朱孟磊 楊培松

（宿州市自然資源勘測規(guī)劃設(shè)計院，安徽宿州 234000）

秸稈是指水稻、玉米等農(nóng)作物收獲果實(shí)后留下來的難以被合理利用的部分[1]。我國每年產(chǎn)生的秸稈量較大，秸稈資源位于全世界第一位，占比高達(dá)30%[2]。鑒于此，本文基于MODIS數(shù)據(jù)對安徽省秸稈焚燒動態(tài)變化進(jìn)行了遙感監(jiān)測研究，以期為秸稈監(jiān)測提供參考。

1 秸稈焚燒監(jiān)測研究現(xiàn)狀

我國遙感衛(wèi)星經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已被廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境、水文、氣象、地質(zhì)、測繪等領(lǐng)域。現(xiàn)階段，國內(nèi)外秸稈焚燒監(jiān)測研究基本以MODIS數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，具有眾多光譜波段的特性決定了MODIS在理論上為提取火點(diǎn)提供了可能。國內(nèi)還常用環(huán)境小衛(wèi)星紅外相機(jī)拍攝的影像作為火點(diǎn)識別的數(shù)據(jù)來源[3]。王子峰等[4]利用EOS/Terra衛(wèi)星的MODIS數(shù)據(jù)并結(jié)合IGBP地表分類數(shù)據(jù)，再依據(jù)火點(diǎn)像元的各種輻射統(tǒng)計特性，將火點(diǎn)分為秸稈焚燒、林火、草原火3 種類型，提高了火點(diǎn)的判別率；段衛(wèi)虎等[5]、胡梅等[6]利用MODIS 數(shù)據(jù)分別對森林火點(diǎn)、秸稈焚燒火點(diǎn)進(jìn)行判別監(jiān)測，證實(shí)了MODIS數(shù)據(jù)用于火點(diǎn)監(jiān)測的可能性，并表明利用閾值監(jiān)測的火點(diǎn)精度與地區(qū)背景值具有一定的關(guān)系。張春雨[7]綜合利用風(fēng)云三號和LANDSAT 8 等多種衛(wèi)星數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)對河南省秸稈焚燒情況展開了監(jiān)測。

中分辨率成像光譜儀（MODIS）是搭載在TERRA和AQUA衛(wèi)星上的一個重要傳感器，其獲取的觀測數(shù)據(jù)通過X波段向全世界直接廣播，并且可以接收數(shù)據(jù)并加以使用[1]。中文名為中分辨率成像光譜儀，英文全稱Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer。MODIS 在0.4～14.0 有36 個觀測通道，靈敏度高，能夠探測到的最小面積為50 m2[8]，掃描幅寬達(dá)到2 330 km。MODIS 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)內(nèi)容的不同分為0級、1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在1B級數(shù)據(jù)產(chǎn)品之后，劃分為2～4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括陸地標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、大氣標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和海洋標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品3種主要標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，總計分解為44種標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型[9]。

MODIS 在作物面積監(jiān)測及估產(chǎn)中的應(yīng)用，可對研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)作物種植面積進(jìn)行準(zhǔn)確估算以及預(yù)估其產(chǎn)量，在一定程度上提高了預(yù)報精度；MODIS在作物長勢中的應(yīng)用[10]，可對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，對作物生長趨勢年際間的生長過程進(jìn)行對比分析，進(jìn)而為早期的產(chǎn)量預(yù)測提供信息；MOIDS在土地覆蓋/土地利用中的應(yīng)用，可對土地的自然數(shù)據(jù)和土地的社會屬性進(jìn)行相關(guān)分類，給城市規(guī)劃提供數(shù)據(jù)支持；MOIDS 在災(zāi)害監(jiān)測中的應(yīng)用，分為秸稈焚燒及森林火災(zāi)監(jiān)測、病蟲害監(jiān)測、農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測以及洪澇災(zāi)害監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)快速定位，大范圍獲取災(zāi)區(qū)信息，為實(shí)施災(zāi)害防治以及災(zāi)后恢復(fù)工作提供了相關(guān)依據(jù)；MODIS 在環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用，可進(jìn)行生態(tài)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、大氣氣溶膠、沙塵暴研究、水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測以及城市熱島效應(yīng)研究等。

伴隨著科技的不斷發(fā)展，農(nóng)作物收割機(jī)械化程度越來越高，收割后所留下的秸稈未能被充分利用，部分農(nóng)民通過就地焚燒的方法處理秸稈。雖然這種方法對于農(nóng)民來說簡單、快捷、經(jīng)濟(jì)，但也存在著很大的弊端，例如秸稈焚燒時會產(chǎn)生大量的煙塵及二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等，對大氣產(chǎn)生嚴(yán)重污染[11]；焚燒秸稈可能會導(dǎo)致大面積火災(zāi)的發(fā)生；焚燒秸稈還會對交通產(chǎn)生一定的影響。因此，利用MODIS 遙感監(jiān)測手段，科學(xué)、準(zhǔn)確、迅速地了解秸稈焚燒動態(tài)變化，為安徽省秸稈焚燒監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持，對提高預(yù)警能力和監(jiān)督檢查效率具有重大意義。

2 研究區(qū)域概況

安徽省地處中國華東腹地，位于114°54'～119°37'E、29°41'～34°38'N，面積14.1 萬km2，農(nóng)用地面積9.1 萬km2，地域優(yōu)勢明顯，氣候條件優(yōu)越、地貌類型多樣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域性特點(diǎn)突出，農(nóng)業(yè)資源豐富，是典型的農(nóng)業(yè)大省。農(nóng)作物主要有小麥、水稻、苞米、黃豆、薯類和其他旱糧作物，農(nóng)產(chǎn)品資源不僅能夠滿足省內(nèi)的需求，在國際市場上亦有一定的份額。

3 研究方法

3.1 MODIS數(shù)據(jù)來源

目前，全球范圍內(nèi)很多國家和地區(qū)都可以接收和使用MODIS 數(shù)據(jù)。覆蓋安徽全省需要h27v05、h28v05、h28v06 3個衛(wèi)星軌道的MODIS數(shù)據(jù)，所以還需要對下載的同一時間段的MODIS影像進(jìn)行鑲嵌處理。

本文所選擇的MODIS 數(shù)據(jù)產(chǎn)品為2013、2015、2017年9月14日—10月24日的MOD14A2數(shù)據(jù)產(chǎn)品和MCD12Q1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品。MCD12Q1 數(shù)據(jù)產(chǎn)品根據(jù)TERRA 和AQUA 衛(wèi)星觀測處理后得到的用于描繪土地覆蓋類型的產(chǎn)品，更新周期較長。

3.2 研究流程

由于MODIS 數(shù)據(jù)收集所有的地面熱異常點(diǎn)，需要通過必要的處理消除非秸稈焚燒火點(diǎn)對研究結(jié)果的影響。非秸稈焚燒火點(diǎn)的剔除主要以提取出來的火點(diǎn)所處的位置以及火點(diǎn)是否為地面固定熱源為依據(jù)。在進(jìn)行火點(diǎn)判定的修正過程中，應(yīng)事先進(jìn)行地面調(diào)查，查明發(fā)電廠等固定熱源。然后利用土地數(shù)據(jù)，排除在非農(nóng)用地上的熱源。本文使用MCD12Q1數(shù)據(jù)中的IGBP 分類方案，提取農(nóng)用地，從而剔除了農(nóng)用地以外的非秸稈焚燒火點(diǎn)[12]。

本文以2013、2015、2017年9月14日至10月24日為時間段，進(jìn)行秸稈焚燒火點(diǎn)的提取。利用MOD14A2和MCD12Q1數(shù)據(jù)提取秸稈焚燒火點(diǎn)的過程如圖1所示。

圖1 秸稈火點(diǎn)提取流程

因原始的MCD12Q1和MOD14A2產(chǎn)品儲存采用分級數(shù)據(jù)格式（Hierarchical Data Format，HDF），因此需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、圖像鑲嵌等預(yù)處理[11]。研究中使用MRT（MODIS Reprojection Tools）專業(yè)投影轉(zhuǎn)換工具，將從NASA 官網(wǎng)上下載的MODIS HDF 格式數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。在ENVI 菜單頁面點(diǎn)擊地圖后選擇鑲嵌，鑲嵌的類型選擇基于地理坐標(biāo)參考，將格式轉(zhuǎn)換后的覆蓋安徽省的三景影像圖輸入進(jìn)行鑲嵌操作，為了進(jìn)一步有針對性地分析研究區(qū)的土地覆蓋，需將影像圖進(jìn)行裁剪。首先加載安徽省的shp文件格式的矢量邊界，投影類型和基準(zhǔn)面設(shè)置同MCD12Q1；然后將矢量文件輸出到感興趣區(qū)，打開ROI 工具查看感興趣區(qū)是否已經(jīng)建立。點(diǎn)擊ENVI菜單欄的基本工具，選擇感興趣區(qū)裁剪，輸入矢量文件生成的感興趣區(qū)，然后進(jìn)行裁剪操作，最終得到安徽省的MCD12Q1影像。

火點(diǎn)提取所使用的數(shù)據(jù)為MOD14A2數(shù)據(jù)，對最后獲取的安徽省范圍的MOD14A2 數(shù)據(jù)波段進(jìn)行快速統(tǒng)計，可以看出DN值的范圍為0～9（表1）。

表1 火點(diǎn)MOD14A2數(shù)據(jù)快速統(tǒng)計

MODIS14 熱異常數(shù)據(jù)表明，DN 值為7、8、9 的點(diǎn)，標(biāo)記為火點(diǎn)數(shù)據(jù)。從表1 可以看出初步的火點(diǎn)數(shù)為50個。

4 結(jié)果與分析

由于火點(diǎn)提取過程中，提取了所有的火點(diǎn)信息。并不能排除火力發(fā)電廠、鋼鐵廠、工礦熱異常等各種與秸稈焚燒情況相似現(xiàn)象造成的干擾，因此需要再次利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)所提供的信息提取農(nóng)用地信息，對兩者信息進(jìn)行疊加處理，將農(nóng)用地上的火點(diǎn)視為秸稈焚燒火點(diǎn)，這樣才能從初步火點(diǎn)信息中提取出秸稈焚燒火點(diǎn)。在剔除非秸稈焚燒火點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對秸稈焚燒過火面積進(jìn)行統(tǒng)計計算[13]。單個火點(diǎn)的像元面積Ds計算公式如下：

式 （1）中：Np為火點(diǎn)緯度方向上的距離；Ni為火點(diǎn)經(jīng)度方向上的距離。

各個火點(diǎn)像元面積之和即為研究區(qū)域內(nèi)秸稈焚燒火點(diǎn)的總面積，公式如下：

式（2）中：i為像素序號；n為火點(diǎn)的總像素。

農(nóng)用地信息提取采用的數(shù)據(jù)產(chǎn)品為MCD12Q1，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品為土地覆蓋數(shù)據(jù)，根據(jù)IGBP全球植被分類（0-水；1-常綠針葉林；2-常綠闊葉林；3-落葉針葉林；4-落葉闊葉林；5-混交林；6-稠密灌叢；7-稀疏灌叢；8-木本熱帶稀樹草原；9-熱帶稀樹草原；10-草地；11-永久濕地；12-農(nóng)用地；13-城市和建筑區(qū)）方法可知，農(nóng)用地的像素值為12，即DN值為12。將覆蓋安徽省的三景影像圖進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換和鑲嵌，并進(jìn)行裁剪處理，然后使用提取火點(diǎn)相同的方法提取土地覆蓋信息，以安慶市為例，圖中灰色部分為農(nóng)用地。將提取出的農(nóng)用地信息輸出為shp格式文件。

通過ENVI 遙感圖像處理軟件感興趣區(qū)工具中的求交集選項(xiàng)對提取出來火點(diǎn)和農(nóng)用地信息進(jìn)行疊加處理，重疊的部分即視為秸稈焚燒火點(diǎn)。具體操作如下：首先打開農(nóng)用地信息的shp格式文件，將該圖層輸出到感興趣區(qū)，再通過Intersect Regions 將火點(diǎn)感興趣區(qū)和農(nóng)用地感興趣區(qū)求交集。將結(jié)果導(dǎo)入到ARCGIS中顯示輸出，以安慶市為例（圖2）。

圖2 安慶市秸稈焚燒火點(diǎn)對比

提取安徽省2013、2015 和2017 年9 月14 日至10月24日秸稈焚燒火點(diǎn)并統(tǒng)計焚燒火點(diǎn)面積，可通過Export ROIS to shapfile 轉(zhuǎn)換成shp。再將最終的火點(diǎn)shp 文件使用ARCGIS 軟件加載到安徽省行政區(qū)劃圖中。2013—2015 年秸稈焚燒火點(diǎn)由南部地區(qū)向北部地區(qū)移動，滁州、淮北、安慶等地區(qū)火點(diǎn)明顯減少，部分市出現(xiàn)無火點(diǎn)的現(xiàn)象，亳州、阜陽地區(qū)火點(diǎn)明顯增多；2015—2017 年，火點(diǎn)在全省范圍內(nèi)進(jìn)一步減少，2017 年蚌埠、淮南、宣城無火點(diǎn)（圖3）。

圖3 火點(diǎn)分布

根據(jù)各市秸稈焚燒火點(diǎn)分布情況分析（表2），2013—2017 亳州市、阜陽市秸稈焚燒面積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，面積分別先上升了87.162、15.671 km2，后減少了107.73、40.154 km2；淮南市的火點(diǎn)由2013 年的50 個下降為2015 年的3 個，2017年降至1 個火點(diǎn)。蚌埠、宿州、池州等市在2013—2017年火點(diǎn)數(shù)目和面積均有所減少。

表2 火點(diǎn)對應(yīng)面積分布

總體來說，安徽省在2013—2017年間秸稈焚燒現(xiàn)象呈現(xiàn)下降趨勢，2013—2015 年秸稈焚燒面積減少107.752 km2，2015—2017 年秸稈焚燒面積減少178.245 km2，秸稈焚燒現(xiàn)象得到明顯改善。

由表3 可看出，2013、2015 年的9 月14 日至10月24日期間，秸稈焚燒火點(diǎn)峰值出現(xiàn)在10月8日左右，且整體呈現(xiàn)“平—增—減”的趨勢；2017 年的秸稈焚燒火點(diǎn)峰值出現(xiàn)在10月24日左右，整體呈現(xiàn)上升趨勢，但范圍較前幾年有所減少。

表3 火點(diǎn)時間分布 單位：個

5 應(yīng)用與建議

隨著科技的不斷發(fā)展、遙感監(jiān)測技術(shù)水平的不斷提高，在眾多衛(wèi)星中，遙感衛(wèi)星將起著越來越重要的作用。利用遙感衛(wèi)星對秸稈焚燒點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測可提高工作效率，減少人力、物力的投入，是對地面實(shí)地監(jiān)測方法的補(bǔ)充。但單一的依靠MODIS 熱異常數(shù)據(jù)提供的火點(diǎn)信息進(jìn)行秸稈焚燒火點(diǎn)的判定存在一定的局限性。本文利用MODIS 熱異常數(shù)據(jù)以及土地覆蓋數(shù)據(jù)對安徽省秋季農(nóng)作物秸稈焚燒情況進(jìn)行遙感監(jiān)測，可以在一定程度上排除非農(nóng)用地上的火點(diǎn)信息，提高了秸稈焚燒火點(diǎn)判定的精度。通過對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)安徽省秸稈焚燒火點(diǎn)在空間上呈逐步減少趨勢，說明禁燒政策實(shí)施的有效性；時間上，10月份火點(diǎn)數(shù)目較多于9月份，應(yīng)著重注意10月份的秸稈焚燒監(jiān)測。利用衛(wèi)星遙感技術(shù)，能準(zhǔn)確地對秸稈焚燒趨勢進(jìn)行監(jiān)測，對于科學(xué)、準(zhǔn)確、迅速地了解秸稈焚燒動態(tài)變化，提高預(yù)警能力和監(jiān)督檢查的效率具有重要意義。