颗粒物是影响中国城市大气环境质量的重要污染物^[1-5]，其排放源可分为固定源、移动源、开放源等^[6]。在中国快速城市化和持续性基建背景下，施工工地扬尘、裸地堆场及土壤扬尘既是大气颗粒物的主要来源，也是污染防治和环境监管的重要对象。大部分施工工地和待建裸地均位于城市主城区范围内，周边多为人口稠密区域，与大气自动监测站点位置也较为接近，对其进行长期有效的监测和监管，对于改善群众生活环境，提升区域空气质量具有重要意义。

近年来，随着航天技术的迅猛发展，利用卫星遥感作为工地和裸地扬尘源的主要监测手段已成为一种更好的选择，并在北京、天津、上海等多个城市得到了实践和验证^[7-9]。但另一方面，对于直辖市以外的省份来说，城市数量多、地域面积大，如何有效解决高空间分辨率卫星数据价格昂贵，中空间分辨率卫星精度有限的问题，成为大范围工地和裸地扬尘源遥感监测业务化应用的关键，而在现有监测基础上的扬尘排放与管控成效评估同样也是生态环境主管部门关心的重要内容。现选择中国东部沿海代表性省份江苏作为研究区域，以当前广泛应用、易于获取的卫星影像作为主要数据源，辅以无人机现场监测技术手段，以期实现对原有监测方法的改进和优化，进一步增强遥感监测的适用性，为生态环境监测部门和同类研究提供更多选择。

1 研究区概况与数据来源 1.1 研究区概况

江苏位于中国大陆东部沿海，长江、淮河下游，东临黄海，北接山东，西连安徽，东南与上海、浙江接壤；全省土地面积10.72万km²，常住人口8 000余万人，与上海、浙江共同构成的长三角城市群已成为世界级城市群之一；省域范围内，共有南京、无锡、徐州等13个设区市，95个县(市、区)^[10]。

从大气环境来看，江苏属于东亚季风气候区，四季分明、冬冷夏热、春温秋凉，季风显著、雨热同期，秋冬季以西北风为主导风向，降水相对偏少，扩散条件不利时颗粒物污染较重，夏季高温强日照时段易发臭氧污染。结合城乡建设发展规模及已有研究经验，工地和裸地多数集中在城区^[9]，因此选择江苏省13个设区市的43个主要市辖区作为主要研究区域，开展工地和裸地扬尘源遥感监测方法研究与结果分析。

1.2 数据来源 1.2.1 卫星遥感数据

针对单个城市(如直辖市)的工地和裸地扬尘源遥感监测，通常选择空间分辨率在米级左右的高空间分辨率卫星影像或航空影像作为主要数据源，但当研究区需要覆盖到省域尺度时，则需要在空间分辨率和经费投入方面做出取舍，同时还要兼顾重访周期、云覆盖等因素对监测频次的影响。因此，从“低成本、易获取、中尺度、季监测”4个方面综合考虑，优先选择欧洲航天局哨兵-2号卫星影像作为主要数据源，同时将国产高分系列卫星(GF-1、GF-2、GF-6等)作为补充数据源用于开展遥感监测分析。

哨兵-2号卫星携带多光谱成像仪(MSI)，太阳同步轨道，具有13个光谱波段，幅宽290 km，可见光波段空间分辨率10 m，2017年3月以后A、B两颗卫星组网运行，重访周期5 d，在生态环境监测方面具有重要价值^[11]。高分系列卫星是我国自主发射的对地观测系统，GF-1、GF-2、GF-6号卫星均携带全色-多光谱高分相机，太阳同步轨道，空间分辨率方面，GF-2全色为1 m、多光谱为4 m，重访周期69 d，其余卫星全色为2 m、多光谱为8 m，重访周期一般为20 d左右^[12]。上述卫星影像数据均可免费或以较低价格获取，在监测业务推广应用方面能够发挥重要作用。

卫星影像数据时间跨度为2020年1—2月，数据总量160幅，其中哨兵-2号卫星数据120幅、高分系列卫星数据40幅。

1.2.2 无人机核查数据

为弥补哨兵-2号卫星影像在空间分辨率方面的不足，采用无人机抽样现场航拍方式作为补充，无人机型号以大疆系列为主，相机型号为Z30，航拍时间一般在卫星影像过境后1个月内，数据总量约100 GB。

1.2.3 地理信息数据

利用2017版江苏省1∶10 000基础地理信息数据中的省、市、县3级矢量数据作为行政区划边界，确定江苏省13个设区市43个市辖区范围。

2 研究方法 2.1 扬尘源的初判与复核

光谱与纹理特征是遥感影像判读的两大主要依据。在哨兵-2号卫星MSI数据中，不同类型的工地和裸地扬尘源光谱与纹理信息具有一定差异，具体表现为防尘较好的扬尘源在真彩色影像中一般呈现为与防尘网颜色相近的蓝绿色，纹理相对均匀；防尘较差的工地和裸地扬尘源在真彩色影像中一般为土黄色或灰白色，但前者因为施工和内部建筑、道路大多纹理明显，后者则相对模糊。这些信息共同构成了工地和裸地扬尘源遥感监测的基本依据。

根据前期摸底调查取得的现场照片和先验知识，建立工地和裸地卫星影像解译标志和样例数据库；然后采用支持向量机(Support Vector Machine, SVM)^[13]方法进行工地和裸地2种类型扬尘源的初判，以减轻工作量、提高解译效率；再通过人机交互判读的方式进行复核，剔除误判数据，从而获得扬尘源为工地和裸地的基础信息数据，包含全省及各设区市的工地和裸地的数量、面积、空间经纬度等。扬尘源卫星影像解译标志及无人机航拍图像见表 1。

2.2 工地和裸地扬尘源现场监测

在完成工地和裸地扬尘源初判、复核与空间定位后，以同期江苏省大气国控站及江苏省大气PM_2.5网格化监测系统的监测数据为主要依据，在全省范围内选择大气质量相对较差或明显下降的区域，对站点周边面积超过1×10⁴ m²的工地和裸地扬尘情况开展无人机现场航拍监测，一是检查卫星遥感判读结果，二是查验相关地块是否采用覆网、喷淋、冲洗等防尘措施并加以记录。监测所选用的无人机为多旋翼电动无人机，使用机载可见光相机，根据工地和裸地面积选择正射摄影或侧方位俯拍。无人机飞行按照中国民航局《轻小型民用无人机飞行动态数据管理规定》进行，飞行高度一般在50~120 m。2020年，共对江苏省13个设区市578个工地和裸地地块进行现场查验，结果显示，卫星遥感对工地和裸地的判读准确率为98.6%，对地块是否采取防尘网覆盖的判读准确率为97.4%，已达到业务化应用要求。

2.3 扬尘源扬尘排放量估算

基于已掌握的扬尘源数量、面积、位置等时空信息，应用排放因子法进行区域工地和裸地扬尘排放量估算。排放因子是指标准条件下某类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况^[14]。目前，较为常用的扬尘排放量估算主要有暴露高度浓度剖面法、激光雷达排放因子测试法、四维通量模型法、扩散模型法(Fugitive Dust Model，FDM)、大气扩散模型法(AMS/EPA Regulatory Model，AERMOD)等^[15]，依据上述方法，国内外机构和学者先后公布了一批扬尘排放因子研究结果，见表 2。

由表 2可见，不同地区、学者、方法所获取的施工扬尘排放因子具有一定差异，常以总悬浮颗粒物(TSP)或可吸入颗粒物(PM₁₀)作为主要指标，细颗粒物(PM_2.5)的排放因子可通过三者间的经验关系加以计算，如北京市的研究结果显示，PM_2.5、PM₁₀和TSP的排放因子比值为0.29∶0.53∶1^[16]；另一方面，美国加州空气资源委员会、首都师范大学和北京环境科学研究院的研究结论表明，采取不同管控措施的扬尘源，其排放因子也有所不同，有效管控场景下的扬尘排放因子约为无管控场景下的一半^[21]。综合以上研究，设定工地和裸地2类扬尘源排放因子相同，但对不同管控条件下的排放因子加以区分，同时结合扬尘源的面积和存在时间，实现区域扬尘排放量的大致估算。

3 结果分析 3.1 江苏省扬尘源的李度变化

江苏省2020年13个设区市主城区1—4季度扬尘源空间分布见图 1(a)—(d)，数量与面积统计见表 3。

由表 3可见，1—4季度全省面积＞1×10⁴ m²的工地和裸地的扬尘源数量分别为1 148，1 320，1 506和1 760个，总面积分别为98.09，110.02，117.19和162.53 km²，扬尘源数量和面积呈季度上升趋势。与第1季度相比，第4季度的扬尘源数量和面积分别增加了53.3%和65.7%。其主要原因在于2020年第1季度受春节假期、新冠疫情双重影响，在建和待建项目相对较少，之后随着国内疫情形势逐步得到控制，工程建设项目回归常态，扬尘源数量和面积也迅速回升。全省13个设区市中，南京市工地和裸地的扬尘源数量及面积均排在首位，面积均值占到全省的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 工地和裸地扬尘管控与排放评估

综合卫星遥感和无人机现场监测结果，对江苏省各设区市工地和裸地扬尘源管控情况进行分析评价。为便于统计，将防尘网覆盖情况作为主要分类指标，当工地和裸地非施工作业区域采用防尘网覆盖且面积比例＞50%时，视为有效管控；当工地和裸地非施工作业区域未采用防尘网覆盖或面积比例＜50%时，视为管控不力；将有效管控工地和裸地数量占区域总数的比例定义为防尘到位率。在此基础上，采用排放因子法估算扬尘排放量，主要参考徐谦^[18]在北京市的研究结果，同时考虑管控程度对排放因子的影响，将有效管控条件下排放因子设定为管控不力时的1/2，则管控不力条件下TSP、PM₁₀、PM_2.5排放因子分别为16.400，8.667，4.767 g/(m²·d)，有效管控条件下TSP、PM₁₀、PM_2.5排放因子分别为8.200，4.334，2.384 g/(m²·d)。计算公式见式(1)—(3)。

$ \mathrm{TSP}_{\text {江苏 }}=A \times S \times D+A^{\prime} \times S^{\prime} \times D $

(1)

$ \mathrm{PM}_{10 \text { 江苏 }}=B \times S \times D+B^{\prime} \times S^{\prime} \times D $

(2)

$ \mathrm{PM}_{2.5 \text { 江苏 }}=C \times S \times D+C^{\prime} \times S^{\prime} \times D $

(3)

式中：TSP_江苏——江苏省TSP排放估算量；PM_10江苏——江苏省PM₁₀排放估算量；PM_2.5江苏——江苏省PM_2.5排放估算量；A——管控不力情况下TSP排放因子；A′——有效管控情况下TSP排放因子；B——管控不力情况下PM₁₀排放因子；B′——有效管控情况下PM₁₀排放因子；C——管控不力情况下PM_2.5排放因子；C′——有效管控情况下PM_2.5排放因子；S——管控不力的扬尘源地块面积；S′——有效管控的扬尘源地块面积；D——扬尘源地块存在天数。

按照上述测算，2020年江苏省13个设区市主城区防尘到位率和扬尘排放量情况见表 4。

由表 4可见，2020年江苏省对于工地和裸地扬尘源采取了较为严格的管控措施，全省防尘到位率均值达到了82%。从季度变化情况来看，1、4季度防尘到位率普遍高于2、3季度，分析其原因主要有：(1)在春节、疫情双重影响下，1季度工地普遍处于停工待建状态；(2)下半年臭氧取代颗粒物成为主要大气污染物，管控侧重点发生转移；(3)4季度面临环境质量年度考核压力，各级政府和生态环境主管部门对于扬尘监管、治理的力度大幅提升。从各设区市情况来看，南京市管控力度最强，防尘到位率均值为89%，镇江市管控力度最弱，防尘到位率仅66%。从扬尘排放量的估算结果来看，江苏省2020年全年TSP、PM₁₀和PM_2.5扬尘排放量分别为4.42×10⁵，2.33×10⁵，1.28×10⁵ t；南京市受限于扬尘源的规模体量，排放总量仍为全省最高。值得注意的是，南通、宿迁两市的扬尘排放量排名与扬尘面积排名相比发生了变化，遥感监测结果显示，南通市扬尘地块面积均值为6.02 km²，位列第9，与第10名宿迁市5.70 km²的面积相比，多了0.32 km²。但因为南通市扬尘管控力度更大，防尘到位率较宿迁高出4个百分点，所以体现到扬尘实际排放量方面反而要低于宿迁市。

3.3 工地和裸地扬尘管控成效分析

为进一步定量化评估管控措施对于工地和裸地扬尘源的治理成效，采用情景设定的方式分别计算2020年江苏省、南京市2个区域在无管控情景下的工地和裸地扬尘排放状况，以TSP年排放量为例，计算公式见式(4)—(5)。

$ \mathrm{TSP}_{\text {江苏 } \mathrm{MAX}}=A \times\left(S+S^{\prime}\right) \times D $

(4)

$ \begin{aligned} &\mathrm{TSP}^{\prime} \text { 江苏 }=\mathrm{TSP}_{\text {江苏 } \mathrm{MAX}}-\mathrm{TSP}_{\text {江苏 }}=\left(A-A^{\prime}\right) \times S^{\prime} \times D \end{aligned} $

(5)

式中：TSP_江苏MAX——江苏省在完全无管控条件下的理论最大扬尘排放量；TSP′_江苏——江苏省通过管控实现的扬尘排放削减量。

根据计算，在完全无管控的情景下，2020年江苏省工地和裸地扬尘源的理论最大排放量可达7.31×10⁵ t，但因为地方政府特别是生态环境主管部门的影响，全省约有82%的扬尘源采取了必要的防尘措施，使得2020年全省实际扬尘排放量约为4.22×10⁵ t，与理论最大排放量相比减少了2.89×10⁵ t，减少了65.4%。南京市方面，虽然其工地和裸地扬尘源数量及面积均排在首位，面积均值占到全省的24%，理论最大排放量为1.76×10⁵ t，但因其管控严格，防尘到位率达89%，实际扬尘排放量仅为1.03×10⁵ t，有效减排量为7.3×10⁴ t，减少了70.9%；2020年该市PM₁₀年均质量浓度为56 μg/m³，排名全省前5，PM_2.5年均质量浓度为31μg/m³，排名全省最优^[22]，管控成效十分显著。

4 结论

(1) 应用中高分辨率卫星遥感影像、无人机现场核查数据，通过支持向量机结合人机交互判读的方式解译了2020年1—4季度江苏省13个设区市主城区工地和裸地扬尘源空间分布数量、面积、经纬度及防尘网覆盖情况，精度优于95%，达到业务化应用要求。

(2) 遥感监测结果显示，2020年江苏省工地和裸地扬尘源数量、面积随时间变化同步上升，至4季度总数达1 760个，总面积162.53 km²，较1季度分别上升了53.3%和65.7%，但总体管控情况较好，全省防尘到位率为82%。各设区市中，南京市工地和裸地扬尘源数量及面积均排在首位，但管控力度最大，约89%的扬尘源采取了较为有效的防尘措施。

(3) 采用排放因子法对2020年江苏省工地和裸地扬尘源扬尘排放量进行了估算，全年TSP、PM₁₀和PM_2.5扬尘排放量分别为4.42×10⁵，2.33×10⁵，1.28×10⁵ t。与完全无管控的理论最大排放值相比，TSP有效减排量为2.89×10⁵ t，减少了65.4%；同期南京市TSP减排量为7.3×10⁴ t，管控成效明显。

(4) 目前，排放因子法估算的颗粒物排放量可有效反映管控成效，但在评估气象条件(大气降水)、人工喷淋对扬尘排放抑制的贡献量并予以扣减方面还值得深入探讨，可以作为后续进一步研究的方向。