北京市建筑施工裸地的空间分布及扬尘效应

徐 谦，李令军，赵文慧，姜 磊

北京市环境保护监测中心，北京 100048

当前，大气颗粒物是影响中国环境空气质量的重要污染物［1-4］。研究表明，颗粒物开放源类是城市颗粒物污染的主要来源，土壤尘、道路尘、水泥尘等地壳源类对中国城市大气PM10的总贡献达到50%左右，最高可达70%［5-6］。随着快速的城市化和高强度的城市改造，建筑施工裸地的扬尘已经成为城市大气颗粒物的重要来源之一［7-9］;同时，建筑施工过程中排放的颗粒物对工人及周边居民都有一定的健康危害［10］，因此加强建筑施工裸地的扬尘效应研究具有重要的现实意义［11-12］。

近年来受大规模城市建设影响，北京也出现了较严重的扬尘颗粒物污染［13-14］，Cheng等利用污染预报模型测算出2002年北京施工扬尘对PM10浓度的贡献率为 10.7%［15］;监测结果显示2014年北京PM2.5本地污染源中，机动车、燃煤、工业生产、扬尘为主要来源，分别占 31.1%、22.4%、18.1% 和 14.3%［16］，扬尘贡献不 可忽视。

建筑扬尘排放以定点仪器监测形式为主，这种方式具有较高的时间分辨率，并且可以较精确地获取不同裸地的扬尘排放情况，但需要较多的人员参与，费时费力，难以全面展现大范围的污染源状况及分布特征，不利于大气环境质量及其污染来源的宏观分析。随着遥感技术的快速发展，利用高分辨率遥感影像提取污染面源的数量与分布，结合排放因子估算污染排放，不仅可以提高环境统计的精度，同时也能更客观反映和解释大尺度的环境污染特征［17］。

研究基于高分辨率遥感数据，利用目视解译获取建筑施工裸地的空间范围和面积分布，结合建筑施工裸地的排放因子，在空间上定量获取建筑施工裸地扬尘排放。这在北京乃至国内也是首次尝试，将为环境统计提供新的技术手段，并为污染监管提供数据支持。

1 研究区和数据

1.1 研究区域

作为京津冀地区的主要核心城市之一，北京的规划市区面积不断增加。1960年代—1970年代，规划市区面积为440 km2;1980年代已扩大到760 km2，至2000年已达到1 040 km2;《2004年北京城市总体规划(2004年—2020年)》将中心城范围在2000年总体规划市区基础上又增加了回龙观与北苑北等区域，面积扩至1 085 km2。规划市区面积的增加，一定程度上诠释了北京城市快速扩张的过程。近年来，北京建筑施工面积每年都保持在1亿平方米以上，这些建筑工地主要分布于北京市的平原地区。因此，笔者对北京市平原区建筑施工裸地的空间分布及其扬尘效应进行了深入剖析。

1.2 数据源

遥感监测主要采用2012年8—10月北京市平原区Quick-Bird卫星影像，参考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谱和全色数据都以国家标准航片为基础地图进行几何精校正。平原地区多光谱数据精度纠正误差不超过0.5个像元，全色数据精度纠正误差在1个像元以内。同时保证进行融合处理的多光谱和全色影像数据相互匹配误差不超过1个像元。平原区建筑裸地监测满足1∶10 000比例尺要求，满足1∶10 000比例尺下视觉无偏差，图斑属性及边界精度达90%以上;对建筑施工裸地面源进行解译和识别，其中最小上图面积为800 m2，生产比例尺为1∶6 000 ～1∶7 000，检查比例尺满足1∶10 000条件下边界没有明显差错。

2 遥感解译与数据处理

2.1 建筑施工裸地提取

根据建筑施工裸地变化的实际情况，将2012年建筑施工裸地分为拆迁平整阶段、土石方阶段、主体施工阶段、主体完工未绿化阶段和城区其他裸地5种状态(表1)。并在解译标识的指导下，采用人机交互解译，提取得到5种建筑施工裸地斑块。

精度评估中，分为外业精度评估与内业精度审核。外业精度评估中，针对北京市建筑施工裸地的特点，主要从图斑误判方面来检验。在确定获取误判率的方法的过程中，为了保证检验的客观性与准确度，外业调查图斑选取主要基于2个原则:①覆盖所有地类;②尽可能多的涉及不确定图斑。

表1 建筑施工裸地分类体系

针对北京市建筑裸地的特点并根据各区县地理分布特征，建立一条有代表性的调查样线，对调查结果进行对比，计算误判率。误判率的计算公式为

式中:PE为误判率;NE为样线调查中各区县误判小斑数;Nn为样线调查中各区县小斑总数。

北京市建筑裸地核查范围覆盖全市16个区县，共选取100个核查点位，拍摄395幅数码照片;整个抽样路线一共涉及100个点，误判率为2%，漏判率为0。内业核查中，对建筑裸地成果图斑进行随机抽样，抽样率为5%(95%的置信区间)，分别对成果图斑的属性精度、边界精度进行检验，总体精度为95.3%。具体结果见表2。

表2 抽样精度评估表

2012年北京市全社会房屋建筑施工面积为20 045.4万平方米［18］，遥感解译得到的建设施工裸地面积为14 077万平方米。两者主要体现了总建筑面积与裸地面积的差异，两者的比值即为容积率。2008年颁布的《北京市城市建设节约用地标准(试行)》中规定了不同类型建筑用地的容积率，主要居住用地一般要求在1.6以上，工业用地在0.8～2.5之间。建筑面积统计数据与遥感结果的比值基本是容积率的平均情况。此外，因长期未开工导致长草的建设区，遥感解译作为非建设裸地处理，而在统计年鉴中依然会把这部分面积统计在内，这也是导致遥感解译面积小于统计数据的一个原因。

2.2 建筑施工裸地扬尘排放因子

排放因子是用于定量估算某类污染源污染物排放量的代表性值，为单位时间、单位距离、单位体积等情况下的污染物排放量，可定量表述污染物的排放和污染情况［19］。国内有2种施工扬尘排放因子研究方法，分别是赵普生等［19］的Flux—FDM 法和田刚等［20］、黄玉虎等［21］的四维通量法模型。田刚等［20］在北京多站点监测所获取的数据，利用四维通量法模型得到的北京市TSP的施工排放因子，并根据其他学者研究获取的TSP、PM10与 PM2.5的比例关系［22-23］(PM2.5/PM10和PM2.5/TSP的平均值分别为55%和29%)，分别得到相应的排放因子为 0.492、0.26、0.143 kg/(m2·30 d－1)，该研究采用该类排放因子测算扬尘排放量。

同时，了解施工扬尘空间扩散规律，对于计算施工扬尘排放量和制定扬尘控制措施具有重要的意义。目前，未见国外相关报道，国内仅有田刚等［24］学者的相关研究。为了能更好地从空间上分析建筑施工裸地中不同污染物排放量的分布特征，在基于排放因子计算出每一个裸地斑块TSP、PM10、PM2.5排放量的基础上，对斑块提取几何中心点，分别对3类颗粒物采用普通克里格方法进行空间插值，得到2012年北京市平原区建筑施工裸地上颗粒物(TSP、PM10、PM2.5)排放强度的空间分布图(为了提高插值精度，将延庆地区单独进行插值计算)。

3 主要结果

3.1 北京市建筑施工裸地的空间分布

3.1.1 北京市平原区

利用高分遥感影像数据提取了北京市建筑施工裸地斑块，具体结果见图1和表3。

图1 北京市2012年建筑施工裸地分布图

表3 北京市2012年各区县建筑施工裸地斑块统计

由表3可见，2012年北京市平原区建筑施工裸地面积总共为140.77 km2，占全市总面积的0.86%，占平原区面积的2.00%。平原区建筑施工裸地斑块数总量为3 441个，平均斑块面积为0.06 km2。从全市的空间分布情况看，城市拓展区和发展新区集中了大部分施工裸地;从施工阶段看，远郊的密云、怀柔、平谷、延庆等区县土石方、主体施工比重较大，海淀、朝阳、通州、顺义、昌平等区目前正有大片土地处于拆迁平整阶段，施工期将较长，对空气污染的影响也将持续较长时间。北京市平原区建筑施工裸地主要分布在朝阳区、大兴区(包括亦庄)、昌平区、海淀区和丰台区，分 别 为 22.29、20.40、18.00、14.34、13.74 km2。以上区县基本位于城市核心区向外拓展的城乡过渡带上，是近年北京城市建设的集中区域。同时，石景山区土石方和主体施工2阶段占建筑施工裸地总面积50%以上(图2、图3)。

图2 各区县不同施工阶段裸地面积

图3 2012年各功能区建筑施工裸地分布图

由图2、图3可见，各区县中，朝阳区的建筑施工用地面积最大，为22.29 km2，其次是大兴、昌平、海淀、顺义等区县;核心区的东城区、西城区城市建设已较完善，可供开发的土地非常有限;而密云、怀柔、延庆作为生态涵养区城市开发建设受到限制。同时总建筑施工裸地统计中，比例较大的是处于主体施工阶段和土石方阶段，其次是完工未绿化的裸地，而拆迁平整阶段的裸地在不同区县面积所占比例有高有低，海淀、朝阳的比例较高，东城区比例最低。

3.1.2 各功能区差异

将各功能区的建筑施工裸地面积统计后，计算得到各功能区裸地面积占本区平原面积的比例:城市功能拓展区的裸地面积比例最高，达到17.49%，这与近几年城市的扩张关系较为密切;其次，生态涵养发展区和城市发展新区的裸地比例也较高，分别为10.60%、8.54%，生态涵养发展区的比例较高是由于门头沟的裸地面积比例较高，这与门头沟区的平原面积较小而城市扩张较快有关。各功能区中建筑施工裸地斑块数量最多的是城市发展新区，为1 570块，其次是城市功能拓展区，为1 368块，它们相对应的斑块面积也是最高的，城市功能核心区的裸地斑块数量最少，这也与城市核心区开发较为完善有关(图4、表4)。

图4 各功能区不同施工阶段裸地面积

表4 各功能区建筑施工裸地斑块统计

3.2 北京市建筑施工裸地扬尘空间分布

3.2.1 北京市及各功能区扬尘排放量

全市 TSP、PM10和 PM2.5的排放量分别是31.53、16.66、9.16万吨。无论是哪种颗粒物的排放量，在城市发展新区与城市功能拓展区中均有较高的份额，2区合计达到85%以上，生态涵养发展区、城市功能核心区的排放量则普遍较小。朝阳区的扬尘排放量最高;其次是房地产开发较多的大兴区和昌平区，其中大兴区北臧村镇天宫院存在大片平整裸露土地，昌平区新增建筑施工裸地中拆迁工地居多，最大的一块拆迁地为沙河地区南一村，造成了较为严重的扬尘污染(表5)。

表5 2012年各区县扬尘排放量 t

3.2.2 不同污染物的空间分布差异

2012年北京市平原区建筑施工裸地3种颗粒物的排放强度在三环内均较低(除了PM2.5在西城区有一小块排放强度较高的区域外)，三环-五环之间最高，并形成围绕城市核心区的环状分布(图5)。

图5 平原区建筑施工裸地PM2.5、PM10、TSP排放强度空间分布图

4 结论

1)利用高分辨率卫星数据遥感解译了北京市平原区建筑施工裸地的空间分布格局，并以此为基础，结合建筑施工裸地污染排放因子，定量测算了2012年北京市建筑施工裸地的扬尘效应;该项工作为建筑施工扬尘测算开辟了新的研究思路。

2)遥感解译结果显示，2012年北京市平原区建筑施工裸地面积总计为140.77 km2，其中处于主体施工阶段的裸地面积最大，其次为土石方阶段，这2个施工阶段对沙尘污染贡献较大，应予以重视。

3)从全市空间分布情况看，建筑施工裸地主要分布在城市拓展区和发展新区，以朝阳区、大兴区、昌平区、海淀区和丰台区等区县最为集中，该区域位于城市核心区向外拓展的城乡过渡带上，是近年来北京城市建设的集中区域。

4)2012年北京市平原区建筑施工裸地TSP、PM10和 PM2.5的 排 放 量 分 别 是 31.53、16.66、9.16万吨，其中以城市发展新区与城市功能拓展区排放最显著，生态涵养发展区的排放量相对较小。

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