2014-2015年夏秋收期間全國秸稈焚燒遙感監測結果對比分析

張麗娟 厲 青 陳 輝 毛慧琴 周春艷 王中挺 張玉環 馬鵬飛 陳翠紅

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

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2014-2015年夏秋收期間全國秸稈焚燒遙感監測結果對比分析

張麗娟 厲 青 陳 輝 毛慧琴 周春艷 王中挺 張玉環 馬鵬飛 陳翠紅

(環境保護部衛星環境應用中心，北京 100094)

本文基于EOS的Terra/Aqua衛星MODIS傳感器數據監測的2014-2015年夏秋收季秸稈焚燒結果，對比分析了我國近兩年夏秋收季節的秸稈焚燒分布情況以及發展趨勢。結果表明：①2015年夏秋收季全國監測到秸稈焚燒火點共計4454個，主要分布在黑龍江、河南、吉林、遼寧、山東、河北、內蒙古、湖北、山西9省，且每個省份火點數均超過100個，共計4174個，占火點總數的94%；其中，黑龍江省火點數最多，達到1824個，遠高于其它省份，占火點總數的41%。②與2014年同期(4197個)相比，2015年夏秋收季秸稈焚燒火點數增加了257個，同比增加6%。秸稈焚燒主要省份(火點數大于100個)中，黑龍江增加最多，同比增加132%，火點數增加1037個；河北增幅次之，同比增加91%；山東、湖北、山西等省也略有增加；安徽、河南、吉林、遼寧、內蒙古等省火點數有明顯減少。③2015年夏秋季秸稈焚燒高峰期主要集中在6月中旬、10月下旬及11月上旬，呈現雙峰分布，高值出現在6月11日、10月23日以及11月1日、4日、6日，火點數均超過200個，其中最高值出現在11月1日，火點數高達473個。④與2014年同期相比，2015年夏季高峰期出現時間段保持不變，仍集中在6月中旬，但火點總數有所減少；與2014年同期相比，2015年秋季高峰期出現時間段相對較晚，10月中旬火點略有減少，11月上旬火點有明顯增加。

秸稈焚燒；MODIS；夏秋收季

1 引 言

由于觀念、技術和體制等方面的綜合原因，我國每年有大量秸稈被當作廢棄物焚燒。秸稈燃燒時，會產生大量的CO2、CO、氮氧化合物、苯以及環芳烴等有害氣體[1]，不僅危害人體健康，而且給大氣環境、生態環境、交通安全和火災防護造成了極大的影響[2]。早在1999年原國家環境保護總局就發布了《秸稈焚燒和綜合利用管理辦法》，一些省市的環保局也出臺了相應的焚燒管理辦法。但由于秸稈焚燒火點分布在縣、鄉，不易查證，難以統計，再加上人力、物力的限制，禁燒的管理、監測難度增大，因此對秸稈焚燒的治理往往無的放失，難以奏效。

《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》明確要求創新環境治理理念和方式，實行最嚴格的環境保護制度，強化排污者主體責任，形成政府、企業、公眾共治的環境治理體系，實現環境質量總體改善。要繼續深入實施污染防治行動計劃，計劃強調：要強化污染物減排治理，提高環境監管能力；加大環境監測、信息、應急、監察等能力建設力度，其中還明確提到要推進衛星遙感技術在環境監管中的應用。新的環境形勢要求環境監管要更加科學化、高效化。當前，開展秸稈禁燒工作已經成為環境監管的重要內容之一，它要求秸稈焚燒監管要利用新的技術手段，增加執法的準確性和效率。衛星遙感技術恰恰能很好的解決這一問題。衛星遙感技術具有時效性強、分辨率高、資料獲取快捷的特點，利用衛星遙感技術一方面可以動態、大范圍地監測秸稈焚燒狀況，獲取秸稈焚燒火點位置、數目等信息，大大提高秸稈焚燒監管的工作效率并確保監測結果的客觀性和準確性，另一方面還可為國家掌握秸稈焚燒信息，制定大氣污染防控措施提供有力的技術支持。本文采用基于EOS的Terra/Aqua衛星MODIS傳感器數據監測的2014-2015年夏秋季秸稈焚燒結果，對比分析了我國近兩年夏秋收季節的秸稈焚燒分布情況以及發展趨勢。

2 監測數據與原理方法

2.1 監測數據

本文進行秸稈焚燒監測的衛星數據來自美國地球觀測系統計劃(EOS) Terra和Aqua攜帶的中分辨率成像光譜儀(MODIS)。MODIS探測器掃描寬度2330km，儀器視場±55，具有36個光譜通道，分布在0.4～14μm 的電磁波譜范圍內，覆蓋了紫外、可見、近紅外、紅外等通道，為反演氣溶膠和地表特征提供了豐富的信息?？梢姽馔ǖ?(660nm)和通道2 (860nm)具有250m星下點的分辨率，可見和近紅外的通道3～7具有500m的分辨率，另外8～36通道分辨率為1000m。作為“圖譜合一”的中分辨率成像光譜儀，MODIS設置專門用于火點探測和描述火點熱輻射特征的兩個中紅外通道(波段范圍相同，飽和亮度溫度分別為331K和近500K)，不僅保證了觀測數據的輻射精度，也避免了高溫火點導致通道飽和的問題。同時，MODIS還使用一個2.1μm的短波紅外通道加強對太陽耀斑和水體邊緣虛假火點的去除。目前，用于MODIS的火點監測算法主要是背景對比算法[3]，所需通道數據及主要用途如表1所示。

2.2 監測原理與方法

秸稈熱異常火點遙感監測的基本原理源于維恩位移定律[4]。維恩位移定律是描述黑體電磁輻射能流密度的峰值波長與自身溫度之間反比關系的定律，其可以表示為：

式中：λmax為輻射的峰值波長，m；T為黑體的絕對溫度，K；b=2.8977685×10-3m·K，稱為維恩位移常數。維恩位移定律說明了一個物體溫度越高，其輻射譜的波長越短。根據維恩位移定律，物體輻射峰值波長隨溫度升高向短波方向移動。

常溫地物熱輻射能量的峰值位于長波紅外波段，隨著溫度升高，熱輻射的峰值向波長較短的波段移動。因此，熱異?；瘘c的一個顯著特征就是中紅外波段的輻射能量高于常溫地物。通過遙感觀測的輻射能量可以計算物體的亮度溫度，基于上述特征可設置適當的亮度溫度閾值實現火點判別。一般秸稈燃燒溫度為500～1000K，按照維恩位移定律，其輻射能量應主要集中在2.8～5.7μm，實際觀測的燃燒火焰輻射峰值約分布在4μm附近的中紅外區域，遠遠高于常溫物體(300K)在這一光譜區域的輻射，但二者在11～12μm的熱紅外區域相差不大[5]。秸稈火點遙感探測正是利用內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識別地面火點。算法的核心內容是將目標像元的溫度特性與周圍背景像元的平均溫度特性準確地統計出來，并進行多閾值判別，根據判別結果提取火點像元。

秸稈焚燒衛星遙感監測處理的流程：①根據上述原理獲取熱異?；瘘c像元；②獲取秸稈焚燒火點：結合土地分類數據，利用GIS技術，將農田范圍內的火點提取出來作為秸稈焚燒火點；③監測結果驗證：利用野外實地調查及其他衛星監測比較的方式進行驗證分析；④專題圖制作及數據統計：加入行政邊界，利用ARCGIS等軟件制作專題圖；以行政區為單位進行秸稈焚燒火點的統計分析。

3 結果與分析

3.1 全國秸稈焚燒遙感監測火點分布情況

監測顯示，2015年5月20日-11月20日，我國夏秋季秸稈焚燒火點主要分布在華北及東北地區，在華中、西北及西南地區也有局部分布(見圖1)，其中夏季秸稈焚燒火點主要集中在華北的河南、山東等地區，而秋季秸稈焚燒火點主要集中在東北地區。從整個夏秋季來看，全國共計監測到秸稈焚燒火點4454個，主要分布在黑龍江、河南、吉林、遼寧、山東、河北、內蒙古、湖北、山西等9個省份，火點個數均超過100，共計4174個，占火點總個數點94%，其中，黑龍江火點個數最多，達到1824個，遠高于其它省，占總火點個數的41%；河南次之，達到570個；吉林較前兩省火點個數稍少，為472個；其它火點個數超過100的省份依次為：遼寧378個、山東321個、河北208個、內蒙古165個、湖北116個、山西111個。其余省份火點個數均少于100個，其中海南、重慶、廣東云南、湖南、江蘇、北京、青海、上海等12省均不足10個。天津、福建、西藏三省未出現火點。

與2014年(見圖2)同期(4197個)相比，2015年夏秋收季秸稈焚燒火點數增加了257個，同比增加6%。秸稈焚燒主要省份(火點數大于100個)中，黑龍江增加最多，同比增加132%，火點數增加1037個；河北增幅次之，同比增加91%；山東、湖北、山西等省也略有增加；安徽、河南、吉林、遼寧、內蒙古等省火點數有明顯減少。

圖1 2015年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒衛星遙感監測分布圖

圖2 2014年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒衛星遙感監測分布

3.2 全國秸稈焚燒遙感監測火點統計結果

3.2.1 2015年5月20日-11月20日全國各省火點統計結果

表2給出了2015、2014年5月20日-11月20日的火點個數、火點數差異及增減比率，從表2中可以看出：2015年5月20日-11月20日，全國秸稈焚燒火點個數共計4454個，較2014年同期增加了257個，同比增加了6%；黑龍江、河北、山東、山西、甘肅火點個數增加明顯(超過30個)，其中黑龍江增加最多，由2014年的787個，增加到1824個，增加了1037個；河北由2014年同期的109個，增加到208個，增加了99個；山東由2014年同期的268個，增加到321個，增加了53個，另外山西增加了33個，甘肅增加了30個。與2014年同期相比，安徽省由2014年的428個，減少到25個，減幅明顯。另外減少明顯的省份還有：河南減少了251個，遼寧減少了91個，內蒙古也減少了91個，吉林減少了75個。

3.2.2 2015年5月20日-11月20日全國火點日統計結果

圖3、圖4分別給出了2015、2014年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒火點每日的統計情況。從圖中可以看出，2015年夏秋季秸稈焚燒高峰期主要集中在6月中旬、10月下旬及11月上旬，呈現雙峰分布，高值出現在6月11日、10月23日以及11月1日、4日、6日，火點數均超過200個，其中最高值出現在11月1日，火點數高達473個。

表2 2015、2014年夏秋季全國秸稈焚燒火點個數、火點數差異及增減比率統計

圖3 2015年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒火點個數日統計圖

圖4 2014年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒火點個數日統計圖

與2014年同期相比，2015年夏季高峰期出現時間段保持不變，仍集中在6月中旬，但火點總數有所減少；與2014年同期相比，2015年秋季高峰期出現時間段相對較晚，10月中旬火點略有減少，11月上旬火點有明顯增加。

3.2.3 2015年5月20日-11月20日全國火點涉及市個數統計結果表3給出了2015、2014年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒火點分布監測涉及地區的詳細統計，可以看出：與2014年同期相比，秸稈焚燒火點分布涉及城市個數增加較多的有廣東、四川、重慶，均新增3個城市；減少相對明顯的有安徽、廣西、江蘇、新疆、江西、天津、福建、北京、內蒙古、云南，減少數量超過2個，其中，安徽、廣西均減少8個，江蘇減少6個，新疆、江西均減少4個；其余各省份衛星遙感秸稈焚燒火點分布涉及城市數量變化不大。

表3 2015、2014年5月20日-11月20日全國秸稈焚燒火點涉及地區情況統計(單位：個)

續表3

省份2014年涉及城市2015年涉及城市2015年與2014年同期相比地區個數變化內蒙古129-3甘肅781吉林880安徽157-8陜西87-1重慶473廣東363寧夏550浙江550江西84-4新疆84-4湖南43-1江蘇93-6廣西102-8貴州32-1北京41-3上海011云南31-2青海110福建30-3海南10-1天津30-3

4 結 論

(1)2015年夏秋收季全國監測到秸稈焚燒火點共計4454個，主要分布在黑龍江、河南、吉林、遼寧、山東、河北、內蒙古、湖北、山西9省，且每個省份火點數均超過100個，共計4174個，占火點總數的94%；其中，黑龍江省火點數最多，達到1824個，遠高于其它省份，占火點總數的41%。

(2)與2014年同期(4197個)相比，2015年夏秋收季秸稈焚燒火點數增加了257個，同比增加6%。秸稈焚燒主要省份(火點數大于100個)中，黑龍江增加最多，同比增加132%，火點數增加1037個；河北增幅次之，同比增加91%；山東、湖北、山西等省也略有增加；安徽、河南、吉林、遼寧、內蒙古等省火點數有明顯減少，其中安徽省減少最為明顯，減少個數為403個。

(3)2015年夏秋季秸稈焚燒高峰期主要集中在6月中旬、10月下旬及11月上旬，呈現雙峰分布，高值出現在6月11日、10月23日以及11月1日、4日、6日，火點數均超過200個，其中最高值出現在11月1日，火點數高達473個。

(4)與2014年同期相比，2015年夏季高峰期出現時間段保持不變，仍集中在6月中旬，但火點總數有所減少；與2014年同期相比，2015年秋季高峰期出現時間段相對較晚，10月中旬火點略有減少，11月上旬火點有明顯增加。

(5)與2014年同期相比，秸稈焚燒火點分布涉及城市個數增加較多的有廣東、四川、重慶，均新增3個城市；減少相對明顯的有安徽、廣西、江蘇、新疆、江西、天津、福建、北京、內蒙古、云南，減少數量超過2個，其中，安徽、廣西均減少8個，江蘇減少6個，新疆、江西均減少4個；其余各省份衛星遙感秸稈焚燒火點分布涉及城市數量變化不大。

[1]段鳳魁等.秸稈焚燒對北京市空氣質量的影響[J].中國環境監測.2001，17(3)：8-11.

[2]厲青，張麗娟，吳傳慶，孫中平，劉曉曼.基于衛星遙感的秸稈焚燒監測及其大氣污染影響分析研究.生態與農村環境學報.2009，25(1)：1-6.

[3]L.Giglio，J.Descloitres，C.O.Justice，and Y.Kaufman，“An enhanced contextual fire detection algorithm for MODIS，” Remote Sensing of Environment，2003，87(3)：273-282.

[4]王橋，厲青，陳良富，張美根，張興贏等，大氣環境衛星遙感技術及其應用，179-180.北京：科學出版社，2011.

[5]Justice C.Algorithm Technical Background Document MODIS Fire Products[S]，Version 2.3，2006.

[6]環境保護部，秸稈焚燒日報，http：//www.mep.gov.cn/hjzl/dqhj/jgjsjcbg/

Analysis and Comparison of Straw Burning Based on Remote Sensing Monitoring Data during Summer and Autumn Harvest Season from 2014 to 2015 in China

ZHANG Lijuan LI Qing CHEN Hui MAO Huiqin ZHOU Chunyan WANG Zhongting ZHANG Yuhuan MA Pengfei CHEN Chuihong

(Satellite Environmental Center，Ministry of Environmental Protection of the People's Republic of China，Beijing 100094)

The paper analyzed the distribution and the trend of straw burning in summer and autumn harvest season from 2014 and 2015 in China based on the inversion information from Terra/Aqua MODIS.The following conclusions can be drawn from the study.(1) There were 4，454 fire points of straw burning in summer and autumn harvest season in 2015 in China.They mainly distributed in Heilongjiang，Henan，Jilin，Liaoning，Shandong，Hebei，Neimenggu，Hubei，Shanxi provinces.Each of these provinces had more than 100 fire points，and the nine provinces totally had 4，174 fire points which accounted for 94% of all fire points in China.Heilongjiang，with the 1842 fire points，had the most fire points which accounted for 41% of all fire points in China.(2) Compared with the same period in 2014，the number of fire points of straw burning added 257 and had a increments of 6% in summer and autumn harvest season in 2015.Among the main provinces of straw burning ( fire points more than 100 )，Heilongjiang had the largest increments of 132%，while the Hebei had an smaller increments of 91% which taken the second place，and then were the Shandong，Hubei，Shanxi.The number of fire points in Anhui，Henan，Jilin，Liaoning，and Neimenggu had reduced significantly.(3) The peak time of straw burning in summer and autumn harvest season in 2015，was mainly in Mid-June，Late-October，and Early-November.There were more than 200 fire points at June 11，Oct 23，Nov 1，Nov 4，Nov 6 and 473 fire points，the highest，at Nov 1.(4) Compared with the same period in 2014，the peak time in summer kept the same in Mid-June in 2015，but the fire points decreased.Compared with the same period in 2014，the peak time in autumn came a little late in 2015，and the fire points slightly reduced in Mid-Oct，increased in Early-Nov significantly.

straw burning；MODIS；summer and autumn harvest season

項目資助：國家自然科學基金(41501407)

張麗娟，碩士，工程師，主要從事大氣環境遙感研究

周春艷，博士，高級工程師，主要從事大氣環境遙感研究

X87

A

1673-288X(2016)06-0061-05

引用文獻格式：張麗娟 等.2014-2015年夏秋收期間全國秸稈焚燒遙感監測結果對比分析[J].環境與可持續發展，2016，41(6)：61-65.