基于MODIS的河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測與分析

李 佳，李舒婷，段 平，張 馳

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息技術工程技術研究中心，云南 昆明 650500；4.南通大學 地理科學學院，江蘇 南通 226019)

基于MODIS的河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測與分析

李 佳1,2,3，李舒婷1,2,3，段 平1,2,3，張 馳4

(1.云南師范大學 旅游與地理科學學院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息技術工程技術研究中心，云南 昆明 650500；4.南通大學 地理科學學院，江蘇 南通 226019)

文中采用MODIS二級產品MOD14數據，以火點像元亮溫特征為依據，提取2000、2008、2014年每年5月29至6月14河南省秸稈焚燒火點分布，分析秸稈焚燒時空分布特征。研究表明：河南省14年間秸稈焚燒火點個數和面積呈上升趨勢；14年間河南省秸稈焚燒由北部和中部地區(qū)逐漸向西南和東南地區(qū)擴散，且西南和東南地區(qū)的秸稈焚燒現(xiàn)象較為嚴重，其中周口、駐馬店、信陽、南陽等市秸稈焚燒現(xiàn)象較突出，安陽、焦作、新鄉(xiāng)等市秸稈焚燒現(xiàn)象明顯減弱；結合2014年河南省空氣污染指數分析秸稈焚燒對空氣質量的影響表明：秸稈焚燒會對空氣質量污染產生重要影響。

MODIS；秸稈焚燒；火點提?。豢諝馕廴局笖?/p>

秸稈焚燒時排放出大量有毒有害氣體對空氣質量造成嚴重污染[1]。秸稈焚燒監(jiān)測是依據焚燒的時空特性和分散特性確定的，通常采用傳統(tǒng)人工方法和遙感技術。傳統(tǒng)人工手段監(jiān)測秸稈焚燒可以在小區(qū)域內較為精確的統(tǒng)計火點個數及面積，但是監(jiān)測的頻率和速率較低，監(jiān)測結果的準確性存在一定誤差，對于大范圍內的秸稈焚燒分布情況不能同步實時監(jiān)測；與傳統(tǒng)人工方法相比較，遙感監(jiān)測方法時效性強、監(jiān)測范圍廣，可以快速監(jiān)測大范圍秸稈焚燒區(qū)域，彌補傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法的不足，為大范圍秸稈焚燒監(jiān)測提供可能。

對于秸稈焚燒監(jiān)測方面，很多學者采用遙感影像進行相關方面的研究。劉婷等人利用MODIS數據監(jiān)測秸稈焚燒表明在農作物收割期間火點較為明顯[2]； 齊少群等人用HJ-1B的IRS傳感器數據，選取哈爾濱霧霾較為嚴重的秋冬季節(jié)，對秸稈焚燒區(qū)域進行提取和識別等研究[3]，陳潔等人采用風云三號氣象衛(wèi)星數據和高分一號數據對秸稈焚燒過火面積進行提取研究，表明秸稈焚燒對空氣質量會產生一定影響[4]，眾多學者在秸稈焚燒對空氣質量產生影響方面做了相關研究工作[5-7]，李金香等人通過大氣顆粒物監(jiān)測儀器監(jiān)測秸稈焚燒污染物，秸稈焚燒污染物處在不利于擴散的氣象條件下會對空氣質量造成嚴重污染[8]。當前環(huán)保部門采用環(huán)境氣象衛(wèi)星數據對秸稈焚燒進行實時監(jiān)測，但氣象衛(wèi)星數據監(jiān)測到秸稈焚燒最小面積為100 m2，小區(qū)域內的秸稈焚燒可能會被遺漏，統(tǒng)計結果與實際有一定偏差。與氣象衛(wèi)星比較，MODIS傳感器不僅靈敏度精度很高，而且探測到的面積比氣象衛(wèi)星更小、更精確(最小面積為50 m2)，可以更真實、更詳細地對火情進行定性定量的分析。這使得MODIS衛(wèi)星在秸稈焚燒監(jiān)測和預測方面和其他衛(wèi)星相比有很大優(yōu)勢。

河南省糧食產量位于全國第一，夏季糧食產量最多，糧食收割產生大量秸稈使得焚燒現(xiàn)象較為嚴重?；诖?，本文采用2000、2008、2014年每年的5月29至6月14日MODIS二級產品MOD14數據，提取河南省秸稈焚燒火點分布，統(tǒng)計分析河南省過去14年秸稈焚燒分布情況以及整體變化趨勢，并將2014年統(tǒng)計結果與河南省2014年空氣質量數據結合分析，探討秸稈焚燒對河南省城市空氣質量的影響及其差異。

1 研究區(qū)域與基礎數據

1.1 研究區(qū)域概述

河南省位于中國中東部，地處華北平原，以沖積平原為主，擁有肥沃的土壤和充足的水源，糧食產量位于全國第一。每到糧食收獲季節(jié)，秸稈焚燒現(xiàn)象較為嚴重，對空氣質量產生一定影響，圖1為本文研究區(qū)域。

圖1 河南省行政區(qū)劃圖

1.2 基礎數據來源

河南省夏季小麥糧食產量較多，收割時間集中在5月末和6月初，因此本文選取2000、2008、2014年每年5月29至6月14日內的遙感數據進行秸稈焚燒火點及其面積提取，遙感數據包含MODIS二級產品數據MOD03、MOD14和三級產品數據MCD12Q1，其中MOD03用于輔助數據處理，MOD14用于火點的識別及其統(tǒng)計，MCD12Q1用于區(qū)分農業(yè)用地火點與其他用地火點，同時采用2014年河南省5月29日-6月14日空氣質量數據，分析秸稈焚燒與空氣污染的關系。

2 基于MOD14的秸稈焚燒火點提取

2.1 基本原理

MODIS火點監(jiān)測原理是基于中、長紅外波段的光譜特性，采用4 μm的21通道和11 μm的31通道作為火點監(jiān)測通道。草地、灌木、叢林燃燒時火點溫度達到400～800 ℃。物體內部溫度的變化，能夠引起較大的輻射改變，這種改變是識別高溫熱源的關鍵[9]。依據維恩位移定律，溫度越低，輻射峰值波長越長，反之則小[10]。物體為常溫狀態(tài)時輻射峰值波長為10 μm左右?；鹧娴臏囟韧ǔＤ苓_到500～700 K，其熱輻射峰值波長在3～5 μm之間[11]。

秸稈焚燒產生的火點輻射峰值處在3～6 μm左右，常溫背景值和溫度異常點的輻射峰值存在明顯差異，是監(jiān)測秸稈焚燒火點異常的基礎。 當輻射峰值為4 μm和11 μm時，火點像元的亮溫要比背景像元亮溫高很多。當溫度逐漸升高，峰值波長會向短波方向移動，4 μm通道的亮溫明顯高于11 μm通道的亮溫，同時滿足兩個通道的亮溫差值大于背景值這兩個條件，可以檢測熱異常點是否為火點。根據熱異常判定火點，將MOD14圖像灰度值分為火點和非火點像元。MOD14熱異常數據中有10種不同類型的像元，其中屬性值為7、8、9代表火點像元，7代表可信度低的火點，8代表可信火點，9代表可信度高的火點，去除7代表的可信度低的火點影響，選擇8、9兩類屬性值表示的火點像元即可統(tǒng)計出火點數。

2.2 火點提取流程及其面積估算

圖2為本文提取火點提取流程。

圖2 火點提取流程

從時間尺度上對河南省2000年、2008年、2014年3年的數據疊加轉換分析，得到河南省過去14年間夏季秸稈焚燒火點分布。除了秸稈焚燒活動之外，森林火災、火山活動、工業(yè)熱點等都會作為秸稈焚燒的火點統(tǒng)計其中， 但實際上這些不屬于秸稈焚燒火點，因此需要首先確定為農業(yè)用地，在此基礎上統(tǒng)計的火點才是秸稈焚燒的火點。采用MCD12Q1數據根據土地利用或地表覆蓋類型識別農業(yè)用地，將火點數據與農業(yè)用地類型數據進行疊加，得到農業(yè)用地覆蓋范圍內的火點。

在剔除火點的基礎上，對秸稈焚燒火點面積進行統(tǒng)計計算，將研究區(qū)域內單個火點在等面積投影影像中被識別為明顯火點或過火點面積的總和，具體步驟如下：

1)計算單個火點的像元面積DS:

ΔS=Np×NI.

(1)

式中：Np為火點緯度方向上的距離；NI為火點經度方向上的距離。

2)各個火點像元面積之和即為研究區(qū)域內秸稈焚燒火點的總面積，算式如式(2)所示。

(2)

式中：i為像素序號；n為火點的總像素。

3 結果分析

3.1 河南省秸稈焚燒空間統(tǒng)計與分析

提取河南省2000年、2008年、2014年的5月29日至6月14日秸稈焚燒火點并統(tǒng)計火點面積，如圖3所示為提取各年的火點空間分布。從北向南分析，2000年到2014年秸稈焚燒由北部地區(qū)逐漸向南部地區(qū)擴展，濟源、焦作、新鄉(xiāng)、安陽等地區(qū)火點逐漸減少，而商丘、周口、信陽等市火點明顯增多；從西到東分析，西部地區(qū)火點沒有明顯變化，而西南和東南地區(qū)火點明顯增多。西部地區(qū)三門峽和洛陽地處豫西地區(qū)，地勢起伏大，水土流失嚴重，耕地綜合生產能力較弱，糧食產量相對較小，因此火點變化不大。中部地區(qū)平頂山、許昌、漯河等市火點向四周擴散。在過去的14年間，河南省秸稈焚燒由北部和中部地區(qū)逐步向西南和東南地區(qū)演變。

表1為圖3火點所對應的面積統(tǒng)計表，根據表1中各市的秸稈焚燒火點情況分析，安陽市2000—2014年火點個數呈遞減趨勢，秸稈焚燒面積對應減少78.47%；新鄉(xiāng)市在過去14年間秸稈焚燒面積先減少61.16 km2，后又增加46.22 km2，總體呈現(xiàn)下降趨勢；焦作市秸稈焚燒面積和火點數目也有明顯減少。河南北部城市秸稈焚燒面積及火點數目在過去14年間都呈現(xiàn)下降趨勢。商丘市火點個數增加42個，秸稈焚燒面積增加97.59 km2；南陽市2000—2008年火點個數增加89個，面積增加193.7 km2，2008—2014年火點個數減少46個，面積減少78.98 km2，在2008年南陽市秸稈焚燒現(xiàn)象最為嚴重；駐馬店和信陽市的秸稈焚燒現(xiàn)象同樣明顯，而河南省中部城市位于黃淮平原地區(qū)，擁有適合農作物生長的自然條件，中部城市(漯河、許昌、平頂山等市)在過去14年間秸稈焚燒火點向西南和東南地區(qū)擴散，秸稈焚燒火點及面積沒有很大改變，只是相對減少。

總體而言，河南省在過去14年間秸稈焚燒現(xiàn)象呈現(xiàn)增長趨勢，2000—2008年秸稈焚燒面積增加191.35 km2，2008—2014年增加98.7 km2，雖然增長速率明顯減小，但是秸稈焚燒現(xiàn)象并沒有得到明顯緩解。

圖3 2000—2014年河南省秸稈焚燒火點分布圖

地點2000年2008年2014年火點個數火點面積/km2火點個數火點面積/km2火點個數火點面積/km2安陽市779945291172鶴壁市2355226800濮陽市2178112207285793濟源市999300237焦作市38684232652356新鄉(xiāng)市629878113762258384三門峽市10910000洛陽市19242122663267鄭州市797643565531開封市336212667134商丘市1419284378835611687許昌市163226298793431平頂山市47506398901362898漯河市386312324541727周口市5410354122445815291南陽市117690195464411648駐馬店市721268393206199822212信陽市12626710479355782總計393628843968201941391889

3.2 河南省秸稈焚燒與空氣質量相關分析

空氣污染容易受到秸稈焚燒的影響，采用空氣污染指數(Air pollution Index，API)分析秸稈焚燒對空氣污染的影響。API是將不易理解的污染物濃度簡單化成為單一的概念性數值，當第i種污染物濃度值Ci滿足條件Ci,j≤Ci≤Ci,j+1時，計算表達式如式(3)所示[12]。

Ii=[(Ci-Ci,j)/(Ci,j+1-Ci,j)]×

(Ii,j+1-Ii,j)+Ii,j.

(3)

式中:Ci為第i種污染物的濃度值，Ii為第i種污染物的污染分指數；Ci,j為僅次小于Ci的值，Ii,j為Ci,j濃度值所對應污染分指數；Ci,j+1為僅大于Ci的值，Ii,j+1為Ci,j+1濃度值所對應污染分指數。計算各種污染分指數后，取最大值為該區(qū)域的空氣污染指數API=max[I1,I2, …,Ii,Ii+1,In]為某污染物的污染分指數的最大值，計算河南省2014年5月29—6月14日時段的API，如表2所示，API有O3、SO2和PM10。

表2 各市日平均污染物濃度及其API

三門峽市在2014年5月29日—6月14日沒有秸稈焚燒的火點，通過API反映的O3與焚燒沒有關系，而焦作市API反映的SO2與火點相關性值為0.093 5，表明二者之間沒有相關性，可以說明秸稈焚燒對O3和SO2的排放基本不產生影響，焦作市屬于煤炭型工業(yè)城市，燃燒會產生大量的SO2是空氣污染的主要因素。從API反映的指標而言，秸稈焚燒期間主要污染物為PM10。早期PM10觀測站點架設較少，2014年僅有7個市的PM10數據，將其與2014年河南省秸稈焚燒火點數進行分析相關性分析，如表3所示。

安陽、焦作、洛陽、鄭州在2014年夏季秸稈焚燒中產生的火點個數分別為1、2、3、5個火點，火點個數很少或沒有，秸稈焚燒活動不明顯，與PM10沒有相關性。二者在沒有相關性的情況下，安陽市和焦作市的PM10指標較高，說明存在其它污染物排放引起了PM10值較高。以平頂山為例，分析秸稈焚燒每日火點個數與PM10日均排放量關系，2014年河南省平頂山市的秸稈焚燒火點數與PM10日均濃度有良好的相關性，相關系數為0.719 4，如圖4所示，5月29日至31日，PM10日均排放量呈現(xiàn)增長趨勢，與秸稈焚燒火點呈現(xiàn)正相關性；5月31日至6月4日秸稈焚燒火點數量明顯減少，PM10日均排放量濃度呈下降趨勢；6月2日至4日，全省大部分為多云天氣，受云層的遮擋，監(jiān)測不到秸稈焚燒活動；6月9日左右是玉米、大豆等農作物的搶收時間，隨著農作物收割，秸稈焚燒現(xiàn)象也隨之加劇，同時PM10排放量增加。開封市地處河南省中北部地區(qū)，當地空氣質量除秸稈焚燒以外，還受到周圍其他市的影響。通過分析秸稈焚燒與PM10排放量關系發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在較好的相關性：即火點多的地方PM10監(jiān)測值較高，而火點較少的地區(qū)與PM10相關性較差，但是也存在火點少的地區(qū) PM10排放量較高，說明該區(qū)域有其它污染嚴重的源。

表3 各市秸稈焚燒火點與PM10相關性

圖4 平頂山秸稈焚燒火點數與PM10日均濃度圖

4 結束語

本文采用MODIS二級產品數據MOD14提取2000、2008、2014年夏季河南省秸稈焚燒火點，分析了河南省過去14年間秸稈焚燒變化情況：在過去的14年間，河南省秸稈焚燒由北部和中部地區(qū)逐步向西南和東南地區(qū)演變。采用API數據與秸稈焚燒火點數進行分析表明：秸稈焚燒會對空氣質量產生一定影響，但并不是唯一影響空氣質量的指標。本文的相關方法和分析可為當地環(huán)保部門進行大面積秸稈焚燒監(jiān)測提供一種技術方法，為制定和完善秸稈焚燒政策提供有力依據。

[1] DELMAS R, LACAUX J P, BROCARD D. Determination of biomass burning emission factors：Methods and results[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 1995, 38: 181-204.

[2] 劉婷,王來剛,范磊. 基于EOS/MODIS數據的河南省小麥秸稈焚燒監(jiān)測分析[J]. 河南農業(yè)科學, 2011, 40(11):158-160.

[3] 齊少群, 張菲菲, 萬魯河,等. 哈爾濱秋季霧霾期秸稈焚燒區(qū)域識別提取研究[J]. 自然災害學報, 2016, 25(4):152-158.

[4] 陳潔, 鄭偉, 高浩,等. 多源衛(wèi)星遙感農作物秸稈焚燒過火區(qū)面積估算方法[J]. 農業(yè)工程學報, 2015, 31(3):207-214.

[5] 厲青, 張麗娟, 吳傳慶,等. 基于衛(wèi)星遙感的秸稈焚燒監(jiān)測及對空氣質量影響分析[J]. 生態(tài)與農村環(huán)境學報, 2009, 25(1):32-37.

[6] 陸曉波, 喻義勇, 傅寅,等. 秸稈焚燒對空氣質量影響特征及判別方法的研究[J]. 環(huán)境監(jiān)測管理與技術, 2014(4):17-21.

[7] 吳立新, 呂鑫, 秦凱,等. 秸稈焚燒期間徐州市空氣污染物時空分布特征分析[J]. 地理與地理信息科學, 2014, 30(1):18-22.

[8] 李金香, 趙越, 李令軍,等. 麥秸焚燒導致的北京市大氣污染時空分布和化學組成特征分析[J]. 環(huán)境科學學報, 2008, 28(9):1904-1909.

[9] JUSTICE C, GIGLIO L, KORONTZI S. The MODIS fire products. Remote Sensing of Environment[J], 2002, 83(1-2):244-262.

[10] 周雯, 陳建文, 王斌,等. 成都大氣污染物在焚燒秸稈時的溯源初步探究[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測, 2014,30(6): 47-54.

[11] KAUFMAN Y J, KLEIDMAN R G, KING M D. SCAR-B fires in the tropics: Properties and remote sensing from EOS-MODIS[J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 1998, 103(D24):31955-31968.

[12] 管華,陳沛云,宮少燕,等. 河南省城市空氣質量特征與污染防治對策[J]. 地域研究與開發(fā),2005(2):125-128.

RemotesensingmonitoringandanalysisofstrawburninginHenanProvincebasedonMODIS

LI Jia1, 2, 3, LI Shuting1, 2, 3, DUAN Ping1, 2, 3, ZHANG Chi4

(1.College of Tourism and Geographic Sciences, Yunnan Normal University, Kunming 650500,China; 2.Key Lab of Resources and Environmental Remote Sensing for Universities in Yunnan, Kunming 650500,China; 3 Center for Geospatial Information Engineering and Technology of Yunnan Province, Kunming 650500,China; 4. College of Geographic Science, Nantong University, Nantong 226019,China)

In this paper, MODIS Level 2 product is used, which is based on the fire spot pixel brightness temperature characteristics to extract the fire spot distribution of straw burning in Henan Province from May 29 to June 14 in 2000, 2008 and 2014. In addition, the temporal and spatial distribution characteristics of straw burning are analyzed. The result shows that the number and area of fire spot of straw burning are increasing over the past 14 years in Henan Province. The burning of straw in Henan Province was gradually spread from the northern and central regions to the southwestern and southeastern regions. During the 14 years and straw burning in the southwestern and southeastern regions was more serious. Among them, the phenomenon of straw burning in Zhoukou, Zhumadian, Xinyang and Nanyang remains serious, and the phenomenon of straw burning in Anyang, Jiaozuo and Xinxiang is obviously weakened. The influence of straw burning on air quality is analyzed according to the air pollution index of Henan Province in 2014. The result shows that straw burning has a certain impact on air quality, but not the only index of influencing the air quality.

MODIS; straw burning; fire spot extraction; air pollution index

2017-05-24

國家自然科學基金項目(41561048)

李 佳(1984-),女，博士.

段 平(1984-),男，博士.

著錄：李佳，李舒婷，段平，等.基于MODIS的河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測與分析[J].測繪工程，2018，27(1)：42-46，51.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.009

P237；X821

A

1006-7949(2018)01-0042-05

王文福]