2021年湖南省秸稈焚燒衛星遙感監測分析

劉妍妍，丁 華，呂 明，周國治

(湖南省生態環境監測中心，湖南 長沙 410019)

1 引言

湖南省面積21.18萬km2，下轄14個地市，其中耕地面積4.15萬km2。每年春、秋兩季為秸稈焚燒多發期，對空氣質量影響嚴重，監管壓力大，監測難。衛星遙感具有大時空范圍、動態連續和定量化的觀測優勢，與地基觀測結合形成多尺度、多維度、多要素的“天地一體”立體監測體系，已成為我國新時期生態環境保護及污染防治工作的必備支撐[1～3]。本文使用衛星遙感技術對秸稈焚燒火點進行監測，提高了秸稈焚燒火點監測的效率和水平，強化了地方各級政府秸稈禁燒主體責任，嚴格落實監管目標責任考核制度，提升秸稈焚燒監管能力，實現“天空地”一體化監測，防控因秸稈露天焚燒造成的大氣環境污染問題，并及時向各市縣下發科學的秸稈焚燒指導意見，指導全省各市縣進行科學合理的秸稈焚燒，減少秸稈焚燒對空氣質量的影響，進一步提高全省空氣質量的整體水平。

2 火點遙感監測算法原理

火點遙感監測的原理基于維恩位移定律[4～7]。常溫地物熱輻射能量的峰值位于長波紅外波段，隨著溫度升高，熱輻射的峰值向波長較短的波段移動。因此，火點的一個顯著特征就是中紅外波段的輻射能量高于常溫地物。通過遙感觀測的輻射能量可以計算物體的亮度溫度，基于上述特征可設置適當的亮度溫度閾值實現火點判別。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度質檢反比關系的定律，其可以表示為：

(1)

式(1)中，λmax為輻射的峰值波長(m)；T為黑體的絕對溫度(K)；b=2.8977685×10-3m·K，稱為維恩位移常數。維恩位移定律說明了一個物體溫度越高，其輻射譜的波長越短，根據維恩位移定律，物體輻射峰值波長隨溫度升高向短波方向移動。一般秸稈燃燒溫度為500～1000K，按照維恩位移定律，其輻射能量應主要集中在2.8～5.7 μm，實際觀測的燃燒火焰輻射峰值約分布在4 μm附近的中紅外區域，遠遠高于常溫物體(300 K)在這一光譜區域的輻射，但二者在11～12 μm的熱紅外區域相差不大。秸稈火點遙感探測正是利用內部含有火焰的高溫像元與背景常溫像元在中紅外和熱紅外波段輻射能量的差異來識別地面火點。算法的核心內容是將目標像元的溫度特性與周圍背景像元的平均溫度特性準確地統計出來，并進行多閾值判別，根據判別結果提取火點像元[8～10]。

2.1 算法流程

算法的核心內容是將目標像元的溫度特性與周圍背景像元(background pixels)的平均溫度特性準確地統計出來，并進行多閾值判別，根據判別結果提取火點像元[11～13]。將熱異常點數據與區域土地利用數據進行疊加分析，通過選擇有可能發生秸稈焚燒的地區來提取生物質燃燒點。最后利用包括農田地區實測數據、氣象測量數據以及其它星載和機載數據等在內的一系列輔助數據，對提取的生物質燃燒點數據進行比對驗證，從而對秸稈焚燒點進行信度估算[14，15]。如圖1所示，主要分為以下幾個部分：

(1)根據云檢測產品和海陸掩碼選出適合的無云陸地像元，提取中紅外和熱紅外兩個波段的表觀輻射亮度，并計算其表觀亮度溫度。

(2)設置上述兩個通道亮溫差值的閾值，滿足這一條件的無云陸地像元即標記為潛在熱異常點。

(3)通過比對目標熱異常像元的溫度特性與背景有效像元溫度特性，判斷目標點是否為真熱異常點。

(4)輔助以土地利用類型圖、真彩圖、連續多天同一地區的火點數據，剔除秸稈焚燒、草原火、噪聲火點和燃煤電廠等其他火點，保留由秸稈焚燒引起的火點。

(5)通過目標區實測的焚燒面積、火點密度等數據，以及高分辨率的真彩色圖像，與反演的林火燃燒點進行比對驗證，綜合考慮比對與驗證結果，形成生物質燃燒點信度數據。

圖1 秸稈焚燒衛星遙感監測總體方案

3 2021年監測概況

本文采用國內外先進的靜止衛星和極軌衛星(包括但不限于Suomi-NPP、JPSS1、Terra、Aqua、Himawari-8系列等衛星數據基礎，實現覆蓋全省的多尺度、多維度秸稈焚燒衛星監測能力。通過平臺化服務，監測包含秸稈焚燒衛星像元的數量和分布，結合衛星觀測到的輻射能量與實時氣象條件，支撐湖南省評估秸稈焚燒的空氣質量影響。利用GIS工具對湖南省內火點統計分析，便于進行火點查驗和監察工作的開展。

3.1 空間位置分析

空間分布上看，2021年湖南省火點主要集中在南部、北部、中部、東部地區，西部偏少；在火點數目方面，衡陽市火點數目最多，有140個，占湖南省火點總數的19.7%；郴州市第2，有133個，占湖南省火點總數的18.7%；邵陽市第3，有106個，永州市第4，有101個；其他地市火點數目均小于55個。2021年湖南省各市州火點分布情況，詳見圖2。

圖2 2021年湖南省秸稈焚燒火點分布情況

秸稈焚燒火點數量最多的前四名為衡陽市(140個)、郴州市(133個)、邵陽市(106個)、永州市(101個)，其次婁底市(54個)、株洲市(43個)、岳陽市(41個)、常德市(37個)、湘潭市(14個)、長沙市(12個)、益陽市(12個)、湘西土家族苗族自治州(10個)、懷化市(6個)、張家界市(1個)。詳見圖3。

圖3 2021年湖南省各市秸稈焚燒火點數量分布

3.2 時間維度分析

從季時間維度上看，經統計2021年湖南省秸稈焚燒火點季度分布圖(圖4)，按火點數量從高到低排序依次為第一季度(633個)、第四季度(66個)、第三季度(11個)、第二季度(0個)。

圖4 2021年湖南省秸稈焚燒火點季度分布

從月時間維度上看，2021年湖南省逐月秸稈焚燒火點數目統計(圖5)，火點數量最多的月份為1月份，火點數目為455個，占總數的64.08%；第2為2月份，火點數目為168個，占總數的23.67%；第3為10月份，火點數目為51個，第四為9月份，火點數目為11；第五為3月份和12月份，火點數目均為10個。其他月份火點數目均小于10個，且4～8月份秸稈焚燒火點數目為0個。

圖5 2021年湖南省逐月秸稈焚燒火點數目統計

4 結論

衛星遙感充分發揮“宏觀、直觀、客觀”的觀測優勢，依托國內外先進高空間分辨率與高時間分辨率衛星的多源衛星組合優勢，提供的秸稈焚燒監測信息為湖南省的秸稈焚燒監管提供新的手段，彌補現有監測能力，提升湖南省大氣環境質量監管能力與整體管理x南部、北部、中部、東部地區，西部偏少，從季時間維度上看，第一季度火點數目最多，從月時間維度上看，火點數量最多的月份為1月。