2021年湖南省秸秆焚烧卫星遥感监测分析

刘妍妍，丁 华，吕 明，周国治

(湖南省生态环境监测中心，湖南 长沙 410019)

1 引言

湖南省面积21.18万km2，下辖14个地市，其中耕地面积4.15万km2。每年春、秋两季为秸秆焚烧多发期，对空气质量影响严重，监管压力大，监测难。卫星遥感具有大时空范围、动态连续和定量化的观测优势，与地基观测结合形成多尺度、多维度、多要素的“天地一体”立体监测体系，已成为我国新时期生态环境保护及污染防治工作的必备支撑[1～3]。本文使用卫星遥感技术对秸秆焚烧火点进行监测，提高了秸秆焚烧火点监测的效率和水平，强化了地方各级政府秸秆禁烧主体责任，严格落实监管目标责任考核制度，提升秸秆焚烧监管能力，实现“天空地”一体化监测，防控因秸秆露天焚烧造成的大气环境污染问题，并及时向各市县下发科学的秸秆焚烧指导意见，指导全省各市县进行科学合理的秸秆焚烧，减少秸秆焚烧对空气质量的影响，进一步提高全省空气质量的整体水平。

2 火点遥感监测算法原理

火点遥感监测的原理基于维恩位移定律[4～7]。常温地物热辐射能量的峰值位于长波红外波段，随着温度升高，热辐射的峰值向波长较短的波段移动。因此，火点的一个显著特征就是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实现火点判别。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质检反比关系的定律，其可以表示为：

(1)

式(1)中，λmax为辐射的峰值波长(m)；T为黑体的绝对温度(K)；b=2.8977685×10-3m·K，称为维恩位移常数。维恩位移定律说明了一个物体温度越高，其辐射谱的波长越短，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。一般秸秆燃烧温度为500～1000K，按照维恩位移定律，其辐射能量应主要集中在2.8～5.7 μm，实际观测的燃烧火焰辐射峰值约分布在4 μm附近的中红外区域，远远高于常温物体(300 K)在这一光谱区域的辐射，但二者在11～12 μm的热红外区域相差不大。秸秆火点遥感探测正是利用内部含有火焰的高温像元与背景常温像元在中红外和热红外波段辐射能量的差异来识别地面火点。算法的核心内容是将目标像元的温度特性与周围背景像元的平均温度特性准确地统计出来，并进行多阈值判别，根据判别结果提取火点像元[8～10]。

2.1 算法流程

算法的核心内容是将目标像元的温度特性与周围背景像元(background pixels)的平均温度特性准确地统计出来，并进行多阈值判别，根据判别结果提取火点像元[11～13]。将热异常点数据与区域土地利用数据进行叠加分析，通过选择有可能发生秸秆焚烧的地区来提取生物质燃烧点。最后利用包括农田地区实测数据、气象测量数据以及其它星载和机载数据等在内的一系列辅助数据，对提取的生物质燃烧点数据进行比对验证，从而对秸秆焚烧点进行信度估算[14，15]。如图1所示，主要分为以下几个部分：

(1)根据云检测产品和海陆掩码选出适合的无云陆地像元，提取中红外和热红外两个波段的表观辐射亮度，并计算其表观亮度温度。

(2)设置上述两个通道亮温差值的阈值，满足这一条件的无云陆地像元即标记为潜在热异常点。

(3)通过比对目标热异常像元的温度特性与背景有效像元温度特性，判断目标点是否为真热异常点。

(4)辅助以土地利用类型图、真彩图、连续多天同一地区的火点数据，剔除秸秆焚烧、草原火、噪声火点和燃煤电厂等其他火点，保留由秸秆焚烧引起的火点。

(5)通过目标区实测的焚烧面积、火点密度等数据，以及高分辨率的真彩色图像，与反演的林火燃烧点进行比对验证，综合考虑比对与验证结果，形成生物质燃烧点信度数据。

图1 秸秆焚烧卫星遥感监测总体方案

3 2021年监测概况

本文采用国内外先进的静止卫星和极轨卫星(包括但不限于Suomi-NPP、JPSS1、Terra、Aqua、Himawari-8系列等卫星数据基础，实现覆盖全省的多尺度、多维度秸秆焚烧卫星监测能力。通过平台化服务，监测包含秸秆焚烧卫星像元的数量和分布，结合卫星观测到的辐射能量与实时气象条件，支撑湖南省评估秸秆焚烧的空气质量影响。利用GIS工具对湖南省内火点统计分析，便于进行火点查验和监察工作的开展。

3.1 空间位置分析

空间分布上看，2021年湖南省火点主要集中在南部、北部、中部、东部地区，西部偏少；在火点数目方面，衡阳市火点数目最多，有140个，占湖南省火点总数的19.7%；郴州市第2，有133个，占湖南省火点总数的18.7%；邵阳市第3，有106个，永州市第4，有101个；其他地市火点数目均小于55个。2021年湖南省各市州火点分布情况，详见图2。

图2 2021年湖南省秸秆焚烧火点分布情况

秸秆焚烧火点数量最多的前四名为衡阳市(140个)、郴州市(133个)、邵阳市(106个)、永州市(101个)，其次娄底市(54个)、株洲市(43个)、岳阳市(41个)、常德市(37个)、湘潭市(14个)、长沙市(12个)、益阳市(12个)、湘西土家族苗族自治州(10个)、怀化市(6个)、张家界市(1个)。详见图3。

图3 2021年湖南省各市秸秆焚烧火点数量分布

3.2 时间维度分析

从季时间维度上看，经统计2021年湖南省秸秆焚烧火点季度分布图(图4)，按火点数量从高到低排序依次为第一季度(633个)、第四季度(66个)、第三季度(11个)、第二季度(0个)。

图4 2021年湖南省秸秆焚烧火点季度分布

从月时间维度上看，2021年湖南省逐月秸秆焚烧火点数目统计(图5)，火点数量最多的月份为1月份，火点数目为455个，占总数的64.08%；第2为2月份，火点数目为168个，占总数的23.67%；第3为10月份，火点数目为51个，第四为9月份，火点数目为11；第五为3月份和12月份，火点数目均为10个。其他月份火点数目均小于10个，且4～8月份秸秆焚烧火点数目为0个。

图5 2021年湖南省逐月秸秆焚烧火点数目统计

4 结论

卫星遥感充分发挥“宏观、直观、客观”的观测优势，依托国内外先进高空间分辨率与高时间分辨率卫星的多源卫星组合优势，提供的秸秆焚烧监测信息为湖南省的秸秆焚烧监管提供新的手段，弥补现有监测能力，提升湖南省大气环境质量监管能力与整体管理x南部、北部、中部、东部地区，西部偏少，从季时间维度上看，第一季度火点数目最多，从月时间维度上看，火点数量最多的月份为1月。