基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的黑龍江省生物質(zhì)燃燒火點(diǎn)時(shí)空分布

胡慶華，李 兵

(1.合肥師范學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心,安徽 合肥 230601; 2.中華人民共和國(guó)自然資源部,北京 100000)

生物質(zhì)燃燒是重要的氣候強(qiáng)迫因子，也是影響空氣質(zhì)量的重要污染因子之一[1-2]。通常關(guān)注的生物質(zhì)燃燒包括秸稈焚燒、森林火災(zāi)、草原野火等。大范圍生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧會(huì)影響當(dāng)?shù)厣踔料嘛L(fēng)向的空氣質(zhì)量，危害人體健康，也可能引發(fā)交通事故、重大火災(zāi)事故等，同時(shí)會(huì)造成土地貧瘠化板結(jié)化[3-6]。秸稈焚燒等造成的社會(huì)環(huán)境問題是公眾密切關(guān)注的。通過傳統(tǒng)人工手段監(jiān)測(cè)秸稈焚燒、森林火災(zāi)等，可以較為精確地統(tǒng)計(jì)火點(diǎn)個(gè)數(shù)及面積，但對(duì)于大范圍內(nèi)的生物質(zhì)燃燒分布情況不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且監(jiān)測(cè)頻率速率均偏低。與傳統(tǒng)方法相比較，遙感監(jiān)測(cè)火點(diǎn)方法具有范圍廣、時(shí)效性強(qiáng)且人物力成本低等優(yōu)勢(shì)，可以大范圍地快速監(jiān)測(cè)火點(diǎn)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方法的不足。

火點(diǎn)的遙感監(jiān)測(cè)始于20世紀(jì)70年代末80年代初，國(guó)內(nèi)始于90年代，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，火點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究可采用的數(shù)據(jù)源和判識(shí)模型方法越來越豐富。用于地面火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星數(shù)據(jù)包括AVHRR[7]、Landsat[8]、MODIS[9]、HJ[10]、FY[11]、VIIRS[12]、Himawarri[13]等。其中，中分辨率成像光譜儀(MODIS，Modderate-resolution Imaging Spectroradiometer)衛(wèi)星數(shù)據(jù)從2000年開始獲取并使用至今，有利于展開長(zhǎng)時(shí)間序列的變化研究。同時(shí)MODIS搭載在Terra和Aqua兩顆衛(wèi)星，一天過境4次，火點(diǎn)分辨率達(dá)到1 km,具備較高的火情實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力。基于MODIS數(shù)據(jù)的生物質(zhì)燃燒監(jiān)測(cè)方面，很多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。Kaufman等最早提出了基于 MODIS的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)模型并用于森林火災(zāi)監(jiān)測(cè)[14-15]。在此基礎(chǔ)上Giglio等[16]對(duì)上下文算法進(jìn)行了優(yōu)化，此算法為目前火點(diǎn)監(jiān)測(cè)研究中最常用的算法。與此同時(shí)，火點(diǎn)的遙感監(jiān)測(cè)精度問題也引起專家學(xué)者的重視，楊光等[17]用2005-2015年大興安嶺的林區(qū)衛(wèi)星熱點(diǎn)數(shù)據(jù)和同時(shí)期森林火災(zāi)歷史資料分析MODIS傳感器初判林火發(fā)生次數(shù)的準(zhǔn)確率超過80%，主要存在多報(bào)現(xiàn)象。盡管衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)存在缺點(diǎn)，但其優(yōu)勢(shì)顯著。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合MODIS火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以及地表類型、地面實(shí)測(cè)點(diǎn)位資料等，對(duì)森林火災(zāi)、秸稈焚燒、草原野火等展開大量的探索和應(yīng)用[18-21]。

黑龍江省是我國(guó)農(nóng)業(yè)林業(yè)大省，每年秸稈焚燒現(xiàn)象嚴(yán)重，且森林、草原廣袤，防火工作尤為重要?；诖?本研究采用MODIS數(shù)據(jù)，獲取2010-2017年火點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列信息，以期更為客觀全面反映黑龍江秸稈焚燒、林火、草地野火等生物質(zhì)燃燒分布情況及變化趨勢(shì)，為當(dāng)?shù)亟斩捹Y源綜合利用、環(huán)境質(zhì)量改善以及森林草地防火等提供參考。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江位于我國(guó)東北部邊疆，地理位置在123°-135° E、43°-54° N，地勢(shì)大致為北部和東南部高，東部和西南部低。西北部為大興安嶺山地，北部為小興安嶺山地，東南部為長(zhǎng)白山山脈的一部分，東部為三江平原，西南部是松嫩平原。黑龍江省為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，省內(nèi)水系發(fā)達(dá)，種植區(qū)域廣闊，森林覆蓋率高。省內(nèi)的土地覆蓋類型包括森林、草地、農(nóng)田等多種類型，其中森林覆蓋率在40%以上。

1.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與方法

本研究進(jìn)行火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來自MODIS傳感器。目前國(guó)內(nèi)外研究中，主要發(fā)展了以下幾種模型來判斷火點(diǎn)：Dozier模型、閾值模型、上下文模型、可燃物模型。本研究應(yīng)用的模型為上下文模型法。秸稈熱異?；瘘c(diǎn)提取的基本原理基于維恩位移定律。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長(zhǎng)與自身溫度之間反比關(guān)系的定律[22]。根據(jù)維恩位移定律，物體輻射峰值波長(zhǎng)隨溫度升高向短波方向移動(dòng)。常溫地物(約26.85 ℃)熱輻射能量的峰值位于熱紅外波段，隨著溫度的升高，熱輻射的峰值逐漸向波長(zhǎng)較短的方向移動(dòng)，秸稈焚燒、森林火災(zāi) (226.85～726.85 ℃) 等火點(diǎn)熱輻射的波長(zhǎng)峰值位于中紅外波段[23],且4 μm通道的亮溫明顯高于11 μm通道的亮溫。根據(jù)該原理與方法，熱異常火點(diǎn)的顯著特征是中紅外波段的輻射能量高于背景像元，同時(shí)波段之間的亮溫差也發(fā)生變化，因此可以將目標(biāo)像元的溫度特性與周圍背景像元的平均溫度特性統(tǒng)計(jì)出來，進(jìn)行閾值判別。根據(jù)判別結(jié)果提取熱異常點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)受周邊像元的干擾程度，即信度，干擾越多信度就越低，篩選高信度結(jié)果。

通過以上方法得到的熱異常點(diǎn)的提取結(jié)果需要進(jìn)一步疊加土地利用數(shù)據(jù)。本研究使用的土地利用類型數(shù)據(jù)來自國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心GlobeLand30-2010(http://www.globallandcover.com/)，分辨率高達(dá)30 m。通過圖層疊加，可以獲取農(nóng)田、林地、草地等對(duì)應(yīng)的火點(diǎn)。最后結(jié)合行政邊界等基礎(chǔ)地理信息，將秸稈焚燒、林火、草原野火的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析以及產(chǎn)品的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 火點(diǎn)時(shí)空分布總體概況

2.1.1空間變化 2010-2017年黑龍江火點(diǎn)空間分布格局總體表現(xiàn)為西部東部多，中部、南部、西北地區(qū)少(圖1左)?；瘘c(diǎn)主要分布在3個(gè)區(qū)域：小興安嶺中段北段、松嫩平原和三江平原。小興安嶺中段北段林木覆蓋度高，主要來源于森林火災(zāi)；松嫩平原、三江平原，分布著大面積農(nóng)耕區(qū)以及一部分草原植被，主要來源于秸稈焚燒，以及一部分草原野火。為了進(jìn)一步分析火點(diǎn)的分布態(tài)勢(shì)，以20 km×20 km作為網(wǎng)格單元，對(duì)黑龍江區(qū)域進(jìn)行火點(diǎn)密度統(tǒng)計(jì)(圖1右)，結(jié)果顯示高密度火點(diǎn)區(qū)主要分布在松嫩平原的納謨爾河流域、北部引嫩江總干渠沿岸以及三江平原的雙鴨山市。大興安嶺以及中部、東南海拔較高的山地幾乎沒有火點(diǎn)。

同時(shí)，本研究依據(jù)海拔高程數(shù)據(jù)(DEM)對(duì)火點(diǎn)的垂直分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖2)，密集火點(diǎn)主要出現(xiàn)在兩個(gè)海拔高度范圍，分別為60～90 m以及120～200 m。

圖1 2010-2017年黑龍江省火點(diǎn)分布圖(左)、火點(diǎn)分布密度圖(右)Fig. 1 Fire spot distribution map (left Figure), fire spot distribution density map (right Figure) of Heilongjiang Province from 2010 to 2017

圖2 火點(diǎn)數(shù)量與高程分布關(guān)系Fig. 2 The relationship between fire spot number and DEM

海拔240～340 m也存在一個(gè)小峰值。海拔280 m以上，火點(diǎn)數(shù)量隨著海拔的升高而減少，500 m以上火點(diǎn)十分稀疏。

進(jìn)一步依據(jù)地級(jí)市對(duì)火點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3)，結(jié)果顯示，火點(diǎn)數(shù)量最多的是黑河市，占黑龍江全省火點(diǎn)數(shù)量的30%；齊齊哈爾次之，占火點(diǎn)總量的16%；接下來依次為綏化市11%，雙鴨山市10%，哈爾濱市、佳木斯市各占7%；伊春市和牡丹江市火點(diǎn)數(shù)量最少。

圖3 2010-2017黑龍江省地級(jí)市火點(diǎn)數(shù)Fig. 3 Fire spot number in prefecture city of Heilongjiang Province

2.1.2年際變化 2010-2013年黑龍江全省火點(diǎn)整體保持相對(duì)較低的水平，期間2011年有小幅度上升，火點(diǎn)分布重心主要在黑河市、雙鴨市，其他地區(qū)相對(duì)稀疏；自2014年以來火點(diǎn)數(shù)量開始顯著增加，尤其是松嫩平原中部南部地區(qū)、三江平原南部火點(diǎn)分布由稀疏到密集，明顯增多，對(duì)應(yīng)到地級(jí)市，如齊齊哈爾市、綏化市、哈爾濱市、七臺(tái)河市等；2015年全省火點(diǎn)數(shù)量達(dá)到最大值；在禁燒工作大力推行下，2016年火點(diǎn)數(shù)量開始下降，但2017年有所反彈(圖4)。

根據(jù)各地級(jí)市火點(diǎn)數(shù)量的年際變化發(fā)現(xiàn)(圖5)：黑河市、雙鴨山市、佳木斯市與全省的火點(diǎn)數(shù)量年際變化較為一致，有所不同的是黑河市的火點(diǎn)自2016年得到較好的控制，2017年火點(diǎn)數(shù)幾乎沒有增加；齊齊哈爾市2010-2013年火點(diǎn)數(shù)量保持在相對(duì)低水平，變化波動(dòng)較小，2014年起有較大幅度升高，2015-2017年居高不下，成為省內(nèi)火點(diǎn)數(shù)量居第二的地級(jí)市；綏化市與哈爾濱市變化較為一致，2016年及之前與全省變化趨勢(shì)保持一致，但2017年火點(diǎn)數(shù)量上升幅度十分明顯，上升率分別達(dá)到110%和255%；黑龍江省其他地級(jí)市年際波動(dòng)變化較小。

2.2 不同類型火點(diǎn)時(shí)空分布特征分析

2.2.1空間變化特征 基于農(nóng)業(yè)用地、林地、草地等不同的土地利用數(shù)據(jù)將2010-2017年黑龍江省的火點(diǎn)分為3種，分別為秸稈焚燒火點(diǎn)、林火、草地野火(圖6)。并且本研究按照地級(jí)市，對(duì)不同火點(diǎn)類型的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖7)，地級(jí)市從左到右按照火點(diǎn)數(shù)量排名進(jìn)行排序。林火主要分布在大興安嶺市、黑河市，草地野火主要分布在大慶市，秸稈焚燒火點(diǎn)在平原區(qū)均有分布，較為廣泛。黑河市作為火點(diǎn)貢獻(xiàn)量第一的地級(jí)市，林火與秸稈焚燒火點(diǎn)分別占40%、45%，大興安嶺主要為林火和草地野火，分別占74%、23%，大慶市秸稈焚燒火點(diǎn)與草地野火分別占59%、39%，伊春市秸稈焚燒與林火分別占26%、58%，其他地級(jí)市均以秸稈焚燒為主，火點(diǎn)數(shù)量排名2-7的地級(jí)市秸稈焚燒火點(diǎn)均在80%及以上。

2.2.2年際變化特征 2010-2017年間，草地火點(diǎn)數(shù)量占火點(diǎn)總量最小，且波動(dòng)較小，變化趨于平穩(wěn)；林地火點(diǎn)在2010年、2015年稍高，其他年份變化較小；秸稈焚燒火點(diǎn)變化趨勢(shì)與省火點(diǎn)年際變化趨勢(shì)一致，2014年數(shù)量突增(圖8)。近些年，黑龍江省農(nóng)作物的產(chǎn)量持續(xù)提升，必然導(dǎo)致秸稈產(chǎn)量隨之增加，秸稈焚燒作為一種主要處理方式，是秸稈焚燒火點(diǎn)增加的原因。定量分析不同火點(diǎn)所占比例(表1)，8年間，秸稈焚燒火點(diǎn)占火點(diǎn)總量百分比年際上升明顯，從34%到維持在70%以上，與此同時(shí)，林地火點(diǎn)數(shù)量從51%下降至16%。對(duì)8年數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，秸稈焚燒火點(diǎn)占據(jù)總火點(diǎn)的68%，其次為林地21%、草地11%。

圖4 2010-2017年黑龍江省火點(diǎn)年際變化分布圖Fig. 4 Distribution map of interannual variations of fire spots in Heilongjiang Province from 2010 to 2017

圖5 2010-2017黑龍江省及地級(jí)市火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)Fig. 5 Statistics of fire spots in Heilongjiang Province and prefecture-level cities from 2010 to 2017

圖6 2010-2017年不同類型火點(diǎn)分布圖Fig. 6 Distribution of different types of fires

2.2.3年內(nèi)變化特征 統(tǒng)計(jì)2010-2017年黑龍江省秸稈焚燒、林地、草地火點(diǎn)總數(shù)年內(nèi)變化情況可以看出(圖9)，黑龍江省秸稈焚燒、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，呈現(xiàn)雙峰分布，此外6月底7月初存在一個(gè)小高峰。春季生物質(zhì)燃燒時(shí)間段長(zhǎng)于秋季；春季火點(diǎn)在全年中占比為51%，秋季火點(diǎn)在全年中占比為45%。出現(xiàn)這樣的季節(jié)分布特征有以下原因：1)春秋兩季為秸稈焚燒時(shí)期，農(nóng)民通過焚燒的方式將秸稈還田，構(gòu)成黑龍江省生物質(zhì)燃燒的最主要部分；2)春秋兩季天氣干燥，容易引發(fā)草地、林地出現(xiàn)火災(zāi)，同時(shí)受到人為焚燒秸稈的牽連等影響，草地、林地火點(diǎn)也有所增多；3)夏季雨水較多，可燃物含水量大，冬季天氣寒冷，地表留存冰雪層，草地、林地不容易引發(fā)火災(zāi)，所以夏季和冬季火點(diǎn)較少；4)與草地野火和秸稈焚燒不同，林火在6-9月也有出現(xiàn)，甚至在6月底7月初存在一個(gè)小高峰，這主要是由于雷擊引發(fā)的林火，雷擊火的分布有一定的區(qū)域性，一般發(fā)生在偏遠(yuǎn)、海拔較高的原始林區(qū)[24]。

圖7 地級(jí)市不同火點(diǎn)百分比圖Fig. 7 Percentage map of different fire spots in prefecture-level cities

圖8 不同類型火點(diǎn)年際變化曲線Fig. 8 Interannual variation curves of different types of fires

火點(diǎn)類型Type of fire 年份Year20102011201220132014201520162017總計(jì)Tatol秸稈焚燒Straw burning34 50 61 57 78 73 77 74 68 林地火點(diǎn)Forest fires51 31 22 29 14 18 14 16 21 草地野火Grass fires15 19 17 14 8 9 9 10 11

圖9 2010-2017年不同類型火點(diǎn)年變化Fig. 9 The annual change of different types of fires from 2010 to 2017

分析2010-2017年黑龍江省春秋兩季秸稈焚燒火點(diǎn)在全年中的比例(圖10)，可以看出，春季火點(diǎn)在全年中火點(diǎn)占比逐漸上升，秋季波動(dòng)較大但自2016年起顯著下降。由于每年10月中旬開始燃煤供暖，加上秸稈焚燒污染物排放，黑龍江地區(qū)經(jīng)常形成較為嚴(yán)重的污染，因此東北地區(qū)近幾年開展秸稈禁燒工作，尤其是秋季的禁燒力度有所增大，可能導(dǎo)致秸稈焚燒高峰期轉(zhuǎn)向春季。

3 結(jié)論

生物質(zhì)燃燒是影響生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要因素，對(duì)局地、區(qū)域乃至全球的空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響?；贛ODIS數(shù)據(jù)利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)生物質(zhì)燃燒具有監(jiān)測(cè)范圍廣、客觀性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，為秸稈焚燒、林火、草地野火等監(jiān)測(cè)提供另一視角。本研究基于2010-2017年的MODIS火點(diǎn)數(shù)據(jù)，提取黑龍江不同土地利用類型的火點(diǎn)分布，分析時(shí)空分布格局，得出以下結(jié)論：

圖10 2010-2017年春秋季火點(diǎn)變化Fig. 10 The change curve of fire point in spring and autumn from 2010 to 2017

1)黑龍江火點(diǎn)分布范圍較廣，包括松嫩平原、三江平原、小興安嶺中段北段區(qū)域；高密度火點(diǎn)區(qū)主要分布在納謨爾河流域、北部引嫩江總干渠沿岸以及雙鴨山市平原區(qū)。按地級(jí)市排序，火點(diǎn)總數(shù)量最多的是黑河市占30%，其中秸稈焚燒貢獻(xiàn)為45%；齊齊哈爾次之占16%，其中秸稈焚燒貢獻(xiàn)為86%；伊春市、牡丹江市火點(diǎn)數(shù)量最少。

2)2010-2013年火點(diǎn)數(shù)量保持在較低水平，自2014年以來火點(diǎn)數(shù)量顯著增加，尤其是松嫩平原中南部地區(qū)增加明顯，2015年火點(diǎn)總量達(dá)到最大值，2016年有所下降，2017年出現(xiàn)反彈。火點(diǎn)數(shù)量的季節(jié)變化表現(xiàn)為春秋多，冬夏少，尤其是3月、4月、10月、11月火點(diǎn)較多，一方面由于這段時(shí)間為秸稈焚燒段，另一方面春秋季較為干燥，容易引發(fā)草原和森林火災(zāi)，此外林火在6月也出現(xiàn)極大值，與夏季雷電擊火有關(guān)[24]。

3)農(nóng)業(yè)用地是2010-2017年黑龍江火點(diǎn)分布最多的土地利用類型，即秸稈焚燒火點(diǎn)占總火點(diǎn)的68%，其次為林地(32%)、草地(10%)。2010-2017年，秸稈焚燒火點(diǎn)比例由34%上升為74%，基本呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)，與此同時(shí)林地火點(diǎn)數(shù)量呈逐年下降的趨勢(shì)。此外， 2016年以來受到秋季禁燒工作的影響，秋季的秸稈焚燒火點(diǎn)顯著下降，秸稈焚燒高峰向春季轉(zhuǎn)移。