石家庄市秸秆焚烧遥感监测及其对空气质量的影响分析

文|李婧 石家庄市环境综合执法支队

一、引言

秸秆焚烧是大气中细颗粒物的一个主要来源，不仅能够恶化区域空气质量，降低大气的能见度，而且改变生态系统的循环，产生不利的健康效应。及时准确地监测秸秆焚烧的时间和地点，掌握农民进行秸秆焚烧的地域分布和动态变化，对秸秆焚烧的管控工作和空气质量的保障起到至关重要的作用。华北平原作为我国重要的粮食生产基地，在每年秋收时节都会出现焚烧秸秆现象，对秸秆焚烧的监测一直是环保部门的重要任务之一。而传统的火点监测需要花费大量的人力、财力和物力，通过人工定点监测的方式解决。近些来，随着卫星技术的普及和遥感监控的发展，通过遥感卫星来研究秸秆焚烧火点监测的研究越来越多[1]。高玉宏[2]等以风云三号气象卫星遥感数据为数据源，对黑龙江省进行火点判识处理。冯登超[3]等人结合资源三号卫星影像对秸秆焚烧点进行监测。武喜红[4]等以河南省太康县为区域，基于多源遥感数据对秸秆焚烧过火面积进行估算。本文选择以石家庄市为研究区，分析2018年10月1日至10日秋收集中期秸秆焚烧情况，及其对空气质量的影响分析，以期找出规律，为环境保护提出合理化建议。

二、研究区域

河北省是全国粮油集中产区之一，可耕地面积达600多万公顷，居全国第四位。高产、稳产集中产区在太行山东麓平原。每年农作物夏收、秋收季节，农村和大中城市郊区等地秸秆集中焚烧现象严重，大面积秸秆焚烧带来的烟雾弥漫，严重污染大气环境。

本文以石家庄作为研究区域，进行秸秆焚烧的监测与分析。石家庄主要农作物有优质玉米、小麦、棉花、梨、枣、核桃等，品种多、种植面积大，是河北省粮、棉主产区，现已发展成为中国北方绿色农业基地之一，是中国粮、菜、肉、蛋、果主产区之一，农业集约化和产业化水平较高，生产规模位居中国36个重点城市第一位，被国家确定为优质小麦生产基地，素有中国“北方粮仓”之称。秋冬季节是秸秆焚烧污染的严重区域，本文选取2018年10月1-10日为重点研究时段，通过卫星遥感数据信息处理结合环保部门提供的省级地面监测站每小时城市空气质量指数、气象网站发布的每天主要风向、风速数据，分析秸秆焚烧对该市环境空气质量的影响[5]。

三、数据与火点监测方法

1.数据

可见光红外成像辐射仪（Visible Infrared Imaging Radiometer VIIRS），是搭载在美国国家极轨业务环境卫星系统计划卫星（Suomi NPP）上搭载的传感器，高分辨率辐射仪AVHRR和地球观测系列中分辨率成像光谱仪MODIS系列的拓展和改进。NPP 是在2011年由美国国家航空航天局（NASA）、美国国家海洋大气管理局（NOAA）和美国空军共同研发发射的卫星系统，可用于探测地球环境和大气。扫描式成像辐射仪，可收集陆地、大气、冰层和海洋在可见光和红外波段的辐射图像[6-8]。VIIRS数据可用来测量云量和气溶胶特性、海洋水色、海洋和陆地表面温度、海冰运动和温度、火灾和地球反照率[9]。具体参数见表1。

表1 NPP-VIIRS基本参数

2.监测方法

（1）秸秆焚烧火点监测原理

利用卫星遥感数据的像元过火前后地表辐射特征的变化，以及过火后地表与其他地物辐射特征差异，可以识别过火像元，其主要特征差异为像元的热异常[10-12]。热异常火点的一个显著特征为中红外波段的辐射能量高于常温地物，通过遥感观测的辐射能量可以计算物体的亮度温度，基于上述特征可设置适当的亮度温度阈值即可实现热异常火点判别。识别出火点后叠加土地利用数据，便可获得秸秆焚烧火点的分布[13]。

（2）火点监测

可见光红外成像辐射仪（VIIRS）数据的火点检测算法是在中分辨率成像光谱仪（MODIS）火点算法的基础上发展起来的，利用多光谱结合的上下文分析方法[14]，识别亚像元动态火点和其他热力异常。本文算法利用VIIRS 375m数据的0.65μm 附近的可见光红波段，0.8μm 附近的近红外波段，4μm 附近的中红外波段，11μm、12μm 附近的热红外波段通道，探测火点的同时区分图像中的陆地、水体和云，排除其他可能存在的干扰[15]。监测方法如下：

第一步，提取火点识别所需的可见光、近红外波段的表观反射率及中红外、热红外波段的表观辐射亮度；将中红外、热红外波段的表观辐射亮度转换为表观亮度温度。

图1 石家庄市遥感监测火点分布情况

第二步，云检测及水体像元识别及剔除。火点识别针对的是无云的陆地像元，因此需要严格准确的云检测剔除有云像元和水体像元。当遥感数据具有红、近红外波段及热红外波段时，如果像元满足下述条件则被标识为“云”。

第三步，热异常火点提取。判别潜在火点，去除虚假火点。

第四步，秸秆焚烧火点提取。结合土地分类数据，通过地理信息系统软件的叠加分析功能，把位于农田范围内的火点提取出来作为秸秆焚烧火点。

第五步，秸秆焚烧火点信度估算。对最终确定为秸秆焚烧火点的像元可以通过对其温度特性的统计分析，估算其火点信度[16]。

四、监测结果与分析

1.监测结果

2018年10月1日至10日，基于NPP-VIIRS遥感数据，在石家庄市林地、耕地、草地等非城镇用地范围内共监测到157个火点（不包括云覆盖下的火点信息）。全市遥感监测火点分布情况详情如下（如图1、图2），石家庄市火点数量西多东少，其中平山县、井陉矿区、鹿泉区最多，分别发现火点36个、31个、22个。

图2 石家庄市各县区遥感监测火点分布情况

详细分析10月1日至10日每天秸秆焚烧状况（如图2、图3），火点分布主要集中在西北部地区。其中，10月1日火点数量最多，从10月4日起，秸秆焚烧火点逐渐减少。由此可以锁定秋收秸秆焚烧集中期主要在10月1日至4日期间。

图3 10月1-10日遥感监测火点统计

由于Suomi NPP卫星是午后（12:00-15：00左右）和半夜（1:00-3：00左右）过境，利用VIIRS数据可以对比白天与夜间秸秆焚烧情况。从单日时段来看（如图4、图5），火点主要集中在夜间，尤其是凌晨1点与2点秸秆焚烧最为集中，焚烧范围分布广，而白天则相对较少。这主要由于白天监察人员巡查频繁，有效抑制了秸秆焚烧情况，秸秆焚烧发生于夜间人工执法的间歇期。这充分说明了利用卫星遥感手段进行全天时焚烧火点监测，从而代替人工巡查的迫切性。

图4 10月1-10日遥感监测火点白天与夜间分布情况

图5 10月1-10日遥感监测火点时段分布统计

2.对空气质量影响

结合每天地面监测站点空气质量指数均值数据，分析10月1日至10日每天的秸秆焚烧对空气质量影响（如图6），10月1日至10月5日AQI逐渐升高，空气质量转差，到10月5日AQI达到峰值，10月5日开始AQI数值降低趋势明显，空气质量转好。AQI的峰值及变化与秸秆焚烧火点情况不一致，结合气象网站发布的历史风向风速数据分析发现，10月1日至4日风速为1级，空气质量主要考虑本地焚烧烟尘影响，且秸秆焚烧火点较多，大气污染逐渐累计，空气质量呈转差趋势，10月5日降为微风，导致烟尘更加不宜扩散，AQI达到峰值。其后，火点数量减少，AQI值呈降低趋势，但10月8日AQI出现凸高值，考虑为外来污染传输。

结合10月1日至10日各时段地面监测站点空气质量指数均值，分析不同时段的秸秆焚烧对空气质量影响（如图7），夜间AQI明显高于白天，且在凌晨2点出现峰值，这一结果与秸秆焚烧火点分布情况一致。

综上分析，说明秸秆火点数量对于空气质量AQI有直接的影响：在风速较小不利于扩散的情况下，每天的大气污染呈累计态势，从时段变化来看，秸秆焚烧强度和AQI峰值产生的时段基本一致。

图6 10月1-10日AQI统计

图7 10月1-10日AQI时段统计

为进一步确定秸秆焚烧火点对空气质量的影响（如图8），将西部区县（井陉矿区、井陉县、灵寿县、鹿泉区、平山县、赞皇县、桥西区、新华区、行唐县）的火点数量与10月1日至4日的AQI均值做相关性分析，发现二者具有正相关关系，即火点数量越多，空气AQI值越高，说明了秸秆焚烧现象确实存在影响空气质量。但由于NPP-VIIRS每天只过境两次，数据有限，覆盖时间范围较短，故而相关系数不明显。

图8 西部区县火点数量与AQI相关系分析

五、结论

综合以上分析结果，说明卫星遥感针对秸秆焚烧的环境事件具有较强的应用潜力，可以协助环保人员掌握秸秆焚烧火点的时空分布。结合气象要素及空气质量指数等相关环保参数，可精细化地分析秸秆焚烧污染物对城市空气质量的影响的时间和空间范围，对此，本文也在一定程度上证明了秸秆焚烧现象与城市空气质量指数存在正相关性。由此可见，基于遥感秸秆的焚烧火点监测在生态环境保护中具有重要的现实意义，将为相关部门提供科学技术支撑。