秸稈焚燒遙感監測及空氣污染防治對策

姜海玲　楊勝杰　張秀華

摘要：采用文獻閱讀研究法，對國內近十余年秸稈焚燒的監測研究進行綜合分析。在闡述秸稈焚燒、遙感衛星監測原理的基礎上，揭示污染物對空氣質量的影響，并提出秸稈焚燒造成空氣污染的防治對策，最后對未來無人機遙感監測平臺在秸稈焚燒監測中的應用潛力進行了展望。

關鍵詞：秸稈焚燒；遙感監測；空氣污染；防治對策

中圖分類號：X87；S19 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）20-3841-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.20.013

Abstract： Using the literature reading methods， the domestic research of straw burning in recent ten years was synthetically analyzed. On the basis of elaborating the theory of remote sensing satellite monitoring， the impact of pollutant to air quality was exposed， and countermeasures of straw burning was put forward. Finally the application potential of high precision data source and the platform of UAV remote sensing was proposed in monitoring straw burning in future.

Key words： straw burning； remote sensing monitoring； air pollution； countermeasures of prevention and control

隨著中國社會經濟發展，農村普遍推廣電氣化，農民在燃料方面減少了對秸稈的依賴。因此，每逢夏秋兩季，便出現大面積秸稈露天焚燒現象。秸稈焚燒作為生物質燃燒的一種，已成為全球關注的問題，不僅造成了生物質資源的浪費，也嚴重影響大氣質量，威脅人類健康。據統計，中國2015年秸稈資源量為10.4億t，主要用于肥料、飼料、基料、燃料和原料，綜合利用率為80.1%，這意味著中國每年有近2億t秸稈進行焚燒處理[1]。為監測全國秸稈焚燒火點數量及其分布，原國家環保總局利用衛星遙感技術，監控全國秸稈焚燒態勢，并采取了系列政策規定，如《大氣污染防治行動計劃》、《大氣污染防治法》等[1，2]。現國家環境部門基于環境遙感衛星對地面秸稈焚燒進行全年實時監測，獲得數據報表發布于互聯網上，以期起到警示督促作用。目前，中國遙感監測中心對利用遙感技術監測秸稈焚燒火點進行深入研究，并取得了一定成效。

1 遙感技術監測秸稈焚燒的基本原理及方法

遙感技術于20世紀60年代興起，憑借獲取信息范圍廣、實時高效且成圖迅速的優勢，在農林業、海洋、地質等領域得到廣泛應用。現階段，在秸稈焚燒監測方面，衛星遙感技術發揮著重要作用，通過獲取的遙感影像對熱異常源及焚燒火點進行識別提取，并逐步取代地面監測的傳統方式，為高效監測秸稈焚燒提供支持。

1.1 衛星遙感技術

衛星遙感技術不受區域尺度限制，不僅能監視區域火情火勢，還能動態監測全國尺度焚燒狀況。在秸稈焚燒監測過程中，焚燒火點分布的不確定性以及云層覆蓋時有存在，因此，對遙感衛星空間、時間及光譜分辨率等性能指標有著較高要求。

中分辨率成像光譜儀MODIS（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer）是Terra和Aqua衛星上裝載的傳感器，組成部件有橫向掃描鏡、光收集器件、一組線性探測器陣列和位于4個焦平面上的光譜干涉濾色鏡，最大空間分辨率為250 m，在0.4～14.5 μm之間有36個觀測通道，其多通道數據可為分析火勢分布、煙云走向、火燒趨勢提供基礎支持[3]。MODIS具有對高溫敏感的第7波段，可使火點監測精度得到提高，是秸稈焚燒監測的主要數據源。中國以MODIS作為數據源監測秸稈焚燒火點的研究相對較早。段衛虎等[3]、胡梅等[4]利用MODIS數據分別對森林火點、秸稈焚燒火點進行識別監測，驗證了MODIS數據用于火點監測的可行性，表明火點監測中閾值確定與地區背景具有一定關系。

資源三號（ZY-3）衛星是中國第一顆自主的民用高分辨率立體測繪衛星，在2012年1月升空，搭載有MUX和TLC遙感器，空間分辨率分別達5.8和2.1 m。高分辨率能夠有效減少焚燒火點的漏判和誤判，因此ZY-3是秸稈焚燒監測的理想數據源之一。馮登超等[5]以ZY-3遙感影像作為數據源，對秸稈焚燒火點進行監測，并與MODIS監測結果進行對比分析，表明ZY-3憑借其高空間分辨率的優勢，能夠獲取更精確的結果。

除MODIS和ZY-3數據外，馬建行等[6]以松嫩平原為研究區，以Landsat 8衛星影像作為數據源，對秸稈焚燒與未焚燒區域分別進行提取，最終得到燃燒指數與秸稈焚燒程度的相關性；馮登超等[7]基于Google Earth數據，以縣級秸稈焚燒火點為出發點，表明將Google Earth數據與多種衛星遙感數據相結合監測秸稈焚燒，速度更快且效率更高。

1.2 秸稈焚燒火點提取方法

采用不同的秸稈焚燒火點提取方法，遙感監測精度則不同。為避免非秸稈焚燒火點的干擾，應合理設計火點提取流程（圖1），其中，注重與其他地物的比較甄別，能夠有效提高精度。常用火點提取方法主要有以下幾種。

1）物體熱輻射和維恩定律[2，3]。考慮秸稈焚燒具有地表火的特點，利用MODIS數據，基于斯蒂芬-波爾茲曼定律、維恩位移定律及普朗克輻射公式，在實際遙感監測中利用中紅外波段對地面溫度異常點強吸收的特點，從正常地表溫度環境中提取高溫火點進行識別，以達到秸稈焚燒火點提取的目的。endprint

2）亮溫和遙感探火原理。利用遙感技術對地面異常熱源進行識別監測時，將熱紅外通道輻射率轉換為亮溫，用以間接表示地表真實溫度。楊珊榮等[8]采用亮溫和遙感探火技術，利用MODIS數據對秸稈焚燒火點進行辨認，研究結果表明監測精度可滿足要求，并指出調整閾值、改進模型是提高火點識別算法精度的核心，但很大程度上仍受主觀因素的影響，應結合更多的實測數據進行輔助識別。

2 秸稈焚燒對空氣質量的影響及防治對策

秸稈焚燒釋放的大量氣態污染物及顆粒物，對空氣質量、碳循環、土壤結構等有著重要影響，是空氣污染主要來源之一。近十余年，中國相關學者在秸稈焚燒引起空氣污染方面做了較多的研究分析和實證調查。

2.1 秸稈焚燒對空氣質量的影響

空氣質量指數用來評價SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、CO和懸浮顆粒物等污染物，秸稈焚燒釋放的氣態和氣溶膠顆粒物影響著空氣質量的變化趨勢。

賈宏群[9]基于環境監測部門數據，得出在秸稈焚燒時，大氣中SO2、NO2、可吸入顆粒物三項污染指數均達到高峰，超出平均水平數倍；何立環等[10]以長江三角洲區域的一次污染天氣為研究背景，分析了秸稈焚燒與空氣污染的相關性，結果表明秸稈焚燒活動嚴重加劇空氣污染；吳建蘭等[11]通過對南通市6年內秸稈焚燒對空氣質量影響情況進行統計，分析秸稈焚燒在大氣擴散有利和無利條件下的差異，表明秸稈焚燒在大氣擴散不利條件下會加劇PM10質量濃度，從而造成輕度污染天數對全年污染天數的貢獻超過30%；蘇繼峰等[12]收集統計年鑒等信息，估算并制作了因秸稈焚燒造成的大氣污染物排放清單，將秸稈焚燒排放源應用到空氣質量模式中，對空氣質量數值模擬有著積極意義。

2.2 污染物的輸送與分布

由于垂直逆溫層和穩定的中性層結等大氣條件的影響，致使污染物不易擴散，氣流流通和風向變化會將局地秸稈焚燒排放的污染物輸送到周邊城市乃至全國各地，從而擴大污染面。軌跡分析方法被應用于空氣污染物的輸送與分布研究中，它能準確反映污染物的輸送情況，將此方法應用于分析秸稈焚燒排放污染物輸送途徑的案例有很多，尹聰等[13]利用氣團后向軌跡分析方法，以南京地區因秸稈焚燒造成的空氣污染事件為背景，剖析其具體影響因素，結果表明逆溫層不利于污染物的垂直擴散，且受相對濕度的影響；朱佳雷等[14]根據南京氣團向后軌跡進行分析，針對2008年江蘇某次重霾事件，結果揭示事發當地及外省秸稈焚燒排放物對空間污染的貢獻率分別為32.4%和33.3%；蘇繼峰[15]以南京及周邊地區空氣污染事件為背景，研究并分析秸稈焚燒對空氣質量所產生的影響，表明秸稈焚燒產生的污染物在擴散過程中受限于地形和天氣情況；王書肖等[16]建立的中國秸稈焚燒大氣污染物排放清單中，可以看出主要排放有PM2.5、BC、OC、SO2、NMVOC、CO、CO2、NOx等，并以NOx為例制作了排放強度圖，結果表明污染物的排放主要集中于華東及華北地區，且中國生物質焚燒排放的污染物分布不均，排放形式以可吸入顆粒物為主。

2.3 防治對策

根本防治秸稈焚燒的核心是為大量秸稈尋找出路。然而，中國秸稈綜合利用率仍然很低。張燕[17]對照國內外秸稈用作肥料、飼料、燃料、纖維、原料所產生的生態、經濟及社會效益，指出中國秸稈資源現有利用方式存在缺陷。

為了達到經濟和環境雙重效益，秸稈的多元有效利用是解決問題的關鍵。中國的秸稈綜合利用以及防治焚燒對策，主要集中于秸稈還田、秸稈能源化以及鼓勵政策的制定。

1）秸稈還田。秸稈還田是秸稈綜合利用方式中最方便、成本最低的選擇，適當的秸稈還田能夠對土壤質量、作物產量、土壤氮素有效性產生積極影響，且不易造成空氣污染。吳志鵬等[18]闡述了秸稈還田的好處，表明秸稈還田具有增加土壤養分、凈化土壤環境、改善土壤物理性狀等優點，使得作物產量和品質得到提升，并建議機械化秸稈還田，以實現秸稈還田產業化和企業化經營；竇森等[19]基于現行秸稈還田難以推廣的現狀，提出秸稈深還的技術模式，即“富集深還”和“翻壓深還”，研究證實其是一種行之有效的辦法。

2）秸稈能源化。目前，中國秸稈回收利用未成體系，應積極倡導政府主導、企業參與、上下合力，構建秸稈良性循環利用產業鏈。周良[20]通過對國內外秸稈利用現狀的研究，提出秸稈能源化的可行性，如將秸稈用于氣化、制沼、制取醇類，以及利用物理法、化學法對秸稈進行處理利用等。徐玉宏[21]分析了秸稈焚燒引發的環境及社會問題，認為秸稈可用作燃料、輕工、紡織及建材原料，從而促進經濟和環境的雙贏。

3）政策制度的制定。在鼓勵政策方面，賈秀飛等[22]認為經濟激勵型政策下不可直接給予補貼，應將秸稈綜合利用專項資金轉化為對農民回收秸稈的變相補貼。如秸稈粉碎機補貼、秸稈壓塊機補貼等。馬濤[23]認為中國秸稈禁燒行政成本過大，且法律依據尚有欠缺，在執法同時有必要積極引導農民自愿參與。因此，中國應建設秸稈綜合利用、專項補貼、總量控制、責任追究等明確制度。未來秸稈焚燒防治政策的制定可在稅收上為秸稈綜合利用等相關產業給予適當優惠，不可一味注重“命令與控制型工具”，應控制型政策工具和環境自愿型政策并舉，亦可在農戶自愿參與的基礎上進行幫扶和政策傾斜。

3 小結與展望

3.1 小結

以闡述衛星遙感監測秸稈焚燒的原理為基礎，對秸稈焚燒造成空氣污染及防治對策進行分析，得出如下結論。

1）衛星遙感技術監測秸稈焚燒火點具有較成熟的理論性和科學性，其中衛星紅外遙感探測火點時具有較高的靈敏度。

2）秸稈焚燒釋放的污染物不僅影響當地空氣質量，也會被輸送至周邊城市乃至全國各地，輸送途徑由大氣層結穩定度、風速、垂直逆溫層等大氣條件共同決定。

3）秸稈焚燒防治的核心是解決秸稈利用問題。如利用秸稈還田技術能夠增加土壤有機質含量，并對土壤物理及生物性狀進行改進，屬當前主流防治對策。目前該技術推廣困難的主要原因體現在對成本、技術和硬件設施方面要求較高。endprint

綜上所屬，在利用遙感衛星技術快速準確監測秸稈焚燒的同時，有關部門還應向農民普及秸稈焚燒的危害與秸稈有效利用的好處，并擴展秸稈利用的產業鏈和降低秸稈還田的技術成本等，積極開發秸稈在其他方面的相關應用。同時，應積極發展科學技術以提高秸稈綜合利用率。

3.2 展望

中國是典型的農業欠發達國家，人多地闊，秸稈資源豐富。利用衛星遙感技術大面積宏觀監測秸稈焚燒狀況，可有效反映秸稈焚燒的輕重程度及分布區域，有助于根據不同緯度下作物成熟時間制定相應的監測任務，輔助并敦促秸稈焚燒嚴重地區的地方政府進行自糾自治。同時，由于惡劣天氣、地表及云雪覆蓋、噪點等制約因素的存在，有必要提升衛星攜帶傳感器的性能指標，以滿足現實需求。

隨著遙感技術的不斷發展，無人機遙感技術日漸成熟。無人機遙感平臺是衛星遙感的輔助，使用成本低、響應快、空間分辨率高且定位精度高，適于高低空及小尺度遙感數據的獲取，能滿足火點、火情拍攝和監測的需要。20世紀90年代，中國開始利用無人機技術完成氣象情報監測、藥用植物資源監測、海洋監測與測繪等任務，并獲得較好的監測效果，這表明無人機在秸稈焚燒遙感監測中也具有極大發展潛力，未來研究可嘗試利用無人機遙感技術進行區域尺度的秸稈焚燒火勢的實時監控和監測。

參考文獻：

[1] 厲 青，張麗娟，吳佳慶，等.基于衛星遙感的秸稈焚燒監測及對空氣質量影響分析[J].生態與農村環境學報，2009，25（1）：32-37.

[2] 鄒春輝，趙學斌，劉忠陽，等.衛星遙感技術在秸稈焚燒監測業務中的應用[J].河南氣象，2005（3）：24-26.

[3] 段衛虎，黃 誠，王 皓，等.MODIS數據在森林火點識別中的應用研究[J].安徽農業科學，2014，42（28）：9800-9803.

[4] 胡 梅，齊述華，舒曉波，等.華北平原秸稈焚燒火點的MODIS影像識別監測[J].地球信息科學，2008，10（6）：802-807.

[5] 馮登超，秦煥禹，楊曉冬，等.基于資源三號衛星影像的秸稈焚燒火點監測研究[J].電子測量與儀器學報，2015，29（4）：616-621.

[6] 馬建行，宋開山，溫志丹，等.基于Landsat 8影像的不同燃燒指數在農田秸稈焚燒區域識別中的應用[J].應用生態學報，2015， 26（11）：3451-3456.

[7] 馮登超，秦煥禹，鞠秀亮，等.基于Google Earth的縣域秸稈焚燒火點監測初探[J].北華航天工業學院學報，2015，25（1）：3-5.

[8] 楊珊榮，李 虎，余 濤，等.基于MODIS的秸稈焚燒火點識別原理及算法IDL實現[J].遙感信息，2009（2）：91-97.

[9] 賈宏群.焚燒秸稈對環境質量的影響與防治[J].科技傳播，2012（3）：57，51.

[10] 何立環，董貴華，明 珠，等.基于遙感和GIS技術的秸稈焚燒與空氣狀況的時空響應分析[J].環境與可持續發展，2014，39（5）：97-99.

[11] 吳建蘭，王 悅，姚 穎，等.秸稈焚燒對南通市空氣質量的影響分析[J].環境監測管理與技術，2011，23（2）：61-63.

[12] 蘇繼峰，朱 彬，康漢青，等.長江三角洲地區秸稈露天焚燒大氣污染物排放清單及其在空氣質量模式中的應用[J].環境科學，2012，33（5）：1418-1424.

[13] 尹 聰，朱 彬，曹云昌，等.秸稈焚燒影響南京空氣質量的成因探討[J].中國環境科學，2011，31（2）：207-213.

[14] 朱佳雷，王體健，鄧君俊，等.長三角地區秸稈焚燒污染物排放清單及其在重霾污染天氣模擬中的應用[J].環境科學學報，2012， 32（12）：3045-3055.

[15] 蘇繼峰.秸稈焚燒對南京及周邊地區空氣質量的影響[D].南京：南京信息工程大學，2011.

[16] 王書肖，張楚瑩.中國秸稈露天焚燒大氣污染物排放時空分布[J].中國科技論文在線，2008，3（5）：329-333.

[17] 張 燕.中國秸稈資源“5F”利用方式的效益對比探析[J].中國農學通報，2009，25（23）：45-51.

[18] 吳志鵬，張家俠.淺談農作物秸稈焚燒與秸稈還田[J].安徽農學通報，2008，14（9）：84-85.

[19] 竇 森，陳 光，關 松，等.秸稈焚燒的原因與秸稈深還技術模式[J].吉林農業大學學報，2017，39（2）：127-133.

[20] 周 良.對國內秸稈利用現狀的思考[J].安徽農業科學，2012， 40（32）：15853-15855.

[21] 徐玉宏.我國秸稈焚燒污染與防治對策[J].環境與可持續發展，2007（3）：21-24.

[22] 賈秀飛，葉鴻蔚.秸稈焚燒污染治理的政策工具選擇——基于公共政策學、經濟學維度的分析[J].干旱區資源與環境，2016， 30（1）：36-41.

[23] 馬 濤.秸稈焚燒污染治理的政策工具選擇[J].環境保護， 2012（18）：35-37.endprint