基于無人機技術的長春市近地面PM2.5 濃度監(jiān)測方案設計

劉曉倩 于雪芹*

（吉林建筑大學，吉林長春 130118）

1 概述

長春市是吉林省省會，是我國的重要工業(yè)基地，被譽為汽車之城，地處東北平原腹地，地勢較為平坦，城市森林覆蓋率較高，氣候宜人，也有森林城市的美譽。近幾十年由于城市的發(fā)展，長春市的大氣污染不容忽視，PM2.5 作為霧霾的重要成分，對它的監(jiān)測和分析意義重大。隨著無人機技術的廣泛應用，采用“無人機+監(jiān)測儀器”模式對長春市近地面垂直上空的PM2.5濃度進行監(jiān)測，從而進一步探究城市下墊面與PM2.5 垂直分布之間關系[1]，對今后研究長春近地面PM2.5 分布規(guī)律，進而合理布局道路、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)實意義。

2 無人機技術及在大氣環(huán)境保護方面的應用

無人機是無人駕駛的飛機，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備操作，最初應用于軍用領域，目前廣泛應用于農(nóng)業(yè)、水利、電力、國土、測繪等國民經(jīng)濟各個領域。

近幾年無人機在大氣環(huán)境監(jiān)測應用方面越來越廣泛，一方面體現(xiàn)在大氣環(huán)境監(jiān)測，無人機能夠按照設計的航線運行，對不同高度的近地面大氣質(zhì)量實現(xiàn)遠距離實時監(jiān)測，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，無人機執(zhí)法機動性好，不受地形與其他人為干擾限制，突擊性時效性強，巡查范圍廣，靈活快捷，尤其是在霧霾嚴重的地區(qū)，使得執(zhí)法人員隱蔽及時排查到污染源，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

長春市位于北緯43°05'～45°15'，東經(jīng)124°18'～127°05' 之間，下轄7 個區(qū)、1 個縣，代管3 個縣級市，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]。

長春氣候特點是四季分明，春夏季短促，冬季嚴寒漫長，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 個月[4]。在長春市城區(qū)均勻分布著10 個PM2.5 監(jiān)測點，監(jiān)測點PM2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)每小時更新一次[5]。

4 監(jiān)測方案設計

4.1 數(shù)據(jù)獲取設備設計

為了更好地實現(xiàn)垂直觀測近地面PM2.5 的實測數(shù)據(jù)，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(jiān)測儀器、電池、便攜式自動氣象站等設備組成低空測量系統(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 無人機低空PM2.5 測量系統(tǒng)

4.2 城市不同下墊面選擇

在垂直觀測近地面PM2.5 的實測數(shù)據(jù)時，為了更好的與監(jiān)測點數(shù)據(jù)實現(xiàn)對比分析，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 采樣高度設計

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。

4.5 近地面PM2.5 濃度監(jiān)測流程

采用低空無人機測量系統(tǒng)進行長春市近地面PM2.5 濃度監(jiān)測的流程如圖2 所示。

圖2 低空無人機測量系統(tǒng)進行長春市近地面PM2.5 濃度監(jiān)測流程

4.5.1 監(jiān)測儀器準備

利用環(huán)保部門實測的數(shù)據(jù)對PM2.5 濃度監(jiān)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，作好野外實測的相關準備工作。

4.5.2 實驗監(jiān)測

制根據(jù)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(jiān)測實驗方案，選擇無風或是微風的天氣進行野外實地監(jiān)測，獲取相應的數(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)測的相應大氣溫度和濕度，并結(jié)合吉林省環(huán)境保護廳公布的環(huán)保監(jiān)測站相關數(shù)據(jù)，計算PM2.5 濃度與溫度、濕度之間的相關性。

5 外業(yè)監(jiān)測

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

5.1 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(jiān)測時間從早上7：00 到下午17：00，監(jiān)測地點選擇在長春市二道區(qū)勞動公園及周邊，如表1 及表2顯示了部分野外監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 2020 年12 月5 日勞動公園綠地PM2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)

表2 2020 年12 月5 日二道區(qū)領東路旁PM2.5 監(jiān)測數(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1～2 級，監(jiān)測時間從下午14：00 到下午16：00，監(jiān)測地點選擇在長春市二道區(qū)勞動公園及周邊，如表3 及表4 顯示了部分野外監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表3 2021 年4 月20 日二道區(qū)領東路旁PM2.5 監(jiān)測數(shù)據(jù)

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

6 總結(jié)與展望

無人機PM2.5 監(jiān)測系統(tǒng)，靈活性強，操控簡單，能實現(xiàn)懸停測量，也能夠精確給出平面位置和高度位置，為近地空氣象觀測提供了強有力的支持。下一步就是根據(jù)設計的監(jiān)測方案進行全面的野外監(jiān)測工作，并對數(shù)據(jù)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，進一步給出調(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。