基于MODIS的河南省秸秆焚烧遥感监测与分析

李 佳，李舒婷，段 平，张 驰

(1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.云南省高校资源与环境遥感重点实验室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空间信息技术工程技术研究中心，云南 昆明 650500；4.南通大学 地理科学学院，江苏 南通 226019)

基于MODIS的河南省秸秆焚烧遥感监测与分析

李 佳1,2,3，李舒婷1,2,3，段 平1,2,3，张 驰4

(1.云南师范大学 旅游与地理科学学院，云南 昆明 650500；2.云南省高校资源与环境遥感重点实验室，云南 昆明 650500；3.云南省地理空间信息技术工程技术研究中心，云南 昆明 650500；4.南通大学 地理科学学院，江苏 南通 226019)

文中采用MODIS二级产品MOD14数据，以火点像元亮温特征为依据，提取2000、2008、2014年每年5月29至6月14河南省秸秆焚烧火点分布，分析秸秆焚烧时空分布特征。研究表明：河南省14年间秸秆焚烧火点个数和面积呈上升趋势；14年间河南省秸秆焚烧由北部和中部地区逐渐向西南和东南地区扩散，且西南和东南地区的秸秆焚烧现象较为严重，其中周口、驻马店、信阳、南阳等市秸秆焚烧现象较突出，安阳、焦作、新乡等市秸秆焚烧现象明显减弱；结合2014年河南省空气污染指数分析秸秆焚烧对空气质量的影响表明：秸秆焚烧会对空气质量污染产生重要影响。

MODIS；秸秆焚烧；火点提取；空气污染指数

秸秆焚烧时排放出大量有毒有害气体对空气质量造成严重污染[1]。秸秆焚烧监测是依据焚烧的时空特性和分散特性确定的，通常采用传统人工方法和遥感技术。传统人工手段监测秸秆焚烧可以在小区域内较为精确的统计火点个数及面积，但是监测的频率和速率较低，监测结果的准确性存在一定误差，对于大范围内的秸秆焚烧分布情况不能同步实时监测；与传统人工方法相比较，遥感监测方法时效性强、监测范围广，可以快速监测大范围秸秆焚烧区域，弥补传统人工监测方法的不足，为大范围秸秆焚烧监测提供可能。

对于秸秆焚烧监测方面，很多学者采用遥感影像进行相关方面的研究。刘婷等人利用MODIS数据监测秸秆焚烧表明在农作物收割期间火点较为明显[2]； 齐少群等人用HJ-1B的IRS传感器数据，选取哈尔滨雾霾较为严重的秋冬季节，对秸秆焚烧区域进行提取和识别等研究[3]，陈洁等人采用风云三号气象卫星数据和高分一号数据对秸秆焚烧过火面积进行提取研究，表明秸秆焚烧对空气质量会产生一定影响[4]，众多学者在秸秆焚烧对空气质量产生影响方面做了相关研究工作[5-7]，李金香等人通过大气颗粒物监测仪器监测秸秆焚烧污染物，秸秆焚烧污染物处在不利于扩散的气象条件下会对空气质量造成严重污染[8]。当前环保部门采用环境气象卫星数据对秸秆焚烧进行实时监测，但气象卫星数据监测到秸秆焚烧最小面积为100 m2，小区域内的秸秆焚烧可能会被遗漏，统计结果与实际有一定偏差。与气象卫星比较，MODIS传感器不仅灵敏度精度很高，而且探测到的面积比气象卫星更小、更精确(最小面积为50 m2)，可以更真实、更详细地对火情进行定性定量的分析。这使得MODIS卫星在秸秆焚烧监测和预测方面和其他卫星相比有很大优势。

河南省粮食产量位于全国第一，夏季粮食产量最多，粮食收割产生大量秸秆使得焚烧现象较为严重。基于此，本文采用2000、2008、2014年每年的5月29至6月14日MODIS二级产品MOD14数据，提取河南省秸秆焚烧火点分布，统计分析河南省过去14年秸秆焚烧分布情况以及整体变化趋势，并将2014年统计结果与河南省2014年空气质量数据结合分析，探讨秸秆焚烧对河南省城市空气质量的影响及其差异。

1 研究区域与基础数据

1.1 研究区域概述

河南省位于中国中东部，地处华北平原，以冲积平原为主，拥有肥沃的土壤和充足的水源，粮食产量位于全国第一。每到粮食收获季节，秸秆焚烧现象较为严重，对空气质量产生一定影响，图1为本文研究区域。

图1 河南省行政区划图

1.2 基础数据来源

河南省夏季小麦粮食产量较多，收割时间集中在5月末和6月初，因此本文选取2000、2008、2014年每年5月29至6月14日内的遥感数据进行秸秆焚烧火点及其面积提取，遥感数据包含MODIS二级产品数据MOD03、MOD14和三级产品数据MCD12Q1，其中MOD03用于辅助数据处理，MOD14用于火点的识别及其统计，MCD12Q1用于区分农业用地火点与其他用地火点，同时采用2014年河南省5月29日-6月14日空气质量数据，分析秸秆焚烧与空气污染的关系。

2 基于MOD14的秸秆焚烧火点提取

2.1 基本原理

MODIS火点监测原理是基于中、长红外波段的光谱特性，采用4 μm的21通道和11 μm的31通道作为火点监测通道。草地、灌木、丛林燃烧时火点温度达到400～800 ℃。物体内部温度的变化，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[9]。依据维恩位移定律，温度越低，辐射峰值波长越长，反之则小[10]。物体为常温状态时辐射峰值波长为10 μm左右。火焰的温度通常能达到500～700 K，其热辐射峰值波长在3～5 μm之间[11]。

秸秆焚烧产生的火点辐射峰值处在3～6 μm左右，常温背景值和温度异常点的辐射峰值存在明显差异，是监测秸秆焚烧火点异常的基础。 当辐射峰值为4 μm和11 μm时，火点像元的亮温要比背景像元亮温高很多。当温度逐渐升高，峰值波长会向短波方向移动，4 μm通道的亮温明显高于11 μm通道的亮温，同时满足两个通道的亮温差值大于背景值这两个条件，可以检测热异常点是否为火点。根据热异常判定火点，将MOD14图像灰度值分为火点和非火点像元。MOD14热异常数据中有10种不同类型的像元，其中属性值为7、8、9代表火点像元，7代表可信度低的火点，8代表可信火点，9代表可信度高的火点，去除7代表的可信度低的火点影响，选择8、9两类属性值表示的火点像元即可统计出火点数。

2.2 火点提取流程及其面积估算

图2为本文提取火点提取流程。

图2 火点提取流程

从时间尺度上对河南省2000年、2008年、2014年3年的数据叠加转换分析，得到河南省过去14年间夏季秸秆焚烧火点分布。除了秸秆焚烧活动之外，森林火灾、火山活动、工业热点等都会作为秸秆焚烧的火点统计其中， 但实际上这些不属于秸秆焚烧火点，因此需要首先确定为农业用地，在此基础上统计的火点才是秸秆焚烧的火点。采用MCD12Q1数据根据土地利用或地表覆盖类型识别农业用地，将火点数据与农业用地类型数据进行叠加，得到农业用地覆盖范围内的火点。

在剔除火点的基础上，对秸秆焚烧火点面积进行统计计算，将研究区域内单个火点在等面积投影影像中被识别为明显火点或过火点面积的总和，具体步骤如下：

1)计算单个火点的像元面积DS:

ΔS=Np×NI.

(1)

式中：Np为火点纬度方向上的距离；NI为火点经度方向上的距离。

2)各个火点像元面积之和即为研究区域内秸秆焚烧火点的总面积，算式如式(2)所示。

(2)

式中：i为像素序号；n为火点的总像素。

3 结果分析

3.1 河南省秸秆焚烧空间统计与分析

提取河南省2000年、2008年、2014年的5月29日至6月14日秸秆焚烧火点并统计火点面积，如图3所示为提取各年的火点空间分布。从北向南分析，2000年到2014年秸秆焚烧由北部地区逐渐向南部地区扩展，济源、焦作、新乡、安阳等地区火点逐渐减少，而商丘、周口、信阳等市火点明显增多；从西到东分析，西部地区火点没有明显变化，而西南和东南地区火点明显增多。西部地区三门峡和洛阳地处豫西地区，地势起伏大，水土流失严重，耕地综合生产能力较弱，粮食产量相对较小，因此火点变化不大。中部地区平顶山、许昌、漯河等市火点向四周扩散。在过去的14年间，河南省秸秆焚烧由北部和中部地区逐步向西南和东南地区演变。

表1为图3火点所对应的面积统计表，根据表1中各市的秸秆焚烧火点情况分析，安阳市2000—2014年火点个数呈递减趋势，秸秆焚烧面积对应减少78.47%；新乡市在过去14年间秸秆焚烧面积先减少61.16 km2，后又增加46.22 km2，总体呈现下降趋势；焦作市秸秆焚烧面积和火点数目也有明显减少。河南北部城市秸秆焚烧面积及火点数目在过去14年间都呈现下降趋势。商丘市火点个数增加42个，秸秆焚烧面积增加97.59 km2；南阳市2000—2008年火点个数增加89个，面积增加193.7 km2，2008—2014年火点个数减少46个，面积减少78.98 km2，在2008年南阳市秸秆焚烧现象最为严重；驻马店和信阳市的秸秆焚烧现象同样明显，而河南省中部城市位于黄淮平原地区，拥有适合农作物生长的自然条件，中部城市(漯河、许昌、平顶山等市)在过去14年间秸秆焚烧火点向西南和东南地区扩散，秸秆焚烧火点及面积没有很大改变，只是相对减少。

总体而言，河南省在过去14年间秸秆焚烧现象呈现增长趋势，2000—2008年秸秆焚烧面积增加191.35 km2，2008—2014年增加98.7 km2，虽然增长速率明显减小，但是秸秆焚烧现象并没有得到明显缓解。

图3 2000—2014年河南省秸秆焚烧火点分布图

地点2000年2008年2014年火点个数火点面积/km2火点个数火点面积/km2火点个数火点面积/km2安阳市779945291172鹤壁市2355226800濮阳市2178112207285793济源市999300237焦作市38684232652356新乡市629878113762258384三门峡市10910000洛阳市19242122663267郑州市797643565531开封市336212667134商丘市1419284378835611687许昌市163226298793431平顶山市47506398901362898漯河市386312324541727周口市5410354122445815291南阳市117690195464411648驻马店市721268393206199822212信阳市12626710479355782总计393628843968201941391889

3.2 河南省秸秆焚烧与空气质量相关分析

空气污染容易受到秸秆焚烧的影响，采用空气污染指数(Air pollution Index，API)分析秸秆焚烧对空气污染的影响。API是将不易理解的污染物浓度简单化成为单一的概念性数值，当第i种污染物浓度值Ci满足条件Ci,j≤Ci≤Ci,j+1时，计算表达式如式(3)所示[12]。

Ii=[(Ci-Ci,j)/(Ci,j+1-Ci,j)]×

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

(3)

式中:Ci为第i种污染物的浓度值，Ii为第i种污染物的污染分指数；Ci,j为仅次小于Ci的值，Ii,j为Ci,j浓度值所对应污染分指数；Ci,j+1为仅大于Ci的值，Ii,j+1为Ci,j+1浓度值所对应污染分指数。计算各种污染分指数后，取最大值为该区域的空气污染指数API=max[I1,I2, …,Ii,Ii+1,In]为某污染物的污染分指数的最大值，计算河南省2014年5月29—6月14日时段的API，如表2所示，API有O3、SO2和PM10。

表2 各市日平均污染物浓度及其API

三门峡市在2014年5月29日—6月14日没有秸秆焚烧的火点，通过API反映的O3与焚烧没有关系，而焦作市API反映的SO2与火点相关性值为0.093 5，表明二者之间没有相关性，可以说明秸秆焚烧对O3和SO2的排放基本不产生影响，焦作市属于煤炭型工业城市，燃烧会产生大量的SO2是空气污染的主要因素。从API反映的指标而言，秸秆焚烧期间主要污染物为PM10。早期PM10观测站点架设较少，2014年仅有7个市的PM10数据，将其与2014年河南省秸秆焚烧火点数进行分析相关性分析，如表3所示。

安阳、焦作、洛阳、郑州在2014年夏季秸秆焚烧中产生的火点个数分别为1、2、3、5个火点，火点个数很少或没有，秸秆焚烧活动不明显，与PM10没有相关性。二者在没有相关性的情况下，安阳市和焦作市的PM10指标较高，说明存在其它污染物排放引起了PM10值较高。以平顶山为例，分析秸秆焚烧每日火点个数与PM10日均排放量关系，2014年河南省平顶山市的秸秆焚烧火点数与PM10日均浓度有良好的相关性，相关系数为0.719 4，如图4所示，5月29日至31日，PM10日均排放量呈现增长趋势，与秸秆焚烧火点呈现正相关性；5月31日至6月4日秸秆焚烧火点数量明显减少，PM10日均排放量浓度呈下降趋势；6月2日至4日，全省大部分为多云天气，受云层的遮挡，监测不到秸秆焚烧活动；6月9日左右是玉米、大豆等农作物的抢收时间，随着农作物收割，秸秆焚烧现象也随之加剧，同时PM10排放量增加。开封市地处河南省中北部地区，当地空气质量除秸秆焚烧以外，还受到周围其他市的影响。通过分析秸秆焚烧与PM10排放量关系发现，两者之间存在较好的相关性：即火点多的地方PM10监测值较高，而火点较少的地区与PM10相关性较差，但是也存在火点少的地区 PM10排放量较高，说明该区域有其它污染严重的源。

表3 各市秸秆焚烧火点与PM10相关性

图4 平顶山秸秆焚烧火点数与PM10日均浓度图

4 结束语

本文采用MODIS二级产品数据MOD14提取2000、2008、2014年夏季河南省秸秆焚烧火点，分析了河南省过去14年间秸秆焚烧变化情况：在过去的14年间，河南省秸秆焚烧由北部和中部地区逐步向西南和东南地区演变。采用API数据与秸秆焚烧火点数进行分析表明：秸秆焚烧会对空气质量产生一定影响，但并不是唯一影响空气质量的指标。本文的相关方法和分析可为当地环保部门进行大面积秸秆焚烧监测提供一种技术方法，为制定和完善秸秆焚烧政策提供有力依据。

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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

国家自然科学基金项目(41561048)

李 佳(1984-),女，博士.

段 平(1984-),男，博士.

著录：李佳，李舒婷，段平，等.基于MODIS的河南省秸秆焚烧遥感监测与分析[J].测绘工程，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]