魏英策,桑會(huì)勇,張濤,叢楊,谷祥輝

(1.山東科技大學(xué) 測繪科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 2665902.中國測繪科學(xué)研究院,北京 100036)

0 引 言

中國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國,秸稈資源豐富,但資源未被有效利用,每年有大量秸稈被當(dāng)作廢棄物焚燒或扔掉,對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[1]．據(jù)報(bào)道我國每年產(chǎn)生秸稈7億噸左右,并且約占五分之一的秸稈采取露天焚燒的處理方式,對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅[2]．秸稈焚燒時(shí)產(chǎn)生大量的有毒有害的物質(zhì)不僅對(duì)環(huán)境造成污染,還威脅人類的身體健康,降低大氣的能見度給人類的交通出行帶來安全隱患．因此對(duì)秸稈焚燒進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的監(jiān)測對(duì)環(huán)境改善以及人類安全有著重大意義．

秸稈焚燒火點(diǎn)空間分布相對(duì)分散且相對(duì)隨機(jī)無固定的規(guī)律,使得傳統(tǒng)的監(jiān)測不僅耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力,也不能保障實(shí)時(shí)有效全面的監(jiān)測．隨著遙感技術(shù)的發(fā)展,越來越多的高分辨、覆蓋范圍廣的影像數(shù)據(jù)為秸稈焚燒實(shí)時(shí)監(jiān)測帶來便利．利用遙感衛(wèi)星監(jiān)測秸稈焚燒已有深入的研究,如李佳等[3]利用MODIS二級(jí)產(chǎn)品MOD14數(shù)據(jù)對(duì)河南省秸稈焚燒火點(diǎn)進(jìn)行提取,得到河南省秸稈焚燒的分布特征;楊珊榮等[4]利用MODIS數(shù)據(jù)對(duì)火點(diǎn)提取的研究;馮登超等[5]利用高分辨率的資源衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取得到的火點(diǎn)并與MODIS數(shù)據(jù)得到火點(diǎn)進(jìn)行精度對(duì)比驗(yàn)證．

本次選取河北省為研究區(qū)域,利用改進(jìn)型MODIS火災(zāi)探測算法,通過IDL語言實(shí)現(xiàn)河北省秸稈焚燒火點(diǎn)提?。畬?duì)提取結(jié)果利用中華人民共和國發(fā)布的全國秸稈焚燒火點(diǎn)日?qǐng)?bào)與MODIS標(biāo)準(zhǔn)火點(diǎn)產(chǎn)品(MOD14)的提取結(jié)果進(jìn)行空間上的定量驗(yàn)證．

1 秸稈焚燒火點(diǎn)提取

1.1 秸稈焚燒火點(diǎn)基本原理

根據(jù)普朗克定律,物體之間向外輻射能量的密度存在差異性．MODIS火點(diǎn)監(jiān)測原理是基于中、長紅外波段的光譜特性, 采用4μm左右的μm通道21和11μm左右的μm通道31作為火點(diǎn)監(jiān)測通道．草地、灌木、叢林燃燒時(shí)火點(diǎn)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變化,這種變化是識(shí)別高溫?zé)嵩吹年P(guān)鍵．秸稈焚燒釋放熱量的溫度為500～1000K之間,黑體輻射能量集中在2.8～5.7μm之間,所輻射出的能量高于常溫物體在同一光譜的輻射值,根據(jù)火點(diǎn)像元與背景像元之間差異,并且火點(diǎn)不存在于水體的實(shí)際情況等對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行火點(diǎn)的提取．如圖1所示.

圖1 秸稈焚燒火點(diǎn)提取流程圖

1.2 秸稈焚燒火點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)

1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

MODIS是目前常用的光學(xué)遙感儀器,數(shù)據(jù)涉及波段范圍廣,共包含36波段, 光譜范圍從0.4 ～14μm,覆蓋了陸地、海洋大氣等是當(dāng)前各主流遙感衛(wèi)星的主要觀測數(shù)據(jù)．本算法中利用的亮度溫度為1km分辨率的4μm通道、11μm通道、12μm通道的MODIS數(shù)據(jù),分別用T4、T11、T12表示,用于白天觀測的0.65μm、0.86μm通道、2.1μm通道分別記為λ0.65、λ0.86、λ2.1,分辨率統(tǒng)一為1km,所涉及到的MODIS波段數(shù)據(jù)及其用途如表1所示．其包含兩個(gè)4μm通道(21和22),本次選擇22波段作為T4．對(duì)所需要的波段進(jìn)行輻射校正與幾何校正等預(yù)處理,提取可見光、近紅外波段的表觀反射率以及表觀輻射率,并基于普朗克定律,將中紅外、熱紅外波段的表觀輻射亮度轉(zhuǎn)化為表觀亮度溫度．

2)云像元識(shí)別及剔除

MODIS數(shù)據(jù)是光學(xué)遙感數(shù)據(jù),為了有效地避免誤將濃煙判別為云的操作,更精準(zhǔn)科學(xué)的從遙感影像上提取火點(diǎn)信息,首先要進(jìn)行云識(shí)別檢測處理．

本次實(shí)驗(yàn)參照MODIS火災(zāi)檢測算法以及全球火點(diǎn)產(chǎn)品結(jié)合河北省研究區(qū)域自身的特點(diǎn),對(duì)云識(shí)別的閾值進(jìn)行了調(diào)整,夜晚云判別條件判定為T12(night)<265,白天云識(shí)別的條件為:

(λ0.65+λ0.86>1.2)or(T12<265 K)or

(λ0.65+λ0.86>0.7)or(T12<285 K)or

(waterpixelandλ0.86>0.25andT12<300 K)

表1 MODIS通道數(shù)據(jù)及用途

3)秸稈火點(diǎn)判定

潛在火點(diǎn)的識(shí)別是為了去除明顯的非火點(diǎn),在這階段沒有被去除的火點(diǎn)被認(rèn)為是潛在的火點(diǎn),需要進(jìn)一步的識(shí)別．根據(jù)秸稈燃燒相對(duì)其周圍溫度高的特點(diǎn),采用絕對(duì)閾值判斷法單一靠絕對(duì)閾值往往容易造成火點(diǎn)漏判,故結(jié)合相對(duì)閾值判斷法實(shí)現(xiàn)滿足該條件的判定為火點(diǎn)．

閾值設(shè)定

T4(Abs)=360;

T4(Del)=320;

Day(Del)=20;

其中:T4(Abs)為火點(diǎn)像元在熱紅外波段絕對(duì)亮度溫度;T4(del)為火點(diǎn)像元在熱紅外波相對(duì)亮度溫度;Day(Del)像元在熱紅外波段的亮度溫度、中紅外波段(4 μm)與熱紅外波段(11 μm)的亮度溫度的差值．

白天火點(diǎn)識(shí)別的判斷公式為:如ΔT>ΔT*ΔT≡T4-T11)(λ0.86<0.35)(對(duì)于夜晚火點(diǎn)識(shí)別,則無最后的判斷公式)為火點(diǎn)像元在熱紅外波段的亮度溫度, *為潛在火點(diǎn)閾值,ΔT為亮度溫度差．T4*與ΔT的閾值分別為310 K(夜間305 K)和10 K．白天判定的潛在火點(diǎn)條件為若滿足T4>310 K,則可判定為暫定火點(diǎn);夜晚判定火點(diǎn)的條件若滿足T4>305 K,則判定其為真實(shí)火點(diǎn)．剩余不滿足判斷條件的潛在火點(diǎn)需進(jìn)行背景閾值測試,對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的判別．

通過火點(diǎn)像元與周圍背景像元之間的差異性來對(duì)剩余潛在火點(diǎn)進(jìn)一步判定其是否為暫定火點(diǎn)(白天)和真實(shí)火點(diǎn)(夜晚),背景火點(diǎn)像元分別滿足白天、夜晚火點(diǎn)的判別兩個(gè)條件,否則為有效背景像元．

在隨后的背景閾值測試的算法中,以潛在火點(diǎn)像元為中心,建立背景窗口,通過窗口統(tǒng)計(jì)進(jìn)行背景像元溫度的提取．以潛在火點(diǎn)像的小空間窗口內(nèi)的相鄰像素的統(tǒng)計(jì)概要來估計(jì)在沒有火災(zāi)時(shí)每個(gè)潛在火災(zāi)像素的輻射信號(hào)．

本文根據(jù)Giglio等人[6-11]在Kanfman等提出的MODIS火點(diǎn)監(jiān)測算法的改進(jìn)算法,其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)于小火點(diǎn)和低溫火點(diǎn)的能更有效地識(shí)別．算法中窗口大小的范圍可由3×3至21×21．確定火點(diǎn)溫度時(shí),要求有效背景像元數(shù)量不低于25%,否則需要對(duì)窗口的大小進(jìn)行調(diào)整以滿足背景像元的數(shù)量要求,從而進(jìn)行窗口背景像元溫度特性的統(tǒng)計(jì)．判斷條件如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

文獻(xiàn)報(bào)道神經(jīng)出入征是周圍神經(jīng)鞘瘤的特征性表現(xiàn)，多發(fā)生于神經(jīng)主干，好發(fā)部位據(jù)報(bào)道依次為頭、頸部、肢體、縱隔腹膜后及其他部位[3]，但發(fā)生在椎管內(nèi)的表現(xiàn)為神經(jīng)出入征的神經(jīng)源性腫瘤目前文獻(xiàn)報(bào)道較少。對(duì)于椎管內(nèi)形態(tài)為橢圓形的神經(jīng)源性腫瘤，影像學(xué)診斷除了形態(tài)學(xué)以外，通常還要結(jié)合MRI信號(hào)特點(diǎn)、對(duì)比劑增強(qiáng)特點(diǎn)等進(jìn)行綜合分析。但是，對(duì)于同時(shí)合并神經(jīng)出入征的病變，結(jié)合本例報(bào)道，診斷神經(jīng)源性腫瘤的證據(jù)更為充分。但是，鑒于目前尚無關(guān)于椎管內(nèi)表現(xiàn)為神經(jīng)出入征的神經(jīng)鞘瘤的影像學(xué)報(bào)道，因此，對(duì)于此征象診斷椎管內(nèi)神經(jīng)鞘瘤的敏感性及特異性有待于進(jìn)一步觀察。

如果像元滿足下列條件:白天時(shí),滿足式(1)～(3)為真且式(4)為真或式(5)為真的條件,潛在的火點(diǎn)被判定為暫定火點(diǎn);夜晚時(shí),滿足式(1)～式(3)為真的條件,潛在的火球被判定為火點(diǎn),否則為非火點(diǎn)．

4)太陽耀斑的識(shí)別

如果波長為0.64 μm和0.86 μm(波段2)兩個(gè)通道的反射率均大于0.3即4 μm通道的亮溫達(dá) 12 K,且耀斑角小于40°,則為非火點(diǎn)[8]．

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)選取

河北省是中國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大?。摰貐^(qū)地勢(shì)平坦,土壤肥沃,加之適宜的氣候,雨熱同季的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),光熱水土資源匹配較好,故糧食作物如小麥、玉米和稻谷等產(chǎn)量較多,其秸稈產(chǎn)量約占全國的1/3 左右．

本研究使用NASA官網(wǎng)免費(fèi)提供的MODIS L1B產(chǎn)品數(shù)據(jù)以及MOD14系列,空間分辨率為1 km,每天對(duì)同一地方觀測次數(shù)最多可達(dá)4次,解決了連續(xù)觀測要求數(shù)據(jù)源相對(duì)一致性與可參照性問題．因六月中旬為河北省小麥?zhǔn)崭詈陀衩追N植的時(shí)間節(jié)點(diǎn),此節(jié)點(diǎn)為秸稈焚燒最易發(fā)生時(shí)期,故所用的MODIS 影像獲取時(shí)間為2017年6月17日．

2.2 火點(diǎn)提取結(jié)果

通過調(diào)整火點(diǎn)監(jiān)測的關(guān)鍵閾值對(duì)MODIS L1B數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到河北省區(qū)域的火點(diǎn)空間分布圖(如圖2所示),背景區(qū)域?yàn)楦?大小約為1 km×1 km．通過結(jié)果可以看出,在秸稈焚燒的地區(qū),火點(diǎn)分布比較集中,在MODIS火點(diǎn)空間分布圖(如圖3所示)位置上對(duì)應(yīng)位置可以看到明顯的秸稈燃燒產(chǎn)生的煙霧以及亮點(diǎn),說明本算法能夠準(zhǔn)確的探測到真實(shí)火點(diǎn)的數(shù)量與分布．

2.3 空間精度分析及結(jié)果分析

1) 空間精度分析

基于2017年6月17日的MODIS數(shù)據(jù),將根據(jù)研究區(qū)域自身特點(diǎn)調(diào)整火點(diǎn)監(jiān)測關(guān)鍵閾值后的本次實(shí)驗(yàn)探測到的火點(diǎn)數(shù)目與標(biāo)準(zhǔn)的火點(diǎn)產(chǎn)品(MOD14)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(如圖4所示)．本文算法得到的火點(diǎn)數(shù)量相對(duì)多于MOD14,與MODIS算法相比較,本次算法對(duì)火點(diǎn)更為敏感．同時(shí),對(duì)比本算法結(jié)果與中華人民共和國環(huán)保部發(fā)布的2017年6月17日全國秸稈焚燒火點(diǎn)日?qǐng)?bào)(如圖5所示)其空間分布與環(huán)保部火點(diǎn)監(jiān)測日?qǐng)?bào)基本一致．

圖2 河北省火點(diǎn)空間分布

圖4 火點(diǎn)精度驗(yàn)證對(duì)比

圖5 2017年6月17日全國秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測日?qǐng)?bào)

2) 結(jié)果分析

對(duì)比圖3、4、5,可知秸稈焚燒火點(diǎn)主要集中在河北省南部地區(qū)尤以邢臺(tái)、石家莊、邯鄲數(shù)量最多,占全省秸稈焚燒火點(diǎn)總量的74%左右,滄州、保定地區(qū)有少量分布零散的秸稈焚燒火點(diǎn)出現(xiàn)．應(yīng)加強(qiáng)對(duì)秸稈焚燒嚴(yán)重地區(qū)的禁燒宣傳和管理力度,積極開展秸稈綜合利用行動(dòng)．

3 結(jié)束語

本研究利用改進(jìn)型MODIS火災(zāi)探測算法進(jìn)行河北區(qū)域秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測與提取.主要結(jié)論如下:

1)近年來國家相關(guān)部門利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測,但由于我國季節(jié)性以及區(qū)域性的變化,研究區(qū)域的閾值會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化,利用改進(jìn)型MODIS火災(zāi)探測算法并進(jìn)行虛假火點(diǎn)有效去除使得最終的監(jiān)測精度得到有效保障．

2)將實(shí)驗(yàn)得到的火點(diǎn)數(shù)據(jù)與高分辨率的土地分類數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別處理,對(duì)非耕地區(qū)域的火點(diǎn)進(jìn)行去除處理,可增加最終獲得秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)的可靠性．

3)河北省秸稈焚燒火點(diǎn)主要集中在南部地區(qū),尤以邢臺(tái)、石家莊、邯鄲數(shù)量最多,滄州、保定地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)的分布較為零散且數(shù)量少．

4)利用IDL實(shí)現(xiàn)MODIS數(shù)據(jù)的解析,算法運(yùn)算速度快,能夠很好地進(jìn)行業(yè)務(wù)化,為相關(guān)部門提供技術(shù)支撐與保障．

基于MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取秸稈焚燒火點(diǎn)空間分布信息,大大節(jié)省了人力物力,并且能夠確保其時(shí)效性,對(duì)監(jiān)測秸稈焚燒起到了重要的作用．