2005—2015京津冀地區(qū)麥秸稈焚燒時(shí)空變化分析

劉海新，崔明月,2，趙安周，白志輝，王冬利

2005—2015京津冀地區(qū)麥秸稈焚燒時(shí)空變化分析

劉海新1，崔明月1,2，趙安周1，白志輝3，王冬利1

（1.河北工程大學(xué) 礦業(yè)與測(cè)繪工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038，2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083；3.冀中能源 峰峰集團(tuán)，河北 邯鄲 056107）

為監(jiān)測(cè)和分析京津冀地區(qū)麥?zhǔn)掌陂g秸稈焚燒狀況，并為麥秸稈焚燒治理提供輔助決策信息，以MODIS火點(diǎn)產(chǎn)品MOD14/MYD14和地表覆被產(chǎn)品MCD12Q1為基本數(shù)據(jù)源，提取2005—2015年6月麥秸稈焚燒點(diǎn)，并對(duì)其空間分布規(guī)律和時(shí)間變化趨勢(shì)進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：從空間分布來看，整個(gè)研究區(qū)6月麥秸稈焚燒以邯鄲、邢臺(tái)、衡水等地最為嚴(yán)重，并出現(xiàn)先少后多、先南后北的時(shí)空分布規(guī)律；從時(shí)間序列分析來看，11年的麥秸稈焚燒除奧運(yùn)會(huì)舉辦年（2008年）最低，總體上處于上升趨勢(shì)，且發(fā)生時(shí)間集中在6月中旬，整個(gè)6月來看，呈近似正態(tài)分布。

MODIS產(chǎn)品；麥秸稈焚燒點(diǎn)；時(shí)空變化分析；京津冀地區(qū)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，每年在農(nóng)作物收獲之后產(chǎn)生的秸稈資源居世界首位，年產(chǎn)量近7×108t，相當(dāng)于5×108t標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。雖然農(nóng)業(yè)收割機(jī)械化在我國已經(jīng)得到了迅速發(fā)展，但是受傳統(tǒng)思想的影響，大多數(shù)農(nóng)民仍采用焚燒的方式來處理秸稈，導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)的秸稈焚燒現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)行業(yè)和部門利用遙感技術(shù)在大尺度內(nèi)快速獲取地面信息，也為秸稈焚燒點(diǎn)時(shí)空變化的監(jiān)測(cè)提供了良好的基礎(chǔ)。目前利用遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)秸稈焚燒或火點(diǎn)的數(shù)據(jù)源和相關(guān)算法很多[2-12]，但是由于受時(shí)空分辨率的限制，使得某些短時(shí)間和小規(guī)模的秸稈焚燒可能被遺漏。MODIS是當(dāng)前世界上新一代“圖譜合一”的光遙感儀器，其儀器特征參數(shù)從設(shè)計(jì)上考慮到了火災(zāi)監(jiān)測(cè)，專門對(duì)高溫敏感的波段做了優(yōu)化，能夠探測(cè)到比氣象衛(wèi)星更小更多面積的火點(diǎn)(最小面積可達(dá)50 m2)，使其監(jiān)測(cè)火災(zāi)能力大大提高[13]，因此利用MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以獲取更真實(shí)、更詳細(xì)的秸稈焚燒時(shí)空分布。

目前，大多數(shù)研究均是對(duì)秸稈焚燒算法的相關(guān)研究，而忽視了秸稈焚燒長時(shí)間序列的時(shí)空變化分析，鑒于此，本文以MODIS熱異常產(chǎn)品MOD14/ MYD14為火點(diǎn)信息提取數(shù)據(jù)源，基于土地利用/覆蓋類型產(chǎn)品MCD12Q1篩選麥秸稈焚燒點(diǎn)，并對(duì)提取的麥秸稈焚燒點(diǎn)進(jìn)行時(shí)空分析，為秸稈焚燒更有效的監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

京津冀是由首都經(jīng)濟(jì)圈的概念發(fā)展而來，包括北京市、天津市以及河北省的保定、廊坊、滄州、秦皇島、唐山、承德、張家口、衡水、邢臺(tái)、邯鄲、石家莊11個(gè)地級(jí)市。地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°27′～119°50′，北緯36°05′～42°40′，土地面積21.6萬km2，常駐人口約為1.1億人，其中外來人口為1 750萬。地勢(shì)西北高、東南低，由西北向東南傾斜。地貌復(fù)雜多樣，高原、山地、丘陵、盆地、平原類型齊全，有壩上高原、燕山和太行山山地、河北平原三大地貌單元，地形南高北低，平均海拔1 200～1 500 m。研究區(qū)地表覆被類型主要包括耕地、林地、草地、建設(shè)用地、水域、濕地等，其耕地主要分布在京津冀地區(qū)的東南部平原地區(qū)。

2 數(shù)據(jù)來源及數(shù)據(jù)處理

2.1 熱異常數(shù)據(jù)及處理

通過對(duì)目前秸稈焚燒點(diǎn)監(jiān)測(cè)常用遙感數(shù)據(jù)源及相關(guān)算法進(jìn)行對(duì)比和分析，發(fā)現(xiàn)MODIS的MOD14/ MYD14火點(diǎn)產(chǎn)品獲取方便，質(zhì)量和精度可靠，火點(diǎn)信息提取便捷，且能夠探測(cè)比氣象衛(wèi)星更小更多的火點(diǎn)信息[11]，是監(jiān)測(cè)秸稈焚燒理想的數(shù)據(jù)源。因此本文選擇MOD14/MYD14產(chǎn)品作為麥秸稈焚燒點(diǎn)提取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源。MOD14/MYD14產(chǎn)品是MODIS研究團(tuán)隊(duì)分別基于Terra衛(wèi)星和Aqua衛(wèi)星上MODIS傳感器的3.9和11 ?m波段，通過設(shè)定火點(diǎn)和背景溫度差閾值來提取白天和夜間的溫度異常區(qū)域和火點(diǎn)信息[14]，其空間分辨率為1 km，兩顆衛(wèi)星每天均有白天和夜間兩期產(chǎn)品，考慮到秸稈焚燒一般發(fā)生在白天，因此本文選用的MOD14/MYD14產(chǎn)品均為白天的。基于研究區(qū)麥?zhǔn)諘r(shí)間和麥秸稈焚燒發(fā)生在麥?zhǔn)罩蟮目紤]，本文從NASA官網(wǎng)上下載了2005—2015共11年6月每日 MOD14/MYD14數(shù)據(jù)日產(chǎn)品，并采用MOD03/MYD03數(shù)據(jù)對(duì)其地理定位。MOD03/MYD03數(shù)據(jù)同樣來自于NASA官網(wǎng)并與MOD14/MYD14產(chǎn)品一一對(duì)應(yīng)。地理定位后的MOD14/MYD14產(chǎn)品需進(jìn)一步拼接和裁剪，并從中提取Fire Mask數(shù)據(jù)集，從而滿足后續(xù)火點(diǎn)信息的提取。

2.2 耕地信息的獲取

秸稈焚燒點(diǎn)一般發(fā)生在耕地上，因此，需利用土地利用/覆蓋類型數(shù)據(jù)的耕地信息對(duì)MOD14/ MYD14產(chǎn)品數(shù)據(jù)獲取的火點(diǎn)信息進(jìn)行進(jìn)一步篩選。鑒于此，本文選用2010年MODIS的陸地3級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品MCD12Q1，并在原有的馬里蘭大學(xué)土地覆蓋數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上，提取研究區(qū)耕地的分布。同時(shí)由于MCD12Q1空間分辨率為500 m，為保證與MOD14/MYD14數(shù)據(jù)產(chǎn)品一致，本文將獲取的土地利用/覆蓋類型數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣為1 km。

3 研究方法

首先依據(jù)MODIS火點(diǎn)產(chǎn)品MOD14/MYD14的Fire Mask數(shù)據(jù)集元數(shù)據(jù)說明（表1）從預(yù)處理后MOD14/MYD14產(chǎn)品的Fire Mask數(shù)據(jù)集中提取研究區(qū)疑似火點(diǎn)信息，由表1可知，像元亮度值7、8、9分別代表低可信度、中等可信度和高可信度火點(diǎn)信息，本研究將其一律標(biāo)識(shí)為火點(diǎn)信息。其次利用MCD12Q1獲取的耕地圖斑與提取的疑似火點(diǎn)信息疊加求交集，獲得秸稈焚燒點(diǎn)。最后對(duì)提取的秸稈焚燒點(diǎn)進(jìn)行空間特征和時(shí)間變化進(jìn)行分析。具體流程如圖1所示。

表1 MOD14/MYD14火點(diǎn)產(chǎn)品Fire Mask數(shù)據(jù)集DN值說明Tab.1 The introduction of the DN Value about fi re Mask Dataset of the MOD14/MYD14 fi re products

圖1 技術(shù)流程圖Fig.1 Technique flow chart

4 結(jié)果

4.1 京津冀麥秸稈焚燒點(diǎn)空間分布特征

根據(jù)圖1技術(shù)流程，分別提取了2005—2015共計(jì)11年6月每日的白天的秸稈焚燒點(diǎn)信息，其2005—2015年6月麥秸稈焚燒點(diǎn)累計(jì)匯總空間分布如圖2所示，可以看出，麥秸稈焚燒點(diǎn)最多的是邢臺(tái)市、其次是邯鄲市、衡水市；秸稈焚燒點(diǎn)最少的是張家口，其次是承德。其主要原因是邢臺(tái)、邯鄲、衡水等地區(qū)耕地較多，且主要農(nóng)作物是小麥和玉米，而承德、張家口其耕地?cái)?shù)量較少，主要土地利用類型是草地和林地。另外由圖2可以看出，雖然唐山的耕地?cái)?shù)量也不少，但是其麥秸稈焚燒點(diǎn)卻不多，通過查看歷年河北省統(tǒng)計(jì)局的年鑒發(fā)現(xiàn)，唐山市冬小麥種植面積僅為邯鄲市的1/3左右；同時(shí)，唐山北部和東北部多山，主要經(jīng)濟(jì)作物為果樹，南部和西部為濱海鹽堿地和洼地草泊，僅有中部為燕山山前平原，能夠大范圍種植農(nóng)作物，而當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)作物類型很多，除小麥之外還有水稻、花生，這些因素的綜合作用導(dǎo)致該區(qū)域麥秸稈焚燒點(diǎn)少。

圖2 2005—2015年累計(jì)麥秸稈焚燒點(diǎn)空間分布圖Fig.2 The spatial distribution map of the wheat straw burning point accumulative number during 2005—2015

同時(shí)，本文按旬統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)2005—2015麥秸稈焚燒的情況，以2013年為例（圖3），可以看出，6月上旬，麥秸稈焚燒點(diǎn)基本集中在京津冀南部的邯鄲、邢臺(tái)等地；中旬時(shí)火點(diǎn)數(shù)量明顯增多，麥秸稈焚燒點(diǎn)發(fā)生地點(diǎn)也集中在京津冀中部的衡水、滄州、保定、天津、北京、唐山等地，而京津冀南部卻有所減少；下旬麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量也驟減，且京津冀南部麥秸稈焚燒點(diǎn)基本上已經(jīng)不存在，而主要集中在研究區(qū)的中部地區(qū)；綜合分析上中下三旬，麥秸稈焚燒點(diǎn)在研究區(qū)北部基本上沒有。這個(gè)現(xiàn)象主要是受到緯度因素的影響，小麥的成熟期依次由南向北遞推，因此麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量形成先少后多、先南后北的空間分布規(guī)律。

圖3 2013年6月上中下三旬麥秸稈焚燒點(diǎn)空間分布Fig.3 Spatial distribution of wheat straw burning point in Early June, mid-June and last June, respectively

4.2 京津冀麥秸稈焚燒點(diǎn)時(shí)間變化特征

4.2.1 麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量年際變化

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，從2005年以來，麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量平均值為550個(gè)，并呈現(xiàn)波動(dòng)中上升趨勢(shì)，遞增率為31.1個(gè)/a（圖4）。2007—2008年，麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量出現(xiàn)大幅度降低，并為2005年 以來最低值，其主要原因應(yīng)為2008我國舉辦夏季奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)，為了保證空氣質(zhì)量，國家在秸稈焚燒方面實(shí)施了一系列監(jiān)管措施并嚴(yán)格落實(shí)。2008年以后，雖然國家在政策和措施方面要求依然嚴(yán)格，但監(jiān)管力度不如奧運(yùn)會(huì)期間，且農(nóng)民的意識(shí)未得到根本轉(zhuǎn)變，很多農(nóng)民避開監(jiān)管人員，偷偷進(jìn)行麥秸稈焚燒，因此自2009年焚燒點(diǎn)個(gè)數(shù)有強(qiáng)烈反彈。

4.2.2 2005—2015年麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量日均值分析

2005年—2015年日均值秸稈焚燒火點(diǎn)如圖5所示，由圖可以看出京津冀地區(qū)的秸稈焚燒具有明顯的時(shí)間特性，6月上旬開始火點(diǎn)數(shù)量出現(xiàn)并隨時(shí)間推移逐漸增加，直至中旬達(dá)到峰值狀態(tài)后開始減少，焚燒點(diǎn)數(shù)量分布接近正態(tài)分布。由此可以看出，麥秸稈焚燒時(shí)間較為集中，6月中旬為秸稈焚燒最嚴(yán)重的時(shí)間段。

5 結(jié)論

圖4 2005—2015年麥秸稈焚燒點(diǎn)年際變化Fig.4 Interannual variation of wheat straw burning point during 2005 to2015

圖5 2005—2015研究區(qū)秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量日均值Fig.5 Daily mean value of wheat straw burning point in study area during 2005 to 2015

從時(shí)間序列上來看，除2008年外，京津冀地區(qū)2005—2015年內(nèi)疑似麥秸稈焚燒點(diǎn)數(shù)量總體上呈增加趨勢(shì)。11年來研究區(qū)麥秸稈焚燒主要發(fā)生在6月中旬，上下旬較少，總體沿時(shí)間軸呈近似正態(tài)分布。從空間分布上來看，疑似麥秸稈焚燒點(diǎn)空間分布不均勻，主要發(fā)生在耕地較多的京津冀平坦地區(qū)，承德、張家口、秦皇島等山區(qū)和丘陵地帶較少。通過時(shí)空分析可以發(fā)現(xiàn)，麥秸稈焚燒先從研究區(qū)南部開始，隨時(shí)間推移逐漸向北移動(dòng)。

利用MODIS產(chǎn)品進(jìn)行麥秸稈焚燒監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但由于缺乏實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性和精度難以驗(yàn)證。另外本文在麥秸稈焚燒點(diǎn)提取時(shí)使用的耕地圖斑信息采用的是2010年MODIS的MCD12Q1土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品，雖有相關(guān)研究[15-18]表明，在中國境內(nèi)，MODIS土地覆蓋產(chǎn)品總體精度較高，達(dá)到61.9%，但用于從MOD14/MYD14產(chǎn)品的Fire Mask數(shù)據(jù)集中提取麥秸稈焚燒點(diǎn)仍存在誤判的可能。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Spatiotemporal variation analysis of wheat straw burning during 2005—2015 in Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region

LIU Haixin1，CUI Mingyue1,2，ZHAO Anzhou1，BAI Zhihui3，WANG Dongli1
(1.School of Mining and Geomatics, Hebei University of Engineering, Hebei Handan, 056038, China;2.School of the Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing, 100083,China;3.Fengfeng Group, Jizhong Energy corporation, Hebei Handan, 056107, China)

In order to monitor and analyze wheat straw burning of Beijing-Tianjin-Hebei Metropolitan Region during or after the wheat harvest, and provide the government abundant decision-making assistant information to forbid wheat straw burning, based on the fire products (MOD14/MYD14) and land cover products (MCD12Q1) of MODIS, the wheat straw burning points were extracted during the June of 2005-2015, and the patterns of spatiotemporal variation of wheat straw burning points were also investigated. The results showed that the wheat straw burning of the study area in June mainly concentrated in Handan, Xingtai and Hengshui were the most serious. The number of wheat straw burning points first decreased and then increased, and the wheat straw burning points showed a change trend from southeast to the northwest over time. Time series analysis indicated that number of wheat straw burning points had a general increase trend except hosted the Olympic Games (2008) during 2005-2015; the time of occurrence concentrated in mid-June, and the statistical figure of the whole June was similar to the normal distribution.

MODIS products; wheat straw burning point; temporal and spatial variation; Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan region

X87

A

1673-9469（2017）02-0100-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.020

2017-03-07 特約專稿

河北省自然科學(xué)基金(D2015402134)；河北省教育廳計(jì)劃項(xiàng)目(QN2015105，QN2016234)

劉海新(1980-)，男，山東棲霞人，碩士，講師，主要從事3S技術(shù)在農(nóng)業(yè)、環(huán)境方面的應(yīng)用研究。