高玉宏+楊蕾+劉成新+呂明佳+張瑋

摘 要：本文以黑龍江省為研究區(qū)域，以風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，選取2016年秸稈焚燒高發(fā)期的10月的FY3B的VIRR遙感影像，通過對波段特性的深入分析和計算，獲取黑龍江省農(nóng)作物收獲季節(jié)小麥秸稈焚燒點信息，進(jìn)行火點判識處理，以期為生態(tài)環(huán)境問題的防治提供可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：FY-3B；VIRR；秸稈焚燒監(jiān)測；黑龍江省

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來，春季農(nóng)耕之前和夏秋農(nóng)作物收獲之后，秸稈焚燒這一現(xiàn)象引發(fā)了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題。傳統(tǒng)地面秸稈焚燒監(jiān)測主要為人工手段，在獲取信息方面速度比較慢，無法及時獲取大范圍地區(qū)的秸稈焚燒空間分布。利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)，可以宏觀、快速、動態(tài)地監(jiān)測秸稈焚燒信息，獲取大范圍的地面信息，確定秸稈焚燒火點位置、數(shù)目及火點的分布規(guī)律。國內(nèi)外在衛(wèi)星遙感監(jiān)測秸稈焚燒方面已經(jīng)開展了較多的研究，但主要是基于MODIS的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行的，如劉婷、嚴(yán)飛等分別對河南省和江蘇省的秸稈焚燒情況進(jìn)行監(jiān)測，效果良好。也有應(yīng)用更高分辨率的影像，如田慶久應(yīng)用HJ-1B數(shù)據(jù)對江蘇省進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測，馬建行應(yīng)用Landsat8數(shù)據(jù)對松嫩平原進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測，這些數(shù)據(jù)具有空間分辨率較高的優(yōu)點，監(jiān)測效果良好。

目前應(yīng)用氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測的實例還沒有普及。風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星是第二代極軌氣象衛(wèi)星，其具有監(jiān)測范圍大、實時性強的特點。以黑龍江省為研究區(qū)域，選取2016年秸稈焚燒高發(fā)期的10月的FY3B的VIRR遙感影像，通過對波段特性的深入分析和計算，獲取黑龍江省農(nóng)作物收獲季節(jié)小麥秸稈焚燒點信息，進(jìn)行火點判識處理，并且得到詳細(xì)的坐標(biāo)位置，估算焚燒面積。

一、研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

黑龍江省位于中國最東北部，得天獨厚的平原地貌和肥沃的黑土地條件，農(nóng)用地面積較大。黑龍江省上半年農(nóng)田秸稈焚燒期主要集中在4月和5月，下半年農(nóng)田秸稈焚燒期主要集中在10和11兩個月份。

本文主要應(yīng)用FY3B衛(wèi)星的可見光紅外掃描輻射計VIRR數(shù)據(jù)，包含10個光譜通道，其中包括4個可見光通道、3個熱紅外通道、兩個短波紅外和1個近紅外通道。

二、衛(wèi)星監(jiān)測秸稈焚燒火點的原理

秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測主要是探測秸稈焚燒引起的地面熱異常火點，其原理是基于維恩位移定律，黑體溫度和輻射峰值波長呈反比，即一個物體溫度越高，其輻射譜的波長越短。熱異常點的一個顯著特征就是紅外波段的輻射能量高于常溫地物。秸稈焚燒屬于生物質(zhì)燃燒，生物質(zhì)燃燒時，在中紅外波段的輻射值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其周圍背景像元，其輻亮度特征非常明顯。秸稈火點遙感探測正是利用內(nèi)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準(zhǔn)確地統(tǒng)計出來，并進(jìn)行多閾值判別，根據(jù)判別結(jié)果提取火點像元。

三、基于VIRR數(shù)據(jù)的火點監(jiān)測

1.研究方法

VIRR火點算法的關(guān)鍵是將目標(biāo)像元的溫度特性與周圍背景像元的平均溫度特性準(zhǔn)確地統(tǒng)計出來，通過多閾值判別提取火點像元。

2.算法設(shè)計

（1）云和水檢測

首先消除云的干擾，判識條件為可見光波段1（T1）大于200，并且遠(yuǎn)紅外波段4（T4）小于270K。

其次進(jìn)行水體檢測，判識條件為波段1（T1）和近紅外波段2（T2）的歸一化比值，小于0的判識為水像元。

3.背景溫度計算

將被監(jiān)測點與周圍像素點的溫度關(guān)系進(jìn)行比較。提取背景信息時濾除火點的條件為：以被監(jiān)測點為中心，建立周邊鄰域大小為N×N個的像元背景窗口，起始大小為5×5，若有效背景像元不夠，則增大窗口，對窗口中的背景像元進(jìn)行分類并統(tǒng)計其溫度特性。同時滿足中紅外波段3（T3）大于310K。

4.疑似和絕對火點判斷

疑似火點判識按照以下規(guī)則：最小鄰域7×7，最大鄰域19×19，T3大于310K，T3與T4的差值大于10K。

絕對火點判斷條件為：T4大于340K，T3大于310K，并且T3和T4的差值大于30K，異常像元個數(shù)6。

四、研究結(jié)果

本文選取少有云影響的2016年10月26日至31日的FY-3B的VIRR遙感影像數(shù)據(jù)，此時數(shù)據(jù)刻覆蓋黑龍江省全部范圍，應(yīng)用ENVI，arcGIS，以及衛(wèi)星監(jiān)測分析與遙感應(yīng)用系統(tǒng)（SMART）等軟件為數(shù)據(jù)處理平臺，經(jīng)過輻射定標(biāo)和幾何定位后，等經(jīng)緯度投影，基準(zhǔn)面為WGS-84坐標(biāo)系。

根據(jù)上述原理與算法，應(yīng)用VIRR遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測處理，獲取熱異常點的分布，首先基于衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對火點進(jìn)行識別和熱輻射特性的反演，獲取遙感數(shù)據(jù)可識別的所有火點像元空間位置、面積等信息，然后結(jié)合Google earth衛(wèi)星驗證氣象衛(wèi)星秸稈焚燒火點精度，提取土地分類數(shù)據(jù)，將火點進(jìn)行疊加分析，獲得它的土地類型，類型為農(nóng)田的判斷為秸稈焚燒點。VIRR數(shù)據(jù)圖像像素的分辨率是1.1km，因此覆蓋面積為1.21km2左右。氣象衛(wèi)星監(jiān)測的火點像素指的是該像元中監(jiān)測到有明火區(qū)，但不是說像素內(nèi)全部是明火區(qū)。實際上由于氣象衛(wèi)星對明火比較敏感，監(jiān)測的火點像素內(nèi)的明火區(qū)面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于像元面積。

除去有云區(qū)域焚燒點提取受到影響不明確之外，2016年11月26日至31日，在地域分布上，黑龍江省秸稈焚燒分布于在松嫩平原和三江平原等糧食主產(chǎn)區(qū)，主要集中于哈爾濱地區(qū)、綏化地區(qū)、齊齊哈爾地區(qū)和佳木斯地區(qū)。經(jīng)過分析計算，秸稈焚燒像元覆蓋面積分別為992.3km2、530.42km2、483.15km2、420.76km2、450.54km2、365.1km2，其中明火面積分別為46.92hm2、36.3hm2、17.82hm2、21.95hm2、21.33hm2、20.29hm2。

六、討論

綜上所述，本研究還具有以下幾點不足：

（1）應(yīng)用風(fēng)云三號衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行秸稈焚燒監(jiān)測的實例還很少，一些具體的算法設(shè)計還不成熟，閾值的提取范圍還需要集合實地考察，進(jìn)行精度驗證，針對不同季節(jié)，下墊面溫度的不同提出適宜性方案。

（2）數(shù)據(jù)的精度不高，考慮以后同高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)相結(jié)合，更加精確的提取秸稈焚燒火點。

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