃度變化幅度更為平緩。

5 結束語

無人機PM2.5監測系統為近地空氣象觀測提供了強有力的支持。通過監測分析長春市近地面，得出城市近地面PM2.5濃度大小受人類活動影響較大。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下班放學等時段較為明顯。下一步工作應根據設計的監測方案進行全面的野外監測工作，包括居民區和工業區，并對數據進行相應的處理和分析，得出長春市近地面PM2.5濃度分布特點。

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