基于遙感和GIS技術(shù)的秸稈焚燒與空氣狀況的時(shí)空響應(yīng)分析

(1.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012；2.深圳市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，廣東 深圳 518049； 3.浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，浙江 杭州 310012；4.江蘇省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，江蘇 南京 210029)

秸稈焚燒是農(nóng)民在收獲后對(duì)作物秸稈進(jìn)行焚燒的一種活動(dòng)，每年到了收獲季節(jié)，我國(guó)部分糧食主產(chǎn)區(qū)會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的秸稈焚燒現(xiàn)象。秸稈焚燒嚴(yán)重影響大氣環(huán)境質(zhì)量[1-3]。在夏秋季節(jié)，尤其是在每年的6-7月份收割季節(jié)，農(nóng)民將大量的廢棄秸稈直接在田地里焚燒，導(dǎo)致空氣中總懸浮顆粒(TSP)濃度明顯升高，焚燒產(chǎn)生的濃煙中含有大量的CO、CO2和SO2等有毒有害氣體，對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響。

長(zhǎng)江三角洲區(qū)域北起通揚(yáng)運(yùn)河，南抵杭州灣，西至南京，東到海濱，包括上海市、江蘇省南部、浙江省北部以及鄰近海域(圖1)。該地區(qū)即是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)也是綜合性的農(nóng)業(yè)高產(chǎn)區(qū)域，以多種經(jīng)營(yíng)和精耕細(xì)作見(jiàn)長(zhǎng)，每年產(chǎn)生大量秸稈，大面積露天秸稈焚燒造成嚴(yán)重的空氣污染，正日益受到廣泛關(guān)注[1，2，4]。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有時(shí)效性強(qiáng)、資料獲取快捷和費(fèi)用低廉的特點(diǎn)，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)大范圍的秸稈焚燒火點(diǎn)狀況。2012年6月中旬，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)經(jīng)歷了一次大范圍的重霾污染天氣過(guò)程。本文利用該時(shí)段MODIS影像監(jiān)測(cè)秸桿焚燒點(diǎn)的空間分布狀況，結(jié)果顯示當(dāng)時(shí)在江蘇北部地區(qū)存在著明顯的秸桿焚燒區(qū)域(圖2)。本次污染天氣過(guò)程中長(zhǎng)江三角洲地區(qū)17座城市的API數(shù)據(jù)，分析MODIS火點(diǎn)與API時(shí)空分布的相關(guān)性，初步評(píng)估秸稈焚燒對(duì)區(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量的影響。

圖1 長(zhǎng)江三角洲位置圖

圖2 2012年6月10-13日長(zhǎng)江三角洲地區(qū)秸稈焚燒火點(diǎn)分布

1 秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)提取方法

目前，NASA發(fā)射的Terra和Aqua衛(wèi)星上的MODIS是最常用的秸桿焚燒的衛(wèi)星遙感傳感器，該數(shù)據(jù)每天覆蓋全球一次，具有36個(gè)光譜通道，分布在0.4～14μm波譜范圍內(nèi)，可以應(yīng)用在地表覆蓋變化、生物生產(chǎn)力和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣候預(yù)測(cè)和自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。MODIS遙感器的儀器特征參數(shù)從設(shè)計(jì)上考慮了火災(zāi)監(jiān)測(cè)功能，因此從火災(zāi)監(jiān)測(cè)角度看其監(jiān)測(cè)能力大大超越了其它遙感儀器，可以探測(cè)到面積比氣象衛(wèi)星更小更多的火點(diǎn)，最小面積可達(dá)50m2，能更真實(shí)、更詳細(xì)地反映秸稈焚燒的現(xiàn)狀[3，5，6]。

本文，數(shù)據(jù)源以美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站上下載的Terra/Aqua MODIS衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為主，通過(guò)對(duì)不同波段光譜信息組合分析，利用“上下文相關(guān)探測(cè)算法”生成焚燒火點(diǎn)信息分布，實(shí)際上是熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)。主要原理是通過(guò)計(jì)算中心點(diǎn)像元與周圍像元溫度的統(tǒng)計(jì)特征，設(shè)置若干閾值和判斷依據(jù)實(shí)現(xiàn)熱異常探測(cè)，主要處理過(guò)程包括去云、耀斑濾除、火點(diǎn)確定、地表覆蓋類型判斷等；然后再利用GIS的綜合疊加分析工具，將熱異常信息數(shù)據(jù)與高分影像提取的土地利用覆蓋數(shù)據(jù)中的耕地信息進(jìn)行疊加分析，進(jìn)一步確定秸稈焚燒火點(diǎn)。通過(guò)比較連續(xù)多天的火點(diǎn)分布情況并疊加土地利用類型圖，提取農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的火點(diǎn)，排除一些典型的類似鋼鐵廠等的誤判火點(diǎn)。在非秸稈焚燒固定火點(diǎn)的處理中，部分火電廠、鋼鐵廠的準(zhǔn)確位置及坐標(biāo)可以通過(guò)網(wǎng)上查詢已有的資料取得。其他固定火源的判別和篩選是通過(guò)比較長(zhǎng)時(shí)間序列的火點(diǎn)特征確定，即同一位置如在三個(gè)月內(nèi)都出現(xiàn)火點(diǎn)，則被判斷為固定的非秸稈焚燒火源而去除，否則予以保留。考慮到幾何定位可能存在誤差，對(duì)于 1km 范圍內(nèi)的簇狀點(diǎn)群以其中心點(diǎn)作為 1個(gè)火點(diǎn)，刪除其周邊點(diǎn)，最終獲得研究地區(qū)的焚燒火點(diǎn)分布數(shù)據(jù)。

2 空氣污染指數(shù)

空氣污染指數(shù)(Air Pollution Index，簡(jiǎn)稱 API)是一種反映和評(píng)價(jià)空氣質(zhì)量的方法，就是將常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物的濃度簡(jiǎn)化成為單一的概念性數(shù)值形式、分級(jí)表征空氣質(zhì)量狀況與空氣污染的程度。這是一項(xiàng)對(duì)可吸入顆粒物(PM10)、SO2、NOx和O3在市區(qū)不同地點(diǎn)的 24 小時(shí)監(jiān)測(cè)而發(fā)布的一個(gè)與污染物質(zhì)量濃度分段線性相關(guān)的一個(gè)數(shù)據(jù)指數(shù)，可以定量和客觀的評(píng)價(jià)空氣環(huán)境質(zhì)量的指標(biāo)。在我國(guó)的大多數(shù)城市，全年大約 85%～90%的首要污染物為可吸入顆粒物，其次為SO2。空氣污染指數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站每日公布的城市空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)。

3 結(jié)果與分析

3.1 秸稈焚燒火點(diǎn)分布

2012年6月13日長(zhǎng)江三角洲秸稈焚燒遙感共監(jiān)測(cè)到焚燒區(qū)域34處(圖2)，發(fā)生區(qū)域相對(duì)集中在蘇北、浙北平原等農(nóng)業(yè)較發(fā)達(dá)地區(qū)。

3.2 空氣污染指數(shù)(API)狀況

2012年6月10-13日，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)經(jīng)歷了一次大范圍的重霾污染天氣過(guò)程，蘇北地區(qū)大部分市API值均接近或超過(guò)100的污染限值，首要污染物均為可吸入顆粒物(圖3)。從6月10日開(kāi)始，江蘇省13市的API值均呈快速上升趨勢(shì)，到6月13日，受氣象因素影響，南京、無(wú)錫、徐州等8座城市API值已超100，達(dá)到Ⅲ1輕微污染級(jí)別，其中徐州當(dāng)日API值高達(dá)314，為Ⅴ重度污染級(jí)別，杭州，湖州和紹興也達(dá)到100以上。至此，長(zhǎng)江三角洲大部分地區(qū)處于能見(jiàn)度極低的灰霾籠罩之中。隨著25日污染物逐漸擴(kuò)散，全區(qū)的污染指數(shù)開(kāi)始逐步下降，到30日API值基本回歸正常，污染過(guò)程基本結(jié)束。

3.3 秸稈火點(diǎn)與API相關(guān)性分析

長(zhǎng)江三角洲地區(qū)6月份秸稈焚燒的主要區(qū)域位于蘇北，鄰近區(qū)域如山東、河南、安徽也處于麥?zhǔn)掌陂g，這些區(qū)域也是我國(guó)主要的秸桿燃燒區(qū)。由6月10日-13日長(zhǎng)三角地區(qū)API空間分布圖來(lái)看，蘇北地區(qū)處于高值區(qū)，徐州、連云港地區(qū)API和火點(diǎn)分布的空間吻合性，蘇中南部和浙江等主要城鎮(zhèn)區(qū)API相對(duì)較低。經(jīng)氣象資料查詢，該區(qū)域這個(gè)時(shí)期近地面大氣穩(wěn)定，由此可以判斷區(qū)域秸桿燃燒產(chǎn)生的細(xì)粒物是蘇北API高值的主要貢獻(xiàn)因子。從區(qū)域生態(tài)格局特征上看，蘇南、上海、浙北以城鎮(zhèn)用地為主，城市熱島效應(yīng)使該區(qū)域地面氣流以上升為主，與周邊空氣形成局地對(duì)流，在近地面形成一個(gè)氣流的匯聚中心，使蘇北API的高值區(qū)逐漸向南移動(dòng)，由6月11-13日污染物空間分布格局圖可以發(fā)現(xiàn)API向南擴(kuò)散的過(guò)程，至13日，南京，杭州等API值達(dá)到最大，成為空氣污染核心。

4 結(jié) 論

(1)利用衛(wèi)星遙感手段對(duì)秸稈焚燒火點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，是對(duì)地面常規(guī)監(jiān)測(cè)方法的有效補(bǔ)充。MODIS數(shù)據(jù)具有波段多、靈敏度高、時(shí)效性強(qiáng)等特點(diǎn)，能夠較好地監(jiān)測(cè)與監(jiān)控地面火點(diǎn)秸稈焚燒現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于科學(xué)、準(zhǔn)確、迅速地了解秸稈焚燒動(dòng)態(tài)變化，提高預(yù)警能力和監(jiān)督檢查的效率具有重大意義。

(2)由長(zhǎng)三角地區(qū)火點(diǎn)與API的區(qū)域相關(guān)分析可知，在有利氣象條件下，秸稈焚燒活動(dòng)可以加劇區(qū)域空氣污染，給生態(tài)環(huán)境、人體健康、城市交通都帶來(lái)了重大影響，因此在區(qū)域空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)中應(yīng)該加入秸桿焚燒因素的影響。

圖3 2012年6月10-13日長(zhǎng)江三角洲地區(qū)API分布

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