利用MODIS數(shù)據(jù)進行秸稈焚燒遙感監(jiān)測

朱杰+胡德茂+胡藝洲+孫鴻儒+陳世宏

摘要：指出了我國是農(nóng)業(yè)大國，隨著農(nóng)作物種植面積的增加，農(nóng)業(yè)秸稈總量也迅速增加。在很多地方，由于秸稈焚燒時間短、范圍廣等局限因素，利用傳統(tǒng)的監(jiān)測手段相關部門不能及時監(jiān)測和掌控秸稈焚燒信息，從而無法進行有效的執(zhí)法治理。而衛(wèi)星遙感手段以其時效性、覆蓋面廣等優(yōu)勢使得快速大面積監(jiān)測秸稈焚燒情況成為可能。提出了利用MODIS提供的熱異常數(shù)據(jù)，通過ENVI遙感圖像處理軟件提取火點和農(nóng)用地，并將火點顯示在GoogleEarth上，從而給有關部門提供快速準確的秸稈焚燒地點信息，便于進行執(zhí)法治理。

關鍵詞：ENVI軟件；谷歌地圖；MODIS數(shù)據(jù)；秸稈焚燒；遙感；火點；農(nóng)用地

中圖分類號：X712

文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2017）14-0081-03

1 引言

秸稈焚燒過程中產(chǎn)生的大量煙霧、煙塵、一氧化碳、二氧化碳等污染物質(zhì)，不僅會導致空氣質(zhì)量的惡化，還會影響交通安全，迫使高速公路關閉，民航停飛等；其次，野外焚燒秸稈增加了火災發(fā)生的風險。同時焚燒秸稈也嚴重浪費了寶貴的生物資源（6億t秸稈相當于300多萬t氮肥、700多萬t鉀肥、70多萬t磷肥，它相當于全國每年化肥施用量的1/4）。在如今倡導綠色發(fā)展理念，建設和諧社會、生態(tài)文明社會的大環(huán)境下，秸稈焚燒的治理不容忽視。筆者采用基于美國地球觀測系統(tǒng)計劃（EOS）的Terra/Aqua衛(wèi)星MODIS光譜儀數(shù)據(jù)，通過ENVI遙感圖像處理軟件對2017年4月15日的秸稈焚燒情況進行火點提取，并通過GoogleEarth軟件進行火點定位，從而為監(jiān)管部門執(zhí)法治理提供快捷有效的信息。

2 監(jiān)測原理

MODIS是美國地球觀測系統(tǒng)中Terra和Aqua衛(wèi)星攜帶的中分辨率成像光譜儀，Terra和Aqua都是太陽同步極軌衛(wèi)星，Terra在地方時間上午過境，Aqua在地方時間的下午過境，可在一天內(nèi)最多獲得4次地球上同一地區(qū)的對地觀測數(shù)據(jù)。MODIS在0.4～14之間有36個觀測通道，靈敏度高，能夠探測到的最小面積為50 m²。又因為，地球上不同的物體具有不同的光譜特性，向外界輻射的電磁破也具有不同的波長。根據(jù)普朗克定律可知，植物在沒有燃燒時和燃燒時所發(fā)出的輻射也有差異，沒有燃燒時植物發(fā)出的輻射是背景輻射，燃燒時則主要是由火焰和高溫碳化物發(fā)出的輻射。根據(jù)這種差異，利用MODIS成像光譜儀的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析即可提取火點信息。

3 數(shù)據(jù)獲取

由于MODIS數(shù)據(jù)實行全球免費接收政策，采用直接廣播的形式下行數(shù)據(jù)，因此可以免費獲取其不同時間的監(jiān)測數(shù)據(jù)。從NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站http：//ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html上下載2017年4月15日四川省的MOD14、MOD03數(shù)據(jù)以及MCD12Q1數(shù)據(jù)。輸入四川省的經(jīng)緯度區(qū)間東經(jīng)97°21′～108°31′和北緯26°03′～34°19′，分別獲得4個MOD14和MOD03數(shù)據(jù)，其中MOD14為熱異常數(shù)據(jù)，用于提取焚燒點，MOD03為地理較正數(shù)據(jù)，用于對MOD14數(shù)據(jù)進行地理定位，MCD12Q1為土地覆蓋數(shù)據(jù)，用于提取農(nóng)用地。

4 數(shù)據(jù)處理

4.1 火點提取

（1）原始的MOD14影像數(shù)據(jù)存在很大的幾何畸變，如圖1所示，需要通過ENVI數(shù)據(jù)處理軟件進行校正。首先根據(jù)MOD03數(shù)據(jù)中的經(jīng)度和緯度信息建立地理查找表GLT文件，再根據(jù)建立的GLT文件，對MOD14熱異常數(shù)據(jù)進行幾何校正和地理定位。

（2）糾正后的影像數(shù)據(jù)更接近真實的地理形狀和位置，如圖2所示。于是便可以根據(jù)糾正后的MOD14數(shù)據(jù)提取火點。將火點的像素值設置為7、8、9，通過ENVI5.1中的ROL工具即可提取出數(shù)據(jù)中的火點信息，如圖3所示，共計2786個火點（在圖中以紅點標出）。

4.2 農(nóng)用地提取

之前提取的火點信息由于受到鋼鐵廠、火力發(fā)電廠、村民生火煙沖等等類似秸稈焚燒的情況干擾，使得提取出來的火點不一定都是秸稈焚燒造成的，所以就需要再次提取衛(wèi)星監(jiān)測影像數(shù)據(jù)中的農(nóng)用地區(qū)域信息，將二者疊加，這樣才能從中選出由于秸稈焚燒造成的火點。

農(nóng)用地提取采用的是MCD12Q1為土地覆蓋數(shù)據(jù)，根據(jù)IGBP全球植被分類方法可知，農(nóng)用地的像素值為12。依次將數(shù)十幅MCD12Q1土地覆蓋數(shù)據(jù)進行投影裝換和圖像拼接，之后采用與火點提取相同的方法，設置像素值為12，提取農(nóng)用地信息如圖4所示（圖中綠色標明部分即為農(nóng)用地區(qū)域）。

4.3 求火點信息和農(nóng)用地信息的交集

利用ENVI中求交集工具，將火點信息與農(nóng)用地信息疊加，重疊的即為秸稈焚燒疑似火點，經(jīng)過交集運算后，全國范圍內(nèi)秸稈焚燒疑似點共有1178個。

5 利用ArcMap進行結(jié)果分析

在ENVI中將疑似火點的信息保存為矢量文件，用ArcMap打開該文件，同時疊加中國1∶4000000的省界矢量地圖，如圖5所示?？梢钥闯?，在2017年4月15日這一天，我國的秸稈焚燒疑似點集中在黑龍江、江蘇等地，四川省內(nèi)的疑似火點較少。

6 秸稈焚燒疑似點的地理點位

雖然將火點輸出在中國的矢量地圖上可以從全局的角度看出該日期全國秸稈燃燒火點的地理位置分布情況，但無法對每一個火點進行精準定位，不能給監(jiān)管執(zhí)法部門提供準確可行的有效的執(zhí)法指引。所以需要再次將火點輸出到GoogleEarth高清地圖中，以便很好的解決這一問題。GoogleEarth的地圖是衛(wèi)星影像與航拍的數(shù)據(jù)整合，其全球地貌影像的有效分辨率至少為100 m，在中國大陸的分辨率為30 m。將GoogleEarth與ENVI結(jié)合，可對秸稈焚燒點進行快速準確的地理定位，如圖6所示（地圖中黃色圖釘標明的點即為疑似火點），有了該定位數(shù)據(jù)，監(jiān)管執(zhí)法部門可快速準確的進行執(zhí)法處理，從而為相關部門的執(zhí)法與治理提供了有效的數(shù)據(jù)支撐，大大提高了執(zhí)法精度和效果。

7 結(jié)論與討論

本研究利用MODIS熱異常數(shù)據(jù)對2017年4月15日全國范圍內(nèi)的秸稈焚燒火點進行提取分析和定位。結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的人工排查等手段，衛(wèi)星遙感技術監(jiān)測秸稈焚燒具有范圍廣、速度快、成本低等巨大優(yōu)勢。另外，結(jié)合GoogleEarth高清衛(wèi)星地圖軟件，對每一個焚燒火點進行精準定位，可為相關監(jiān)管部門提供及時準確的火點監(jiān)測數(shù)據(jù)，便于執(zhí)法和治理，對建設綠色環(huán)保社會、生態(tài)文明社會具有顯著的意義。

參考文獻：

[1]王子峰，陳良富，顧行發(fā).基于MODIS數(shù)據(jù)的華北地區(qū)秸稈焚燒監(jiān)測[J].遙感技術與應用，2008，23（6）：611～617.

[2]劉 婷，王來剛，范 磊.基于EOS/MODIS數(shù)據(jù)的河南省小麥秸稈焚燒監(jiān)測分析[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2011，40（11）：158～160.

[3]楊珊榮，李 虎，余 濤，等.基于MODIS的秸稈焚燒火點識別原理及算法IDL實現(xiàn)[J].遙感信息，2009（2）：91～97.

[4]張 彥，劉 婷，李 冰，等.基于MODIS數(shù)據(jù)的河南省秋季作物秸稈焚燒火點監(jiān)測研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學，2016，45（11）：149～154.

[5]何立明，王文杰，王 橋，等.中國秸稈焚燒的遙感監(jiān)測與分析[J].中國環(huán)境監(jiān)測，2007，23（1）：42～50.

[6]張麗娟，厲 青，陳 輝，等.2014～2015年夏秋收期間全國秸稈焚燒遙感監(jiān)測結(jié)果對比分析[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41（6）：61～65.

[7]張樹譽，李登科，李星敏，等.衛(wèi)星遙感在秸稈焚燒監(jiān)測中的應用[J].氣象，2005，31（9）：83～86.

[8]成思敏.秸稈焚燒遙感監(jiān)測[J].民營科技，2014（9）：52～52.

[9]胡 梅，齊述華，舒曉波，等.華北平原秸稈焚燒火點的MODIS影像識別監(jiān)測[J].地球信息科學，2008，10（6）：802～807.

[10]張樹譽，李登科，景毅剛.“3S”技術在關中地區(qū)秸稈焚燒遙感監(jiān)測中的應用[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2005，17（2）：17～20.

[11]江蘇開展秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測工作[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術，2009（3）：40～40.