基于MODIS數據京津冀的秸稈焚燒火點監測與分析

郭暢 劉剋

摘?要：秸稈焚燒會產生大量的氣態污染物和顆粒物，給大氣環境帶來較大的影響。衛星遙感具有大面積宏觀、快速觀測特點，能夠高效監測火點并及時處理。研究以MOD14、MOD03為數據源，結合京津冀土地利用數據提取2017年-2018年研究區內秸稈焚燒火點，分析火點個數變化和時空分布。研究表明：京津冀地區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年火點個數明顯少于2017年個數，說明人們的環保意識不斷增強，禁燒工作得以落實。

關鍵詞：衛星遙感;MODIS;秸稈焚燒;時空分布;京津冀

中國是一個農業大國，隨著我國農村產業結構調整和生活條件改善，秸稈產量不斷增長，出現區域性、季節性過剩的現象。據統計，我國每年產生秸稈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，出現大面積焚燒秸稈的現象。[2]及時掌握火情發生的時間和地點，以及夏秋收時節的秸稈焚燒的地點和范圍，對改善京津冀空氣質量和生態環境有至關重要的作用。秸稈焚燒火點空間分布相對分散且無規律性，傳統田間人工巡檢方式不僅浪費資源，也不能保障及時、有效地監測。衛星遙感具有宏觀、快速監測的特點，可以彌補人工巡檢的不足，提供較為詳細的火點動態信息，為各級政府、環保部門提供科學翔實的依據。

20世紀70年代末80年代初，國際上開始利用衛星遙感技術對火災進行監測，國外研究學者采用美國NOAA系列氣象衛星甚高分辨率輻射計AVHRR傳感器進行火災監測，AVHRR有五個通道，[3]是全球火災監測研究中應用較為廣泛的數據。[3]而AVHRR數據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]火點監測很容易受到干擾。20世紀初，美國EOS系列TERRA/AQUA衛星裝載了考慮火災監測需求的MODIS傳感器，可以更詳細、更高效地對火點進行分析，在火情監測中具有特殊的功能和應用前景。Giglio等[6]提出了MODIS 火點算法，根據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數據監測2014-2015年全國秸稈焚燒情況，對比分析火點數目增減情況及分布區域，得到秸稈焚燒重點區域及高發時期;張彥等[8]基于MODIS熱異常數據和地面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測，發現火點分布主要集中在周口、南陽、駐馬店及平頂山地區，通過對火點數目的變化分析評價政府的禁燒措施的實施效果。

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

1 研究區概況與數據源

京津冀地處我國的華北平原，屬暖溫帶大陸性季風型氣候，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，是一個農業綜合發展的典型地區。

TERRA/AQUA衛星MODIS傳感器設計有用于火災監測的中紅外通道、遠紅外通道，且MODIS數據時間分辨率、光譜分辨率及空間分辨率等特征非常適合宏觀、實時監測火災。MODIS標準數據產品根據內容的不同分為0級、1級數據產品，在1B級數據產品之后，劃分2-4級數據產品，包括：陸地標準數據產品、大氣標準數據產品和海洋標準數據產品等三種主要標準數據產品類型，研究選取MODIS2級產品MOD14地面熱異常數據作為數據源。

2 衛星探火原理及火點提取方法

物體內部溫度變化，能夠引起較大的輻射改變，這種改變是識別高溫熱源的關鍵。根據維恩位移定律，物體為常溫狀態時輻射峰值波長為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熱源的識別。

以MOD14和MOD03數據為數據源，采用MOD03構建GLT地理查找表和地理定位文件，隨后利用GLT文件對MOD14數據進行地理定位，提取火點位置。結合土地覆蓋類型數據，將地物分為6類，分別是裸地、建筑用地、農業用地、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，得到在農業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流程圖如圖1。根據校正后的熱異常遙感影像數據分類說明，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。

根據實驗結果不難看出，2017年秸稈焚燒總數明顯高于2018年秸稈焚燒總數。2017年秸稈焚燒報告共提交京津冀火點監測專題產品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測專題產品12期，每月末一期，共12期，其中8期有火情共計47個。火情多發生在農業用地，發生在林地、草場的較少（表2）。

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

根據2018年前3個季度統計結果，分析得出前3個季度均有零星火情出現，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年火點數較去年總數有所下降，說明農民的禁燒意識有所增強。分析同期數據得出，2018年第二季度疑似火點個數明顯少于2017年第二季度疑似火點個數，且北京、天津疑似火點個數較2017年有所減少，說明農民的禁燒意識有所提高，有關部門加大了監管力度;2018年第三季度疑似火點數高于2017年同期數據，說明秋收時節禁燒監管力度小于夏季，且不排除由于監測時間不連續、空間分辨率導致的漏檢的可能性。

4 總結

可燃物燃燒會產生大量熱量，同時還會產生SO2、CO、CO2等污染大氣的氣體和細小顆粒物，導致大氣污染，霧霾天氣出現，也會加速溫室效應。及時掌握火情發生的時間和地點，以及夏秋收時節的秸稈焚燒的地點和范圍，對改善京津冀空氣質量和生態環境有至關重要的作用。利用衛星遙感技術可以快速、高效監測秸稈焚燒火點，結合2017-2018年每月末一期MOD14和MOD03數據，可以發現2018年焚燒點明顯少于2017年，說明禁燒工作得到落實。根據2017-2018年趨勢看，春秋兩季是秸稈焚燒高發期，可為相關部門科學決策提供依據。

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].華南農業大學學報，2019，40（4）：52-60.

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

[3]趙彬，趙文吉，潘軍，等.NOAA-AVHRR數據在吉林省東部林火信息提取中的應用[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研究[D].哈爾濱工程大學，2013.

[5]董曉銳，魏迎.FY-3 衛星對黑龍江省林火遙感監測業務的支撐[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測結果對比分析[J].環境與可持續發展，2016，41（6）：61-65.

[8]張彥，劉婷，李冰，等.基于MODIS數據的河南省秋季作物秸稈焚燒火點監測研究[J].河南農業科學，2016，45（11）：149-154.

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