徐 謙，李令軍，趙文慧，姜 磊

北京市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)中心，北京 100048

當(dāng)前，大氣顆粒物是影響中國(guó)環(huán)境空氣質(zhì)量的重要污染物［1-4］。研究表明，顆粒物開(kāi)放源類(lèi)是城市顆粒物污染的主要來(lái)源，土壤塵、道路塵、水泥塵等地殼源類(lèi)對(duì)中國(guó)城市大氣PM10的總貢獻(xiàn)達(dá)到50%左右，最高可達(dá)70%［5-6］。隨著快速的城市化和高強(qiáng)度的城市改造，建筑施工裸地的揚(yáng)塵已經(jīng)成為城市大氣顆粒物的重要來(lái)源之一［7-9］;同時(shí)，建筑施工過(guò)程中排放的顆粒物對(duì)工人及周邊居民都有一定的健康危害［10］，因此加強(qiáng)建筑施工裸地的揚(yáng)塵效應(yīng)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［11-12］。

近年來(lái)受大規(guī)模城市建設(shè)影響，北京也出現(xiàn)了較嚴(yán)重的揚(yáng)塵顆粒物污染［13-14］，Cheng等利用污染預(yù)報(bào)模型測(cè)算出2002年北京施工揚(yáng)塵對(duì)PM10濃度的貢獻(xiàn)率為 10.7%［15］;監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示2014年北京PM2.5本地污染源中，機(jī)動(dòng)車(chē)、燃煤、工業(yè)生產(chǎn)、揚(yáng)塵為主要來(lái)源，分別占 31.1%、22.4%、18.1% 和 14.3%［16］，揚(yáng)塵貢獻(xiàn)不 可忽視。

建筑揚(yáng)塵排放以定點(diǎn)儀器監(jiān)測(cè)形式為主，這種方式具有較高的時(shí)間分辨率，并且可以較精確地獲取不同裸地的揚(yáng)塵排放情況，但需要較多的人員參與，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以全面展現(xiàn)大范圍的污染源狀況及分布特征，不利于大氣環(huán)境質(zhì)量及其污染來(lái)源的宏觀分析。隨著遙感技術(shù)的快速發(fā)展，利用高分辨率遙感影像提取污染面源的數(shù)量與分布，結(jié)合排放因子估算污染排放，不僅可以提高環(huán)境統(tǒng)計(jì)的精度，同時(shí)也能更客觀反映和解釋大尺度的環(huán)境污染特征［17］。

研究基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)，利用目視解譯獲取建筑施工裸地的空間范圍和面積分布，結(jié)合建筑施工裸地的排放因子，在空間上定量獲取建筑施工裸地?fù)P塵排放。這在北京乃至國(guó)內(nèi)也是首次嘗試，將為環(huán)境統(tǒng)計(jì)提供新的技術(shù)手段，并為污染監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

作為京津冀地區(qū)的主要核心城市之一，北京的規(guī)劃市區(qū)面積不斷增加。1960年代—1970年代，規(guī)劃市區(qū)面積為440 km2;1980年代已擴(kuò)大到760 km2，至2000年已達(dá)到1 040 km2;《2004年北京城市總體規(guī)劃(2004年—2020年)》將中心城范圍在2000年總體規(guī)劃市區(qū)基礎(chǔ)上又增加了回龍觀與北苑北等區(qū)域，面積擴(kuò)至1 085 km2。規(guī)劃市區(qū)面積的增加，一定程度上詮釋了北京城市快速擴(kuò)張的過(guò)程。近年來(lái)，北京建筑施工面積每年都保持在1億平方米以上，這些建筑工地主要分布于北京市的平原地區(qū)。因此，筆者對(duì)北京市平原區(qū)建筑施工裸地的空間分布及其揚(yáng)塵效應(yīng)進(jìn)行了深入剖析。

1.2 數(shù)據(jù)源

遙感監(jiān)測(cè)主要采用2012年8—10月北京市平原區(qū)Quick-Bird衛(wèi)星影像，參考2010、2011年冬季 Quick-Bird(分辨率 0.61 m)、WorldView-1(分辨率0.5 m)、WorldView-2(分辨率0.5 m)以及GeoEye-1(分辨率0.41 m)等影像。原始影像所有的多光譜和全色數(shù)據(jù)都以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)航片為基礎(chǔ)地圖進(jìn)行幾何精校正。平原地區(qū)多光譜數(shù)據(jù)精度糾正誤差不超過(guò)0.5個(gè)像元，全色數(shù)據(jù)精度糾正誤差在1個(gè)像元以內(nèi)。同時(shí)保證進(jìn)行融合處理的多光譜和全色影像數(shù)據(jù)相互匹配誤差不超過(guò)1個(gè)像元。平原區(qū)建筑裸地監(jiān)測(cè)滿足1∶10 000比例尺要求，滿足1∶10 000比例尺下視覺(jué)無(wú)偏差，圖斑屬性及邊界精度達(dá)90%以上;對(duì)建筑施工裸地面源進(jìn)行解譯和識(shí)別，其中最小上圖面積為800 m2，生產(chǎn)比例尺為1∶6 000 ～1∶7 000，檢查比例尺滿足1∶10 000條件下邊界沒(méi)有明顯差錯(cuò)。

2 遙感解譯與數(shù)據(jù)處理

2.1 建筑施工裸地提取

根據(jù)建筑施工裸地變化的實(shí)際情況，將2012年建筑施工裸地分為拆遷平整階段、土石方階段、主體施工階段、主體完工未綠化階段和城區(qū)其他裸地5種狀態(tài)(表1)。并在解譯標(biāo)識(shí)的指導(dǎo)下，采用人機(jī)交互解譯，提取得到5種建筑施工裸地斑塊。

精度評(píng)估中，分為外業(yè)精度評(píng)估與內(nèi)業(yè)精度審核。外業(yè)精度評(píng)估中，針對(duì)北京市建筑施工裸地的特點(diǎn)，主要從圖斑誤判方面來(lái)檢驗(yàn)。在確定獲取誤判率的方法的過(guò)程中，為了保證檢驗(yàn)的客觀性與準(zhǔn)確度，外業(yè)調(diào)查圖斑選取主要基于2個(gè)原則:①覆蓋所有地類(lèi);②盡可能多的涉及不確定圖斑。

表1 建筑施工裸地分類(lèi)體系

針對(duì)北京市建筑裸地的特點(diǎn)并根據(jù)各區(qū)縣地理分布特征，建立一條有代表性的調(diào)查樣線，對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算誤判率。誤判率的計(jì)算公式為

式中:PE為誤判率;NE為樣線調(diào)查中各區(qū)縣誤判小斑數(shù);Nn為樣線調(diào)查中各區(qū)縣小斑總數(shù)。

北京市建筑裸地核查范圍覆蓋全市16個(gè)區(qū)縣，共選取100個(gè)核查點(diǎn)位，拍攝395幅數(shù)碼照片;整個(gè)抽樣路線一共涉及100個(gè)點(diǎn)，誤判率為2%，漏判率為0。內(nèi)業(yè)核查中，對(duì)建筑裸地成果圖斑進(jìn)行隨機(jī)抽樣，抽樣率為5%(95%的置信區(qū)間)，分別對(duì)成果圖斑的屬性精度、邊界精度進(jìn)行檢驗(yàn)，總體精度為95.3%。具體結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 抽樣精度評(píng)估表

2012年北京市全社會(huì)房屋建筑施工面積為20 045.4萬(wàn)平方米［18］，遙感解譯得到的建設(shè)施工裸地面積為14 077萬(wàn)平方米。兩者主要體現(xiàn)了總建筑面積與裸地面積的差異，兩者的比值即為容積率。2008年頒布的《北京市城市建設(shè)節(jié)約用地標(biāo)準(zhǔn)(試行)》中規(guī)定了不同類(lèi)型建筑用地的容積率，主要居住用地一般要求在1.6以上，工業(yè)用地在0.8～2.5之間。建筑面積統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與遙感結(jié)果的比值基本是容積率的平均情況。此外，因長(zhǎng)期未開(kāi)工導(dǎo)致長(zhǎng)草的建設(shè)區(qū)，遙感解譯作為非建設(shè)裸地處理，而在統(tǒng)計(jì)年鑒中依然會(huì)把這部分面積統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，這也是導(dǎo)致遙感解譯面積小于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的一個(gè)原因。

2.2 建筑施工裸地?fù)P塵排放因子

排放因子是用于定量估算某類(lèi)污染源污染物排放量的代表性值，為單位時(shí)間、單位距離、單位體積等情況下的污染物排放量，可定量表述污染物的排放和污染情況［19］。國(guó)內(nèi)有2種施工揚(yáng)塵排放因子研究方法，分別是趙普生等［19］的Flux—FDM 法和田剛等［20］、黃玉虎等［21］的四維通量法模型。田剛等［20］在北京多站點(diǎn)監(jiān)測(cè)所獲取的數(shù)據(jù)，利用四維通量法模型得到的北京市TSP的施工排放因子，并根據(jù)其他學(xué)者研究獲取的TSP、PM10與 PM2.5的比例關(guān)系［22-23］(PM2.5/PM10和PM2.5/TSP的平均值分別為55%和29%)，分別得到相應(yīng)的排放因子為 0.492、0.26、0.143 kg/(m2·30 d－1)，該研究采用該類(lèi)排放因子測(cè)算揚(yáng)塵排放量。

同時(shí)，了解施工揚(yáng)塵空間擴(kuò)散規(guī)律，對(duì)于計(jì)算施工揚(yáng)塵排放量和制定揚(yáng)塵控制措施具有重要的意義。目前，未見(jiàn)國(guó)外相關(guān)報(bào)道，國(guó)內(nèi)僅有田剛等［24］學(xué)者的相關(guān)研究。為了能更好地從空間上分析建筑施工裸地中不同污染物排放量的分布特征，在基于排放因子計(jì)算出每一個(gè)裸地斑塊TSP、PM10、PM2.5排放量的基礎(chǔ)上，對(duì)斑塊提取幾何中心點(diǎn)，分別對(duì)3類(lèi)顆粒物采用普通克里格方法進(jìn)行空間插值，得到2012年北京市平原區(qū)建筑施工裸地上顆粒物(TSP、PM10、PM2.5)排放強(qiáng)度的空間分布圖(為了提高插值精度，將延慶地區(qū)單獨(dú)進(jìn)行插值計(jì)算)。

3 主要結(jié)果

3.1 北京市建筑施工裸地的空間分布

3.1.1 北京市平原區(qū)

利用高分遙感影像數(shù)據(jù)提取了北京市建筑施工裸地斑塊，具體結(jié)果見(jiàn)圖1和表3。

圖1 北京市2012年建筑施工裸地分布圖

表3 北京市2012年各區(qū)縣建筑施工裸地斑塊統(tǒng)計(jì)

由表3可見(jiàn)，2012年北京市平原區(qū)建筑施工裸地面積總共為140.77 km2，占全市總面積的0.86%，占平原區(qū)面積的2.00%。平原區(qū)建筑施工裸地斑塊數(shù)總量為3 441個(gè)，平均斑塊面積為0.06 km2。從全市的空間分布情況看，城市拓展區(qū)和發(fā)展新區(qū)集中了大部分施工裸地;從施工階段看，遠(yuǎn)郊的密云、懷柔、平谷、延慶等區(qū)縣土石方、主體施工比重較大，海淀、朝陽(yáng)、通州、順義、昌平等區(qū)目前正有大片土地處于拆遷平整階段，施工期將較長(zhǎng)，對(duì)空氣污染的影響也將持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。北京市平原區(qū)建筑施工裸地主要分布在朝陽(yáng)區(qū)、大興區(qū)(包括亦莊)、昌平區(qū)、海淀區(qū)和豐臺(tái)區(qū)，分 別 為 22.29、20.40、18.00、14.34、13.74 km2。以上區(qū)縣基本位于城市核心區(qū)向外拓展的城鄉(xiāng)過(guò)渡帶上，是近年北京城市建設(shè)的集中區(qū)域。同時(shí)，石景山區(qū)土石方和主體施工2階段占建筑施工裸地總面積50%以上(圖2、圖3)。

圖2 各區(qū)縣不同施工階段裸地面積

圖3 2012年各功能區(qū)建筑施工裸地分布圖

由圖2、圖3可見(jiàn)，各區(qū)縣中，朝陽(yáng)區(qū)的建筑施工用地面積最大，為22.29 km2，其次是大興、昌平、海淀、順義等區(qū)縣;核心區(qū)的東城區(qū)、西城區(qū)城市建設(shè)已較完善，可供開(kāi)發(fā)的土地非常有限;而密云、懷柔、延慶作為生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)城市開(kāi)發(fā)建設(shè)受到限制。同時(shí)總建筑施工裸地統(tǒng)計(jì)中，比例較大的是處于主體施工階段和土石方階段，其次是完工未綠化的裸地，而拆遷平整階段的裸地在不同區(qū)縣面積所占比例有高有低，海淀、朝陽(yáng)的比例較高，東城區(qū)比例最低。

3.1.2 各功能區(qū)差異

將各功能區(qū)的建筑施工裸地面積統(tǒng)計(jì)后，計(jì)算得到各功能區(qū)裸地面積占本區(qū)平原面積的比例:城市功能拓展區(qū)的裸地面積比例最高，達(dá)到17.49%，這與近幾年城市的擴(kuò)張關(guān)系較為密切;其次，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)和城市發(fā)展新區(qū)的裸地比例也較高，分別為10.60%、8.54%，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的比例較高是由于門(mén)頭溝的裸地面積比例較高，這與門(mén)頭溝區(qū)的平原面積較小而城市擴(kuò)張較快有關(guān)。各功能區(qū)中建筑施工裸地斑塊數(shù)量最多的是城市發(fā)展新區(qū)，為1 570塊，其次是城市功能拓展區(qū)，為1 368塊，它們相對(duì)應(yīng)的斑塊面積也是最高的，城市功能核心區(qū)的裸地斑塊數(shù)量最少，這也與城市核心區(qū)開(kāi)發(fā)較為完善有關(guān)(圖4、表4)。

圖4 各功能區(qū)不同施工階段裸地面積

表4 各功能區(qū)建筑施工裸地斑塊統(tǒng)計(jì)

3.2 北京市建筑施工裸地?fù)P塵空間分布

3.2.1 北京市及各功能區(qū)揚(yáng)塵排放量

全市 TSP、PM10和 PM2.5的排放量分別是31.53、16.66、9.16萬(wàn)噸。無(wú)論是哪種顆粒物的排放量，在城市發(fā)展新區(qū)與城市功能拓展區(qū)中均有較高的份額，2區(qū)合計(jì)達(dá)到85%以上，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)、城市功能核心區(qū)的排放量則普遍較小。朝陽(yáng)區(qū)的揚(yáng)塵排放量最高;其次是房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)較多的大興區(qū)和昌平區(qū)，其中大興區(qū)北臧村鎮(zhèn)天宮院存在大片平整裸露土地，昌平區(qū)新增建筑施工裸地中拆遷工地居多，最大的一塊拆遷地為沙河地區(qū)南一村，造成了較為嚴(yán)重的揚(yáng)塵污染(表5)。

表5 2012年各區(qū)縣揚(yáng)塵排放量 t

3.2.2 不同污染物的空間分布差異

2012年北京市平原區(qū)建筑施工裸地3種顆粒物的排放強(qiáng)度在三環(huán)內(nèi)均較低(除了PM2.5在西城區(qū)有一小塊排放強(qiáng)度較高的區(qū)域外)，三環(huán)-五環(huán)之間最高，并形成圍繞城市核心區(qū)的環(huán)狀分布(圖5)。

圖5 平原區(qū)建筑施工裸地PM2.5、PM10、TSP排放強(qiáng)度空間分布圖

4 結(jié)論

1)利用高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)遙感解譯了北京市平原區(qū)建筑施工裸地的空間分布格局，并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合建筑施工裸地污染排放因子，定量測(cè)算了2012年北京市建筑施工裸地的揚(yáng)塵效應(yīng);該項(xiàng)工作為建筑施工揚(yáng)塵測(cè)算開(kāi)辟了新的研究思路。

2)遙感解譯結(jié)果顯示，2012年北京市平原區(qū)建筑施工裸地面積總計(jì)為140.77 km2，其中處于主體施工階段的裸地面積最大，其次為土石方階段，這2個(gè)施工階段對(duì)沙塵污染貢獻(xiàn)較大，應(yīng)予以重視。

3)從全市空間分布情況看，建筑施工裸地主要分布在城市拓展區(qū)和發(fā)展新區(qū)，以朝陽(yáng)區(qū)、大興區(qū)、昌平區(qū)、海淀區(qū)和豐臺(tái)區(qū)等區(qū)縣最為集中，該區(qū)域位于城市核心區(qū)向外拓展的城鄉(xiāng)過(guò)渡帶上，是近年來(lái)北京城市建設(shè)的集中區(qū)域。

4)2012年北京市平原區(qū)建筑施工裸地TSP、PM10和 PM2.5的 排 放 量 分 別 是 31.53、16.66、9.16萬(wàn)噸，其中以城市發(fā)展新區(qū)與城市功能拓展區(qū)排放最顯著，生態(tài)涵養(yǎng)發(fā)展區(qū)的排放量相對(duì)較小。

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