2021年湖南省秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)分析

劉妍妍，丁 華，呂 明，周?chē)?guó)治

(湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410019)

1 引言

湖南省面積21.18萬(wàn)km2，下轄14個(gè)地市，其中耕地面積4.15萬(wàn)km2。每年春、秋兩季為秸稈焚燒多發(fā)期，對(duì)空氣質(zhì)量影響嚴(yán)重，監(jiān)管壓力大，監(jiān)測(cè)難。衛(wèi)星遙感具有大時(shí)空范圍、動(dòng)態(tài)連續(xù)和定量化的觀(guān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，與地基觀(guān)測(cè)結(jié)合形成多尺度、多維度、多要素的“天地一體”立體監(jiān)測(cè)體系，已成為我國(guó)新時(shí)期生態(tài)環(huán)境保護(hù)及污染防治工作的必備支撐[1～3]。本文使用衛(wèi)星遙感技術(shù)對(duì)秸稈焚燒火點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高了秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的效率和水平，強(qiáng)化了地方各級(jí)政府秸稈禁燒主體責(zé)任，嚴(yán)格落實(shí)監(jiān)管目標(biāo)責(zé)任考核制度，提升秸稈焚燒監(jiān)管能力，實(shí)現(xiàn)“天空地”一體化監(jiān)測(cè)，防控因秸稈露天焚燒造成的大氣環(huán)境污染問(wèn)題，并及時(shí)向各市縣下發(fā)科學(xué)的秸稈焚燒指導(dǎo)意見(jiàn)，指導(dǎo)全省各市縣進(jìn)行科學(xué)合理的秸稈焚燒，減少秸稈焚燒對(duì)空氣質(zhì)量的影響，進(jìn)一步提高全省空氣質(zhì)量的整體水平。

2 火點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)算法原理

火點(diǎn)遙感監(jiān)測(cè)的原理基于維恩位移定律[4～7]。常溫地物熱輻射能量的峰值位于長(zhǎng)波紅外波段，隨著溫度升高，熱輻射的峰值向波長(zhǎng)較短的波段移動(dòng)。因此，火點(diǎn)的一個(gè)顯著特征就是中紅外波段的輻射能量高于常溫地物。通過(guò)遙感觀(guān)測(cè)的輻射能量可以計(jì)算物體的亮度溫度，基于上述特征可設(shè)置適當(dāng)?shù)牧炼葴囟乳撝祵?shí)現(xiàn)火點(diǎn)判別。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)與自身溫度質(zhì)檢反比關(guān)系的定律，其可以表示為：

(1)

式(1)中，λmax為輻射的峰值波長(zhǎng)(m)；T為黑體的絕對(duì)溫度(K)；b=2.8977685×10-3m·K，稱(chēng)為維恩位移常數(shù)。維恩位移定律說(shuō)明了一個(gè)物體溫度越高，其輻射譜的波長(zhǎng)越短，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)。一般秸稈燃燒溫度為500～1000K，按照維恩位移定律，其輻射能量應(yīng)主要集中在2.8～5.7 μm，實(shí)際觀(guān)測(cè)的燃燒火焰輻射峰值約分布在4 μm附近的中紅外區(qū)域，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常溫物體(300 K)在這一光譜區(qū)域的輻射，但二者在11～12 μm的熱紅外區(qū)域相差不大。秸稈火點(diǎn)遙感探測(cè)正是利用內(nèi)部含有火焰的高溫像元與背景常溫像元在中紅外和熱紅外波段輻射能量的差異來(lái)識(shí)別地面火點(diǎn)。算法的核心內(nèi)容是將目標(biāo)像元的溫度特性與周?chē)尘跋裨钠骄鶞囟忍匦詼?zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出來(lái)，并進(jìn)行多閾值判別，根據(jù)判別結(jié)果提取火點(diǎn)像元[8～10]。

2.1 算法流程

算法的核心內(nèi)容是將目標(biāo)像元的溫度特性與周?chē)尘跋裨?background pixels)的平均溫度特性準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)出來(lái)，并進(jìn)行多閾值判別，根據(jù)判別結(jié)果提取火點(diǎn)像元[11～13]。將熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)與區(qū)域土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，通過(guò)選擇有可能發(fā)生秸稈焚燒的地區(qū)來(lái)提取生物質(zhì)燃燒點(diǎn)。最后利用包括農(nóng)田地區(qū)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象測(cè)量數(shù)據(jù)以及其它星載和機(jī)載數(shù)據(jù)等在內(nèi)的一系列輔助數(shù)據(jù)，對(duì)提取的生物質(zhì)燃燒點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，從而對(duì)秸稈焚燒點(diǎn)進(jìn)行信度估算[14，15]。如圖1所示，主要分為以下幾個(gè)部分：

(1)根據(jù)云檢測(cè)產(chǎn)品和海陸掩碼選出適合的無(wú)云陸地像元，提取中紅外和熱紅外兩個(gè)波段的表觀(guān)輻射亮度，并計(jì)算其表觀(guān)亮度溫度。

(2)設(shè)置上述兩個(gè)通道亮溫差值的閾值，滿(mǎn)足這一條件的無(wú)云陸地像元即標(biāo)記為潛在熱異常點(diǎn)。

(3)通過(guò)比對(duì)目標(biāo)熱異常像元的溫度特性與背景有效像元溫度特性，判斷目標(biāo)點(diǎn)是否為真熱異常點(diǎn)。

(4)輔助以土地利用類(lèi)型圖、真彩圖、連續(xù)多天同一地區(qū)的火點(diǎn)數(shù)據(jù)，剔除秸稈焚燒、草原火、噪聲火點(diǎn)和燃煤電廠(chǎng)等其他火點(diǎn)，保留由秸稈焚燒引起的火點(diǎn)。

(5)通過(guò)目標(biāo)區(qū)實(shí)測(cè)的焚燒面積、火點(diǎn)密度等數(shù)據(jù)，以及高分辨率的真彩色圖像，與反演的林火燃燒點(diǎn)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證，綜合考慮比對(duì)與驗(yàn)證結(jié)果，形成生物質(zhì)燃燒點(diǎn)信度數(shù)據(jù)。

圖1 秸稈焚燒衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)總體方案

3 2021年監(jiān)測(cè)概況

本文采用國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的靜止衛(wèi)星和極軌衛(wèi)星(包括但不限于Suomi-NPP、JPSS1、Terra、Aqua、Himawari-8系列等衛(wèi)星數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)覆蓋全省的多尺度、多維度秸稈焚燒衛(wèi)星監(jiān)測(cè)能力。通過(guò)平臺(tái)化服務(wù)，監(jiān)測(cè)包含秸稈焚燒衛(wèi)星像元的數(shù)量和分布，結(jié)合衛(wèi)星觀(guān)測(cè)到的輻射能量與實(shí)時(shí)氣象條件，支撐湖南省評(píng)估秸稈焚燒的空氣質(zhì)量影響。利用GIS工具對(duì)湖南省內(nèi)火點(diǎn)統(tǒng)計(jì)分析，便于進(jìn)行火點(diǎn)查驗(yàn)和監(jiān)察工作的開(kāi)展。

3.1 空間位置分析

空間分布上看，2021年湖南省火點(diǎn)主要集中在南部、北部、中部、東部地區(qū)，西部偏少；在火點(diǎn)數(shù)目方面，衡陽(yáng)市火點(diǎn)數(shù)目最多，有140個(gè)，占湖南省火點(diǎn)總數(shù)的19.7%；郴州市第2，有133個(gè)，占湖南省火點(diǎn)總數(shù)的18.7%；邵陽(yáng)市第3，有106個(gè)，永州市第4，有101個(gè)；其他地市火點(diǎn)數(shù)目均小于55個(gè)。2021年湖南省各市州火點(diǎn)分布情況，詳見(jiàn)圖2。

圖2 2021年湖南省秸稈焚燒火點(diǎn)分布情況

秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量最多的前四名為衡陽(yáng)市(140個(gè))、郴州市(133個(gè))、邵陽(yáng)市(106個(gè))、永州市(101個(gè))，其次婁底市(54個(gè))、株洲市(43個(gè))、岳陽(yáng)市(41個(gè))、常德市(37個(gè))、湘潭市(14個(gè))、長(zhǎng)沙市(12個(gè))、益陽(yáng)市(12個(gè))、湘西土家族苗族自治州(10個(gè))、懷化市(6個(gè))、張家界市(1個(gè))。詳見(jiàn)圖3。

圖3 2021年湖南省各市秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)量分布

3.2 時(shí)間維度分析

從季時(shí)間維度上看，經(jīng)統(tǒng)計(jì)2021年湖南省秸稈焚燒火點(diǎn)季度分布圖(圖4)，按火點(diǎn)數(shù)量從高到低排序依次為第一季度(633個(gè))、第四季度(66個(gè))、第三季度(11個(gè))、第二季度(0個(gè))。

圖4 2021年湖南省秸稈焚燒火點(diǎn)季度分布

從月時(shí)間維度上看，2021年湖南省逐月秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)目統(tǒng)計(jì)(圖5)，火點(diǎn)數(shù)量最多的月份為1月份，火點(diǎn)數(shù)目為455個(gè)，占總數(shù)的64.08%；第2為2月份，火點(diǎn)數(shù)目為168個(gè)，占總數(shù)的23.67%；第3為10月份，火點(diǎn)數(shù)目為51個(gè)，第四為9月份，火點(diǎn)數(shù)目為11；第五為3月份和12月份，火點(diǎn)數(shù)目均為10個(gè)。其他月份火點(diǎn)數(shù)目均小于10個(gè)，且4～8月份秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)目為0個(gè)。

圖5 2021年湖南省逐月秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)目統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

衛(wèi)星遙感充分發(fā)揮“宏觀(guān)、直觀(guān)、客觀(guān)”的觀(guān)測(cè)優(yōu)勢(shì)，依托國(guó)內(nèi)外先進(jìn)高空間分辨率與高時(shí)間分辨率衛(wèi)星的多源衛(wèi)星組合優(yōu)勢(shì)，提供的秸稈焚燒監(jiān)測(cè)信息為湖南省的秸稈焚燒監(jiān)管提供新的手段，彌補(bǔ)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)能力，提升湖南省大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)管能力與整體管理x南部、北部、中部、東部地區(qū)，西部偏少，從季時(shí)間維度上看，第一季度火點(diǎn)數(shù)目最多，從月時(shí)間維度上看，火點(diǎn)數(shù)量最多的月份為1月。