基于MODIS数据的河南省秋季作物秸秆焚烧火点监测研究

张 彦,刘 婷*,李 冰，程永政,王来刚,郭 燕,武喜红,贺 佳

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所,河南 郑州 450002； 2.郑州澍青医学高等专科学校，河南 郑州 450000)



基于MODIS数据的河南省秋季作物秸秆焚烧火点监测研究

张 彦1,刘 婷1*,李 冰2，程永政1,王来刚1,郭 燕1,武喜红1,贺 佳1

(1.河南省农业科学院 农业经济与信息研究所,河南 郑州 450002； 2.郑州澍青医学高等专科学校，河南 郑州 450000)

利用MODIS热异常产品数据,提取河南省秋季作物收获期的秸秆焚烧火点信息,经过初步筛选和地面验证,分析该时段内秸秆焚烧火点数量及时空分布格局,以期对政府为控制秋季秸秆焚烧采取的约谈措施进行效果评价。结果表明,利用MODIS热异常产品数据提取的河南省秋季作物收获期秸秆焚烧火点的准确度可达86.54%,能准确反映河南省秋季作物秸秆焚烧火点的空间分布与发展态势。河南省2015年秋季作物秸秆焚烧火点主要集中在豫中、豫东、豫南地区，尤其是周口、驻马店、南阳、信阳、开封等市,5个地区的秸秆焚烧火点总数占到全省秸秆焚烧火点总数的79.90%。2015年河南省秋季作物秸秆焚烧主要发生于9月27日至10月20日共24 d,整体表现平—增—减—平—增—减的趋势。河南省政府针对秋季作物秸秆焚烧采取政府约谈措施之后,秸秆焚烧火点数量大大减少,整体干预效果明显。利用遥感监测技术可对作物秸秆焚烧进行动态监测,为各级监管部门及时提供大范围内的秸秆焚烧信息,也为加强秸秆焚烧监控提供了可靠依据。

秸秆焚烧； 火点； 遥感监测； MODIS数据

河南省是我国重要的农业大省之一,既是粮食生产的第一大省,也是秸秆资源大省。由于农民环保意识淡薄、农村劳动力短缺、综合利用技术条件差和管理体制不健全等多方面因素[1-2],造成每年夏秋农作物收获季节,一些地区的秸秆焚烧现象非常严重。秸秆焚烧的危害很多,比如:资源的浪费；引发火灾事故,对农民的生命财产安全造成威胁；空气污染；对航空运输和公路交通造成影响,引发交通事故,大大降低运输效率等[3]。由于河南省秋季作物的秸秆粗大、量多,机收率低,秸秆粉碎还田成本高等原因,加之人力和物力限制,单纯依靠现场执法监查管理效率较低[4]。为了遏制秸秆焚烧现象,河南省政府于2015年9月22日在郑州市召开电视电话会议,提前安排部署秋季秸秆禁烧和综合利用工作,并实施了以政府约谈为手段的干预管理措施,但由于群众禁烧意识不够、监管执行不到位、信息传达和任务部署上存在时间延迟等多方面原因,秋季秸秆焚烧现象仍有发生。因此,在秸秆禁烧工作中采用遥感技术快速获取全省范围内的秸秆焚烧信息,通过分析作物秸秆焚烧火点的时空分布格局及动态变化趋势,为监管部门提供及时准确的决策依据变得越来越重要[5-6]。秸秆焚烧动态监测对实时性要求较高,需要获取每日的影像数据进行火点提取和秸秆焚烧专题图制作[7]。由于MODIS数据具有波段范围广、灵敏度高、监测频率高等特点,能够识别数量更多的火点[8],满足了秸秆焚烧突发性、快速变化性的要求,成为监测大范围秸秆焚烧的理想数据源。因此,在电视电话会议召开之后,选取多天覆盖河南全省的MODIS热异常产品数据对秋季作物秸秆焚烧火点进行遥感监测,并根据监测结果对政府针对本季秸秆焚烧采取的政府约谈措施的实施效果进行分析。

1 材料和方法

1.1 数据来源

本研究使用NASA官网免费提供的MODIS热异常产品数据MOD14和MYD14系列,分别是地球观测系统(EOS)中Terra星和Aqua星的数据,空间分辨率为1 km,每天对同一地方观测次数最多可达4次,解决了连续观测要求数据源相对一致性与可参照性问题[9]。所用的MODIS影像获取时间为2015年9月23日至10月20日(28 d)共244期。

其他配套数据有河南省1︰100 000地市级行政区划图和土地利用图。数据投影均采用双标准纬线正轴等积圆锥投影,第一条标准纬线为25°N,第二条标准纬线为47°N,中央经线为105°E,采用的椭球体是科拉索夫斯基椭球体(长半轴=6 378 245.0 m,扁率=0.003 352 330)。

1.2 数据处理

由于MODIS数据的经纬度波段信息非常详细,影像精纠正不必选取多个地面控制点即可进行[10-11]。因此,MODIS数据产品的预处理主要是进行投影转换。数据处理软件环境为ENVI 5.1和ArcGIS 10.2,首先利用ENVI软件对MODIS数据进行读取,并利用地理定位文件构建地理位置查找表对MOD14和MYD14进行地理定位；而后进行热异常点提取,并输出shapefile格式的火点结果；最后进行秸秆焚烧火点提取,利用ArcGIS 10.2裁切功能,提取出河南省内的火点,并与土地利用图层进行叠置分析,从而排除钢铁厂、火电厂和部分林火等其他探测火点,排除固定火源后,位于耕地上的火点即可认为是秸秆焚烧火点。其中,本研究所指的火点仅代表MODIS热异常点像元的中心位置,实际面积与卫星过境时的扫描角度有关,火点数量与实际过火面积没有明显的线性关系[12]。因此,在统计时仅对火点进行数量统计,未涉及秸秆焚烧实际过火面积,火点分布的密集程度仅反映某一地区秸秆焚烧现象的严重程度。

1.3 秸秆焚烧火点信息的地面验证

本研究在利用MODIS热异常产品数据得到秸秆焚烧火点48 h内,通过GPS野外精准定位火点位置进行地面验证。

2 结果与分析

2.1 基于MODIS数据的河南省秋季作物秸秆焚烧火点结果的地面验证

本研究按照MODIS热异常产品数据获得的秸秆焚烧火点经纬度信息,现场查验火点所在地块的秸秆焚烧情况。共实测了104个火点,其中,有90个火点确定为秸秆焚烧火点,14个火点为沟渠或林地落叶焚烧火点,作物秸秆焚烧火点提取准确度为86.54%。本研究提取的秸秆焚烧火点的准确度较高,火点分布格局也与实际基本吻合,说明提取的火点能准确反映出秋季作物秸秆焚烧现象的地区分布与发展态势。

2.2 基于MODIS数据的河南省秋季作物秸秆焚烧火点的空间分布

利用2015年9月23日至10月20日的MODIS热异常产品数据,监测到28 d内河南全省共有秸秆焚烧火点587个,图1展示了2015年河南省秋季作物秸秆焚烧火点的空间分布情况,表1列出了河南省各地级市秸秆焚烧火点的具体数目。由图1和表1可以看出,除三门峡、济源两市没有发现秸秆焚烧火点外,其他各地市均有秸秆焚烧火点分布。其中,秸秆焚烧火点主要集中在豫中、豫东、豫南地区,豫北、豫西地区仅有少量分布零散的秸秆焚烧火点出现。在省、市交界处秸秆焚烧火点也比较集中,可能与这些地区的监管力度较薄弱有关。此外,周口、驻马店、南阳、信阳和开封等5个地市的秸秆焚烧现象比较严重,每个市的秸秆焚烧火点数都≥50个,且这5个地市的秸秆焚烧火点数共占全省秸秆焚烧火点总数的79.90%,可能与这些地区的秸秆利用方式发生改变有关,建议加大秸秆禁烧宣传和监管力度,积极扩展秸秆综合利用途径。

黑圆点为秸秆焚烧火点

地级市名称秸秆焚烧火点数/个地级市名称秸秆焚烧火点数/个周口市200漯河市17驻马店市89平顶山市12南阳市67许昌市10信阳市63郑州市5开封市50焦作市4濮阳市24鹤壁市3商丘市20洛阳市2新乡市19安阳市2

2.3 基于MODIS数据的河南省秋季作物秸秆焚烧火点的时间分布

由于秋季新增加的秸秆量大、收种管理时间不一致和气象条件不利等因素,秋季秸秆禁烧工作难度大大增加。因此,为及时遏制秸秆焚烧蔓延势头,河南省政府在2015年9月22日召开了秸秆禁烧和综合利用会议,提前部署秋季秸秆禁烧与综合利用工作。但在秋季作物集中收获期间监测到河南省仍然存在较为普遍的秸秆焚烧现象,图2列出了2015年9月23日至10月20日秸秆焚烧火点每日遥感监测结果。由图2可以看出,自9月23日开始监测之后,仅监测首日有1个秸秆焚烧火点,之后4 d均无火点,9月27日至29日秸秆焚烧现象较轻微,单日火点数分别为1、12、17个。9月30日则未监测到火点。由于10月1日进入我国的国庆节假期,劳动力充足,作物开始集中收获,秸秆焚烧火点数增加较多,10月1日、2日火点数分别达224、104个,焚烧火点增多现象仅持续了2 d。10月3日至6日焚烧火点渐减,单日火点数较少,均小于10。10月7日至8日均无火点。10月9日至13日焚烧火点数呈现增多趋势,除12日火点数为7个外,9日至11日、13日单日火点数均大于20。10月14日至18日进入作物收获后期,单日火点在10个左右,秸秆焚烧现象较前期减少且趋于平稳。10月19日至20日单日火点数分别为2、4个,火点数进一步减少。10月21日已无火点出现,至此结束2015年秋季作物秸秆焚烧监测。纵观整个过程,2015年河南省秋季作物秸秆焚烧主要发生于9月27日至10月20日24 d,整体表现平—增—减—平—增—减的趋势。在作物收获初期,秸秆总量少,焚烧火点数较少；在作物集中收获期,由于大面积收获,秸秆量猛增,加之政策落实滞后性等原因导致秸秆焚烧火点数较多,秸秆焚烧普遍,对环境影响很大,政府禁烧监管和处罚力度随之加大,其后秸秆焚烧大为减少；在作物收获后期,完成收获地区进入翻耕阶段,监管力度可能会减弱,其他地区则趁着监管松懈继续焚烧秸秆,秸秆焚烧火点数又增多。

图2 2015年河南省秋季作物秸秆焚烧火点监测结果

2.4 河南省秋季作物秸秆焚烧干预措施效果评价

秸秆禁烧事关全省乃至环京津冀周边地区环境空气质量的改善,虽然河南省政府针对2015年秋季秸秆禁烧采取了多项干预措施,但由上述结果可知,秸秆焚烧现象仍旧普遍存在,影响较为恶劣。河南省政府具体采取的干预措施及时间见表2。

表2 2015年河南省秋季作物秸秆焚烧干预措施及采取时间

为了探讨政府采取的现有干预措施是否有效,本研究对2015年河南省秋季秸秆焚烧火点数量及空间分布与干预措施采取时间之间的关系进行了深入分析。由于秸秆焚烧情况受天气状况、收割进度等因素的影响,仅用单日遥感监测结果难以较好地展示秸秆焚烧现象的空间变化趋势。因此,本研究在分析秸秆焚烧火点变化趋势时,根据政府约谈会议召开时间为节点,对新增秸秆焚烧火点监测结果进行了分段累加制图。最终得到2015年河南省秋季秸秆焚烧火点累加变化趋势图(图3)。图3a展示了第一次政府约谈之前新增的秸秆焚烧火点累加分布情况,可以看出,本季作物秸秆焚烧现象最先出现在豫东、豫南地区,其中,秸秆焚烧火点主要分布于豫东地区的周口市境内,秸秆焚烧现象比较分散且较轻微。图3b展示了第一次政府约谈之后至第二次政府约谈之前新增的秸秆焚烧火点累加分布情况,可以看出,秸秆焚烧现象较上一阶段迅速增加,全省大部分地区均有秸秆焚烧火点分布,尤其是在豫东、豫南地区,秸秆焚烧现象非常普遍,其他地区仅有少量且分布零散的秸秆焚烧火点出现。秸秆焚烧现象由豫东扩散到周边其他地区,此次政府约谈效果并不明显,应与信息传达和政策落实滞后、作物大面积集中收获有关。图3c展示了第二次政府约谈之后至第三次政府约谈之前新增的秸秆焚烧火点累加分布情况,可以看出,秸秆焚烧现象较上一阶段有所减弱,虽然全省大部分地区仍然存在秸秆焚烧火点,但火点数量和空间分布范围都大大减少。此次政府约谈效果比较明显,应与政策落实到位,各级部门加强秸秆焚烧监管力度有关。图3d展示了第三次政府约谈之后新增的秸秆焚烧火点累加分布情况,可以看出,秸秆焚烧现象较上一阶段继续减弱,仅有个别地区存在少量且分布零散的秸秆焚烧火点,其他大部分地区均未出现秸秆焚烧火点,本次约谈会议效果较好,应与全省秋季秸秆焚烧进入尾声,政府持续加强监管有关。

a.开始监测至第一次政府约谈之前新增秸秆焚烧火点累加分布图； b.第一次政府约谈之后至第二次政府约谈之前新增秸秆焚烧火点累加分布图； c.第二次政府约谈之后至第三次政府约谈之前新增秸秆焚烧火点累加分布图； d.第三次政府约谈之后至监测结束新增秸秆焚烧火点累加分布图

3 结论与讨论

本研究利用MODIS热异常产品数据对河南省秋季作物秸秆焚烧进行遥感动态监测, 采用野外定位对MODIS识别的秸秆焚烧火点信息加以精度验证,发现提取的秸秆焚烧火点的准确度较高,达86.54%,说明利用MODIS热异常产品数据提取的秸秆焚烧火点结果是客观的,符合实际情况。对河南省2015年秋季作物秸秆焚烧火点进行时空分布研究发现,秸秆焚烧火点主要集中在豫中、豫东、豫南地区,豫北、豫西地区仅有少量分布零散的秸秆焚烧火点出现；在省、市交界处秸秆焚烧火点也比较集中,应加大对秸秆焚烧严重地区的禁烧宣传和监管力度,积极扩展秸秆综合利用途径。2015年河南省秋季作物秸秆焚烧主要发生于9月27日至10月20日24 d,整体表现平—增—减—平—增—减的趋势。在监测后期秸秆焚烧现象出现小幅增加趋势,说明政府不仅应该在作物集中收获期加强禁烧监管,更应该把禁烧观念转变为保护环境观念,做到保护环境常态化。对河南省政府针对秋季秸秆焚烧管理采取的约谈措施的实施效果进行分析发现,秸秆焚烧整体发展趋势与政府针对秋季秸秆焚烧采取约谈的时间基本吻合,河南省政府针对秋季作物秸秆焚烧采取政府约谈措施之后,秸秆焚烧火点数大大减少,整体干预效果较好,对遏制秸秆焚烧起到了非常明显的作用。利用遥感监测技术对秸秆焚烧进行动态监测可为各级监管部门及时提供大范围内的秸秆焚烧情况,为加强秸秆焚烧监控提供了可靠依据。由于本研究使用的MODIS热异常产品数据只能够确定秸秆焚烧的位置信息,因此未涉及秸秆焚烧过火面积,只分析了秸秆焚烧火点的时空分布格局。此外,秸秆焚烧火点监测会受天气、卫星过境时间、焚烧持续时间等因素的影响。因此,对秸秆焚烧火点提取准确度、焚烧面积等方面还需要进一步的研究和探讨。

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Monitoring of Autumn Crop Straw Burning Fire Points in Henan Province Based on MODIS Data

ZHANG Yan1*,LIU Ting1*,LI Bing2,CHENG Yongzheng1,WANG Laigang1,GUO Yan1,WU Xihong1,HE Jia1

(1.Agricultural Economy and Information Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002,China; 2.Zhengzhou Shuqing Medical College,Zhengzhou 450000,China)

MODIS thermal anomalies data was used to extract fire points information during the autumn harvest in Henan province,and the quantity and space-time distribution of straw burning fire points were analyzed after a preliminary screening and ground validation,so as to evaluate the effect of intervention management measures taken by the government for crop straw burning.The results showed that the accuracy rate of straw burning fire points extracted in this paper could reach 86.54%,which could accurately reflect the spatial distribution and development trend of autumn crop straw burning phenomenon in Henan province.The straw burning fire points mainly concentrated in the centre,east and south of Henan province,especially in the cities of Zhoukou,Zhumadian,Nanyang,Xinyang and Kaifeng,whose straw burning fire points accounted for 79.90% of the province’s total.The autumn crop straw burning lasted for 24 d in Henan province in 2015,which occurred mainly in the September 27th to October 20th, the overall trend was flat—increase—decreases—flat—increase—decreases.Henan government intervention overall effect was obvious,because after the interview measures for crop straw burning which were taken by the government,the number of straw burning fire points greatly reduced.Use of remote sensing technology to dynamically monitor straw burning could timely provide regulatory authorities at all levels with straw burning conditions within a wide range,also provide a reliable basis to strengthen the straw burning monitoring.

straw burning; fire points; remotesensing monitoring; MODIS data

2016-05-20

河南省科技成果转化项目(142201110033)；河南省超级产粮大省奖励资金扶持粮油良种培育等项目(豫财贸[2015]131号)

张 彦(1989-)，女，山东临沂人，硕士，主要从事农业遥感应用研究工作。E-mail：zy12032016@163.com

*通讯作者：刘 婷(1968-)，女，湖北武汉人，研究员，主要从事农业遥感应用研究。E-mail：liuting32002@163.com

S127

A

1004-3268(2016)11-0149-06