基于氣象衛星的黑龍江省秸稈焚燒監測

高玉宏+楊蕾+劉成新+呂明佳+張瑋

摘 要：本文以黑龍江省為研究區域，以風云三號氣象衛星遙感數據資料為基礎，選取2016年秸稈焚燒高發期的10月的FY3B的VIRR遙感影像，通過對波段特性的深入分析和計算，獲取黑龍江省農作物收獲季節小麥秸稈焚燒點信息，進行火點判識處理，以期為生態環境問題的防治提供可靠依據。

關鍵詞：FY-3B；VIRR；秸稈焚燒監測；黑龍江省

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

近年來，春季農耕之前和夏秋農作物收獲之后，秸稈焚燒這一現象引發了嚴重的生態環境問題。傳統地面秸稈焚燒監測主要為人工手段，在獲取信息方面速度比較慢，無法及時獲取大范圍地區的秸稈焚燒空間分布。利用衛星遙感監測技術，可以宏觀、快速、動態地監測秸稈焚燒信息，獲取大范圍的地面信息，確定秸稈焚燒火點位置、數目及火點的分布規律。國內外在衛星遙感監測秸稈焚燒方面已經開展了較多的研究，但主要是基于MODIS的衛星觀測數據進行的，如劉婷、嚴飛等分別對河南省和江蘇省的秸稈焚燒情況進行監測，效果良好。也有應用更高分辨率的影像，如田慶久應用HJ-1B數據對江蘇省進行秸稈焚燒監測，馬建行應用Landsat8數據對松嫩平原進行秸稈焚燒監測，這些數據具有空間分辨率較高的優點，監測效果良好。

目前應用氣象衛星數據進行秸稈焚燒監測的實例還沒有普及。風云三號氣象衛星是第二代極軌氣象衛星，其具有監測范圍大、實時性強的特點。以黑龍江省為研究區域，選取2016年秸稈焚燒高發期的10月的FY3B的VIRR遙感影像，通過對波段特性的深入分析和計算，獲取黑龍江省農作物收獲季節小麥秸稈焚燒點信息，進行火點判識處理，并且得到詳細的坐標位置，估算焚燒面積。

一、研究區域和數據

黑龍江省位于中國最東北部，得天獨厚的平原地貌和肥沃的黑土地條件，農用地面積較大。黑龍江省上半年農田秸稈焚燒期主要集中在4月和5月，下半年農田秸稈焚燒期主要集中在10和11兩個月份。

本文主要應用FY3B衛星的可見光紅外掃描輻射計VIRR數據，包含10個光譜通道，其中包括4個可見光通道、3個熱紅外通道、兩個短波紅外和1個近紅外通道。

二、衛星監測秸稈焚燒火點的原理

秸稈焚燒衛星遙感監測主要是探測秸稈焚燒引起的地面熱異常火點，其原理是基于維恩位移定律，黑體溫度和輻射峰值波長呈反比，即一個物體溫度越高，其輻射譜的波長越短。熱異常點的一個顯著特征就是紅外波段的輻射能量高于常溫地物。秸稈焚燒屬于生物質燃燒，生物質燃燒時，在中紅外波段的輻射值要遠遠高于其周圍背景像元，其輻亮度特征非常明顯。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。

三、基于VIRR數據的火點監測

1.研究方法

VIRR火點算法的關鍵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，通過多閾值判別提取火點像元。

2.算法設計

（1）云和水檢測

首先消除云的干擾，判識條件為可見光波段1（T1）大于200，并且遠紅外波段4（T4）小于270K。

其次進行水體檢測，判識條件為波段1（T1）和近紅外波段2（T2）的歸一化比值，小于0的判識為水像元。

3.背景溫度計算

將被監測點與周圍像素點的溫度關系進行比較。提取背景信息時濾除火點的條件為：以被監測點為中心，建立周邊鄰域大小為N×N個的像元背景窗口，起始大小為5×5，若有效背景像元不夠，則增大窗口，對窗口中的背景像元進行分類并統計其溫度特性。同時滿足中紅外波段3（T3）大于310K。

4.疑似和絕對火點判斷

疑似火點判識按照以下規則：最小鄰域7×7，最大鄰域19×19，T3大于310K，T3與T4的差值大于10K。

絕對火點判斷條件為：T4大于340K，T3大于310K，并且T3和T4的差值大于30K，異常像元個數6。

四、研究結果

本文選取少有云影響的2016年10月26日至31日的FY-3B的VIRR遙感影像數據，此時數據刻覆蓋黑龍江省全部范圍，應用ENVI，arcGIS，以及衛星監測分析與遙感應用系統（SMART）等軟件為數據處理平臺，經過輻射定標和幾何定位后，等經緯度投影，基準面為WGS-84坐標系。

根據上述原理與算法，應用VIRR遙感數據進行秸稈焚燒監測處理，獲取熱異常點的分布，首先基于衛星遙感數據對火點進行識別和熱輻射特性的反演，獲取遙感數據可識別的所有火點像元空間位置、面積等信息，然后結合Google earth衛星驗證氣象衛星秸稈焚燒火點精度，提取土地分類數據，將火點進行疊加分析，獲得它的土地類型，類型為農田的判斷為秸稈焚燒點。VIRR數據圖像像素的分辨率是1.1km，因此覆蓋面積為1.21km2左右。氣象衛星監測的火點像素指的是該像元中監測到有明火區，但不是說像素內全部是明火區。實際上由于氣象衛星對明火比較敏感，監測的火點像素內的明火區面積遠遠小于像元面積。

除去有云區域焚燒點提取受到影響不明確之外，2016年11月26日至31日，在地域分布上，黑龍江省秸稈焚燒分布于在松嫩平原和三江平原等糧食主產區，主要集中于哈爾濱地區、綏化地區、齊齊哈爾地區和佳木斯地區。經過分析計算，秸稈焚燒像元覆蓋面積分別為992.3km2、530.42km2、483.15km2、420.76km2、450.54km2、365.1km2，其中明火面積分別為46.92hm2、36.3hm2、17.82hm2、21.95hm2、21.33hm2、20.29hm2。

六、討論

綜上所述，本研究還具有以下幾點不足：

（1）應用風云三號衛星遙感數據進行秸稈焚燒監測的實例還很少，一些具體的算法設計還不成熟，閾值的提取范圍還需要集合實地考察，進行精度驗證，針對不同季節，下墊面溫度的不同提出適宜性方案。

（2）數據的精度不高，考慮以后同高分辨率衛星數據相結合，更加精確的提取秸稈焚燒火點。

參考文獻

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