Analiza jakości powietrza w Krakowie przy użyciu głowicy pomiarowej SoftBlue AirDron

Wykonano analizę jakości powietrza przy użyciu systemu pomiaru poziomu zanieczyszczenia SoftBlue AirDron zainstalowanego na bezzałogowym statku latającym DJI Matrice 600 PRO. Pomiary wykonano w rejonie Alei Trzech Wieszczów w centrum Krakowa.

 

Informacje wstępne:

Wykonawca:	Grzegorz Durło
Operator UAVO:	Grzegorz Durło
Cel:	analiza jakości powietrza w centrum miasta
Data i miejsce wykonania nalotu:	08-08-2020 r., miasto Kraków, dzielnica Śródmieście.
Długość trasy lotu:	2,5 km
Sprzęt:	UAV DJI Matrice 600 PRO, czujnik jakości powietrza SoftBlue AirDron
Oprogramowanie:	DJI Go, Litchi, SoftBlue GCS, QGIS 3.14

Wstęp

Kontrola stanu sanitarnego powietrza przy użyciu głowic pomiarowych zainstalowanych na pokładzie bezzałogowych statków latających umożliwia analizę poziomu zanieczyszczeń w dowolnym miejscu i czasie oraz na dowolnej wysokości względem potencjalnych źródeł emisji. Głowice pomiarowe wyposażone w kalibrowane sensory gazowe są skutecznym narzędziem pomiarowym o szerokim spektrum działania zarówno jeśli chodzi o pył zawieszony dowolnej średnicy cząstek jak i lotnych substancji organicznych. Zaletą najnowszych rozwiązań jest fakt, że są one wyposażone we wszystkie niezbędne systemy akwizycji i kontroli danych. Ponadto, precyzyjny odbiornik GPS, antenę radiową, moduł telemetryczny, pompę, zestaw aktywnych filtrów oraz układ zasysania niewrażliwy na zaburzenia wynikające z pracy śmigieł statku latającego. System łączności bezprzewodowej pozwala na śledzenie bieżących wskazań głowicy w trakcie lotu z odległości nawet do 1 km, zaś wygodna w użyciu aplikacja umożliwia podgląd liczbowy i graficzny serii pomiarowej wraz z opcją śledzenia sensora na podkładzie mapowym w czasie rzeczywistym. Celem opracowania była kontrola sprawności głowicy pomiarowej SoftBlue AirDron oraz ocena parametrów operacyjnych w trakcie standardowego lotu na pokładzie statku bezzałogowego typu wielowirnikowiec. Dokonano także oceny siły sygnału radiowego w trakcie misji w warunkach gęstej zabudowy miejskiej.

 

Lokalizacja obiektu

Ciąg komunikacyjny w centrum Krakowa obejmujący rejon Alei Trzech Wieszczów tj. Słowackiego, Mickiewicza oraz Krasińskiego o długości około 2,5 km rozciągający się pomiędzy Nowym Kleparzem a Mostem Dębnickim nad Wisłą (Ryc. 1, 2 oraz 2a).

 

 

 

Przebieg misji

Misję statku bezzałogowego przygotowano w aplikacji Litchi w trybie Waypoints zainstalowanej na urządzeniu IPad Mini. Trasa została wyznaczona zgodnie z przebiegiem głównej arterii komunikacyjnej w centrum Krakowa na odcinku pomiędzy skrzyżowaniem ulic Długiej i Alei Słowackiego (Nowy Kleparz) a ulicami Kościuszki i Aleją Krasińskiego w rejonie Mostu Dębnickiego o długości 2,5 km. Wysokość lotu dostosowano do wysokości zabudowań oraz zainstalowanej na dachach infrastruktury telekomunikacyjnej. Ustawiono bufor bezpieczeństwa o szerokości 100 metrów przy wysokości lotu 35 m AGL. Ze względu na różnicę wysokości pomiędzy pierwszym i ostatnim punktem nawigacyjnym zastosowano korektę opartą na modelu DTM, prędkość pozioma statku wyniosła 4,0 m·s-1. Zapis pomiarów z sensorów gazowych odbywał się bezpośrednio na karcie MicroSD umieszczonej głowicy pomiarowej. Warunki meteorologiczne w trakcie misji: pogodnie, temperatura powietrza 20ᶹC; wilgotność powietrza 66%; zachmurzenie ogólne nieba 2,5 okt, prędkość wiatru na wysokości lotu wynosiła 2,0 m·s^-1. W trakcie misji wykonano 585 pomiarów w każdym kanale.

 

Opracowanie danych

Opracowanie wykonano na tablecie ST10 Spectra Geospatial w aplikacji SoftBlue GCS (Ryc. 3, 4 oraz 5). Całkowity czas przetwarzania 2 minuty (3 500 danych pomiarowych). Produkt końcowy trasa lotu z zaznaczonymi punktami pomiarowymi i wartościami pomierzonymi zebranymi w serie na osobnych wykresach oraz na wykresie zbiorczym. Ponadto, mapa zanieczyszczeń uwzględniająca bufor dyspersji (czas przetwarzania 15 sekund). Analizę szczegółową pojedynczych kanałów pomiarowych przeprowadzono w aplikacji MS EXCEL Office. Procedurę obliczeniową wartości przeciętnych stężenia pyłów prowadzono w czterech segmentach, każdy po 500 metrów, począwszy od Nowego Kleparza (punkt 0) i dalej w kierunku Wisły.

 

 

 

Wyniki analizy

Rezultaty analizy rozkładu przestrzennego pyłu zawieszonego oraz lotnych substancji organicznych potwierdziły występowania kilku rejonów podwyższonej koncentracji. Pierwszy z nich to rejon ulicy AL. Słowackiego ze wskazaniem na sektor wschodni, drugi to rejon ulicy AL. Mickiewicza ze wskazaniem na ten sam sektor oraz ostatni rejon ulicy Al. Krasińskiego ze wskazaniem na sektor zachodni. Najwyższe wartości pyłu zawieszonego zanotowano w rejonie Nowego Kleparza. Poniżej szczegółowe lokalizacje oraz uśrednione wartości serii pomiarowych dla trzech kanałów w 5 odcinkach (S1 do S5), każdy o długości 500 m. Punkt „Zero” znajdował się na Nowym Kleparzu w rejonie skrzyżowania ulicy Długiej oraz Al. J. Słowackiego (Tab. 1, 2), (Ryc. 6 –9).

 

Tabela 1. Surowe dane pomiarowe uzyskane w aplikacji SoftBlue GCS (fragment macierzy *.csv)

 

Tabela 2. Średnie wartości stężenia pyłu zawieszonego (PM*) w trakcie serii pomiarowej wykonanej w rejonie Alei Trzech Wieszczów w Krakowie w sierpniu 2020 roku

Odcinek	PM1	PM2.5	PM10
1	6.8	11.3	27.2
2	7.8	13.3	23.7
3	8.0	14.1	28.3
4	8.6	14.2	29.3
5	8.8	15.0	38.2

 

Poniżej podsumowanie wyników analizy odcinkowej ze względu na najwyższe stężenia pyłu oraz liczbę przypadków przekroczenia normy dopuszczalnej w ciągu doby w przeliczeniu na długość serii pomiarowej.

Rejony o podwyższonej koncentracji pyłu zawieszonego PM1/PM2.5 oraz PM10:

• Nowy Kleparz (skrzyżowanie ul. Długa i Al. J. Słowackiego
• Skrzyżowanie ul. J. Żuławskiego i Al. J. Słowackiego
• Rejon Al. Z. Krasińskiego na wysokości ulic Smoleńsk oraz Rot. Z. Dunin-Wąsowicza

Rejony o wysokiej koncentracji pyłu zawieszonego PM1, PM2.5 oraz PM10

• Nowy Kleparz (skrzyżowanie ul. Długa i Al. J. Słowackiego)
• Ciąg pomiędzy ulicą Krowoderską i Łobzowską
• Skrzyżowanie ulic. Al. J. Słowackiego i Łobzowskiej
• Skrzyżowanie ulic. Al. J. Słowackiego i Lenartowicza
• Rejon Al. A. Mickiewicza na wysokości ulicy Pawlikowskiego do ulicy J. Kochanowskiego
• Rejon Al. A. Mickiewicza na wysokości ul. Czystej
• Rejon Al. A. Mickiewicza na wysokości ul. Krupniczej
• Rejon Al. A. Mickiewicza na wysokości ul. S. Humberta
• Skrzyżowanie ulic J. Piłsudskiego i Al. F. Focha
• Rejon Al. Z. Krasińskiego na wysokości ulicy K. Morawskiego
• Skrzyżowanie ulic Al. Z. Krasińskiego i ulicy T. Kościuszki

Rejony o bardzo wysokiej koncentracji pyłu zawieszonego PM1, PM2.5 oraz PM10

• Nowy Kleparz (skrzyżowanie ul. Długa i Al. J. Słowackiego)

 

 

 

 

 

Podsumowanie

Zaprezentowana powyżej technologia pomiarowa z wykorzystaniem czujników jakości powietrza typu AirDron stanowi znakomite narzędzie wspierające monitoring powietrza na obszarach aglomeracji miejskich i w rejonach źródeł emisji różnego pochodzenia. Dużą zaletą omawianej metody jest to, że w krótkim czasie można wykonać inspekcję znacznych powierzchni do kilkunastu hektarów w trakcie jednego przelotu nad infrastrukturą krytyczną lub zabudowaniami mieszkalnymi. Parametry operacyjne platformy DJI Matrice 600 PRO pozwalają na wykonanie misji liniowej o długości 5000 m bez konieczności wymiany zestawu pakietów Li-Po lub misji obszarowej o wymiarach 1 km na 1 km w ciągu 25 minut (FO20/SO25). Należy jednak pamiętać o przestrzeganiu kilku ważnych zasad, z których główna odnosi się do prędkości przepływu powietrza wokół głowicy oraz temperatury powierzchni czynnej (prądy konwekcyjne nad silnie rozgrzanymi powierzchniami). Unikanie warunków zakłócających pomiar podczas misji zwiększa prawdopodobieństwo uzyskania dokładnych i wiarygodnych wyników. Można przyjąć, iż najlepsze rezultaty monitorowania jakości powietrza w oparciu o głowice zamontowane na platformach bezzałogowych uzyskamy w czasie warunków stagnacyjnych. Postęp technologiczny w dziedzinie mobilnych aparatów analitycznych sprawił, że współczesne sensory gazowe w połączeniu z wydajnymi pompami gwarantują bardzo dobrej jakości pomiar porównywalny z wynikami badań laboratoryjnych. Zaletą systemów mobilnych jest ich kompaktowa budowa, niewielka masa, łatwość obsługi naziemnej i uniwersalność systemów integrujących z platformami latającymi.

 

Źródła:

• Civil Aviation Authority (CAA) 2017. Small Unmanned Aircraft (SUA) operators holding a valid CAA permission.
• Cygański A. 1994. Chemiczne metody analizy ilościowej. Wyd. PWN, Warszawa, ss. 590.
• Craig L., Brook J., Chiotti Q., Croes B., Gower S., Hedley A., Krewski D., Krupnick A., Krzyzanowski M., Moran M., Pennell W., Samet J., Schneider J., Shortreed J., Williams M. 2008. Air pollution and public health: A guidance document for risk managers, Journal of Toxicology and Environmental Health, Ser. A, 71:9-10, 588-698.
• Kelly, F.J., Fussell, J.C. 2015. Air pollution and public health: emerging hazards and improved understanding of risk.  Environmental geochemistry and health, 37(4), 631–649.
• Künzli N., Kaiser R., Medina S., Studnicka M., Chanel O., Filliger P., Herry M., Horak F., Puybonnieux-Texier V., Quénel P., Schneider J., Seethaler R., Vergnaud J.C., ,Sommer H. 2000. Public-health impact of outdoor and traffic-related air pollution: a European assessment, The Lancet. Vol. 356 (9232), 795-801.