基于MODIS数据京津冀的秸秆焚烧火点监测与分析

郭畅 刘剋

摘 要：秸稈焚烧会产生大量的气态污染物和颗粒物，给大气环境带来较大的影响。卫星遥感具有大面积宏观、快速观测特点，能够高效监测火点并及时处理。研究以MOD14、MOD03为数据源，结合京津冀土地利用数据提取2017年-2018年研究区内秸秆焚烧火点，分析火点个数变化和时空分布。研究表明：京津冀地区秸秆焚烧主要集中在河北省中南部的保定市、石家庄市、邢台和衡水4市;秸秆焚烧火点多集中在春秋两季，呈双峰波动趋势;2018年火点个数明显少于2017年个数，说明人们的环保意识不断增强，禁烧工作得以落实。

关键词：卫星遥感;MODIS;秸秆焚烧;时空分布;京津冀

中国是一个农业大国，随着我国农村产业结构调整和生活条件改善，秸秆产量不断增长，出现区域性、季节性过剩的现象。据统计，我国每年产生秸秆7亿吨左右，占全世界秸秆总量的20%～30%。[1]加之秸秆体积大、运输成本高和利用率低下等原因，出现大面积焚烧秸秆的现象。[2]及时掌握火情发生的时间和地点，以及夏秋收时节的秸秆焚烧的地点和范围，对改善京津冀空气质量和生态环境有至关重要的作用。秸秆焚烧火点空间分布相对分散且无规律性，传统田间人工巡检方式不仅浪费资源，也不能保障及时、有效地监测。卫星遥感具有宏观、快速监测的特点，可以弥补人工巡检的不足，提供较为详细的火点动态信息，为各级政府、环保部门提供科学翔实的依据。

20世纪70年代末80年代初，国际上开始利用卫星遥感技术对火灾进行监测，国外研究学者采用美国NOAA系列气象卫星甚高分辨率辐射计AVHRR传感器进行火灾监测，AVHRR有五个通道，[3]是全球火灾监测研究中应用较为广泛的数据。[3]而AVHRR数据图像边缘部分畸变较大，[4]其最大缺点在于非常容易饱和，[5]火点监测很容易受到干扰。20世纪初，美国EOS系列TERRA/AQUA卫星装载了考虑火灾监测需求的MODIS传感器，可以更详细、更高效地对火点进行分析，在火情监测中具有特殊的功能和应用前景。Giglio等[6]提出了MODIS 火点算法，根据潜在火点像元与有效背景火点像元的差异来判断火点，这种差异越大，潜在火点像元为火点的可能性就越大。张丽娟等[7]利用MODIS数据监测2014-2015年全国秸秆焚烧情况，对比分析火点数目增减情况及分布区域，得到秸秆焚烧重点区域及高发时期;张彦等[8]基于MODIS热异常数据和地面GPS实测资料，对2015年河南省秋季作物收获时期的秸秆焚烧情况进行监测，发现火点分布主要集中在周口、南阳、驻马店及平顶山地区，通过对火点数目的变化分析评价政府的禁烧措施的实施效果。

京津冀协同发展急需解决的问题是环境的协同发展与治理。本研究采用2017年-2018年长时间序列的MOD14和MOD03数据进行提取火点，结合土地覆盖类型数据，得到秸秆焚烧火点个数及其空间分布，为京津冀秸秆资源有效利用和环境保护提供参考依据。

1 研究区概况与数据源

京津冀地处我国的华北平原，属暖温带大陆性季风型气候，四季分明，年均降水量在550mm左右，行政面积约21.66km2，研究区地势西北高、东南低，地貌类型由西北向东南呈过渡性倾斜分布，是一个农业综合发展的典型地区。

TERRA/AQUA卫星MODIS传感器设计有用于火灾监测的中红外通道、远红外通道，且MODIS数据时间分辨率、光谱分辨率及空间分辨率等特征非常适合宏观、实时监测火灾。MODIS标准数据产品根据内容的不同分为0级、1级数据产品，在1B级数据产品之后，划分2-4级数据产品，包括：陆地标准数据产品、大气标准数据产品和海洋标准数据产品等三种主要标准数据产品类型，研究选取MODIS2级产品MOD14地面热异常数据作为数据源。

2 卫星探火原理及火点提取方法

物体内部温度变化，能够引起较大的辐射改变，这种改变是识别高温热源的关键。根据维恩位移定律，物体为常温状态时辐射峰值波长为10μm左右，火焰温度通常能达到500-700K，其辐射峰值波长在3-5μm之间。利用MODIS传感器的中、长红外波段的光谱特性，进行火点监测，其辐射强度越大，地物温度越高，反之亦然。高温源温度微小变化，就能引起辐射值很大变化，这种变化将十分有利于高温热源的识别。

以MOD14和MOD03数据为数据源，采用MOD03构建GLT地理查找表和地理定位文件，随后利用GLT文件对MOD14数据进行地理定位，提取火点位置。结合土地覆盖类型数据，将地物分为6类，分别是裸地、建筑用地、农业用地、林地、草地和水体。通过ArcGIS10.1软件的空间分析功能将土地覆盖类型与火点叠置分析，得到在农业用地土地类型上的火点，即秸秆焚烧火点，提取秸秆焚烧火点技术流程图如图1。根据校正后的热异常遥感影像数据分类说明，提取出DN值分别为7、8、9的像元为火点，具体DN值说明如表1。

根据实验结果不难看出，2017年秸秆焚烧总数明显高于2018年秸秆焚烧总数。2017年秸秆焚烧报告共提交京津冀火点监测专题产品12期，每月末一期，共12期，其中4期有火情共计192个;2018年秸秆焚烧报告共提交京津冀火点监测专题产品12期，每月末一期，共12期，其中8期有火情共计47个。火情多发生在农业用地，发生在林地、草场的较少（表2）。

根据2017年年统计结果，分析得出火点集中在河北省的中南部，北京市东南部，从火点发生时间来看，主要集中在6月，符合夏收焚烧秸秆特征。

根据2018年前3个季度统计结果，分析得出前3个季度均有零星火情出现，其中9月30日有24处火情，多集中在沧州市的南部，符合秋收焚烧秸秆特征。

从年度整体上看，2018年火点数较去年总数有所下降，说明农民的禁烧意识有所增强。分析同期数据得出，2018年第二季度疑似火点个数明显少于2017年第二季度疑似火点个数，且北京、天津疑似火点个数较2017年有所减少，说明农民的禁烧意识有所提高，有关部门加大了监管力度;2018年第三季度疑似火点数高于2017年同期数据，说明秋收时节禁烧监管力度小于夏季，且不排除由于监测时间不连续、空间分辨率导致的漏检的可能性。

4 总结

可燃物燃烧会产生大量热量，同时还会产生SO2、CO、CO2等污染大气的气体和细小颗粒物，导致大气污染，雾霾天气出现，也会加速温室效应。及时掌握火情发生的时间和地点，以及夏秋收时节的秸秆焚烧的地点和范围，对改善京津冀空气质量和生态环境有至关重要的作用。利用卫星遥感技术可以快速、高效监测秸秆焚烧火点，结合2017-2018年每月末一期MOD14和MOD03数据，可以发现2018年焚烧点明显少于2017年，说明禁烧工作得到落实。根据2017-2018年趋势看，春秋两季是秸秆焚烧高发期，可为相关部门科学决策提供依据。

参考文献：

[1]叶延琼，汪晶，章家恩，等.广东省水稻秸秆露天焚烧大气污染物排放的时空分布特征[J].华南农业大学学报，2019，40（4）：52-60.

[2]张思，刘志红，佟洪金，等.基于遥感数据的秸秆焚烧源排放清单及时空分布特征[J].环境科学研究，2019，32（4）：627-635.

[3]赵彬，赵文吉，潘军，等.NOAA-AVHRR数据在吉林省东部林火信息提取中的应用[J].国土资源遥感，2010，（1）：77-80.

[4]张志林.基于多光谱辐射测温的火焰温度场测量技术研究[D].哈尔滨工程大学，2013.

[5]董晓锐，魏迎.FY-3 卫星对黑龙江省林火遥感监测业务的支撑[J].黑龙江气象，2014（2）：23.

[6]Louis Giglio，Jacques Descloitres，Christopher 0.Justice，Yoram J.Kaufma.An Enhanced Contextual Fire Detection Algorithm for MODIS[J].Remote Sensing of Environment，2003，87，273-282.

[7]張丽娟，厉青，陈辉，等.2014-2015年夏秋收期间全国秸秆焚烧遥感监测结果对比分析[J].环境与可持续发展，2016，41（6）：61-65.

[8]张彦，刘婷，李冰，等.基于MODIS数据的河南省秋季作物秸秆焚烧火点监测研究[J].河南农业科学，2016，45（11）：149-154.

[9]王晨，殷守敬，孟斌，马万栋，朱利，吴传庆.京津冀地区非正规垃圾场地遥感监测分析[J].高技术通讯，2016，26（Z1）：799-807.