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 文獻標識碼：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)進行的，如劉婷、嚴飛等分別對河南省和江蘇省的秸稈焚燒情況進行監(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，進行火點判識處理，并且得到詳細的坐標位置，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?；瘘c，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遠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確地統(tǒng)計出來，并進行多閾值判別，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(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，并且遠紅外波段4（T4）小于270K。

其次進行水體檢測，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)過輻射定標和幾何定位后，等經(jīng)緯度投影，基準面為WGS-84坐標系。

根據(jù)上述原理與算法，應(yīng)用VIRR遙感數(shù)據(jù)進行秸稈焚燒監(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)面積遠遠小于像元面積。

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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