基于MODIS卫星数据的黑龙江省生物质燃烧火点时空分布

胡庆华，李 兵

(1.合肥师范学院实验实训中心,安徽 合肥 230601; 2.中华人民共和国自然资源部,北京 100000)

生物质燃烧是重要的气候强迫因子，也是影响空气质量的重要污染因子之一[1-2]。通常关注的生物质燃烧包括秸秆焚烧、森林火灾、草原野火等。大范围生物质燃烧产生的烟雾会影响当地甚至下风向的空气质量，危害人体健康，也可能引发交通事故、重大火灾事故等，同时会造成土地贫瘠化板结化[3-6]。秸秆焚烧等造成的社会环境问题是公众密切关注的。通过传统人工手段监测秸秆焚烧、森林火灾等，可以较为精确地统计火点个数及面积，但对于大范围内的生物质燃烧分布情况不能实时监测，且监测频率速率均偏低。与传统方法相比较，遥感监测火点方法具有范围广、时效性强且人物力成本低等优势，可以大范围地快速监测火点，弥补传统人工监测方法的不足。

火点的遥感监测始于20世纪70年代末80年代初，国内始于90年代，随着遥感技术的不断发展，火点监测研究可采用的数据源和判识模型方法越来越丰富。用于地面火点监测的国内外卫星数据包括AVHRR[7]、Landsat[8]、MODIS[9]、HJ[10]、FY[11]、VIIRS[12]、Himawarri[13]等。其中，中分辨率成像光谱仪(MODIS，Modderate-resolution Imaging Spectroradiometer)卫星数据从2000年开始获取并使用至今，有利于展开长时间序列的变化研究。同时MODIS搭载在Terra和Aqua两颗卫星，一天过境4次，火点分辨率达到1 km,具备较高的火情实时监测能力。基于MODIS数据的生物质燃烧监测方面，很多学者进行了相关研究。Kaufman等最早提出了基于 MODIS的火点监测模型并用于森林火灾监测[14-15]。在此基础上Giglio等[16]对上下文算法进行了优化，此算法为目前火点监测研究中最常用的算法。与此同时，火点的遥感监测精度问题也引起专家学者的重视，杨光等[17]用2005-2015年大兴安岭的林区卫星热点数据和同时期森林火灾历史资料分析MODIS传感器初判林火发生次数的准确率超过80%，主要存在多报现象。尽管卫星遥感监测存在缺点，但其优势显著。近年来，国内学者结合MODIS火点监测数据，以及地表类型、地面实测点位资料等，对森林火灾、秸秆焚烧、草原野火等展开大量的探索和应用[18-21]。

黑龙江省是我国农业林业大省，每年秸秆焚烧现象严重，且森林、草原广袤，防火工作尤为重要。基于此,本研究采用MODIS数据，获取2010-2017年火点长时间序列信息，以期更为客观全面反映黑龙江秸秆焚烧、林火、草地野火等生物质燃烧分布情况及变化趋势，为当地秸秆资源综合利用、环境质量改善以及森林草地防火等提供参考。

1 研究区与研究方法

1.1 研究区概况

黑龙江位于我国东北部边疆，地理位置在123°-135° E、43°-54° N，地势大致为北部和东南部高，东部和西南部低。西北部为大兴安岭山地，北部为小兴安岭山地，东南部为长白山山脉的一部分，东部为三江平原，西南部是松嫩平原。黑龙江省为温带大陆性季风气候，省内水系发达，种植区域广阔，森林覆盖率高。省内的土地覆盖类型包括森林、草地、农田等多种类型，其中森林覆盖率在40%以上。

1.2 监测数据与方法

本研究进行火点监测的卫星数据来自MODIS传感器。目前国内外研究中，主要发展了以下几种模型来判断火点：Dozier模型、阈值模型、上下文模型、可燃物模型。本研究应用的模型为上下文模型法。秸秆热异常火点提取的基本原理基于维恩位移定律。维恩位移定律是描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律[22]。根据维恩位移定律，物体辐射峰值波长随温度升高向短波方向移动。常温地物(约26.85 ℃)热辐射能量的峰值位于热红外波段，随着温度的升高，热辐射的峰值逐渐向波长较短的方向移动，秸秆焚烧、森林火灾 (226.85～726.85 ℃) 等火点热辐射的波长峰值位于中红外波段[23],且4 μm通道的亮温明显高于11 μm通道的亮温。根据该原理与方法，热异常火点的显著特征是中红外波段的辐射能量高于背景像元，同时波段之间的亮温差也发生变化，因此可以将目标像元的温度特性与周围背景像元的平均温度特性统计出来，进行阈值判别。根据判别结果提取热异常点，同时计算目标点受周边像元的干扰程度，即信度，干扰越多信度就越低，筛选高信度结果。

通过以上方法得到的热异常点的提取结果需要进一步叠加土地利用数据。本研究使用的土地利用类型数据来自国家基础地理信息中心GlobeLand30-2010(http://www.globallandcover.com/)，分辨率高达30 m。通过图层叠加，可以获取农田、林地、草地等对应的火点。最后结合行政边界等基础地理信息，将秸秆焚烧、林火、草原野火的数据进行统计分析以及产品的制作。

2 结果与分析

2.1 火点时空分布总体概况

2.1.1空间变化 2010-2017年黑龙江火点空间分布格局总体表现为西部东部多，中部、南部、西北地区少(图1左)。火点主要分布在3个区域：小兴安岭中段北段、松嫩平原和三江平原。小兴安岭中段北段林木覆盖度高，主要来源于森林火灾；松嫩平原、三江平原，分布着大面积农耕区以及一部分草原植被，主要来源于秸秆焚烧，以及一部分草原野火。为了进一步分析火点的分布态势，以20 km×20 km作为网格单元，对黑龙江区域进行火点密度统计(图1右)，结果显示高密度火点区主要分布在松嫩平原的纳谟尔河流域、北部引嫩江总干渠沿岸以及三江平原的双鸭山市。大兴安岭以及中部、东南海拔较高的山地几乎没有火点。

同时，本研究依据海拔高程数据(DEM)对火点的垂直分布进行统计(图2)，密集火点主要出现在两个海拔高度范围，分别为60～90 m以及120～200 m。

图1 2010-2017年黑龙江省火点分布图(左)、火点分布密度图(右)Fig. 1 Fire spot distribution map (left Figure), fire spot distribution density map (right Figure) of Heilongjiang Province from 2010 to 2017

图2 火点数量与高程分布关系Fig. 2 The relationship between fire spot number and DEM

海拔240～340 m也存在一个小峰值。海拔280 m以上，火点数量随着海拔的升高而减少，500 m以上火点十分稀疏。

进一步依据地级市对火点数量进行统计(图3)，结果显示，火点数量最多的是黑河市，占黑龙江全省火点数量的30%；齐齐哈尔次之，占火点总量的16%；接下来依次为绥化市11%，双鸭山市10%，哈尔滨市、佳木斯市各占7%；伊春市和牡丹江市火点数量最少。

图3 2010-2017黑龙江省地级市火点数Fig. 3 Fire spot number in prefecture city of Heilongjiang Province

2.1.2年际变化 2010-2013年黑龙江全省火点整体保持相对较低的水平，期间2011年有小幅度上升，火点分布重心主要在黑河市、双鸭市，其他地区相对稀疏；自2014年以来火点数量开始显著增加，尤其是松嫩平原中部南部地区、三江平原南部火点分布由稀疏到密集，明显增多，对应到地级市，如齐齐哈尔市、绥化市、哈尔滨市、七台河市等；2015年全省火点数量达到最大值；在禁烧工作大力推行下，2016年火点数量开始下降，但2017年有所反弹(图4)。

根据各地级市火点数量的年际变化发现(图5)：黑河市、双鸭山市、佳木斯市与全省的火点数量年际变化较为一致，有所不同的是黑河市的火点自2016年得到较好的控制，2017年火点数几乎没有增加；齐齐哈尔市2010-2013年火点数量保持在相对低水平，变化波动较小，2014年起有较大幅度升高，2015-2017年居高不下，成为省内火点数量居第二的地级市；绥化市与哈尔滨市变化较为一致，2016年及之前与全省变化趋势保持一致，但2017年火点数量上升幅度十分明显，上升率分别达到110%和255%；黑龙江省其他地级市年际波动变化较小。

2.2 不同类型火点时空分布特征分析

2.2.1空间变化特征 基于农业用地、林地、草地等不同的土地利用数据将2010-2017年黑龙江省的火点分为3种，分别为秸秆焚烧火点、林火、草地野火(图6)。并且本研究按照地级市，对不同火点类型的数量进行统计(图7)，地级市从左到右按照火点数量排名进行排序。林火主要分布在大兴安岭市、黑河市，草地野火主要分布在大庆市，秸秆焚烧火点在平原区均有分布，较为广泛。黑河市作为火点贡献量第一的地级市，林火与秸秆焚烧火点分别占40%、45%，大兴安岭主要为林火和草地野火，分别占74%、23%，大庆市秸秆焚烧火点与草地野火分别占59%、39%，伊春市秸秆焚烧与林火分别占26%、58%，其他地级市均以秸秆焚烧为主，火点数量排名2-7的地级市秸秆焚烧火点均在80%及以上。

2.2.2年际变化特征 2010-2017年间，草地火点数量占火点总量最小，且波动较小，变化趋于平稳；林地火点在2010年、2015年稍高，其他年份变化较小；秸秆焚烧火点变化趋势与省火点年际变化趋势一致，2014年数量突增(图8)。近些年，黑龙江省农作物的产量持续提升，必然导致秸秆产量随之增加，秸秆焚烧作为一种主要处理方式，是秸秆焚烧火点增加的原因。定量分析不同火点所占比例(表1)，8年间，秸秆焚烧火点占火点总量百分比年际上升明显，从34%到维持在70%以上，与此同时，林地火点数量从51%下降至16%。对8年数据进行统计，秸秆焚烧火点占据总火点的68%，其次为林地21%、草地11%。

图4 2010-2017年黑龙江省火点年际变化分布图Fig. 4 Distribution map of interannual variations of fire spots in Heilongjiang Province from 2010 to 2017

图5 2010-2017黑龙江省及地级市火点统计Fig. 5 Statistics of fire spots in Heilongjiang Province and prefecture-level cities from 2010 to 2017

图6 2010-2017年不同类型火点分布图Fig. 6 Distribution of different types of fires

2.2.3年内变化特征 统计2010-2017年黑龙江省秸秆焚烧、林地、草地火点总数年内变化情况可以看出(图9)，黑龙江省秸秆焚烧、林火、草地野火高峰期大多集中在3月中旬-5月上旬，10月中旬-11月中旬，呈现双峰分布，此外6月底7月初存在一个小高峰。春季生物质燃烧时间段长于秋季；春季火点在全年中占比为51%，秋季火点在全年中占比为45%。出现这样的季节分布特征有以下原因：1)春秋两季为秸秆焚烧时期，农民通过焚烧的方式将秸秆还田，构成黑龙江省生物质燃烧的最主要部分；2)春秋两季天气干燥，容易引发草地、林地出现火灾，同时受到人为焚烧秸秆的牵连等影响，草地、林地火点也有所增多；3)夏季雨水较多，可燃物含水量大，冬季天气寒冷，地表留存冰雪层，草地、林地不容易引发火灾，所以夏季和冬季火点较少；4)与草地野火和秸秆焚烧不同，林火在6-9月也有出现，甚至在6月底7月初存在一个小高峰，这主要是由于雷击引发的林火，雷击火的分布有一定的区域性，一般发生在偏远、海拔较高的原始林区[24]。

图7 地级市不同火点百分比图Fig. 7 Percentage map of different fire spots in prefecture-level cities

图8 不同类型火点年际变化曲线Fig. 8 Interannual variation curves of different types of fires

火点类型Type of fire 年份Year20102011201220132014201520162017总计Tatol秸秆焚烧Straw burning34 50 61 57 78 73 77 74 68 林地火点Forest fires51 31 22 29 14 18 14 16 21 草地野火Grass fires15 19 17 14 8 9 9 10 11

图9 2010-2017年不同类型火点年变化Fig. 9 The annual change of different types of fires from 2010 to 2017

分析2010-2017年黑龙江省春秋两季秸秆焚烧火点在全年中的比例(图10)，可以看出，春季火点在全年中火点占比逐渐上升，秋季波动较大但自2016年起显著下降。由于每年10月中旬开始燃煤供暖，加上秸秆焚烧污染物排放，黑龙江地区经常形成较为严重的污染，因此东北地区近几年开展秸秆禁烧工作，尤其是秋季的禁烧力度有所增大，可能导致秸秆焚烧高峰期转向春季。

3 结论

生物质燃烧是影响生态系统的一个重要因素，对局地、区域乃至全球的空气质量产生影响。基于MODIS数据利用遥感技术监测生物质燃烧具有监测范围广、客观性强的优势，为秸秆焚烧、林火、草地野火等监测提供另一视角。本研究基于2010-2017年的MODIS火点数据，提取黑龙江不同土地利用类型的火点分布，分析时空分布格局，得出以下结论：

图10 2010-2017年春秋季火点变化Fig. 10 The change curve of fire point in spring and autumn from 2010 to 2017

1)黑龙江火点分布范围较广，包括松嫩平原、三江平原、小兴安岭中段北段区域；高密度火点区主要分布在纳谟尔河流域、北部引嫩江总干渠沿岸以及双鸭山市平原区。按地级市排序，火点总数量最多的是黑河市占30%，其中秸秆焚烧贡献为45%；齐齐哈尔次之占16%，其中秸秆焚烧贡献为86%；伊春市、牡丹江市火点数量最少。

2)2010-2013年火点数量保持在较低水平，自2014年以来火点数量显著增加，尤其是松嫩平原中南部地区增加明显，2015年火点总量达到最大值，2016年有所下降，2017年出现反弹。火点数量的季节变化表现为春秋多，冬夏少，尤其是3月、4月、10月、11月火点较多，一方面由于这段时间为秸秆焚烧段，另一方面春秋季较为干燥，容易引发草原和森林火灾，此外林火在6月也出现极大值，与夏季雷电击火有关[24]。

3)农业用地是2010-2017年黑龙江火点分布最多的土地利用类型，即秸秆焚烧火点占总火点的68%，其次为林地(32%)、草地(10%)。2010-2017年，秸秆焚烧火点比例由34%上升为74%，基本呈现逐年递增的趋势，与此同时林地火点数量呈逐年下降的趋势。此外， 2016年以来受到秋季禁烧工作的影响，秋季的秸秆焚烧火点显著下降，秸秆焚烧高峰向春季转移。