基于MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的農(nóng)作物秸稈焚燒點提取方法研究

孔玉霞，劉炫彤

(遼寧科技學院 資源與土木工程學院，遼寧 本溪 117004)

隨著中國農(nóng)業(yè)科技的大幅度發(fā)展，中國的糧食產(chǎn)量不斷增長，每年秋收季節(jié)，農(nóng)作物收割后會產(chǎn)生大量的農(nóng)作物秸稈，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的大量秸稈不再主要被人用作取暖之用，而是被大量閑置。因此大多數(shù)農(nóng)民在秋冬季將農(nóng)作物的秸稈就地焚燒。

近些年來，農(nóng)作物秸稈焚燒狀況越來越嚴重，大范圍、高強度的焚燒產(chǎn)生的氣體和煙塵加劇了大氣的污染，造成大氣的能見度逐漸降低，氣溫上升，霧霾天氣等環(huán)境問題，危害人們的身體健康和交通安全。本文以MODIS遙感數(shù)據(jù)為依據(jù)，對農(nóng)作物秸稈的焚燒點進行信息提取與監(jiān)測，快速獲得大范圍的農(nóng)作物秸稈焚燒情況〔1〕。以便于相關(guān)部門能夠快速的監(jiān)控和管理各區(qū)域的秸稈焚燒現(xiàn)象。

1 MODIS 數(shù)據(jù)預處理

1.1 遙感數(shù)據(jù)源

MODIS是Terra衛(wèi)星和Aqua衛(wèi)星上搭載的重要傳感器。采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有較高的空間分辨率和光譜分辨率，波段數(shù)目高達36個波段，一天可過境四次，對各種忽然發(fā)生或者變動速度很快農(nóng)作物秸稈的焚燒及天然災害都具有強大的實時監(jiān)測能力。

MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有0～4五級數(shù)據(jù)類型，高達44種遙感標準化產(chǎn)品，MODIS傳感器具有時間分辨率的優(yōu)勢。本文所采用的實驗數(shù)據(jù)為2012年9月獲取，其中包括三種數(shù)據(jù)形式：MOD03為地理定位數(shù)據(jù)〔2〕，包含影像的任意像元的經(jīng)緯度信息，主要用于MOD14數(shù)據(jù)的幾何定位；使其具有準確的大地坐標；MOD14 為熱異常數(shù)據(jù)，火災數(shù)據(jù)和秸稈焚燒等熱源數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km； MCD12Q1土地覆蓋數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，用于農(nóng)用地信息提取。所選取的研究區(qū)域為山東、安徽、河南、江蘇等九省范圍，由3景遙感影像拼接而成。

1.2 幾何精校正

遙感數(shù)據(jù)獲取中的系統(tǒng)誤差，會使衛(wèi)星影像出現(xiàn)一定的畸變，為了消除系統(tǒng)畸變，由衛(wèi)星數(shù)據(jù)的生產(chǎn)單位在數(shù)據(jù)生產(chǎn)過程中對數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)校正。由于用戶對數(shù)據(jù)的需求不同，還需對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行幾何精校正，本文選用界面友好，操作方便，具有強大的預處理功能ENVI軟件進行影像預處理。

MODIS03中的HDF文件，它是一種自我描述、組織以及擴展性的一種存儲格式，其中主要包括地理信息、傳感器的標定信息等。利用大地經(jīng)緯度值和WGS-84地心坐標系變換對MODIS03數(shù)據(jù)進行投影變換，在ENVI軟件打開具有WGS-84橢球信息的GLT(地理位置查找表)文件〔3〕，通過查找表法，使MODIS14衛(wèi)星影像中任一像元與GLT文件中的位置數(shù)據(jù)一一匹配，使MODIS14中的像元都具有準確的實際地理坐標，即完成影像的幾何精校正，地理定位后的影像，如圖1所示。

圖1 對MODIS14進行地理定位后的影像

2 秸稈焚燒點信息提取

2.1 MODIS熱源信息提取

利用ENVI軟件中Quick statistic功能對MODIS14數(shù)據(jù)中的DN值進行統(tǒng)計并分類。有統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，DN值可分為0～9共10類，其中DN=0表示黑色區(qū)域。通過對DN值進行閾值分析得出〔4〕， DN值為7、8、9為熱源信息，如下圖2所示，其中包括秸稈焚燒點、工礦熱點、地面道路以及人工熱源等熱源。為了準確的提取農(nóng)作物秸稈焚燒點還需要對以上結(jié)果進行進一步的篩選處理，要借助于農(nóng)用地信息。本文對MCD12Q1地表覆蓋信息影像進行監(jiān)督分類，參照農(nóng)用地樣本，提取農(nóng)用地的信息，然后把熱源信息和農(nóng)用地信息進行疊加計算，最終獲得秸稈焚燒的火點信息。

圖2 DN值為7、8、9為熱源提取信息

2.2 農(nóng)用地信息與秸稈焚燒火點信息的提取

提取農(nóng)用地的方法也有很多種，本文主要利用MCD12Q1土地覆蓋數(shù)據(jù)進行農(nóng)用地信息的提取。由于農(nóng)作物生長時期內(nèi)葉片的葉綠素和水分含量較高，在近紅外波段處具有高強度的反射性，在假彩色融合影像中，農(nóng)作物和地面生長的植被均顯現(xiàn)出紅色。秋季，農(nóng)作物基本成熟，葉片中的葉綠素和水分含量大幅度減少，對近紅外波段的反射隨之減弱，在假彩色融合影像中，農(nóng)作物區(qū)域顯現(xiàn)為淺紅色。因此利用生長期和成熟期對近紅外波段的反射差別提取農(nóng)用地信息〔5〕，范圍如圖3所示。再利用農(nóng)用地信息和提取的熱源信息進行疊加計算提取秸稈焚燒火點信息，如圖4所示。

圖3 農(nóng)用地提取信息

圖4 火點信息提取

3 火點信息專題圖制作

ArcGIS軟件是地理信息系統(tǒng)行業(yè)中功能較為強大的內(nèi)業(yè)軟件之一，它具有信息輸入、坐標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)查詢、空間數(shù)據(jù)分析、成果表達和輸出等功能，在全要素地圖和專題地圖的制作中、地理信息數(shù)據(jù)入庫編輯和管理以及數(shù)據(jù)共享和發(fā)布等領(lǐng)域被廣泛應用。

首先對提取的農(nóng)作物秸稈焚燒火點矢量信息與國家行政區(qū)劃矢量圖進行疊加，如圖5所示，并對各個省份的區(qū)域進行符號化處理，利用軟件中的統(tǒng)計功能計算出研究區(qū)域內(nèi)共有812火點，然后統(tǒng)計各個省份秸稈焚燒的火點數(shù)量，最后根據(jù)專題地圖的性質(zhì)和實際用途選擇對合適的專題地圖表示方法〔6〕。并合理處理圖像中的各要素之間的關(guān)系，使專題地圖能夠突出特點，清晰明了簡單易讀，層次分明，富有美感，最終實現(xiàn)地圖科學性與藝術(shù)性完美結(jié)合的秸稈焚燒火點專題圖，如圖6所示。

圖5 行政區(qū)劃與火點疊加圖

圖6 秸稈焚燒火點專題圖

4 結(jié)論

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對農(nóng)作物秸稈焚燒進行監(jiān)測，能準確地獲得秸稈焚燒火點信息，精準的定位火點位置，動態(tài)捕捉農(nóng)作物秸稈焚燒情況。為全國秸稈焚燒監(jiān)控提供可靠的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為加強全國范圍的秸稈焚燒預警能力和監(jiān)督檢查提供有效的依據(jù)。

由專題地圖可以看出，山東、安徽、河南、江蘇四個省份農(nóng)作物秸稈焚燒情況較為嚴重，此區(qū)域的職能部門應當加強人們的思想教育，提高人民的環(huán)保意識，強調(diào)秸稈焚燒的危害。農(nóng)作物的秸稈露天焚燒不僅是一種資源浪費，而且還會帶來很多污染問題，百害無一利。從火點專題圖中還可以看出，同一省份不同城市的農(nóng)作物秸稈焚燒火點的數(shù)量也存在明顯差異，主要原因在于各地方政府對秸稈焚燒監(jiān)督檢查的力度不同，對于那些監(jiān)管力度較弱的地方政府，應該及時做出整改，對農(nóng)作物秸稈焚燒現(xiàn)象加強管理力度，杜絕秸稈焚燒的再次發(fā)生，促進農(nóng)作物秸稈的二次利用。