李 佳，李舒婷，段 平，張 馳

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息技術(shù)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500；4.南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

基于MODIS的河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測與分析

李 佳1,2,3，李舒婷1,2,3，段 平1,2,3，張 馳4

(1.云南師范大學(xué) 旅游與地理科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650500；2.云南省高校資源與環(huán)境遙感重點實驗室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空間信息技術(shù)工程技術(shù)研究中心，云南 昆明 650500；4.南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

文中采用MODIS二級產(chǎn)品MOD14數(shù)據(jù)，以火點像元亮溫特征為依據(jù)，提取2000、2008、2014年每年5月29至6月14河南省秸稈焚燒火點分布，分析秸稈焚燒時空分布特征。研究表明：河南省14年間秸稈焚燒火點個數(shù)和面積呈上升趨勢；14年間河南省秸稈焚燒由北部和中部地區(qū)逐漸向西南和東南地區(qū)擴(kuò)散，且西南和東南地區(qū)的秸稈焚燒現(xiàn)象較為嚴(yán)重，其中周口、駐馬店、信陽、南陽等市秸稈焚燒現(xiàn)象較突出，安陽、焦作、新鄉(xiāng)等市秸稈焚燒現(xiàn)象明顯減弱；結(jié)合2014年河南省空氣污染指數(shù)分析秸稈焚燒對空氣質(zhì)量的影響表明：秸稈焚燒會對空氣質(zhì)量污染產(chǎn)生重要影響。

MODIS；秸稈焚燒；火點提??；空氣污染指數(shù)

秸稈焚燒時排放出大量有毒有害氣體對空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重污染[1]。秸稈焚燒監(jiān)測是依據(jù)焚燒的時空特性和分散特性確定的，通常采用傳統(tǒng)人工方法和遙感技術(shù)。傳統(tǒng)人工手段監(jiān)測秸稈焚燒可以在小區(qū)域內(nèi)較為精確的統(tǒng)計火點個數(shù)及面積，但是監(jiān)測的頻率和速率較低，監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性存在一定誤差，對于大范圍內(nèi)的秸稈焚燒分布情況不能同步實時監(jiān)測；與傳統(tǒng)人工方法相比較，遙感監(jiān)測方法時效性強(qiáng)、監(jiān)測范圍廣，可以快速監(jiān)測大范圍秸稈焚燒區(qū)域，彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法的不足，為大范圍秸稈焚燒監(jiān)測提供可能。

對于秸稈焚燒監(jiān)測方面，很多學(xué)者采用遙感影像進(jìn)行相關(guān)方面的研究。劉婷等人利用MODIS數(shù)據(jù)監(jiān)測秸稈焚燒表明在農(nóng)作物收割期間火點較為明顯[2]； 齊少群等人用HJ-1B的IRS傳感器數(shù)據(jù)，選取哈爾濱霧霾較為嚴(yán)重的秋冬季節(jié)，對秸稈焚燒區(qū)域進(jìn)行提取和識別等研究[3]，陳潔等人采用風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)和高分一號數(shù)據(jù)對秸稈焚燒過火面積進(jìn)行提取研究，表明秸稈焚燒對空氣質(zhì)量會產(chǎn)生一定影響[4]，眾多學(xué)者在秸稈焚燒對空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響方面做了相關(guān)研究工作[5-7]，李金香等人通過大氣顆粒物監(jiān)測儀器監(jiān)測秸稈焚燒污染物，秸稈焚燒污染物處在不利于擴(kuò)散的氣象條件下會對空氣質(zhì)量造成嚴(yán)重污染[8]。當(dāng)前環(huán)保部門采用環(huán)境氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)對秸稈焚燒進(jìn)行實時監(jiān)測，但氣象衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測到秸稈焚燒最小面積為100 m2，小區(qū)域內(nèi)的秸稈焚燒可能會被遺漏，統(tǒng)計結(jié)果與實際有一定偏差。與氣象衛(wèi)星比較，MODIS傳感器不僅靈敏度精度很高，而且探測到的面積比氣象衛(wèi)星更小、更精確(最小面積為50 m2)，可以更真實、更詳細(xì)地對火情進(jìn)行定性定量的分析。這使得MODIS衛(wèi)星在秸稈焚燒監(jiān)測和預(yù)測方面和其他衛(wèi)星相比有很大優(yōu)勢。

河南省糧食產(chǎn)量位于全國第一，夏季糧食產(chǎn)量最多，糧食收割產(chǎn)生大量秸稈使得焚燒現(xiàn)象較為嚴(yán)重?；诖耍疚牟捎?000、2008、2014年每年的5月29至6月14日MODIS二級產(chǎn)品MOD14數(shù)據(jù)，提取河南省秸稈焚燒火點分布，統(tǒng)計分析河南省過去14年秸稈焚燒分布情況以及整體變化趨勢，并將2014年統(tǒng)計結(jié)果與河南省2014年空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)結(jié)合分析，探討秸稈焚燒對河南省城市空氣質(zhì)量的影響及其差異。

1 研究區(qū)域與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域概述

河南省位于中國中東部，地處華北平原，以沖積平原為主，擁有肥沃的土壤和充足的水源，糧食產(chǎn)量位于全國第一。每到糧食收獲季節(jié)，秸稈焚燒現(xiàn)象較為嚴(yán)重，對空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，圖1為本文研究區(qū)域。

圖1 河南省行政區(qū)劃圖

1.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

河南省夏季小麥糧食產(chǎn)量較多，收割時間集中在5月末和6月初，因此本文選取2000、2008、2014年每年5月29至6月14日內(nèi)的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行秸稈焚燒火點及其面積提取，遙感數(shù)據(jù)包含MODIS二級產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD03、MOD14和三級產(chǎn)品數(shù)據(jù)MCD12Q1，其中MOD03用于輔助數(shù)據(jù)處理，MOD14用于火點的識別及其統(tǒng)計，MCD12Q1用于區(qū)分農(nóng)業(yè)用地火點與其他用地火點，同時采用2014年河南省5月29日-6月14日空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析秸稈焚燒與空氣污染的關(guān)系。

2 基于MOD14的秸稈焚燒火點提取

2.1 基本原理

MODIS火點監(jiān)測原理是基于中、長紅外波段的光譜特性，采用4 μm的21通道和11 μm的31通道作為火點監(jiān)測通道。草地、灌木、叢林燃燒時火點溫度達(dá)到400～800 ℃。物體內(nèi)部溫度的變化，能夠引起較大的輻射改變，這種改變是識別高溫?zé)嵩吹年P(guān)鍵[9]。依據(jù)維恩位移定律，溫度越低，輻射峰值波長越長，反之則小[10]。物體為常溫狀態(tài)時輻射峰值波長為10 μm左右?；鹧娴臏囟韧ǔＤ苓_(dá)到500～700 K，其熱輻射峰值波長在3～5 μm之間[11]。

秸稈焚燒產(chǎn)生的火點輻射峰值處在3～6 μm左右，常溫背景值和溫度異常點的輻射峰值存在明顯差異，是監(jiān)測秸稈焚燒火點異常的基礎(chǔ)。 當(dāng)輻射峰值為4 μm和11 μm時，火點像元的亮溫要比背景像元亮溫高很多。當(dāng)溫度逐漸升高，峰值波長會向短波方向移動，4 μm通道的亮溫明顯高于11 μm通道的亮溫，同時滿足兩個通道的亮溫差值大于背景值這兩個條件，可以檢測熱異常點是否為火點。根據(jù)熱異常判定火點，將MOD14圖像灰度值分為火點和非火點像元。MOD14熱異常數(shù)據(jù)中有10種不同類型的像元，其中屬性值為7、8、9代表火點像元，7代表可信度低的火點，8代表可信火點，9代表可信度高的火點，去除7代表的可信度低的火點影響，選擇8、9兩類屬性值表示的火點像元即可統(tǒng)計出火點數(shù)。

2.2 火點提取流程及其面積估算

圖2為本文提取火點提取流程。

圖2 火點提取流程

從時間尺度上對河南省2000年、2008年、2014年3年的數(shù)據(jù)疊加轉(zhuǎn)換分析，得到河南省過去14年間夏季秸稈焚燒火點分布。除了秸稈焚燒活動之外，森林火災(zāi)、火山活動、工業(yè)熱點等都會作為秸稈焚燒的火點統(tǒng)計其中， 但實際上這些不屬于秸稈焚燒火點，因此需要首先確定為農(nóng)業(yè)用地，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計的火點才是秸稈焚燒的火點。采用MCD12Q1數(shù)據(jù)根據(jù)土地利用或地表覆蓋類型識別農(nóng)業(yè)用地，將火點數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)用地類型數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得到農(nóng)業(yè)用地覆蓋范圍內(nèi)的火點。

在剔除火點的基礎(chǔ)上，對秸稈焚燒火點面積進(jìn)行統(tǒng)計計算，將研究區(qū)域內(nèi)單個火點在等面積投影影像中被識別為明顯火點或過火點面積的總和，具體步驟如下：

1)計算單個火點的像元面積DS:

ΔS=Np×NI.

(1)

式中：Np為火點緯度方向上的距離；NI為火點經(jīng)度方向上的距離。

2)各個火點像元面積之和即為研究區(qū)域內(nèi)秸稈焚燒火點的總面積，算式如式(2)所示。

(2)

式中：i為像素序號；n為火點的總像素。

3 結(jié)果分析

3.1 河南省秸稈焚燒空間統(tǒng)計與分析

提取河南省2000年、2008年、2014年的5月29日至6月14日秸稈焚燒火點并統(tǒng)計火點面積，如圖3所示為提取各年的火點空間分布。從北向南分析，2000年到2014年秸稈焚燒由北部地區(qū)逐漸向南部地區(qū)擴(kuò)展，濟(jì)源、焦作、新鄉(xiāng)、安陽等地區(qū)火點逐漸減少，而商丘、周口、信陽等市火點明顯增多；從西到東分析，西部地區(qū)火點沒有明顯變化，而西南和東南地區(qū)火點明顯增多。西部地區(qū)三門峽和洛陽地處豫西地區(qū)，地勢起伏大，水土流失嚴(yán)重，耕地綜合生產(chǎn)能力較弱，糧食產(chǎn)量相對較小，因此火點變化不大。中部地區(qū)平頂山、許昌、漯河等市火點向四周擴(kuò)散。在過去的14年間，河南省秸稈焚燒由北部和中部地區(qū)逐步向西南和東南地區(qū)演變。

表1為圖3火點所對應(yīng)的面積統(tǒng)計表，根據(jù)表1中各市的秸稈焚燒火點情況分析，安陽市2000—2014年火點個數(shù)呈遞減趨勢，秸稈焚燒面積對應(yīng)減少78.47%；新鄉(xiāng)市在過去14年間秸稈焚燒面積先減少61.16 km2，后又增加46.22 km2，總體呈現(xiàn)下降趨勢；焦作市秸稈焚燒面積和火點數(shù)目也有明顯減少。河南北部城市秸稈焚燒面積及火點數(shù)目在過去14年間都呈現(xiàn)下降趨勢。商丘市火點個數(shù)增加42個，秸稈焚燒面積增加97.59 km2；南陽市2000—2008年火點個數(shù)增加89個，面積增加193.7 km2，2008—2014年火點個數(shù)減少46個，面積減少78.98 km2，在2008年南陽市秸稈焚燒現(xiàn)象最為嚴(yán)重；駐馬店和信陽市的秸稈焚燒現(xiàn)象同樣明顯，而河南省中部城市位于黃淮平原地區(qū)，擁有適合農(nóng)作物生長的自然條件，中部城市(漯河、許昌、平頂山等市)在過去14年間秸稈焚燒火點向西南和東南地區(qū)擴(kuò)散，秸稈焚燒火點及面積沒有很大改變，只是相對減少。

總體而言，河南省在過去14年間秸稈焚燒現(xiàn)象呈現(xiàn)增長趨勢，2000—2008年秸稈焚燒面積增加191.35 km2，2008—2014年增加98.7 km2，雖然增長速率明顯減小，但是秸稈焚燒現(xiàn)象并沒有得到明顯緩解。

圖3 2000—2014年河南省秸稈焚燒火點分布圖

地點2000年2008年2014年火點個數(shù)火點面積/km2火點個數(shù)火點面積/km2火點個數(shù)火點面積/km2安陽市779945291172鶴壁市2355226800濮陽市2178112207285793濟(jì)源市999300237焦作市38684232652356新鄉(xiāng)市629878113762258384三門峽市10910000洛陽市19242122663267鄭州市797643565531開封市336212667134商丘市1419284378835611687許昌市163226298793431平頂山市47506398901362898漯河市386312324541727周口市5410354122445815291南陽市117690195464411648駐馬店市721268393206199822212信陽市12626710479355782總計393628843968201941391889

3.2 河南省秸稈焚燒與空氣質(zhì)量相關(guān)分析

空氣污染容易受到秸稈焚燒的影響，采用空氣污染指數(shù)(Air pollution Index，API)分析秸稈焚燒對空氣污染的影響。API是將不易理解的污染物濃度簡單化成為單一的概念性數(shù)值，當(dāng)?shù)趇種污染物濃度值Ci滿足條件Ci,j≤Ci≤Ci,j+1時，計算表達(dá)式如式(3)所示[12]。

Ii=[(Ci-Ci,j)/(Ci,j+1-Ci,j)]×

(Ii,j+1-Ii,j)+Ii,j.

(3)

式中:Ci為第i種污染物的濃度值，Ii為第i種污染物的污染分指數(shù)；Ci,j為僅次小于Ci的值，Ii,j為Ci,j濃度值所對應(yīng)污染分指數(shù)；Ci,j+1為僅大于Ci的值，Ii,j+1為Ci,j+1濃度值所對應(yīng)污染分指數(shù)。計算各種污染分指數(shù)后，取最大值為該區(qū)域的空氣污染指數(shù)API=max[I1,I2, …,Ii,Ii+1,In]為某污染物的污染分指數(shù)的最大值，計算河南省2014年5月29—6月14日時段的API，如表2所示，API有O3、SO2和PM10。

表2 各市日平均污染物濃度及其API

三門峽市在2014年5月29日—6月14日沒有秸稈焚燒的火點，通過API反映的O3與焚燒沒有關(guān)系，而焦作市API反映的SO2與火點相關(guān)性值為0.093 5，表明二者之間沒有相關(guān)性，可以說明秸稈焚燒對O3和SO2的排放基本不產(chǎn)生影響，焦作市屬于煤炭型工業(yè)城市，燃燒會產(chǎn)生大量的SO2是空氣污染的主要因素。從API反映的指標(biāo)而言，秸稈焚燒期間主要污染物為PM10。早期PM10觀測站點架設(shè)較少，2014年僅有7個市的PM10數(shù)據(jù)，將其與2014年河南省秸稈焚燒火點數(shù)進(jìn)行分析相關(guān)性分析，如表3所示。

安陽、焦作、洛陽、鄭州在2014年夏季秸稈焚燒中產(chǎn)生的火點個數(shù)分別為1、2、3、5個火點，火點個數(shù)很少或沒有，秸稈焚燒活動不明顯，與PM10沒有相關(guān)性。二者在沒有相關(guān)性的情況下，安陽市和焦作市的PM10指標(biāo)較高，說明存在其它污染物排放引起了PM10值較高。以平頂山為例，分析秸稈焚燒每日火點個數(shù)與PM10日均排放量關(guān)系，2014年河南省平頂山市的秸稈焚燒火點數(shù)與PM10日均濃度有良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.719 4，如圖4所示，5月29日至31日，PM10日均排放量呈現(xiàn)增長趨勢，與秸稈焚燒火點呈現(xiàn)正相關(guān)性；5月31日至6月4日秸稈焚燒火點數(shù)量明顯減少，PM10日均排放量濃度呈下降趨勢；6月2日至4日，全省大部分為多云天氣，受云層的遮擋，監(jiān)測不到秸稈焚燒活動；6月9日左右是玉米、大豆等農(nóng)作物的搶收時間，隨著農(nóng)作物收割，秸稈焚燒現(xiàn)象也隨之加劇，同時PM10排放量增加。開封市地處河南省中北部地區(qū)，當(dāng)?shù)乜諝赓|(zhì)量除秸稈焚燒以外，還受到周圍其他市的影響。通過分析秸稈焚燒與PM10排放量關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在較好的相關(guān)性：即火點多的地方PM10監(jiān)測值較高，而火點較少的地區(qū)與PM10相關(guān)性較差，但是也存在火點少的地區(qū) PM10排放量較高，說明該區(qū)域有其它污染嚴(yán)重的源。

表3 各市秸稈焚燒火點與PM10相關(guān)性

圖4 平頂山秸稈焚燒火點數(shù)與PM10日均濃度圖

4 結(jié)束語

本文采用MODIS二級產(chǎn)品數(shù)據(jù)MOD14提取2000、2008、2014年夏季河南省秸稈焚燒火點，分析了河南省過去14年間秸稈焚燒變化情況：在過去的14年間，河南省秸稈焚燒由北部和中部地區(qū)逐步向西南和東南地區(qū)演變。采用API數(shù)據(jù)與秸稈焚燒火點數(shù)進(jìn)行分析表明：秸稈焚燒會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，但并不是唯一影響空氣質(zhì)量的指標(biāo)。本文的相關(guān)方法和分析可為當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門進(jìn)行大面積秸稈焚燒監(jiān)測提供一種技術(shù)方法，為制定和完善秸稈焚燒政策提供有力依據(jù)。

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RemotesensingmonitoringandanalysisofstrawburninginHenanProvincebasedonMODIS

LI Jia1, 2, 3, LI Shuting1, 2, 3, DUAN Ping1, 2, 3, ZHANG Chi4

(1.College of Tourism and Geographic Sciences, Yunnan Normal University, Kunming 650500,China; 2.Key Lab of Resources and Environmental Remote Sensing for Universities in Yunnan, Kunming 650500,China; 3 Center for Geospatial Information Engineering and Technology of Yunnan Province, Kunming 650500,China; 4. College of Geographic Science, Nantong University, Nantong 226019,China)

In this paper, MODIS Level 2 product is used, which is based on the fire spot pixel brightness temperature characteristics to extract the fire spot distribution of straw burning in Henan Province from May 29 to June 14 in 2000, 2008 and 2014. In addition, the temporal and spatial distribution characteristics of straw burning are analyzed. The result shows that the number and area of fire spot of straw burning are increasing over the past 14 years in Henan Province. The burning of straw in Henan Province was gradually spread from the northern and central regions to the southwestern and southeastern regions. During the 14 years and straw burning in the southwestern and southeastern regions was more serious. Among them, the phenomenon of straw burning in Zhoukou, Zhumadian, Xinyang and Nanyang remains serious, and the phenomenon of straw burning in Anyang, Jiaozuo and Xinxiang is obviously weakened. The influence of straw burning on air quality is analyzed according to the air pollution index of Henan Province in 2014. The result shows that straw burning has a certain impact on air quality, but not the only index of influencing the air quality.

MODIS; straw burning; fire spot extraction; air pollution index

2017-05-24

國家自然科學(xué)基金項目(41561048)

李 佳(1984-),女，博士.

段 平(1984-),男，博士.

著錄：李佳，李舒婷，段平，等.基于MODIS的河南省秸稈焚燒遙感監(jiān)測與分析[J].測繪工程，2018，27(1)：42-46，51.

10.19349/j.cnki.issn1006-7949.2018.01.009

P237；X821

A

1006-7949(2018)01-0042-05

王文福]