姜晟，紀軒禹，李旭文，王甜甜，陶金花

(1.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 南京 210019; 2.中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100101)

顆粒物是影響中國城市大氣環(huán)境質量的重要污染物[1-5]，其排放源可分為固定源、移動源、開放源等[6]。在中國快速城市化和持續(xù)性基建背景下，施工工地揚塵、裸地堆場及土壤揚塵既是大氣顆粒物的主要來源，也是污染防治和環(huán)境監(jiān)管的重要對象。大部分施工工地和待建裸地均位于城市主城區(qū)范圍內，周邊多為人口稠密區(qū)域，與大氣自動監(jiān)測站點位置也較為接近，對其進行長期有效的監(jiān)測和監(jiān)管，對于改善群眾生活環(huán)境，提升區(qū)域空氣質量具有重要意義。

近年來，隨著航天技術的迅猛發(fā)展，利用衛(wèi)星遙感作為工地和裸地揚塵源的主要監(jiān)測手段已成為一種更好的選擇，并在北京、天津、上海等多個城市得到了實踐和驗證[7-9]。但另一方面，對于直轄市以外的省份來說，城市數量多、地域面積大，如何有效解決高空間分辨率衛(wèi)星數據價格昂貴，中空間分辨率衛(wèi)星精度有限的問題，成為大范圍工地和裸地揚塵源遙感監(jiān)測業(yè)務化應用的關鍵，而在現(xiàn)有監(jiān)測基礎上的揚塵排放與管控成效評估同樣也是生態(tài)環(huán)境主管部門關心的重要內容?，F(xiàn)選擇中國東部沿海代表性省份江蘇作為研究區(qū)域，以當前廣泛應用、易于獲取的衛(wèi)星影像作為主要數據源，輔以無人機現(xiàn)場監(jiān)測技術手段，以期實現(xiàn)對原有監(jiān)測方法的改進和優(yōu)化，進一步增強遙感監(jiān)測的適用性，為生態(tài)環(huán)境監(jiān)測部門和同類研究提供更多選擇。

1 研究區(qū)概況與數據來源

1.1 研究區(qū)概況

江蘇位于中國大陸東部沿海，長江、淮河下游，東臨黃海，北接山東，西連安徽，東南與上海、浙江接壤；全省土地面積10.72萬km2，常住人口8 000余萬人，與上海、浙江共同構成的長三角城市群已成為世界級城市群之一；省域范圍內，共有南京、無錫、徐州等13個設區(qū)市，95個縣(市、區(qū))[10]。

從大氣環(huán)境來看，江蘇屬于東亞季風氣候區(qū)，四季分明、冬冷夏熱、春溫秋涼，季風顯著、雨熱同期，秋冬季以西北風為主導風向，降水相對偏少，擴散條件不利時顆粒物污染較重，夏季高溫強日照時段易發(fā)臭氧污染。結合城鄉(xiāng)建設發(fā)展規(guī)模及已有研究經驗，工地和裸地多數集中在城區(qū)[9]，因此選擇江蘇省13個設區(qū)市的43個主要市轄區(qū)作為主要研究區(qū)域，開展工地和裸地揚塵源遙感監(jiān)測方法研究與結果分析。

1.2 數據來源

1.2.1 衛(wèi)星遙感數據

針對單個城市(如直轄市)的工地和裸地揚塵源遙感監(jiān)測，通常選擇空間分辨率在米級左右的高空間分辨率衛(wèi)星影像或航空影像作為主要數據源，但當研究區(qū)需要覆蓋到省域尺度時，則需要在空間分辨率和經費投入方面做出取舍，同時還要兼顧重訪周期、云覆蓋等因素對監(jiān)測頻次的影響。因此，從“低成本、易獲取、中尺度、季監(jiān)測”4個方面綜合考慮，優(yōu)先選擇歐洲航天局哨兵-2號衛(wèi)星影像作為主要數據源，同時將國產高分系列衛(wèi)星(GF-1、GF-2、GF-6等)作為補充數據源用于開展遙感監(jiān)測分析。

哨兵-2號衛(wèi)星攜帶多光譜成像儀(MSI)，太陽同步軌道，具有13個光譜波段，幅寬290 km，可見光波段空間分辨率10 m，2017年3月以后A、B兩顆衛(wèi)星組網運行，重訪周期5 d，在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面具有重要價值[11]。高分系列衛(wèi)星是我國自主發(fā)射的對地觀測系統(tǒng)，GF-1、GF-2、GF-6號衛(wèi)星均攜帶全色-多光譜高分相機，太陽同步軌道，空間分辨率方面，GF-2全色為1 m、多光譜為4 m，重訪周期69 d，其余衛(wèi)星全色為2 m、多光譜為8 m ，重訪周期一般為20 d左右[12]。上述衛(wèi)星影像數據均可免費或以較低價格獲取，在監(jiān)測業(yè)務推廣應用方面能夠發(fā)揮重要作用。

衛(wèi)星影像數據時間跨度為2020年1—2月，數據總量160幅，其中哨兵-2號衛(wèi)星數據120幅、高分系列衛(wèi)星數據40幅。

1.2.2 無人機核查數據

為彌補哨兵-2號衛(wèi)星影像在空間分辨率方面的不足，采用無人機抽樣現(xiàn)場航拍方式作為補充，無人機型號以大疆系列為主，相機型號為Z30，航拍時間一般在衛(wèi)星影像過境后1個月內，數據總量約100 GB。

1.2.3 地理信息數據

利用2017版江蘇省1∶10 000基礎地理信息數據中的省、市、縣3級矢量數據作為行政區(qū)劃邊界，確定江蘇省13個設區(qū)市43個市轄區(qū)范圍。

2 研究方法

2.1 揚塵源的初判與復核

光譜與紋理特征是遙感影像判讀的兩大主要依據。在哨兵-2號衛(wèi)星MSI數據中，不同類型的工地和裸地揚塵源光譜與紋理信息具有一定差異，具體表現(xiàn)為防塵較好的揚塵源在真彩色影像中一般呈現(xiàn)為與防塵網顏色相近的藍綠色，紋理相對均勻；防塵較差的工地和裸地揚塵源在真彩色影像中一般為土黃色或灰白色，但前者因為施工和內部建筑、道路大多紋理明顯，后者則相對模糊。這些信息共同構成了工地和裸地揚塵源遙感監(jiān)測的基本依據。

根據前期摸底調查取得的現(xiàn)場照片和先驗知識，建立工地和裸地衛(wèi)星影像解譯標志和樣例數據庫；然后采用支持向量機(Support Vector Machine, SVM)[13]方法進行工地和裸地2種類型揚塵源的初判，以減輕工作量、提高解譯效率；再通過人機交互判讀的方式進行復核，剔除誤判數據，從而獲得揚塵源為工地和裸地的基礎信息數據，包含全省及各設區(qū)市的工地和裸地的數量、面積、空間經緯度等。揚塵源衛(wèi)星影像解譯標志及無人機航拍圖像見表1。

表1 揚塵源衛(wèi)星影像解譯標志及無人機航拍圖像

2.2 工地和裸地揚塵源現(xiàn)場監(jiān)測

在完成工地和裸地揚塵源初判、復核與空間定位后，以同期江蘇省大氣國控站及江蘇省大氣PM2.5網格化監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數據為主要依據，在全省范圍內選擇大氣質量相對較差或明顯下降的區(qū)域，對站點周邊面積超過1×104m2的工地和裸地揚塵情況開展無人機現(xiàn)場航拍監(jiān)測，一是檢查衛(wèi)星遙感判讀結果，二是查驗相關地塊是否采用覆網、噴淋、沖洗等防塵措施并加以記錄。監(jiān)測所選用的無人機為多旋翼電動無人機，使用機載可見光相機，根據工地和裸地面積選擇正射攝影或側方位俯拍。無人機飛行按照中國民航局《輕小型民用無人機飛行動態(tài)數據管理規(guī)定》進行，飛行高度一般在50～120 m。2020年，共對江蘇省13個設區(qū)市578個工地和裸地地塊進行現(xiàn)場查驗，結果顯示，衛(wèi)星遙感對工地和裸地的判讀準確率為98.6%，對地塊是否采取防塵網覆蓋的判讀準確率為 97.4%，已達到業(yè)務化應用要求。

2.3 揚塵源揚塵排放量估算

基于已掌握的揚塵源數量、面積、位置等時空信息，應用排放因子法進行區(qū)域工地和裸地揚塵排放量估算。排放因子是指標準條件下某類污染源污染物排放量的代表值，主要用于定量表述污染物排放和污染情況[14]。目前，較為常用的揚塵排放量估算主要有暴露高度濃度剖面法、激光雷達排放因子測試法、四維通量模型法、擴散模型法(Fugitive Dust Model，F(xiàn)DM)、大氣擴散模型法(AMS/EPA Regulatory Model，AERMOD)等[15]，依據上述方法，國內外機構和學者先后公布了一批揚塵排放因子研究結果，見表2。

表2 國內外施工揚塵排放因子比較 g/(m2·d)

由表2可見，不同地區(qū)、學者、方法所獲取的施工揚塵排放因子具有一定差異，常以總懸浮顆粒物(TSP)或可吸入顆粒物(PM10)作為主要指標，細顆粒物(PM2.5)的排放因子可通過三者間的經驗關系加以計算，如北京市的研究結果顯示，PM2.5、PM10和TSP的排放因子比值為0.29∶0.53∶1[16]；另一方面，美國加州空氣資源委員會、首都師范大學和北京環(huán)境科學研究院的研究結論表明，采取不同管控措施的揚塵源，其排放因子也有所不同，有效管控場景下的揚塵排放因子約為無管控場景下的一半[21]。綜合以上研究，設定工地和裸地2類揚塵源排放因子相同，但對不同管控條件下的排放因子加以區(qū)分，同時結合揚塵源的面積和存在時間，實現(xiàn)區(qū)域揚塵排放量的大致估算。

3 結果分析

3.1 江蘇省揚塵源的李度變化

江蘇省2020年13個設區(qū)市主城區(qū)1—4季度揚塵源空間分布見圖1(a)—(d)，數量與面積統(tǒng)計見表3。

表3 2020年江蘇省13個設區(qū)市主城區(qū)1—4季度揚塵源數量與面積統(tǒng)計

由表3可見，1—4季度全省面積>1×104m2的工地和裸地的揚塵源數量分別為1 148，1 320，1 506 和1 760個，總面積分別為98.09，110.02，117.19和162.53 km2，揚塵源數量和面積呈季度上升趨勢。與第1季度相比，第4季度的揚塵源數量和面積分別增加了53.3%和65.7%。其主要原因在于2020年第1季度受春節(jié)假期、新冠疫情雙重影響，在建和待建項目相對較少，之后隨著國內疫情形勢逐步得到控制，工程建設項目回歸常態(tài)，揚塵源數量和面積也迅速回升。全省13個設區(qū)市中，南京市工地和裸地的揚塵源數量及面積均排在首位，面積均值占到全省的24%，超出第2名徐州市近1倍，是最后一名泰州市的7倍左右。

3.2 工地和裸地揚塵管控與排放評估

綜合衛(wèi)星遙感和無人機現(xiàn)場監(jiān)測結果，對江蘇省各設區(qū)市工地和裸地揚塵源管控情況進行分析評價。為便于統(tǒng)計，將防塵網覆蓋情況作為主要分類指標，當工地和裸地非施工作業(yè)區(qū)域采用防塵網覆蓋且面積比例>50%時，視為有效管控；當工地和裸地非施工作業(yè)區(qū)域未采用防塵網覆蓋或面積比例<50%時，視為管控不力；將有效管控工地和裸地數量占區(qū)域總數的比例定義為防塵到位率。在此基礎上，采用排放因子法估算揚塵排放量，主要參考徐謙[18]在北京市的研究結果，同時考慮管控程度對排放因子的影響，將有效管控條件下排放因子設定為管控不力時的1/2，則管控不力條件下TSP、PM10、PM2.5排放因子分別為16.400，8.667，4.767 g/(m2·d)，有效管控條件下TSP、PM10、PM2.5排放因子分別為8.200，4.334，2.384 g/(m2·d)。計算公式見式(1)—(3)。

TSP江蘇=A×S×D+A′×S′×D

(1)

PM10江蘇=B×S×D+B′×S′×D

(2)

PM2.5江蘇=C×S×D+C′×S′×D

(3)

式中：TSP江蘇——江蘇省TSP排放估算量；PM10江蘇——江蘇省PM10排放估算量；PM2.5江蘇——江蘇省PM2.5排放估算量；A——管控不力情況下TSP排放因子；A′——有效管控情況下TSP排放因子；B——管控不力情況下PM10排放因子；B′——有效管控情況下PM10排放因子；C——管控不力情況下PM2.5排放因子；C′——有效管控情況下PM2.5排放因子；S——管控不力的揚塵源地塊面積；S′——有效管控的揚塵源地塊面積；D——揚塵源地塊存在天數。

按照上述測算，2020年江蘇省13個設區(qū)市主城區(qū)防塵到位率和揚塵排放量情況見表4。

表4 2020年1—4季度江蘇省13個設區(qū)市主城區(qū)防塵到位率和揚塵排放量統(tǒng)計

由表4可見，2020年江蘇省對于工地和裸地揚塵源采取了較為嚴格的管控措施，全省防塵到位率均值達到了82%。從季度變化情況來看，1、4季度防塵到位率普遍高于2、3季度，分析其原因主要有：(1)在春節(jié)、疫情雙重影響下，1季度工地普遍處于停工待建狀態(tài)；(2)下半年臭氧取代顆粒物成為主要大氣污染物，管控側重點發(fā)生轉移；(3)4季度面臨環(huán)境質量年度考核壓力，各級政府和生態(tài)環(huán)境主管部門對于揚塵監(jiān)管、治理的力度大幅提升。從各設區(qū)市情況來看，南京市管控力度最強，防塵到位率均值為89%，鎮(zhèn)江市管控力度最弱，防塵到位率僅66%。從揚塵排放量的估算結果來看，江蘇省2020年全年TSP、PM10和PM2.5揚塵排放量分別為4.42×105，2.33×105，1.28×105t；南京市受限于揚塵源的規(guī)模體量，排放總量仍為全省最高。值得注意的是，南通、宿遷兩市的揚塵排放量排名與揚塵面積排名相比發(fā)生了變化，遙感監(jiān)測結果顯示，南通市揚塵地塊面積均值為6.02 km2，位列第9，與第10名宿遷市5.70 km2的面積相比，多了0.32 km2。但因為南通市揚塵管控力度更大，防塵到位率較宿遷高出4個百分點，所以體現(xiàn)到揚塵實際排放量方面反而要低于宿遷市。

3.3 工地和裸地揚塵管控成效分析

為進一步定量化評估管控措施對于工地和裸地揚塵源的治理成效，采用情景設定的方式分別計算2020年江蘇省、南京市2個區(qū)域在無管控情景下的工地和裸地揚塵排放狀況，以TSP年排放量為例，計算公式見式(4)—(5)。

TSP江蘇MAX=A×(S+S′)×D

(4)

(5)

根據計算，在完全無管控的情景下，2020年江蘇省工地和裸地揚塵源的理論最大排放量可達7.31×105t，但因為地方政府特別是生態(tài)環(huán)境主管部門的影響，全省約有82%的揚塵源采取了必要的防塵措施，使得2020年全省實際揚塵排放量約為4.22×105t，與理論最大排放量相比減少了2.89×105t，減少了65.4%。南京市方面，雖然其工地和裸地揚塵源數量及面積均排在首位，面積均值占到全省的24%，理論最大排放量為1.76×105t，但因其管控嚴格，防塵到位率達89%，實際揚塵排放量僅為1.03×105t，有效減排量為7.3×104t，減少了70.9%；2020年該市PM10年均質量濃度為56 μg/m3，排名全省前5，PM2.5年均質量濃度為31μg/m3，排名全省最優(yōu)[22]，管控成效十分顯著。

4 結論

(1)應用中高分辨率衛(wèi)星遙感影像、無人機現(xiàn)場核查數據，通過支持向量機結合人機交互判讀的方式解譯了2020年1—4季度江蘇省13個設區(qū)市主城區(qū)工地和裸地揚塵源空間分布數量、面積、經緯度及防塵網覆蓋情況，精度優(yōu)于95%，達到業(yè)務化應用要求。

(2)遙感監(jiān)測結果顯示，2020年江蘇省工地和裸地揚塵源數量、面積隨時間變化同步上升，至4季度總數達1 760個，總面積162.53 km2，較1季度分別上升了53.3%和65.7%，但總體管控情況較好，全省防塵到位率為82%。各設區(qū)市中，南京市工地和裸地揚塵源數量及面積均排在首位，但管控力度最大，約89%的揚塵源采取了較為有效的防塵措施。

(3)采用排放因子法對2020年江蘇省工地和裸地揚塵源揚塵排放量進行了估算，全年TSP、PM10和PM2.5揚塵排放量分別為4.42×105，2.33×105，1.28×105t。與完全無管控的理論最大排放值相比，TSP有效減排量為2.89×105t，減少了65.4%；同期南京市TSP減排量為7.3×104t，管控成效明顯。

(4)目前，排放因子法估算的顆粒物排放量可有效反映管控成效，但在評估氣象條件(大氣降水)、人工噴淋對揚塵排放抑制的貢獻量并予以扣減方面還值得深入探討，可以作為后續(xù)進一步研究的方向。