基于遙感影像的北京市裸土地表面積變化對(duì)比研究

孔鋒+王一飛+呂麗莉

摘要 霧霾是由大氣顆粒物等與霧天遭遇所形成的一種大范圍災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，其形成與近地面層的靜風(fēng)、逆溫等氣象條件以及各類污染物的多源排放密切相關(guān)。裸土地表是起沙、起塵和礦物氣溶膠顆粒的重要來(lái)源。本文通過(guò)遙感影像解譯和測(cè)定，揭示了北京市城區(qū)裸土地表的時(shí)空分布。2007—2012年，北京市裸土地表增長(zhǎng)劇烈。2012年六環(huán)以內(nèi)裸土地塊數(shù)為1 351塊，為2007年的3.8倍；2012年六環(huán)以內(nèi)裸土地表面積總計(jì)為179 km2，為2007年的5.3倍。北京市裸土地表的快速增加勢(shì)必導(dǎo)致地表粉塵顆粒物釋放量的顯著增加，這在一定程度上反映了本文揭示的裸土地表面積快速增長(zhǎng)與霧霾天氣愈發(fā)嚴(yán)重趨勢(shì)的一致性。

關(guān)鍵詞 裸土地表面積；遙感影像；對(duì)比；北京市

中圖分類號(hào) X513；F301.24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）02-0234-03

Comparative Study on Bare Land Area Change in Beijing City Based on Remote Sensing Images

KONG Feng 1，2 WANG Yi-fei 1 LV Li-li 1，2

（1 China Meteorological Administration Training Center，Beijing 100081； 2 China Meteorological Administration Development Research Center）

Abstract Haze is a large range of disastrous weather phenomenon caused by atmospheric particles and fog，the formation are closely related to weather conditions，such as surface layer temperature inversion，static wind，etc. and multisource emissions of various kinds of pollutants. Bare land is an important source of sand dust and mineral aerosol particles. Through remote sensing image interpretation and determination，the temporal and spatial distribution of bare land in urban area of Beijing City was revealed. From 2007 to 2012，the bare land in Beijing City was growing violently. In 2012，the number of bare land within Sixth Ring Road was 1 351，which was 3.8 times as much as in 2007；the surface area of bare land within Sixth Ring Road in 2012 amounted to 179 km2，which was 5.3 times as much as in 2007. The rapid increase of bare land surface would cause a significant increase of the release amount of dust particles in Beijing City，which reflected the consistency of the rapid growth of bare land surface area and the increasingly serious haze trend to a certain extent.

Key words bare land area；remote sensing image；comparison；Beijing City

近年我國(guó)東部地區(qū)霧霾發(fā)生的頻率、強(qiáng)度和范圍呈不斷增加的趨勢(shì)[1]，有持續(xù)性和頻發(fā)性的特點(diǎn)，對(duì)較大范圍的大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響[2]，城市人口密集區(qū)大氣質(zhì)量的惡化十分突出，引起了社會(huì)各界的高度關(guān)注[3]。霧霾是由大氣顆粒物等與霧天遭遇所形成的一種大范圍災(zāi)害性天氣現(xiàn)象，其形成與近地面層的靜風(fēng)、逆溫等氣象條件以及各類污染物的多源排放密切相關(guān)[4]。

霾在氣象學(xué)中被定義為“大量極細(xì)微的干塵粒等均勻地浮游在空中，使水平能見(jiàn)度小于10 km的空氣普遍混濁現(xiàn)象”[5]。霾的本質(zhì)是大氣中PM2.5濃度超標(biāo)，PM2.5的消光作用很強(qiáng)，當(dāng)PM2.5濃度顯著上升時(shí)，大氣能見(jiàn)度隨之顯著下降[6]。當(dāng)能見(jiàn)度低于10 km時(shí)就形成“霾”[7]。過(guò)去，氣溶膠粒子主要源于自然過(guò)程，由沙塵天氣過(guò)程產(chǎn)生的荒漠“塵霾”是大氣環(huán)境惡化的主要形式，我國(guó)北方的大氣重度污染事件多與沙塵暴事件密切相關(guān)[8]。隨著人類活動(dòng)的加劇和快速城市化進(jìn)程，這一現(xiàn)象出現(xiàn)了顯著變化，霧霾常常發(fā)生在靜風(fēng)或弱風(fēng)天氣條件下，意味著由人為活動(dòng)排放的近源大氣氣溶膠顯著增加[9-11]。

2012年9月啟動(dòng)的“大氣灰霾追因與控制”戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)相關(guān)研究表明，北京地區(qū)PM2.5來(lái)源解析中，機(jī)動(dòng)車占25%，燃煤占19%，二者相加為44%，外來(lái)顆粒物的輸送為19%，其余為本地?fù)P塵、工業(yè)煙塵及餐飲等?？紤]到近年來(lái)城市建設(shè)的快速發(fā)展，北京城區(qū)存在大量新增的或正在施工的裸土地表，在劇烈的機(jī)械擾動(dòng)和大風(fēng)天氣下均會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵并成為霧霾污染的直接塵源[12]。因此，查清城區(qū)和郊區(qū)裸土地表的時(shí)空變化，揭示近源粉塵釋放通量與分布格局，對(duì)于有效抑制粉塵釋放、實(shí)施防塵治塵工程具有借鑒意義[13-14]。endprint

通過(guò)遙感解譯，本研究測(cè)量了北京市區(qū)2007年和2012年裸土地表的面積變化，估算了裸土地表的起塵量，并試圖探討裸土地表起塵與霧霾污染的相關(guān)性。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文的分析利用Google Earth上的北京市不同時(shí)期的高清遙感影像數(shù)據(jù)和面積測(cè)量工具完成。經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證，高清遙感影像具有較高的分辨率，人工可以清晰識(shí)別出建筑工地裸土地表（圖1）。北京地區(qū)有多期高清遙感影像數(shù)據(jù)，選取2007年8月2日及2012年10月28日的圖像作為測(cè)量依據(jù)。本文使用的測(cè)量工具，對(duì)長(zhǎng)度的測(cè)量誤差<0.5%，對(duì)面積的測(cè)量誤差<1.0%。

通過(guò)人工識(shí)別，在2012年的影像上，共識(shí)別出六環(huán)以內(nèi)的裸土地塊1 351塊；在2007年的影像上，共識(shí)別出六環(huán)以內(nèi)的裸土地塊358塊。在影像上逐一圈出并標(biāo)記各裸土地塊，分別繪制出北京市2007年和2012年的裸土地表分布圖（圖2）。各裸土地塊的面積數(shù)據(jù)及粉塵釋放通量估算通過(guò)Excel軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

由分析結(jié)果可知，從二環(huán)到六環(huán)，裸土地表塊數(shù)呈向外增加趨勢(shì)，裸土地表的面積也有大幅度的增加（圖3、4）。2012年六環(huán)以內(nèi)裸土地塊數(shù)為1 351塊，為2007年的3.8倍。2012年，北京市六環(huán)以內(nèi)的裸土地表面積總計(jì)為179 km2，占土地總面積的7.9%。相比之下，2007年六環(huán)以內(nèi)的裸土地表總面積僅為34 km2，占土地總面積的1.5%。2012年六環(huán)以內(nèi)的裸土地表面積為2007年的5.3倍，呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的過(guò)程。

由圖4可以看出，裸土地表總面積從二環(huán)到六環(huán)急劇增加，從二環(huán)內(nèi)的123.1 hm2到五、六環(huán)之間的13 019.9 hm2。三、四環(huán)之間的裸土地表面積1 122.1 hm2約達(dá)到了二環(huán)內(nèi)的10倍，五、六環(huán)之間的裸土地表面積約達(dá)到了二環(huán)內(nèi)面積的100倍。從市中心開(kāi)始，裸土地表面積逐漸增加，越接近郊區(qū)，裸土地表面積增加越快。

裸土地塊平均面積從二環(huán)到六環(huán)也呈增加趨勢(shì)。六環(huán)以內(nèi)單塊裸土地表平均面積為13.24 hm2，二環(huán)內(nèi)的裸土地塊平均面積為0.98 hm2，五、六環(huán)之間的裸土地塊平均面積為26.46 hm2（圖5）。

圖6反映了2012年北京市各環(huán)路間裸土地表面積占土地總面積的占百分比。從二環(huán)到五環(huán)呈增加趨勢(shì)。六環(huán)以內(nèi)裸土地表面積占土地總面積的7.9%；二環(huán)內(nèi)比例最小，為2.05%；二環(huán)到三環(huán)為3.17%；三環(huán)到六環(huán)比例較高，在7.82%～9.09%之間。

2007—2012年，北京市裸土地表面積每年平均增長(zhǎng)率為1.4%。五至六環(huán)間裸土地表面積增長(zhǎng)幅度最大，裸土地表面積5年凈增近6倍（圖7）。

3 結(jié)論與討論

北京市裸土地表的快速增加勢(shì)必導(dǎo)致地表粉塵顆粒物釋放量的顯著增加，這在一定程度上反映了本研究揭示的裸土地表面積快速增長(zhǎng)與霧霾天氣愈發(fā)嚴(yán)重趨勢(shì)的一致性。另外，已有研究表明，我國(guó)西北荒漠區(qū)地表的侵蝕速率為1 mm/年，在機(jī)械擾動(dòng)條件下可達(dá)到20 mm/年以上。北京市各種裸土地表的人為活動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)劇烈，表土的結(jié)構(gòu)破壞和破碎細(xì)化可導(dǎo)致各種風(fēng)況條件下裸土地表粉塵產(chǎn)率的增加。如果考慮人為防護(hù)措施可抑制50%的粉塵釋放，以平均10 mm/年的風(fēng)蝕速率估算，即平均釋塵量2萬(wàn)t/km2，那么，北京市內(nèi)裸土地表年均起塵總量可達(dá)358萬(wàn)t。大量的塵土釋放到空氣中，對(duì)霧霾的形成產(chǎn)生較大影響。過(guò)去主要對(duì)強(qiáng)風(fēng)條件下裸土地表粉塵釋放過(guò)程開(kāi)展了試驗(yàn)和觀測(cè)研究，而霧霾和塵霾一般發(fā)生在無(wú)風(fēng)或弱風(fēng)條件下，在人為活動(dòng)和機(jī)械擾動(dòng)下裸土地表的粉塵形成機(jī)制顯得更加重要。

4 參考文獻(xiàn)

[1] 孔鋒，呂麗莉，方建，等.中國(guó)空氣污染指數(shù)時(shí)空分布特征及其變化趨勢(shì)（2001—2015）[J].災(zāi)害學(xué)，2017，32（2）：117-123.

[2] 王躍思，姚利，劉子銳，等.京津冀大氣霾污染及控制策略思考[J].中國(guó)科學(xué)院院刊，2013，28（3）：353-363.

[3] 孔鋒，代光爍，李曼，等.中國(guó)不同歷時(shí)霾日數(shù)時(shí)空變化特征及其與城鎮(zhèn)化和風(fēng)速的關(guān)聯(lián)性研究（1961—2015）[J].災(zāi)害學(xué)，2017，32（3）：63-70.

[4] 張小曳，孫俊英，王亞強(qiáng)，等.我國(guó)霧-霾成因及其治理的思考[J].科學(xué)通報(bào)，2013，58（13）：1178-1187.

[5] 孔鋒，呂麗莉，方建，等.不同時(shí)間角度下的中國(guó)霾日數(shù)時(shí)空變化格局研究（1961—2015年）[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2017，51（3）：370-377.

[6] 孔鋒，史培軍，方建，等.全球變化背景下極端降水時(shí)空格局變化及其影響因素研究進(jìn)展和展望[J].災(zāi)害學(xué)，2017，32（2）：165-174.

[7] 趙秀娟，蒲維維，孟偉，等.北京地區(qū)秋季霧霾天PM2.5污染與氣溶膠光學(xué)特征分析[J].環(huán)境科學(xué)，2013，34（2）：416-423.

[8] 周濤，汝小龍.北京市霧霾天氣成因及治理措施研究[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2012（2）：12-16.

[9] 潘本鋒，汪巍，李亮，等.我國(guó)大中型城市秋冬季節(jié)霧霾天氣污染特征與成因分析[J].環(huán)境與持續(xù)發(fā)展，2013（1）：33-36.

[10] 孔鋒，呂麗莉，方建.1991—2010年中國(guó)小時(shí)暴雨時(shí)空變化格局及其與城鎮(zhèn)化因子的空間相關(guān)分析[J].氣候與環(huán)境研究，2017，22（3）：355-364.

[11] 孔鋒，李夢(mèng)婕，呂麗莉，等.土地利用變化對(duì)農(nóng)業(yè)旱災(zāi)影響研究進(jìn)展與展望[J].干旱區(qū)研究，2017，34（5）：86-96.

[12] 吳慶梅，張勝軍.一次霧霾天氣過(guò)程的污染影響因子分析[J].氣象與環(huán)境科學(xué)，2010，33（1）：12-16.

[13] 于慧敏.克拉瑪依市土地類型變化遙感監(jiān)測(cè)及成因分析[D].天津：天津師范大學(xué)，2012.

[14] 邱永紅，譚永忠，周國(guó)華.一種遙感影像裸土地特征增強(qiáng)方法[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（32）：196-199.endprint