基于MODIS數(shù)據(jù)京津冀的秸稈焚燒火點監(jiān)測與分析

郭暢 劉剋

摘?要：秸稈焚燒會產(chǎn)生大量的氣態(tài)污染物和顆粒物，給大氣環(huán)境帶來較大的影響。衛(wèi)星遙感具有大面積宏觀、快速觀測特點，能夠高效監(jiān)測火點并及時處理。研究以MOD14、MOD03為數(shù)據(jù)源，結(jié)合京津冀土地利用數(shù)據(jù)提取2017年-2018年研究區(qū)內(nèi)秸稈焚燒火點，分析火點個數(shù)變化和時空分布。研究表明：京津冀地區(qū)秸稈焚燒主要集中在河北省中南部的保定市、石家莊市、邢臺和衡水4市;秸稈焚燒火點多集中在春秋兩季，呈雙峰波動趨勢;2018年火點個數(shù)明顯少于2017年個數(shù)，說明人們的環(huán)保意識不斷增強，禁燒工作得以落實。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星遙感;MODIS;秸稈焚燒;時空分布;京津冀

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著我國農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和生活條件改善，秸稈產(chǎn)量不斷增長，出現(xiàn)區(qū)域性、季節(jié)性過剩的現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生秸稈7億噸左右，占全世界秸稈總量的20%～30%。[1]加之秸稈體積大、運輸成本高和利用率低下等原因，出現(xiàn)大面積焚燒秸稈的現(xiàn)象。[2]及時掌握火情發(fā)生的時間和地點，以及夏秋收時節(jié)的秸稈焚燒的地點和范圍，對改善京津冀空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境有至關(guān)重要的作用。秸稈焚燒火點空間分布相對分散且無規(guī)律性，傳統(tǒng)田間人工巡檢方式不僅浪費資源，也不能保障及時、有效地監(jiān)測。衛(wèi)星遙感具有宏觀、快速監(jiān)測的特點，可以彌補人工巡檢的不足，提供較為詳細的火點動態(tài)信息，為各級政府、環(huán)保部門提供科學(xué)翔實的依據(jù)。

20世紀70年代末80年代初，國際上開始利用衛(wèi)星遙感技術(shù)對火災(zāi)進行監(jiān)測，國外研究學(xué)者采用美國NOAA系列氣象衛(wèi)星甚高分辨率輻射計AVHRR傳感器進行火災(zāi)監(jiān)測，AVHRR有五個通道，[3]是全球火災(zāi)監(jiān)測研究中應(yīng)用較為廣泛的數(shù)據(jù)。[3]而AVHRR數(shù)據(jù)圖像邊緣部分畸變較大，[4]其最大缺點在于非常容易飽和，[5]火點監(jiān)測很容易受到干擾。20世紀初，美國EOS系列TERRA/AQUA衛(wèi)星裝載了考慮火災(zāi)監(jiān)測需求的MODIS傳感器，可以更詳細、更高效地對火點進行分析，在火情監(jiān)測中具有特殊的功能和應(yīng)用前景。Giglio等[6]提出了MODIS 火點算法，根據(jù)潛在火點像元與有效背景火點像元的差異來判斷火點，這種差異越大，潛在火點像元為火點的可能性就越大。張麗娟等[7]利用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測2014-2015年全國秸稈焚燒情況，對比分析火點數(shù)目增減情況及分布區(qū)域，得到秸稈焚燒重點區(qū)域及高發(fā)時期;張彥等[8]基于MODIS熱異常數(shù)據(jù)和地面GPS實測資料，對2015年河南省秋季作物收獲時期的秸稈焚燒情況進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)火點分布主要集中在周口、南陽、駐馬店及平頂山地區(qū)，通過對火點數(shù)目的變化分析評價政府的禁燒措施的實施效果。

京津冀協(xié)同發(fā)展急需解決的問題是環(huán)境的協(xié)同發(fā)展與治理。本研究采用2017年-2018年長時間序列的MOD14和MOD03數(shù)據(jù)進行提取火點，結(jié)合土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，得到秸稈焚燒火點個數(shù)及其空間分布，為京津冀秸稈資源有效利用和環(huán)境保護提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)源

京津冀地處我國的華北平原，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)型氣候，四季分明，年均降水量在550mm左右，行政面積約21.66km2，研究區(qū)地勢西北高、東南低，地貌類型由西北向東南呈過渡性傾斜分布，是一個農(nóng)業(yè)綜合發(fā)展的典型地區(qū)。

TERRA/AQUA衛(wèi)星MODIS傳感器設(shè)計有用于火災(zāi)監(jiān)測的中紅外通道、遠紅外通道，且MODIS數(shù)據(jù)時間分辨率、光譜分辨率及空間分辨率等特征非常適合宏觀、實時監(jiān)測火災(zāi)。MODIS標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容的不同分為0級、1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在1B級數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后，劃分2-4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括：陸地標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品等三種主要標準數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，研究選取MODIS2級產(chǎn)品MOD14地面熱異常數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。

2 衛(wèi)星探火原理及火點提取方法

物體內(nèi)部溫度變化，能夠引起較大的輻射改變，這種改變是識別高溫?zé)嵩吹年P(guān)鍵。根據(jù)維恩位移定律，物體為常溫狀態(tài)時輻射峰值波長為10μm左右，火焰溫度通常能達到500-700K，其輻射峰值波長在3-5μm之間。利用MODIS傳感器的中、長紅外波段的光譜特性，進行火點監(jiān)測，其輻射強度越大，地物溫度越高，反之亦然。高溫源溫度微小變化，就能引起輻射值很大變化，這種變化將十分有利于高溫?zé)嵩吹淖R別。

以MOD14和MOD03數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，采用MOD03構(gòu)建GLT地理查找表和地理定位文件，隨后利用GLT文件對MOD14數(shù)據(jù)進行地理定位，提取火點位置。結(jié)合土地覆蓋類型數(shù)據(jù)，將地物分為6類，分別是裸地、建筑用地、農(nóng)業(yè)用地、林地、草地和水體。通過ArcGIS10.1軟件的空間分析功能將土地覆蓋類型與火點疊置分析，得到在農(nóng)業(yè)用地土地類型上的火點，即秸稈焚燒火點，提取秸稈焚燒火點技術(shù)流程圖如圖1。根據(jù)校正后的熱異常遙感影像數(shù)據(jù)分類說明，提取出DN值分別為7、8、9的像元為火點，具體DN值說明如表1。

根據(jù)實驗結(jié)果不難看出，2017年秸稈焚燒總數(shù)明顯高于2018年秸稈焚燒總數(shù)。2017年秸稈焚燒報告共提交京津冀火點監(jiān)測專題產(chǎn)品12期，每月末一期，共12期，其中4期有火情共計192個;2018年秸稈焚燒報告共提交京津冀火點監(jiān)測專題產(chǎn)品12期，每月末一期，共12期，其中8期有火情共計47個?；鹎槎喟l(fā)生在農(nóng)業(yè)用地，發(fā)生在林地、草場的較少（表2）。

根據(jù)2017年年統(tǒng)計結(jié)果，分析得出火點集中在河北省的中南部，北京市東南部，從火點發(fā)生時間來看，主要集中在6月，符合夏收焚燒秸稈特征。

根據(jù)2018年前3個季度統(tǒng)計結(jié)果，分析得出前3個季度均有零星火情出現(xiàn)，其中9月30日有24處火情，多集中在滄州市的南部，符合秋收焚燒秸稈特征。

從年度整體上看，2018年火點數(shù)較去年總數(shù)有所下降，說明農(nóng)民的禁燒意識有所增強。分析同期數(shù)據(jù)得出，2018年第二季度疑似火點個數(shù)明顯少于2017年第二季度疑似火點個數(shù)，且北京、天津疑似火點個數(shù)較2017年有所減少，說明農(nóng)民的禁燒意識有所提高，有關(guān)部門加大了監(jiān)管力度;2018年第三季度疑似火點數(shù)高于2017年同期數(shù)據(jù)，說明秋收時節(jié)禁燒監(jiān)管力度小于夏季，且不排除由于監(jiān)測時間不連續(xù)、空間分辨率導(dǎo)致的漏檢的可能性。

4 總結(jié)

可燃物燃燒會產(chǎn)生大量熱量，同時還會產(chǎn)生SO2、CO、CO2等污染大氣的氣體和細小顆粒物，導(dǎo)致大氣污染，霧霾天氣出現(xiàn)，也會加速溫室效應(yīng)。及時掌握火情發(fā)生的時間和地點，以及夏秋收時節(jié)的秸稈焚燒的地點和范圍，對改善京津冀空氣質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境有至關(guān)重要的作用。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以快速、高效監(jiān)測秸稈焚燒火點，結(jié)合2017-2018年每月末一期MOD14和MOD03數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)2018年焚燒點明顯少于2017年，說明禁燒工作得到落實。根據(jù)2017-2018年趨勢看，春秋兩季是秸稈焚燒高發(fā)期，可為相關(guān)部門科學(xué)決策提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]葉延瓊，汪晶，章家恩，等.廣東省水稻秸稈露天焚燒大氣污染物排放的時空分布特征[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2019，40（4）：52-60.

[2]張思，劉志紅，佟洪金，等.基于遙感數(shù)據(jù)的秸稈焚燒源排放清單及時空分布特征[J].環(huán)境科學(xué)研究，2019，32（4）：627-635.

[3]趙彬，趙文吉，潘軍，等.NOAA-AVHRR數(shù)據(jù)在吉林省東部林火信息提取中的應(yīng)用[J].國土資源遙感，2010，（1）：77-80.

[4]張志林.基于多光譜輻射測溫的火焰溫度場測量技術(shù)研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，2013.

[5]董曉銳，魏迎.FY-3 衛(wèi)星對黑龍江省林火遙感監(jiān)測業(yè)務(wù)的支撐[J].黑龍江氣象，2014（2）：23.

[6]Louis Giglio，Jacques Descloitres，Christopher 0.Justice，Yoram J.Kaufma.An Enhanced Contextual Fire Detection Algorithm for MODIS[J].Remote Sensing of Environment，2003，87，273-282.

[7]張麗娟，厲青，陳輝，等.2014-2015年夏秋收期間全國秸稈焚燒遙感監(jiān)測結(jié)果對比分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41（6）：61-65.

[8]張彥，劉婷，李冰，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的河南省秋季作物秸稈焚燒火點監(jiān)測研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，45（11）：149-154.

[9]王晨，殷守敬，孟斌，馬萬棟，朱利，吳傳慶.京津冀地區(qū)非正規(guī)垃圾場地遙感監(jiān)測分析[J].高技術(shù)通訊，2016，26（Z1）：799-807.