基于遙感影像的北京市裸土地表面積變化對比研究

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害性天氣現象，其形成與近地面層的靜風、逆溫等氣象條件以及各類污染物的多源排放密切相關。裸土地表是起沙、起塵和礦物氣溶膠顆粒的重要來源。本文通過遙感影像解譯和測定，揭示了北京市城區裸土地表的時空分布。2007—2012年，北京市裸土地表增長劇烈。2012年六環以內裸土地塊數為1 351塊，為2007年的3.8倍；2012年六環以內裸土地表面積總計為179 km2，為2007年的5.3倍。北京市裸土地表的快速增加勢必導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與霧霾天氣愈發嚴重趨勢的一致性。

關鍵詞 裸土地表面積；遙感影像；對比；北京市

中圖分類號 X513；F301.24 文獻標識碼 A 文章編號 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

近年我國東部地區霧霾發生的頻率、強度和范圍呈不斷增加的趨勢[1]，有持續性和頻發性的特點，對較大范圍的大氣環境造成嚴重影響[2]，城市人口密集區大氣質量的惡化十分突出，引起了社會各界的高度關注[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害性天氣現象，其形成與近地面層的靜風、逆溫等氣象條件以及各類污染物的多源排放密切相關[4]。

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

2012年9月啟動的“大氣灰霾追因與控制”戰略性先導科技專項相關研究表明，北京地區PM2.5來源解析中，機動車占25%，燃煤占19%，二者相加為44%，外來顆粒物的輸送為19%，其余為本地揚塵、工業煙塵及餐飲等。考慮到近年來城市建設的快速發展，北京城區存在大量新增的或正在施工的裸土地表，在劇烈的機械擾動和大風天氣下均會產生揚塵并成為霧霾污染的直接塵源[12]。因此，查清城區和郊區裸土地表的時空變化，揭示近源粉塵釋放通量與分布格局，對于有效抑制粉塵釋放、實施防塵治塵工程具有借鑒意義[13-14]。endprint

通過遙感解譯，本研究測量了北京市區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性。

1 數據來源與研究方法

本文的分析利用Google Earth上的北京市不同時期的高清遙感影像數據和面積測量工具完成。經實地驗證，高清遙感影像具有較高的分辨率，人工可以清晰識別出建筑工地裸土地表（圖1）。北京地區有多期高清遙感影像數據，選取2007年8月2日及2012年10月28日的圖像作為測量依據。本文使用的測量工具，對長度的測量誤差<0.5%，對面積的測量誤差<1.0%。

通過人工識別，在2012年的影像上，共識別出六環以內的裸土地塊1 351塊；在2007年的影像上，共識別出六環以內的裸土地塊358塊。在影像上逐一圈出并標記各裸土地塊，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據及粉塵釋放通量估算通過Excel軟件進行統計和分析。

2 結果與分析

由分析結果可知，從二環到六環，裸土地表塊數呈向外增加趨勢，裸土地表的面積也有大幅度的增加（圖3、4）。2012年六環以內裸土地塊數為1 351塊，為2007年的3.8倍。2012年，北京市六環以內的裸土地表面積總計為179 km2，占土地總面積的7.9%。相比之下，2007年六環以內的裸土地表總面積僅為34 km2，占土地總面積的1.5%。2012年六環以內的裸土地表面積為2007年的5.3倍，呈現出快速增長的過程。

由圖4可以看出，裸土地表總面積從二環到六環急劇增加，從二環內的123.1 hm2到五、六環之間的13 019.9 hm2。三、四環之間的裸土地表面積1 122.1 hm2約達到了二環內的10倍，五、六環之間的裸土地表面積約達到了二環內面積的100倍。從市中心開始，裸土地表面積逐漸增加，越接近郊區，裸土地表面積增加越快。

裸土地塊平均面積從二環到六環也呈增加趨勢。六環以內單塊裸土地表平均面積為13.24 hm2，二環內的裸土地塊平均面積為0.98 hm2，五、六環之間的裸土地塊平均面積為26.46 hm2（圖5）。

圖6反映了2012年北京市各環路間裸土地表面積占土地總面積的占百分比。從二環到五環呈增加趨勢。六環以內裸土地表面積占土地總面積的7.9%；二環內比例最小，為2.05%；二環到三環為3.17%；三環到六環比例較高，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率為1.4%。五至六環間裸土地表面積增長幅度最大，裸土地表面積5年凈增近6倍（圖7）。

3 結論與討論

北京市裸土地表的快速增加勢必導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與霧霾天氣愈發嚴重趨勢的一致性。另外，已有研究表明，我國西北荒漠區地表的侵蝕速率為1 mm/年，在機械擾動條件下可達到20 mm/年以上。北京市各種裸土地表的人為活動和機械擾動劇烈，表土的結構破壞和破碎細化可導致各種風況條件下裸土地表粉塵產率的增加。如果考慮人為防護措施可抑制50%的粉塵釋放，以平均10 mm/年的風蝕速率估算，即平均釋塵量2萬t/km2，那么，北京市內裸土地表年均起塵總量可達358萬t。大量的塵土釋放到空氣中，對霧霾的形成產生較大影響。過去主要對強風條件下裸土地表粉塵釋放過程開展了試驗和觀測研究，而霧霾和塵霾一般發生在無風或弱風條件下，在人為活動和機械擾動下裸土地表的粉塵形成機制顯得更加重要。

4 參考文獻

[1] 孔鋒，呂麗莉，方建，等.中國空氣污染指數時空分布特征及其變化趨勢（2001—2015）[J].災害學，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].中國科學院院刊，2013，28（3）：353-363.

[3] 孔鋒，代光爍，李曼，等.中國不同歷時霾日數時空變化特征及其與城鎮化和風速的關聯性研究（1961—2015）[J].災害學，2017，32（3）：63-70.

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

[5] 孔鋒，呂麗莉，方建，等.不同時間角度下的中國霾日數時空變化格局研究（1961—2015年）[J].華中師范大學學報（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空格局變化及其影響因素研究進展和展望[J].災害學，2017，32（2）：165-174.

[7] 趙秀娟，蒲維維，孟偉，等.北京地區秋季霧霾天PM2.5污染與氣溶膠光學特征分析[J].環境科學，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].華北電力大學學報（社會科學版），2012（2）：12-16.

[9] 潘本鋒，汪巍，李亮，等.我國大中型城市秋冬季節霧霾天氣污染特征與成因分析[J].環境與持續發展，2013（1）：33-36.

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

[11] 孔鋒，李夢婕，呂麗莉，等.土地利用變化對農業旱災影響研究進展與展望[J].干旱區研究，2017，34（5）：86-96.

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

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

[14] 邱永紅，譚永忠，周國華.一種遙感影像裸土地特征增強方法[J].計算機工程與應用，2012，48（32）：196-199.endprint