基于旋翼无人机的北京城区PM2.5低空垂直分布研究

胡景鹏+莫菲+孙敏

摘 要：近年来，我国大气污染中的PM2.5所占比例越来越高。在传统的地面监测中，所获得的数据与实际情况存在较大的差距，而无人机因为其行动的巨大优势，为PM2.5监测提供了有力的支持。通过改装的四旋翼无人机搭载PM2.5传感器，选取冬春两季各一天对北京城区PM2.5低空垂直分布进行检测并拟合了PM2.5质量浓度垂直廓线方程。研究表明，冬春两季PM2.5垂直分布随高度增加呈对数递减的规律，但结合EPA对于室内室外PM2.5浓度关系的研究，在一般居民楼高度范围内，室内PM2.5浓度与高度关系并不显著。

关键词：PM2.5 质量浓度 垂直分布 低空 无人机

中图分类号：X84 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（b）-0008-03

大气细颗粒物尤其是PM2.5与人体健康密切相关，对空气能见度和质量都有较大影响。与较粗的大气颗粒物相比，细颗粒物粒径小，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

随着人们对于空气质量的重视，针对PM2.5的研究越来越多，尤其是关于PM2.5分布的研究。此前关于PM2.5的研究大多局限于水平空间的分布，所测得的数据可能与现今的实际情况有较大差异。由于PM2.5的垂直分布与人们选择居住楼层、购买空气净化器、开关门窗等行为息息相关，公众对与此相关的研究成果和结论关注度较高。另一方面，此项研究对于污染企业的排污监测和执法取证，有着极为显著的作用。所以，简便可行的PM2.5垂直分布研究便显得尤为重要。

该研究通过采用近年来得以推广的新技术如四旋翼无人机、模块化传感器等设计并组装了一套低成本、简易可靠的PM2.5检测设备，选取冬春两季各一天对北京城区 PM2.5低空垂直分布进行检测并拟合了PM2.5质量浓度垂直廓线方程。

1 背景与方法

1.1 检测地点

选取北京市朝阳区双井地区的广泉小区进行研究，该小区位于东二环、东三环之间，周围马路来往的车辆及较为密集的居民楼对空气质量有一定影响，但附近没有大型烟囱等顯著污染源，所以在该小区测得的PM2.5垂直分布数据对全北京的大部分居民区具有代表性。该研究在该小区的中心花园开展实验，由于居民楼的高度一般不超过80 m，而且高度过高会影响蓝牙数据传输，所以采用带有GPS的无人机分别在10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m、70 m、80 m等高度进行了PM2.5浓度的检测。

1.2 设备载机

该研究选用由大疆创新公司生产的Phantom2 Vision型四旋翼无人机搭载PM2.5检测设备，该无人机控制简单，续航时间长，遥控距离较远，能实现较为精确的悬停，有足够空间搭载实验载荷，且内置了GPS与指南针，能精确指示无人机所处的水平与垂直位置，因此适合作为实验设备载机。

1.3 检测设备

该研究采用北京云彤科技公司生产的YT01型传感器，该传感器采用激光散射原理，即令激光照射在空气中的悬浮颗粒物上产生散射，同时在某一特定角度用探测器接收散射光，产生的光电流经放大后，得到电信号与颗粒物的对应曲线。微处理器采集数据后，经过一系列算法得出单位体积内不同粒径的颗粒物质量，并以数字接口形式输出。安装在无人机上的传感器将数据输入蓝牙串口模块并发回地面的笔记本电脑，地面用于比对的PM2.5传感器直接将数据输入笔记本电脑，再通过串口程序换算成十六进制数字并输出。传感器的垂直位置由无人机自带的GPS模块提供，时序信息为电脑串口程序自带。

2 实验操作

2.1 实验方法

该研究选取1月21日（冬季）和3月2日（春季）进行研究，1月21日天气状况：气温-2 ℃～-9 ℃，阴天，东南风3～4级，PM2.5本底值132.1 ?g/m3；3月2日天气状况：气温2 ℃～17 ℃，晴转多云，东南风3～4级，PM2.5本底值162 ?g/m3。两日均无对实验有较大干扰的雨雪等天气，风速条件接近。时间均选择在下午3～5点。

在实验场所放飞无人机后，根据GPS将其指引至每一预定高度，操作无人机进行悬停，待数据稳定后读数，将地面与空中两台传感器读数连同GPS高度与串口程序给出的时间录入，一组数据录入完成后解除悬停，操纵无人机飞入下一目标高度并进行相同实验操作，直至进入最高目标高度80 m完成实验。

2.2 数据处理方法

由于传感器通过串口程序输出的是16进制码，在进行数据分析前，先根据数学公式将PM2.5数据换算成十进制数据。后将同一时刻地面与空中PM2.5数据关系以百分数形式记录，并录入Excel表格绘制成散点图，以平滑曲线进行拟合并输出曲线函数表达式。

3 实验结果

PM2.5垂直廓线的建立与拟合如图2、图3所示。

4 结果与分析

通过数据的处理，可以确认PM2.5质量浓度随高度增加而递减，并呈对数关系。在无人机所能到达的高度范围内最大衰减幅度为22.9%。

5 讨论与结论

5.1 对结果的讨论

尽管通过实验得出了PM2.5质量浓度随高度递减的结果，但是根据EPA的研究，室内PM2.5浓度平均为室外的66%，而根据北京市环保局公布的数据，2015年北京PM2.5年平均值为80.6 ?g/m3，可以计算出，即使是在一般住宅的高层，室内PM2.5的平均值也只比楼下低13.2%，也就是低10 ?g/m3左右，所以衰减并不显著。

5.2 结论

（1）在冬春两季，北京PM2.5低空质量浓度随高度增加而递减，并呈对数关系。

（2）在北京城区非特殊区域，PM2.5浓度随高度的增加而产生的衰减并不显著。

5.3 检测系统的应用推广

据相关报道，有些污染企业只要发现执法人员靠近就立即关停锅炉停止排放污染气体，致使执法人员无法取证。而且，传统的空气污染物及气候、气象研究主要依赖气象铁塔或其它高层建筑物，操作较为复杂，测量较为困难，而在没有高层建筑物的地方使用固定翼飞机等飞行器测量又难以保证长时间悬停在同一位置进行稳定的测量。该研究在实验中设计并采用的这套系统有着兼容性强、易于部署、操纵方便、状态稳定、成本低廉等优点，而且可以轻松换装其他传感器并且做到“即插即用”，如果安装在载荷更大的无人机平台，还可以直接安装气体采样设备，保证在任何时间和空间上都能进行检测或研究，是环保部门执法取证的一个简便可行的方法。

参考文献

[1] 杨龙，张强，王岐东，等.北京秋冬季近地层PM2.5质量浓度垂直分布特征[J].环境科学研究，2005，18（2）：23-28.

[2] 牛记，王仁波.基于六旋翼无人机的PM2.5低空测量系统[J].科学技术与工程，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].