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北京地区|“陆路空”的守望 “一微克” 的幸福

整整七年的时间 ， 他坚持在同一地点重复拍摄了2700张照片 ， 记录北京天空的变化 。 从最初的APEC蓝、峰会蓝、阅兵蓝 ， 到现如今的日常蓝和持续蓝 ， 镜头记录着这座城市的缤纷色彩变化 。 这位名叫邹毅的北京人以这种独特的方式展现出北京环境改善的成果 。 这两年 ， 北京市加大力度开展大气污染治理工作 ， 首都的蓝天频频刷爆市民公众的朋友圈 ， 空气质量的显著改善使老百姓获得了实实在在的幸福感 。
作为北京市大气污染防治重点之一的扬尘污染治理 ， 这几年来一直倍受重视 。 2019年 ， 北京市印发实施了《北京市扬尘管控工作意见》 ， 按照“平台共享、部门负责、执法规范、环保督察、信息公开”的原则 ， 不断提升精细化管理水平 ， 落实“一微克行动”的要求 ， 全市扬尘污染治理效果明显 ， 全年降尘量下降至6吨/平方公里·月以内 ， 同比下降20%以上 ， 在京津冀“2+26”城市排名显著提升 。 全市建成覆盖各乡镇（街道）的粗颗粒物（TSP）监测网络 ， 创新采用车载走航方式监测道路尘负荷 ， 创新利用卫星遥感技术监控裸地动态变化 ， 多种高科技的支撑 ， 为扬尘污染监管提供了快捷高效、多管齐下的手段 ， 搭建动静结合、天地一体的监测体系辅助大气污染治理 。 从“天眼”到“走航” ， 这些高科技手段是如何运作的？它们能为日常环境管理和空气质量提升带来哪些益处？一起和《北京》周刊走进北京市生态环境部门深入了解 。
【北京地区|“陆路空”的守望 “一微克” 的幸福】北京地区|“陆路空”的守望 “一微克” 的幸福
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工作人员分析卫星图片
“天眼”瞭八方
遥感监测技术实验室内 ， 两米多高的服务器一边发出低沉的“嗡嗡”声 ， 一边运行着 ， “X角度124.45 ， Y角度96.72 ， AZ角度78.5 ， EL角度53.99” ， 随着几百公里之外高空运动中的“太空照相机”位置、角度和运行轨迹等信息不断发生变化 ， 显示屏上的数据也在实时地更新 。 服务器旁 ， 几台高清屏幕正显示着卫星下行数据的情况 ， 三四名工作人员在显示器前忙碌地对下载的卫星图片进行提取、分析……这样的场景 ， 每天都在技术实验室中重复地上演 。 通过应用北京市生态环境部门自主研发的遥感卫星监测裸地的核心技术 ， 北京市已实现了对全市范围内没有植物生长或人工硬化、地表浮土裸露地块的动态监测 ， 助力裸地扬尘的精细化管理 。
裸地是扬尘等粗颗粒物的主要来源之一 。 北京PM2.5来源解析显示 ， 本地来源中 ， 移动源、扬尘源、工业源、生活面源和燃煤源分别占45%、16%、12%、12%和3% 。 在本地来源中 ， 扬尘是除了移动源之外最大的源头 。 遥感技术是从人造卫星、飞机或其他飞行器上收集地物的电磁辐射信息 ， 判别地球环境和资源的技术 。 遥感技术能在较短时间内 ， 从空中乃至宇宙空间对地球进行大范围观测 ， 获取大量有价值的客观数据 。
“这是一张利用卫星遥感技术拍摄到的北京地区的裸地监测图 。 ”北京市环境保护监测中心遥感室主任李令军拿出一张已经完成信息提取的卫星图向《北京》周刊介绍起来 ， “这是卫星拍摄到的城市南部地区的一个地块 ， 目前卫星拍摄的精度可以精确到亚米级别 。 ”屏幕上显示的三张图片中 ， 区域内部的城市道路、建筑和设施清晰可见 。 遥感卫星采集到影像后 ， 系统会对图像进行边界提取、类型判定、管理措施判定等工作 ， “画面中颜色发黄较为显眼的区域就是我们监测到的裸地 ， 葱郁的深绿色区域是植被覆盖区 ， 而均匀单调的浅绿色区域则是已被苫布覆盖的区域 。 ”
系统可以识别出的地块信息还远不止这些 。 监测到的地块是拆迁平整阶段施工的裸地？还是土石方阶段施工的裸地？图像的右下角赫然给出了答案 。 根据不同的类型和区域 ， 遥感卫星配套系统还会自动给出管理措施判定 ， “图像中土石方阶段施工的裸地已经全部苫盖 ， 几块拆迁平整阶段施工的裸地则综合依据数据库中的历史信息 ， 判定为高比例苫盖和中比例苫盖 。 ”随着技术人员手中的鼠标一滑 ， 画面中的比例尺放大到了1:4000倍 ， 城市中大大小小若干个地块信息铺展在眼前 。
仅仅是图像的采集和提取还远远不够 。 每个月 ， 李令军和他的团队都忙着“做拼图” 。 将每个地块的信息整理好 ， 经过精密的分析和统计后 ， 汇总成分析报告提交政府部门 ， 用于指导和支撑“裸地扬尘精细管理”工作的开展 。 在高科技和人力的交互作用下 ， 北京市的裸地扬尘监测水平和治理方向正朝着更高水平、更精细化的方向发展 。
早在2006年 ， 北京市就启动了针对裸地的卫星遥感监测技术 。 回忆起当年 ， 作为该项技术“开拓者”的李令军不禁感叹：“十多年前技术应用的时候 ， 拍摄的频率不高 ， 拍摄范围就是整个北京市 。 当时的分辨率和现在比是天壤之别 。 ”当年 ， 通过遥感卫星对裸地的监测频率是每年一次 ， 空间分辨率只有10米左右 。 2015年 ， 应用该技术的频率逐渐加密 ， 增加到了半年一次 。 如今 ， 监测频率缩短至每月一次 。 与此同时 ， 监测精度也大大提升 ， “现在的分辨率可以达到亚米级别 ， 像素已经达到1米甚至小于1米的水平 ， 是以前的100倍 。 ”
高科技手段的融入 ， 为监测和管理工作的开展带来了诸多便利 。 据北京市生态环境局土壤生态环境处副处长王爱平介绍 ， 遥感技术的大规模应用对于裸地扬尘监管的精细化工作开展有着积极的影响和效果 ， “全市每月约有5万个疑似裸地斑块需要进行监测识别 ， 仅仅靠人工很难来完成 。 ”有了遥感技术的加持 ， 市区监管范围可以做到全覆盖 ， 甚至以前一些“上着锁”难以走进的单位 ， 现在也能通过天上的这双“眼睛”看得一清二楚 。 同时 ， 周期性开展的数据统计和分析工作 ， 对地块在一段时间内的变化情况也有了掌握 ， “我们不仅监测到哪里有易产生扬尘的裸地 ， 还记录这些地块在一定时间内的变化情况 ， 比如地面裸露持续的时间是多久 ， 是否采取了苫布遮挡或绿化等有效的管理措施 ， 有什么样的经验值得复制和推广 ， 通过这项技术和研究人员的分析 ， 我们都能了解到 。 ”通过通报的方式 ， 将遥感监测结果告知裸地扬尘问题突出的街乡镇或区级部门 ， 为它们有针对性地开展工作提供更加有力的保障和支撑 。
北京地区|“陆路空”的守望 “一微克” 的幸福
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车载道路积尘负荷监测设备
小微子站护街巷
在北京市环境保护监测中心自动监测室中 ， 高级工程师姜南和他的团队打开了北京市粗颗粒物高密度网智能应用平台 ， 屏幕上全景展示的北京300多个街乡镇的气象、污染物浓度等信息一览无余 ， 地图上红、黄、绿不同颜色的点位图标显示出所在地区实时的监测浓度 。 而这些数据和信息 ， 正是出自TSP小微子站的粗颗粒物高科技监测系统 。
TSP就是空气中的总悬浮颗粒物 ， 它们的粒径小于100微米 。 我们较为熟悉的PM2.5和PM10 ， 指的是粒径分别小于2.5和10微米的颗粒物 ， 而对于TSP的监测 ， 则主要是为了衡量空气中的粗颗粒物的多少 。 TSP的人为来源主要是各类工地施工、道路交通扰动等人为活动排放 ， 自然来源则多为裸露地面等经风力的作用而成 ， 而裸地也多是由于人类影响形成的 。 由于TSP的粒径较大 ， 比PM2.5及PM10都重 ， 所以传播距离不远 ， 影响主要体现在局地 ， TSP浓度水平可以作为评判北京各个街乡镇扬尘管控水平的一项重要指标 。 扬尘的直观感觉就是“脏” ， 影响着城市的清洁度 ， 北京市PM2.5来源解析结果显示 ， 扬尘源占本地PM2.5来源的16% ， 仅次于机动车 ， 成为本地PM2.5的第二大来源 。 因此 ， 在全市范围内对作为扬尘污染主要表征指标的TSP浓度开展监测 ， 对于掌握各街乡镇扬尘污染情况 ， 促进提升属地扬尘精细化管理程度 ， 进而提升人民群众的幸福感具有重要意义 。
据介绍 ， 早在2012年10月 ， 全市就已经建成35个空气质量监测子站 ， 这些监测子站体积较大 ， 可以对PM2.5、二氧化硫、二氧化氮、臭氧、一氧化氮、PM10等六项主要污染物进行监测 。 为了进一步精细化开展监测和治理工作 ， 2018年3月 ， 北京市开始了千余个小微型监测站的建设工作 ， 专门用来监测PM2.5等颗粒物情况 ， 实现精准治污 。 在建设的过程中 ， 15位专家先后参与到3轮的选点座谈和论证中 ， 经过了近一年的布设工作 ， 2018年底 ， TSP小微子站已经安装到了全市三百多个街乡镇1020个点位 ， 开始对于粗颗粒物的监测 。
新建成的小微子站相较于旧有的监测子站 ， 具有占地面积小、成本低等特点 。 “可不要小瞧了这样一个设备 ， 它可是基于物联网和大数据技术研发而成的 。 ”姜南指着只有抽屉盒大小的监测设备说道 。 据介绍 ， TSP小微子站设备内置“智能TSP综合采样器” ， 悬挂于自主研发的可以一次性挂靠8台高密度监测设备的智能监测杆上 ， 立于一块3×3米的围栏中 ， 在每个街乡镇布局2~4个点位用于监测 。 传感器在露天环境中采集到的数据采用光学散射法测量 ， 通过物联网将数据传到环境保护监测中心 ， 透过人工智能+“云质控”融合的方式使数据的准确度由以往的60%~70% ， 提高到80%~90% 。 负责监测的工作人员透过电脑端的智能运维平台就可以实时接收到数据 。 不仅如此 ， 街乡镇的基层工作人员也可以通过手机中的应用软件看到所属辖区的实时数据 ， 一经发现问题可以及时查找辖区扬尘问题 ， 并有针对性地开展处置 。
采集好的数据有何用处？姜南指向手边厚厚一摞各区《空气质量自动监测子站运行管理月度质控报告》 ， “建设小微子站的目的不仅仅是获取数据 ， 更重要的是分析污染物形成和积累的变化趋势 。 ”每半个月到一个月 ， 姜南和他的团队就会将小微子站采集到的数据进行深入的计算和分析 ， 将结果整理并统计出排名 ， 通报排名靠后的街乡镇 ， 精准压实治理责任 。 通报拿到手便有了解决问题的方向和动力 ， 依据问题及时查找原因 ， 基层扬尘治理工作开展起来心里就有了“谱” 。 配合着城管执法等部门人员及职责的下沉 ， 以及生态环境等多部门开展的“点穴式”执法工作 ， 扬尘管控工作开展得稳中有进 ， 城市的精细化管理水平不断提升 ， 空气质量也在持续改善 。
“未来 ， 我们力争将前沿技术不断结合到扬尘管控工作当中 ， 不断拓展监测要素和技术水平 ， 走好‘科技控尘’这条大路 。 ”姜南说道 。
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工作人员介绍道路积尘负荷走航监测系统
“走航”平原踏
“出发前管线清洁 ， 采样器清洁 ， 气路检查 ， 流量检查 ， 读数一致性检查完毕 ， 准备出发 。 ”清晨 ， 天刚微微亮 ， 监测人员完成了对仪器和车辆的校验后 ， 搭载着道路尘负荷监测设备的车辆缓缓驶出北京市环境保护科学研究院 ， 开往北京的大街小巷 ， 开始了一整天对道路尘负荷的数据采集工作 。
道路扬尘是北京扬尘污染的主要来源之一 。 道路的开放性决定了路面尘土会受到车辆和行人的持续扰动 。 北京市有总长接近3万公里的城市道路和各类公路 ， 对于道路扬尘开展监测工作着实不容易 。 由于道路扬尘具有影响突出 ， 管控困难的特点 ， 近年来道路扬尘的防治工作受到高度重视 。 早在2007年前后 ， 北京市环境保护科学研究院结合学术研究及监测实践 ， 积累了大量对城市道路扬尘监测、管理方面的成果和经验 。 经过十年来的积累和完善 ， 于2017年自主研发了道路尘负荷走航监测仪器 ， 并正式应用到了北京市道路扬尘监测的实践工作当中 。
在该技术的创始人 ， 北京市环境保护科学研究院研究员樊守彬的带领下 ， 《北京》周刊在环科院的停车场见到了这项新技术 。 随着车辆后备箱门徐徐打开 ， 体积大约只有一立方米的白色箱体映入眼帘 。 走近看 ， 箱体的正面镶嵌有液晶屏 ， 屏幕上除实时显示环境位置、温度、湿度等信息外 ， 还记录了机身内大大小小的服务器模块状况和信息 。 监测仪器一侧伸出两只管状的采样头 ， 一只通到车辆上方 ， 用于监测车辆上空的颗粒物本底值 ， 另一只则穿过车辆底板 ， 悬于轮胎后侧 ， 每当车辆行驶到路面上 ， 两个采样头会一同采样 ， 通过收集并监测车顶及车底路面上的尘土颗粒浓度的差值来反映道路扬尘情况 。 在这样的一个“小白盒子”里 ， 集成了在线监测、数据计算分析、地图匹配、视频监控、实时数据传输和自动化统计等多种功能 ， 可以实现不停车监测 ， 实时自动化抓取、统计和评估所经过路段的颗粒物浓度指标 。
每天都有5辆搭载着监测仪器的车辆行驶在北京市的大街小巷 。 每天一大早 ， 监测人员就驾驶着车辆开始了一天的监测 ， “每天每辆车至少行驶两三百公里路程 。 大到城市的主要交通路段 ， 小到胡同小巷 ， 只要车辆能开进去的地方 ， 都属于我们的监测范围 。 ”樊守彬指着眼前的仪器说道 。 16个区的平原地区以及亦庄经济开发区 ， 255个乡镇（街道） ， 约1700条道路 ， 除了雨雪等不适于测量道路尘负荷的天气 ， 监测车辆几乎是全年运转 。
现场采集的扬尘数据 ， 仪器会实时回传到监测系统平台上 。 在北京市环境保护科学研究院的办公室中 ， 樊守彬打开电脑登录系统 ， 屏幕上各区路网图跃然眼前 ， 车辆行驶到月坛西街 ， 屏幕上的地图一路飙绿 ， “车辆在行驶过程中采集到的数据在实时回传的同时 ， 通过系统自动计算 ， 排除掉天气、汽车运行情况等外在因素影响 ， 可以实时计算出路面扬尘指标 。 ”樊守彬介绍 ， 道路尘负荷走航监测会依据道路干净程度将等级分为优、良、中、较差和差5个等级 。 “如果实时地图中路段显示为绿色 ， 说明该路段道路状况良好 ， 最起码可以达到良水平以上；如果显示为红色路段 ， 道路扬尘状况则较为严重 。 ”按照“发现-上报-推送-反馈-解决”的工作机制 ， 樊守彬和他的团队每个月都会将收集的数据进行详细缜密的统计分析 ， 按照建立好的监测评价考核体系对各区、各街乡镇进行综合评估指导 。
相比于传统监测方式 ， 道路尘负荷走航监测系统有着精度高、安全性强、效率高等优势 。 以前只能靠人工采样 ， 需要停车、选点、吸尘、筛分、称重等繁琐的步骤工序 ， 而且由于采集方式的限制 ， 只能监测到毫米级别的尘土 。 现在有了这台车载移动设备 ， 监测人员无需停靠下车 ， 在行驶中就可以快速完成采样和监测 ， 不仅范围从以前只能监测到市区90~150条主要路段 ， 扩大到现如今的全市平原地区千余条道路全覆盖 ， 而且可以精准监测直径75微米以下道路扬尘 ， 工作精准度和效率大大提升 。
发生变化的不仅仅是监测数量、效率和范围 。 “道路尘负荷走航监测的应用 ， 改变了各区道路扬尘管控过程导向、前端作业的方式 ， 大大推动了空气质量的提升和环境的改善 。 ”北京市环境保护科学研究院副院长 ， 院学术委员会副主任石爱军高兴地说道 。 2019年4月 ， 走航监测技术刚刚广泛应用到平原区时 ， 在头几个月监测到的地区中 ， 房山区星城街道的道路扬尘状况在全市平原区街乡镇中排名垫底 。 拿到了尘负荷监测及排名结果后 ， 房山区委和星城街道高度重视 ， 根据监测数据对症下药 ， 摒弃以往传统的道路清扫保洁作业方式 ， 改换“开荒式”的除尘清洗深度保洁作业方式 ， 通过真空吸尘车、高压水枪等先进工艺对背街小巷和辖区的边边角角进行全面的大扫除 ， 仅仅半年不到的时间 ， 星城街道的道路扬尘质量排名攀升到了全区第二 ， 扬尘污染状况得到了明显改善 。 “这个街道以往的作业方式是通过扫把清扫、人工捡拾等方式清扫道路 ， 但这些方式无法清除直径75微米以下的灰尘 。 ”通过开展道路尘负荷监测及排名 ， 促进各区在道路清扫保洁方式上有所转变 ， 这代表着北京道路扬尘的治理工作正在经历质的转变与提升 。 “未来 ， 我们还将继续改善更新监测技术和监测系统 ， 做到更加精细化和快速化的研判 ， 助力道路扬尘管控水平的提升 。 ”樊守彬笑道 。
2019年全年降尘量均值小于6吨/平方公里·月 ， 北京大气环境中细颗粒物PM2.5等四项主要污染物浓度同比均明显改善 ， 其中PM2.5年均浓度为42微克/立方米 ， 比2018年下降了足足9微克 ， 创下了2013年监测以来的最低值 。 2020年是打赢蓝天保卫战、“十三五”规划的全面收官之年 ， 北京市的大气治理也进入了攻坚“深水期” ， 随着“一微克行动”的不断深入开展 ， 扬尘管控仍将是大气治理的重点领域 ， 监管方法和高科技手段的广泛应用和不断创新也将为北京改善空气质量 ， 打好蓝天保卫战提供坚实保障 。
摄影/肖壮


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