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        基于MODIS 數(shù)據(jù)的秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)研究
        ——以安徽省為例

        2023-10-09 09:34:08朱孟磊楊培松
        安徽農(nóng)學(xué)通報(bào) 2023年15期

        朱孟磊 楊培松

        (宿州市自然資源勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院,安徽宿州 234000)

        秸稈是指水稻、玉米等農(nóng)作物收獲果實(shí)后留下來(lái)的難以被合理利用的部分[1]。我國(guó)每年產(chǎn)生的秸稈量較大,秸稈資源位于全世界第一位,占比高達(dá)30%[2]。鑒于此,本文基于MODIS數(shù)據(jù)對(duì)安徽省秸稈焚燒動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了遙感監(jiān)測(cè)研究,以期為秸稈監(jiān)測(cè)提供參考。

        1 秸稈焚燒監(jiān)測(cè)研究現(xiàn)狀

        我國(guó)遙感衛(wèi)星經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已被廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境、水文、氣象、地質(zhì)、測(cè)繪等領(lǐng)域。現(xiàn)階段,國(guó)內(nèi)外秸稈焚燒監(jiān)測(cè)研究基本以MODIS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,具有眾多光譜波段的特性決定了MODIS在理論上為提取火點(diǎn)提供了可能。國(guó)內(nèi)還常用環(huán)境小衛(wèi)星紅外相機(jī)拍攝的影像作為火點(diǎn)識(shí)別的數(shù)據(jù)來(lái)源[3]。王子峰等[4]利用EOS/Terra衛(wèi)星的MODIS數(shù)據(jù)并結(jié)合IGBP地表分類(lèi)數(shù)據(jù),再依據(jù)火點(diǎn)像元的各種輻射統(tǒng)計(jì)特性,將火點(diǎn)分為秸稈焚燒、林火、草原火3 種類(lèi)型,提高了火點(diǎn)的判別率;段衛(wèi)虎等[5]、胡梅等[6]利用MODIS 數(shù)據(jù)分別對(duì)森林火點(diǎn)、秸稈焚燒火點(diǎn)進(jìn)行判別監(jiān)測(cè),證實(shí)了MODIS數(shù)據(jù)用于火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的可能性,并表明利用閾值監(jiān)測(cè)的火點(diǎn)精度與地區(qū)背景值具有一定的關(guān)系。張春雨[7]綜合利用風(fēng)云三號(hào)和LANDSAT 8 等多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)對(duì)河南省秸稈焚燒情況展開(kāi)了監(jiān)測(cè)。

        中分辨率成像光譜儀(MODIS)是搭載在TERRA和AQUA衛(wèi)星上的一個(gè)重要傳感器,其獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)X波段向全世界直接廣播,并且可以接收數(shù)據(jù)并加以使用[1]。中文名為中分辨率成像光譜儀,英文全稱(chēng)Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer。MODIS 在0.4~14.0 有36 個(gè)觀測(cè)通道,靈敏度高,能夠探測(cè)到的最小面積為50 m2[8],掃描幅寬達(dá)到2 330 km。MODIS 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容的不同分為0級(jí)、1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,在1B級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后,劃分為2~4級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品,包括陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品3種主要標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型,總計(jì)分解為44種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型[9]。

        MODIS 在作物面積監(jiān)測(cè)及估產(chǎn)中的應(yīng)用,可對(duì)研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物種植面積進(jìn)行準(zhǔn)確估算以及預(yù)估其產(chǎn)量,在一定程度上提高了預(yù)報(bào)精度;MODIS在作物長(zhǎng)勢(shì)中的應(yīng)用[10],可對(duì)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,對(duì)作物生長(zhǎng)趨勢(shì)年際間的生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)而為早期的產(chǎn)量預(yù)測(cè)提供信息;MOIDS在土地覆蓋/土地利用中的應(yīng)用,可對(duì)土地的自然數(shù)據(jù)和土地的社會(huì)屬性進(jìn)行相關(guān)分類(lèi),給城市規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持;MOIDS 在災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用,分為秸稈焚燒及森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)以及洪澇災(zāi)害監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)快速定位,大范圍獲取災(zāi)區(qū)信息,為實(shí)施災(zāi)害防治以及災(zāi)后恢復(fù)工作提供了相關(guān)依據(jù);MODIS 在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用,可進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、大氣氣溶膠、沙塵暴研究、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)以及城市熱島效應(yīng)研究等。

        伴隨著科技的不斷發(fā)展,農(nóng)作物收割機(jī)械化程度越來(lái)越高,收割后所留下的秸稈未能被充分利用,部分農(nóng)民通過(guò)就地焚燒的方法處理秸稈。雖然這種方法對(duì)于農(nóng)民來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì),但也存在著很大的弊端,例如秸稈焚燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵及二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等,對(duì)大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染[11];焚燒秸稈可能會(huì)導(dǎo)致大面積火災(zāi)的發(fā)生;焚燒秸稈還會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生一定的影響。因此,利用MODIS 遙感監(jiān)測(cè)手段,科學(xué)、準(zhǔn)確、迅速地了解秸稈焚燒動(dòng)態(tài)變化,為安徽省秸稈焚燒監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持,對(duì)提高預(yù)警能力和監(jiān)督檢查效率具有重大意義。

        2 研究區(qū)域概況

        安徽省地處中國(guó)華東腹地,位于114°54'~119°37'E、29°41'~34°38'N,面積14.1 萬(wàn)km2,農(nóng)用地面積9.1 萬(wàn)km2,地域優(yōu)勢(shì)明顯,氣候條件優(yōu)越、地貌類(lèi)型多樣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域性特點(diǎn)突出,農(nóng)業(yè)資源豐富,是典型的農(nóng)業(yè)大省。農(nóng)作物主要有小麥、水稻、苞米、黃豆、薯類(lèi)和其他旱糧作物,農(nóng)產(chǎn)品資源不僅能夠滿足省內(nèi)的需求,在國(guó)際市場(chǎng)上亦有一定的份額。

        3 研究方法

        3.1 MODIS數(shù)據(jù)來(lái)源

        目前,全球范圍內(nèi)很多國(guó)家和地區(qū)都可以接收和使用MODIS 數(shù)據(jù)。覆蓋安徽全省需要h27v05、h28v05、h28v06 3個(gè)衛(wèi)星軌道的MODIS數(shù)據(jù),所以還需要對(duì)下載的同一時(shí)間段的MODIS影像進(jìn)行鑲嵌處理。

        本文所選擇的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品為2013、2015、2017年9月14日—10月24日的MOD14A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和MCD12Q1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品。MCD12Q1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)TERRA 和AQUA 衛(wèi)星觀測(cè)處理后得到的用于描繪土地覆蓋類(lèi)型的產(chǎn)品,更新周期較長(zhǎng)。

        3.2 研究流程

        由于MODIS 數(shù)據(jù)收集所有的地面熱異常點(diǎn),需要通過(guò)必要的處理消除非秸稈焚燒火點(diǎn)對(duì)研究結(jié)果的影響。非秸稈焚燒火點(diǎn)的剔除主要以提取出來(lái)的火點(diǎn)所處的位置以及火點(diǎn)是否為地面固定熱源為依據(jù)。在進(jìn)行火點(diǎn)判定的修正過(guò)程中,應(yīng)事先進(jìn)行地面調(diào)查,查明發(fā)電廠等固定熱源。然后利用土地?cái)?shù)據(jù),排除在非農(nóng)用地上的熱源。本文使用MCD12Q1數(shù)據(jù)中的IGBP 分類(lèi)方案,提取農(nóng)用地,從而剔除了農(nóng)用地以外的非秸稈焚燒火點(diǎn)[12]。

        本文以2013、2015、2017年9月14日至10月24日為時(shí)間段,進(jìn)行秸稈焚燒火點(diǎn)的提取。利用MOD14A2和MCD12Q1數(shù)據(jù)提取秸稈焚燒火點(diǎn)的過(guò)程如圖1所示。

        圖1 秸稈火點(diǎn)提取流程

        因原始的MCD12Q1和MOD14A2產(chǎn)品儲(chǔ)存采用分級(jí)數(shù)據(jù)格式(Hierarchical Data Format,HDF),因此需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌等預(yù)處理[11]。研究中使用MRT(MODIS Reprojection Tools)專(zhuān)業(yè)投影轉(zhuǎn)換工具,將從NASA 官網(wǎng)上下載的MODIS HDF 格式數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。在ENVI 菜單頁(yè)面點(diǎn)擊地圖后選擇鑲嵌,鑲嵌的類(lèi)型選擇基于地理坐標(biāo)參考,將格式轉(zhuǎn)換后的覆蓋安徽省的三景影像圖輸入進(jìn)行鑲嵌操作,為了進(jìn)一步有針對(duì)性地分析研究區(qū)的土地覆蓋,需將影像圖進(jìn)行裁剪。首先加載安徽省的shp文件格式的矢量邊界,投影類(lèi)型和基準(zhǔn)面設(shè)置同MCD12Q1;然后將矢量文件輸出到感興趣區(qū),打開(kāi)ROI 工具查看感興趣區(qū)是否已經(jīng)建立。點(diǎn)擊ENVI菜單欄的基本工具,選擇感興趣區(qū)裁剪,輸入矢量文件生成的感興趣區(qū),然后進(jìn)行裁剪操作,最終得到安徽省的MCD12Q1影像。

        火點(diǎn)提取所使用的數(shù)據(jù)為MOD14A2數(shù)據(jù),對(duì)最后獲取的安徽省范圍的MOD14A2 數(shù)據(jù)波段進(jìn)行快速統(tǒng)計(jì),可以看出DN值的范圍為0~9(表1)。

        表1 火點(diǎn)MOD14A2數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計(jì)

        MODIS14 熱異常數(shù)據(jù)表明,DN 值為7、8、9 的點(diǎn),標(biāo)記為火點(diǎn)數(shù)據(jù)。從表1 可以看出初步的火點(diǎn)數(shù)為50個(gè)。

        4 結(jié)果與分析

        由于火點(diǎn)提取過(guò)程中,提取了所有的火點(diǎn)信息。并不能排除火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、工礦熱異常等各種與秸稈焚燒情況相似現(xiàn)象造成的干擾,因此需要再次利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)所提供的信息提取農(nóng)用地信息,對(duì)兩者信息進(jìn)行疊加處理,將農(nóng)用地上的火點(diǎn)視為秸稈焚燒火點(diǎn),這樣才能從初步火點(diǎn)信息中提取出秸稈焚燒火點(diǎn)。在剔除非秸稈焚燒火點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)秸稈焚燒過(guò)火面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算[13]。單個(gè)火點(diǎn)的像元面積Ds計(jì)算公式如下:

        式 (1)中:Np為火點(diǎn)緯度方向上的距離;Ni為火點(diǎn)經(jīng)度方向上的距離。

        各個(gè)火點(diǎn)像元面積之和即為研究區(qū)域內(nèi)秸稈焚燒火點(diǎn)的總面積,公式如下:

        式(2)中:i為像素序號(hào);n為火點(diǎn)的總像素。

        農(nóng)用地信息提取采用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為MCD12Q1,該數(shù)據(jù)產(chǎn)品為土地覆蓋數(shù)據(jù),根據(jù)IGBP全球植被分類(lèi)(0-水;1-常綠針葉林;2-常綠闊葉林;3-落葉針葉林;4-落葉闊葉林;5-混交林;6-稠密灌叢;7-稀疏灌叢;8-木本熱帶稀樹(shù)草原;9-熱帶稀樹(shù)草原;10-草地;11-永久濕地;12-農(nóng)用地;13-城市和建筑區(qū))方法可知,農(nóng)用地的像素值為12,即DN值為12。將覆蓋安徽省的三景影像圖進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換和鑲嵌,并進(jìn)行裁剪處理,然后使用提取火點(diǎn)相同的方法提取土地覆蓋信息,以安慶市為例,圖中灰色部分為農(nóng)用地。將提取出的農(nóng)用地信息輸出為shp格式文件。

        通過(guò)ENVI 遙感圖像處理軟件感興趣區(qū)工具中的求交集選項(xiàng)對(duì)提取出來(lái)火點(diǎn)和農(nóng)用地信息進(jìn)行疊加處理,重疊的部分即視為秸稈焚燒火點(diǎn)。具體操作如下:首先打開(kāi)農(nóng)用地信息的shp格式文件,將該圖層輸出到感興趣區(qū),再通過(guò)Intersect Regions 將火點(diǎn)感興趣區(qū)和農(nóng)用地感興趣區(qū)求交集。將結(jié)果導(dǎo)入到ARCGIS中顯示輸出,以安慶市為例(圖2)。

        圖2 安慶市秸稈焚燒火點(diǎn)對(duì)比

        提取安徽省2013、2015 和2017 年9 月14 日至10月24日秸稈焚燒火點(diǎn)并統(tǒng)計(jì)焚燒火點(diǎn)面積,可通過(guò)Export ROIS to shapfile 轉(zhuǎn)換成shp。再將最終的火點(diǎn)shp 文件使用ARCGIS 軟件加載到安徽省行政區(qū)劃圖中。2013—2015 年秸稈焚燒火點(diǎn)由南部地區(qū)向北部地區(qū)移動(dòng),滁州、淮北、安慶等地區(qū)火點(diǎn)明顯減少,部分市出現(xiàn)無(wú)火點(diǎn)的現(xiàn)象,亳州、阜陽(yáng)地區(qū)火點(diǎn)明顯增多;2015—2017 年,火點(diǎn)在全省范圍內(nèi)進(jìn)一步減少,2017 年蚌埠、淮南、宣城無(wú)火點(diǎn)(圖3)。

        圖3 火點(diǎn)分布

        根據(jù)各市秸稈焚燒火點(diǎn)分布情況分析(表2),2013—2017 亳州市、阜陽(yáng)市秸稈焚燒面積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),面積分別先上升了87.162、15.671 km2,后減少了107.73、40.154 km2;淮南市的火點(diǎn)由2013 年的50 個(gè)下降為2015 年的3 個(gè),2017年降至1 個(gè)火點(diǎn)。蚌埠、宿州、池州等市在2013—2017年火點(diǎn)數(shù)目和面積均有所減少。

        表2 火點(diǎn)對(duì)應(yīng)面積分布

        總體來(lái)說(shuō),安徽省在2013—2017年間秸稈焚燒現(xiàn)象呈現(xiàn)下降趨勢(shì),2013—2015 年秸稈焚燒面積減少107.752 km2,2015—2017 年秸稈焚燒面積減少178.245 km2,秸稈焚燒現(xiàn)象得到明顯改善。

        由表3 可看出,2013、2015 年的9 月14 日至10月24日期間,秸稈焚燒火點(diǎn)峰值出現(xiàn)在10月8日左右,且整體呈現(xiàn)“平—增—減”的趨勢(shì);2017 年的秸稈焚燒火點(diǎn)峰值出現(xiàn)在10月24日左右,整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但范圍較前幾年有所減少。

        表3 火點(diǎn)時(shí)間分布 單位:個(gè)

        5 應(yīng)用與建議

        隨著科技的不斷發(fā)展、遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)水平的不斷提高,在眾多衛(wèi)星中,遙感衛(wèi)星將起著越來(lái)越重要的作用。利用遙感衛(wèi)星對(duì)秸稈焚燒點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可提高工作效率,減少人力、物力的投入,是對(duì)地面實(shí)地監(jiān)測(cè)方法的補(bǔ)充。但單一的依靠MODIS 熱異常數(shù)據(jù)提供的火點(diǎn)信息進(jìn)行秸稈焚燒火點(diǎn)的判定存在一定的局限性。本文利用MODIS 熱異常數(shù)據(jù)以及土地覆蓋數(shù)據(jù)對(duì)安徽省秋季農(nóng)作物秸稈焚燒情況進(jìn)行遙感監(jiān)測(cè),可以在一定程度上排除非農(nóng)用地上的火點(diǎn)信息,提高了秸稈焚燒火點(diǎn)判定的精度。通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)安徽省秸稈焚燒火點(diǎn)在空間上呈逐步減少趨勢(shì),說(shuō)明禁燒政策實(shí)施的有效性;時(shí)間上,10月份火點(diǎn)數(shù)目較多于9月份,應(yīng)著重注意10月份的秸稈焚燒監(jiān)測(cè)。利用衛(wèi)星遙感技術(shù),能準(zhǔn)確地對(duì)秸稈焚燒趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè),對(duì)于科學(xué)、準(zhǔn)確、迅速地了解秸稈焚燒動(dòng)態(tài)變化,提高預(yù)警能力和監(jiān)督檢查的效率具有重要意義。

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