蘇慧毅，翟夢(mèng)真，王文林，李明詩(shī)，3①

(1.南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042；3.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

秸稈焚燒指將諸如小麥、玉米等成熟的農(nóng)作物籽實(shí)收獲后，其殘余的莖葉(穗)等部位通過(guò)火燒進(jìn)行焚毀的行為。有調(diào)查結(jié)果顯示，稻谷、玉米和小麥?zhǔn)沁M(jìn)行露天秸稈焚燒的3大作物，其污染物排放占比較高。在我國(guó)每到農(nóng)作物收獲季節(jié)，直接在農(nóng)田中進(jìn)行露天秸稈焚燒的行為非常普遍[1-2]。焚燒秸稈時(shí)產(chǎn)生的SO2和NO2等大氣污染物及顆粒污染物會(huì)進(jìn)入空氣造成污染。另外，秸稈焚燒導(dǎo)致大氣中PM2.5、CO和NO2濃度呈顯著波動(dòng)變化規(guī)律[3-5]。然而，由于秸稈的焚燒時(shí)間隨機(jī)、焚燒火點(diǎn)分布零散且其污染物擴(kuò)散受氣象和地形因素等制約[6-7]，大地域范圍內(nèi)的秸稈焚燒人工監(jiān)測(cè)面臨諸多挑戰(zhàn)。人工調(diào)查等傳統(tǒng)地面監(jiān)測(cè)手段不能及時(shí)獲得大范圍的火點(diǎn)監(jiān)測(cè)信息，只能通過(guò)有限的樣本點(diǎn)獲取秸稈焚燒強(qiáng)度和對(duì)空氣質(zhì)量的影響狀況。另外，地面人工調(diào)查由于煙霧遮擋等原因而不能準(zhǔn)確快速收集秸稈焚燒的火點(diǎn)位置和分布范圍，對(duì)于一些未出現(xiàn)明火焚燒的低溫火點(diǎn)探測(cè)的敏感性也不足。而利用遙感監(jiān)測(cè)手段可以在大范圍內(nèi)快速獲取并定量分析秸稈焚燒的火點(diǎn)位置、數(shù)量和分布以及煙塵濃度等信息，這為及時(shí)有效地制定大氣環(huán)境應(yīng)急管理方案提供重要支撐。

隨著各類(lèi)衛(wèi)星傳感器的發(fā)展，基于遙感的火點(diǎn)探測(cè)手段也隨數(shù)據(jù)源的更新而取得相應(yīng)進(jìn)展[8-9]，新型傳感器用于火災(zāi)探測(cè)的算法也在不斷優(yōu)化[10]。而MODIS是主要搭載在EOS系列衛(wèi)星Terra和Aqua上的包含36個(gè)波段的中分辨率成像光譜儀，兩顆衛(wèi)星相互配合能夠?qū)崿F(xiàn)每1～2 d重復(fù)觀測(cè)整個(gè)地球表面的目標(biāo)。MODIS數(shù)據(jù)因其具有更新頻率高、全球免費(fèi)、光譜范圍廣的優(yōu)勢(shì)，是目前被最廣泛用于檢測(cè)地面火點(diǎn)的基礎(chǔ)遙感數(shù)據(jù)。很多研究證明MODIS數(shù)據(jù)可用于有效監(jiān)測(cè)秸稈焚燒事件，其中，有全國(guó)尺度較多年份的秸稈焚燒狀況監(jiān)測(cè)及火災(zāi)地圖制作[11-12]；在中等范圍研究區(qū)內(nèi)針對(duì)秸稈焚燒最嚴(yán)重的時(shí)期(5—6月)對(duì)火點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將大氣污染因子引入進(jìn)而討論秸稈焚燒與空氣質(zhì)量變化的相關(guān)性[13-15]。但目前，還鮮有研究考慮不同地理位置(如內(nèi)陸地區(qū)和沿海地區(qū))在空氣擴(kuò)散條件下秸稈焚燒帶來(lái)的空氣質(zhì)量影響差異化的分區(qū)問(wèn)題。

筆者選取山東省作為全國(guó)秸稈焚燒典型區(qū)域，利用MODIS數(shù)據(jù)提取山東省6月1日至30日的秸稈焚燒火點(diǎn)情況，并結(jié)合夏收期各地市的空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index，AQI)和6個(gè)空氣質(zhì)量分指數(shù)(individual air quality index，IAQI)數(shù)據(jù)，分析秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)與提取后區(qū)域空氣質(zhì)量表征值的相關(guān)性及火點(diǎn)發(fā)生在內(nèi)陸和沿海不同地區(qū)時(shí)產(chǎn)生的空氣污染差異，為制定有效的農(nóng)作物秸稈處理策略及大氣環(huán)境應(yīng)急管理方案提供有益參考。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)域

山東省地處我國(guó)中東部沿海地區(qū)，位于北緯34°22.9′～38°24.01′、東經(jīng)114°47.5′～122°42.3′之間，屬于暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。研究區(qū)四季分明，冬夏季時(shí)間長(zhǎng)于春秋季，降水集中在夏季，東西部氣溫差異較大，全省年平均氣溫為11～14 ℃，無(wú)霜期在180 d以上。

由于具有良好的水文資源和適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，山東省成為我國(guó)重要的糧食生產(chǎn)大省，種植的主要糧食類(lèi)農(nóng)作物為小麥和玉米。夏季收獲物主要為越冬型小麥，在春末夏初時(shí)節(jié)收割后于田間再?gòu)?fù)種玉米。在每年5—6月對(duì)成熟的冬小麥進(jìn)行收割后，農(nóng)民為防止延誤玉米等復(fù)種作物的播種，通常以快速焚燒方式處理農(nóng)田中的秸稈。因此，選取秸稈焚燒的集中期6月為研究時(shí)間窗口。

1.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

用于火點(diǎn)探測(cè)的MODIS數(shù)據(jù)通過(guò)美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)官網(wǎng)(https:∥www.nasa.gov/)免費(fèi)下載。選擇下載研究區(qū)對(duì)應(yīng)時(shí)間的MODIS 1B級(jí)別影像，并根據(jù)國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(International Geosphere Biosphere Programme，IGBP)對(duì)土地覆蓋類(lèi)型的定義，將MODIS系列產(chǎn)品中的MCD12Q1土地覆蓋類(lèi)型產(chǎn)品進(jìn)行相應(yīng)的重分類(lèi)進(jìn)而提取研究區(qū)的農(nóng)業(yè)用地范圍。所用MODIS產(chǎn)品的基礎(chǔ)信息見(jiàn)表1，表1中最后一行列出的是由MODIS數(shù)據(jù)發(fā)展而來(lái)的涵蓋研究區(qū)的土地覆蓋產(chǎn)品。

為了準(zhǔn)確分析秸稈焚燒造成的空氣污染狀況，利用來(lái)自原環(huán)境保護(hù)部每日發(fā)布的城市空氣質(zhì)量報(bào)告，整理得到研究區(qū)各地市日均AQI和IAQI數(shù)據(jù)。AQI是由原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物濃度經(jīng)簡(jiǎn)化得到的單一的概念性指數(shù)值形式，是定量描述空氣質(zhì)量狀況的無(wú)量綱指數(shù)，適合于表示城市的短期空氣質(zhì)量狀況和變化趨勢(shì)。IAQI則是單項(xiàng)污染物的AQI，這些單項(xiàng)污染物指地面環(huán)境監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)到的SO2、NO2、PM2.5、PM10、CO和O3這6種大氣污染物[16]。同時(shí)，還收集了中國(guó)氣象局(http:∥www.cma.gov.cn/)和中央氣象臺(tái)(http:∥www.nmc.cn/)發(fā)布的氣象數(shù)據(jù)，并整理出山東省各地市2017年6月6日至23日的日均降水量和風(fēng)速數(shù)據(jù)。

表1 MODIS影像及土地覆蓋產(chǎn)品基本信息

Table 1 Description of MODIS imagery and its derived land cover data used in the study

2 研究方法

2.1 火點(diǎn)遙感探測(cè)方法

火點(diǎn)燃燒產(chǎn)生的火焰、煙霧以及燃燒的物體本身都會(huì)導(dǎo)致地面溫度急劇上升，導(dǎo)致較高能量的輻射。利用普通地物本身輻射能與火點(diǎn)位置燃燒輻射能的差異，選擇火點(diǎn)熱輻射峰值所在的波長(zhǎng)4 μm附近對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)通道與常溫地物輻射峰值所在的波長(zhǎng)11 μm附近波段，進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算亮溫，即可提取燃燒物與常溫物體在中紅外波段有顯著差異的火點(diǎn)像元。EOS系列衛(wèi)星設(shè)計(jì)者充分考慮火災(zāi)監(jiān)測(cè)的需要，已做改進(jìn)的傳感器對(duì)高溫比較敏感，它們具有能較好地監(jiān)測(cè)秸稈焚燒的動(dòng)態(tài)變化、靈敏度高、時(shí)效性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，適用于探測(cè)火點(diǎn)。其中，MODIS適宜進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)的一些波段的特性見(jiàn)表2。

將MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正和幾何校正等數(shù)據(jù)預(yù)處理后，采用MODIS火點(diǎn)探測(cè)上下文算法[17]提取火點(diǎn)。該算法認(rèn)為在白天如果像元滿足式(1)，則認(rèn)為該點(diǎn)為潛在火點(diǎn)：

T4>310 或 ΔT>10 且ρ0.86<0.3。

(1)

式(1)中，T4和T11為中心波長(zhǎng)為4和11 μm波段的亮溫，K，ΔT=T4-T11。ρ0.86為中心波長(zhǎng)為0.86 μm波段的反射率，設(shè)置閾值為0.3，用于去除耀斑。在夜晚，如果滿足T4>305 K，也判定該點(diǎn)為潛在火點(diǎn)。GIGLIO等[18]基于上下文算法發(fā)展了MODIS火點(diǎn)探測(cè)v4算法，延續(xù)了KAUFMAN等[19]提出的絕對(duì)閾值法，認(rèn)為如果待判點(diǎn)滿足4 μm波段亮溫大于340 K即為絕對(duì)火點(diǎn)。而筆者在使用該算法時(shí)發(fā)現(xiàn)，山東省地表熱異常點(diǎn)亮度溫度普遍較高，絕對(duì)火點(diǎn)的閾值應(yīng)調(diào)整到360 K，如式(2)所示。

T4>360 (夜晚為320)。

(2)

表2 EOS/MODIS 適用于火災(zāi)監(jiān)測(cè)的波段特性

Table 2 EOS/MODIS band properties suitable for fire detection

潛在火點(diǎn)像元包含了低溫火點(diǎn)和高溫火點(diǎn)以及誤報(bào)的假火點(diǎn)，還需進(jìn)一步以潛在火點(diǎn)像元為中心，從3×3像素的正方形窗口開(kāi)始，按5×5、7×7向上最大增加到21×21。選取屬于陸地的無(wú)云非背景火點(diǎn)像元作為有效鄰近像元，構(gòu)建動(dòng)態(tài)窗口，結(jié)合式(3)～(7)對(duì)其亮溫差、平均絕對(duì)偏差等數(shù)值差異性加以分析進(jìn)而做出判別：

(3)

(4)

(5)

(6)

δ4′>5。

(7)

當(dāng)待判定的潛在火點(diǎn)像元滿足前3個(gè)條件且滿足第4、5個(gè)條件之一時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)是火點(diǎn)。最后利用山東省MCD12Q1土地利用數(shù)據(jù)中農(nóng)業(yè)用地類(lèi)型數(shù)據(jù)，將其與火點(diǎn)分布進(jìn)行疊加分析，排除非秸稈焚燒造成的熱異常點(diǎn)(如鋼鐵廠)，得到山東省秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)。

2.2 火點(diǎn)與空氣質(zhì)量關(guān)系分析方法

AQI能夠反映和評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量，IAQI能夠表明污染物濃度及其對(duì)空氣污染的貢獻(xiàn)[20]。在獲取山東省秸稈焚燒火點(diǎn)信息、AQI數(shù)據(jù)以及風(fēng)速等氣象數(shù)據(jù)后，對(duì)3者之間的關(guān)系做出分析，能更好地了解污染的發(fā)生和消散過(guò)程。

在進(jìn)行火點(diǎn)和空氣質(zhì)量相關(guān)性分析時(shí)，為了對(duì)比氣象因素的影響，選擇秸稈焚燒火點(diǎn)密集出現(xiàn)的時(shí)間段，按照風(fēng)速、降水量的不同，并以“是否沿海岸線分布”為條件將研究區(qū)劃分為沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)。濱州、東營(yíng)、濰坊、淄博、臨沂、日照、青島、煙臺(tái)和威海9個(gè)地市屬于沿海地區(qū)，聊城、德州、濟(jì)南、萊蕪、泰安、濟(jì)寧、棗莊和菏澤8個(gè)地市屬于內(nèi)陸地區(qū)。

將2類(lèi)地區(qū)的環(huán)境AQI和PM2.5濃度等空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)以各個(gè)空氣監(jiān)測(cè)站的每日觀測(cè)值在時(shí)間窗口內(nèi)進(jìn)行逆距離(IDW)空間插值，獲得整個(gè)區(qū)域的多幅空氣污染指標(biāo)分布圖，求得每日代表沿海和內(nèi)陸2個(gè)區(qū)域污染狀況的所有柵格點(diǎn)空氣污染指數(shù)總和，然后對(duì)火點(diǎn)數(shù)與該區(qū)域像元點(diǎn)空氣污染指數(shù)總和的時(shí)間序列進(jìn)行相關(guān)分析，并討論每日火點(diǎn)發(fā)生數(shù)量與沿海和內(nèi)陸2類(lèi)地區(qū)空氣污染程度的相關(guān)性。上述分析有助于掌握秸稈焚燒造成的污染對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響程度以及沿海和內(nèi)陸的影響差異，并結(jié)合氣象因素驗(yàn)證風(fēng)速、降水量對(duì)空氣質(zhì)量變化的影響。

3 結(jié)果與分析

3.1 火點(diǎn)提取結(jié)果

根據(jù)原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的火點(diǎn)數(shù)據(jù)，2017年 6月山東省秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)共計(jì)163個(gè)。而該研究探測(cè)到的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)為276個(gè)，沒(méi)有出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象。對(duì)未被原環(huán)境保護(hù)部監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)這些火點(diǎn)都是溫度較低的小火點(diǎn)。該研究提取到的山東省6月秸稈焚燒火點(diǎn)隨時(shí)間的分布頻率見(jiàn)圖1。由圖1可知，6月6日至23日之間，火點(diǎn)密集出現(xiàn)，是山東省露天焚燒秸稈的高峰時(shí)期?；瘘c(diǎn)數(shù)在6月16日達(dá)到峰值，共計(jì)67個(gè)火點(diǎn)。在此期間出現(xiàn)的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)為230個(gè)，占6月山東火點(diǎn)數(shù)的83.33%，其空間分布見(jiàn)圖2。

所探測(cè)到的火點(diǎn)大多數(shù)集中在山東省西部以及中部的濰坊市，其他東部沿海地市只有少量零星火點(diǎn)存在。其中，處于內(nèi)陸地區(qū)的德州、菏澤、聊城和濟(jì)寧4個(gè)地市連續(xù)出現(xiàn)較多的秸稈焚燒火點(diǎn)，占山東省17個(gè)地市火點(diǎn)數(shù)的46.38%。處于沿海地區(qū)的濰坊、煙臺(tái)、臨沂和濱州4個(gè)地市也出現(xiàn)相對(duì)較多的秸稈焚燒火點(diǎn)，占山東省火點(diǎn)總數(shù)的29.71%(圖2)。選擇6月6日至23日這段火點(diǎn)密集出現(xiàn)的18 d作為研究時(shí)間窗口進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，并探討這段時(shí)間出現(xiàn)的秸稈火點(diǎn)與空氣質(zhì)量的關(guān)系。

圖1 2017年6月山東省秸稈焚燒火點(diǎn)隨時(shí)間的分布頻率

圖2 2017年6月6日至23日山東省秸稈焚燒火點(diǎn)空間分布

3.2 火點(diǎn)與空氣質(zhì)量分析

內(nèi)陸和沿海地區(qū)沒(méi)有焚燒秸稈的4月和存在焚燒秸稈的6月的AQI差異見(jiàn)圖3。由圖3可知，6月整體AQI較4月有明顯增大。通過(guò)方差分析并進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(表3)，以95%的可靠性(即α=0.05)分別得到內(nèi)陸地區(qū)和沿海地區(qū)4、6月AQI的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量F為117.436和85.870，均遠(yuǎn)大于F臨界值，說(shuō)明4月與6月的AQI在α=0.05水平上存在顯著差異。這表明山東省6月AQI升高主要受到秸稈焚燒的影響(假定其他生產(chǎn)生活排放量保持恒定)。

將提取到的6月6日至23日的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)，與對(duì)應(yīng)的可以代表該地區(qū)每日各個(gè)空氣質(zhì)量的柵格總和數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表4。從Pearson相關(guān)性來(lái)看，火點(diǎn)數(shù)量與AQI、PM2.5、PM10和O3之間的相關(guān)性系數(shù)分別為0.529、0.504、0.417和0.511，呈現(xiàn)中等強(qiáng)度的正相關(guān)，兩個(gè)變量總體趨勢(shì)具有一致性。這表明在火點(diǎn)數(shù)量相同的情況下，山東省秸稈焚燒火點(diǎn)對(duì)AQI、PM2.5、PM10和O3這4個(gè)指數(shù)的影響較大，這也與秸稈生物質(zhì)燃燒實(shí)際釋放的主要污染物情況相符。在參考置信度為99%的條件下，火點(diǎn)數(shù)量分別與AQI、PM2.5、PM10和O3之間的雙側(cè)顯著性都小于0.01，判定它們之間相關(guān)極顯著。同時(shí)，火點(diǎn)數(shù)量分別與SO2、NO2、CO濃度之間的顯著性在0.01水平上未達(dá)顯著水平，表明山東省秸稈焚燒火點(diǎn)對(duì)空氣中SO2、NO、CO濃度的影響不顯著。

內(nèi)陸和沿海地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)與分別插值得到的沿海和內(nèi)陸4個(gè)AQI區(qū)域柵格點(diǎn)總和的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)表5。就這4個(gè)與火點(diǎn)相關(guān)性較強(qiáng)的AQI而言，沿海地區(qū)受到火點(diǎn)數(shù)量的影響比內(nèi)陸地區(qū)更大，其中相關(guān)系數(shù)差距較大的是PM2.5和PM10兩個(gè)指數(shù)。

圖3 內(nèi)陸和沿海地區(qū)4和6月空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)差異

表3 內(nèi)陸和沿海城市4和6月空氣質(zhì)量指數(shù)方差分析

Table 3 ANOVA and statistical test of AQI difference in coastal and inland regions in April and June

區(qū)域差異源平方和SS自由度df均方MSF值P值F臨界值內(nèi)陸組間131 418.019 1131 418.019117.4361.452×10-154.007組內(nèi)64 905.395581 119.059沿海組間79 531.239179 531.23985.8704.830×10-134.007組內(nèi)53 718.51458926.181

表4 火點(diǎn)數(shù)量與空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)的相關(guān)性

Table 4 The correlations between fire spots number and air quality index

指標(biāo)火點(diǎn)數(shù)量Pearson 相關(guān)性顯著性(雙側(cè))AQI0.529??0.001PM2.50.504??0.007PM100.417??0.005SO20.0800.416NO20.0500.258CO0.1990.673O30.511??0.001

**表示在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

表5 沿海和內(nèi)陸地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)與火點(diǎn)數(shù)量的相關(guān)性

Table 5 The correlations between air quality indices and fire spots number by coastal and inland regions

指標(biāo)不同區(qū)域火點(diǎn)數(shù)量相關(guān)系數(shù)沿海地區(qū)內(nèi)陸地區(qū)AQI0.515??0.401?PM2.50.469??0.284PM100.501?0.182O30.507??0.477?

*表示在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)，**表示在0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)。

3.3 空氣質(zhì)量與氣象條件分析

空氣污染物產(chǎn)生后，不同的氣象條件會(huì)對(duì)其擴(kuò)散速度產(chǎn)生影響。沿海和內(nèi)陸地區(qū)氣象因素、AQI均值和火點(diǎn)數(shù)量的關(guān)系見(jiàn)圖4～5。由圖4～5可知，內(nèi)陸地區(qū)出現(xiàn)降雨的時(shí)間長(zhǎng)于沿海地區(qū)，沿海地區(qū)的大風(fēng)天氣頻率則高于內(nèi)陸地區(qū)；風(fēng)速增大或者出現(xiàn)降雨天氣時(shí)，AQI均值則呈下降趨勢(shì)，即使出現(xiàn)秸稈焚燒火點(diǎn)，空氣中污染物仍然隨著大風(fēng)或雨水出現(xiàn)擴(kuò)散稀釋或沉降的現(xiàn)象，導(dǎo)致AQI均值并未明顯增高；而當(dāng)風(fēng)速降低或天氣晴朗時(shí)，AQI均值隨著火點(diǎn)的增加而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，尤其表現(xiàn)在第11天即6月17日前后，為空氣質(zhì)量最差的時(shí)期，不管是內(nèi)陸地區(qū)還是沿海地區(qū)，均無(wú)降雨且風(fēng)速相對(duì)較低。

4 討論

4.1 遙感探測(cè)火點(diǎn)的可靠性

利用MODIS 1B級(jí)別的影像結(jié)合修訂的上下文算法成功提取山東省秸稈焚燒火點(diǎn)。經(jīng)與原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證的結(jié)果表明，基于遙感方法探測(cè)一定區(qū)域范圍內(nèi)的秸稈焚燒事件具有全面、高效、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。ZHUANG等[12]研究2003—2017年中國(guó)秸稈焚燒的時(shí)空分布，表明2017年中國(guó)東部地區(qū)夏季火點(diǎn)數(shù)明顯高于春季，且夏季全國(guó)范圍秸稈焚燒狀況以中國(guó)東部為最嚴(yán)重。筆者研究中與4月相比山東省6月火點(diǎn)數(shù)明顯增加，且火點(diǎn)分布的密集度與ZHUANG等[12]的研究結(jié)果相符?？傮w來(lái)看，MODIS數(shù)據(jù)可用于有效監(jiān)測(cè)秸稈焚燒狀況，但近年來(lái)其他通過(guò)氣象衛(wèi)星[8]或合成孔徑衛(wèi)星[9]應(yīng)用于火點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法得到持續(xù)發(fā)展完善，可見(jiàn)光紅外成像輻射儀(visible infrared imaging radiometer，VIIRS)的出現(xiàn)就促進(jìn)了地球觀測(cè)系列中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和改進(jìn)，目前將VIIRS應(yīng)用于我國(guó)東部秸稈焚燒監(jiān)測(cè)方面的研究已取得較好成果[10]。它們有著更高的空間分辨率去實(shí)現(xiàn)小范圍火點(diǎn)監(jiān)控，但也存在重訪時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)昂貴等問(wèn)題，相應(yīng)的算法也有待完善。在秸稈焚燒火點(diǎn)的監(jiān)測(cè)方面MODIS 數(shù)據(jù)具有更經(jīng)濟(jì)、即時(shí)且應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。

圖4 內(nèi)陸地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、降雨量、風(fēng)速與火點(diǎn)的關(guān)系

圖5 沿海地區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)、降雨量、風(fēng)速與火點(diǎn)的關(guān)系

4.2 火點(diǎn)和氣象條件對(duì)空氣污染的影響

對(duì)比沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)由秸稈焚燒帶來(lái)的空氣污染影響，沿海地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)與AQI的相關(guān)性強(qiáng)于內(nèi)陸地區(qū)火點(diǎn)與AQI的相關(guān)性，這進(jìn)一步證實(shí)了前人研究結(jié)果的可靠性。沿海地區(qū)的大風(fēng)天氣使得空氣質(zhì)量始終較好，因此在出現(xiàn)秸稈焚燒火點(diǎn)后，空氣污染能夠很直觀地表現(xiàn)在AQI上，其與火點(diǎn)相關(guān)性高于內(nèi)陸地區(qū)，此與李梅[21]的研究結(jié)論相一致。很多研究證實(shí)風(fēng)速和降水是影響空氣污染擴(kuò)散速度的主要?dú)庀笠蛩?，受?qiáng)勁的海風(fēng)影響，內(nèi)陸和沿海地區(qū)間的溫度和濕度及降水量等其他氣象因素存在明顯不同[22-23]。氣象條件的差異導(dǎo)致空氣中污染物的擴(kuò)散速度不同，被稀釋所需的時(shí)間也不同。厲青等[15]對(duì)2007年6月中國(guó)秸稈焚燒遙感監(jiān)測(cè)火點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果反映了平均風(fēng)速、降水對(duì)秸稈焚燒產(chǎn)生煙霧擴(kuò)散的作用。筆者對(duì)比分析降雨量和風(fēng)速分別對(duì)沿海地區(qū)和內(nèi)陸地區(qū)空氣質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)即使在秸稈焚燒高發(fā)時(shí)段，空氣中污染物仍然隨著大風(fēng)或雨水而出現(xiàn)擴(kuò)散稀釋或沉降的現(xiàn)象，AQI均值沒(méi)有明顯增高，進(jìn)一步證明了筆者研究方法的正確性。由于受大氣擴(kuò)散條件的限制，內(nèi)陸還受到很多其他因素的共同污染作用，以致秸稈焚燒與空氣質(zhì)量的關(guān)聯(lián)性就不如沿海地區(qū)。沿海地區(qū)大氣擴(kuò)散條件優(yōu)于內(nèi)陸地區(qū)，同時(shí)受臨時(shí)性氣候因素影響也較大。因此，沿海地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)與柵格點(diǎn)AQI總和的相關(guān)性便凸顯出來(lái)，明顯強(qiáng)于內(nèi)陸地區(qū)火點(diǎn)與該總和的相關(guān)性，主要表現(xiàn)在PM2.5和PM10上。該結(jié)果有助于制定有針對(duì)性的差異化大氣環(huán)境應(yīng)急管理方案。

4.3 不足與展望

在對(duì)遙感圖像進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，利用由反射率和亮溫計(jì)算得到的閾值來(lái)剔除云和水體，便于提高后續(xù)火點(diǎn)提取的準(zhǔn)確性，在進(jìn)一步的研究中應(yīng)該考慮云對(duì)像元造成的影響，比如反射率升高導(dǎo)致中紅外波段亮溫偏高，進(jìn)而出現(xiàn)火點(diǎn)的虛假警報(bào)等問(wèn)題。厚云本身就遮蓋了地面可能存在的火點(diǎn)或者高溫物體，后續(xù)研究中可以采用MODIS系列產(chǎn)品中的MOD35二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品對(duì)水體和云進(jìn)行掩膜。遙感方法雖然能夠高效便捷地獲取大范圍地面信息，達(dá)到實(shí)時(shí)、快速的監(jiān)測(cè)效果，但由于其是基于遠(yuǎn)程探測(cè)的原理，受大氣和云的干擾較大，傳感器本身性能的改變和遙感數(shù)據(jù)處理過(guò)程中引起的不確定性，會(huì)在一定程度上影響研究結(jié)果的精確性。遙感影像地物單元空間分布的相互交錯(cuò)關(guān)聯(lián)，致使低空間分辨率的影像數(shù)據(jù)像元混合問(wèn)題尤其突出?；贓OS/MODIS數(shù)據(jù)的秸稈焚燒火點(diǎn)檢測(cè)算法能夠在檢測(cè)火點(diǎn)方面獲得較高精度，但在重訪時(shí)間上還達(dá)不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的要求，還應(yīng)結(jié)合多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)及地面巡查，發(fā)展新傳感器數(shù)據(jù)的火點(diǎn)檢測(cè)算法[24]。此外，借助大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，分析熱力異常信息背后隱藏的其他信息，從而有助于火點(diǎn)提取算法充分利用獲取的熱異常信息來(lái)改進(jìn)秸稈焚燒火點(diǎn)的探測(cè)精度?？梢詫㈩?lèi)似方法擴(kuò)展到對(duì)工廠偷排高熱量廢氣和廢水等的監(jiān)測(cè)工作上，也可應(yīng)用于對(duì)森林火災(zāi)和草原火災(zāi)中火勢(shì)、火情和過(guò)火面積等信息的監(jiān)測(cè)[25]。

決定空氣質(zhì)量的因素復(fù)雜多變，各個(gè)因素受不同地域和時(shí)空條件的限制呈現(xiàn)多變性。大氣擴(kuò)散理論和實(shí)踐觀測(cè)表明，同一污染源排放所造成的近地面污染在不同氣象條件下可相差幾十倍甚至幾百倍[26]。每日火點(diǎn)都有一定的離散性，會(huì)存在局部空氣質(zhì)量出現(xiàn)較大差異的情況，筆者綜合各氣象站點(diǎn)觀測(cè)到的空氣數(shù)據(jù)插值到整個(gè)區(qū)域，以柵格點(diǎn)AQI總和表征空氣污染程度來(lái)分析相關(guān)性，僅將研究區(qū)劃分為沿海和內(nèi)陸地區(qū)，對(duì)比分析降雨量、風(fēng)速和火點(diǎn)數(shù)變化對(duì)空氣質(zhì)量的整體影響，未將更詳細(xì)全面的氣象因素和細(xì)致的空間影響關(guān)系納入研究范疇。秸稈的燃燒程度和燃燒量也是影響空氣質(zhì)量的綜合因素，若要在小尺度范圍內(nèi)更好地利用遙感手段監(jiān)測(cè)秸稈焚燒帶來(lái)的空氣污染狀況，需深入考慮周?chē)鷼鈮骸⑾鄬?duì)濕度和風(fēng)向?qū)ξ廴疚镱w粒擴(kuò)散方向的影響。近年來(lái)，已有引入氣溶膠光學(xué)厚度等數(shù)據(jù)結(jié)合后向軌跡分析方法對(duì)整個(gè)市域范圍內(nèi)空氣污染物時(shí)空分布特征的研究[27]，在后續(xù)研究中可利用氣象模型更好地分析秸稈焚燒污染物擴(kuò)散的影響范圍，以及將每日火點(diǎn)出現(xiàn)的空間分布特征與AQI聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)而討論秸稈焚燒與空氣質(zhì)量的空間變化關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)基于MODIS數(shù)據(jù)火點(diǎn)提取算法，根據(jù)火點(diǎn)像元特性選擇閾值和算式，并以潛在火點(diǎn)像元為中心設(shè)立動(dòng)態(tài)窗口，在中心波長(zhǎng)為4和11 μm波段，計(jì)算其平均值和平均絕對(duì)偏差來(lái)確定火點(diǎn)是否為真。與需要研究者考慮地物所處地理環(huán)境的研究方法相比，涵蓋不同地物特性和地表溫度差異等因素的固定閾值法具有更好地快速準(zhǔn)確提取火點(diǎn)的能力。

(2)火點(diǎn)數(shù)與整個(gè)區(qū)域柵格點(diǎn)AQI總和呈現(xiàn)正相關(guān)的響應(yīng)關(guān)系，若火點(diǎn)增多，則區(qū)域AQI總和升高，表明污染導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降。除了污染源本身給空氣質(zhì)量造成破壞以外，氣象條件也是影響空氣質(zhì)量的重要因素?；瘘c(diǎn)數(shù)分別與AQI、PM2.5、PM10和O3呈現(xiàn)極顯著相關(guān)，山東省秸稈焚燒火點(diǎn)對(duì)AQI、PM2.5、PM10和O3的影響較大。

(3)沿海地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)與城市AQI均值的相關(guān)性強(qiáng)于內(nèi)陸地區(qū)。這是因?yàn)閮?nèi)陸地區(qū)存在多種污染源，且由于風(fēng)速低等氣象原因?qū)е挛廴静蝗菀讛U(kuò)散，使內(nèi)陸地區(qū)空氣質(zhì)量始終較差，即使發(fā)生了秸稈焚燒現(xiàn)象，也很難使AQI急劇升高。而沿海地區(qū)由于毗鄰沒(méi)有污染源的海洋，空氣質(zhì)量良好，一旦發(fā)生秸稈焚燒，污染物很快擴(kuò)散到空氣中且可被檢測(cè)到，表現(xiàn)為AQI均值升高。

(4)與內(nèi)陸地區(qū)相比，沿海地區(qū)秸稈焚燒造成的污染現(xiàn)象在PM2.5和PM10兩個(gè)指標(biāo)上表現(xiàn)得更加明顯。