石家莊市秸稈焚燒遙感監測及其對空氣質量的影響分析

文|李婧 石家莊市環境綜合執法支隊

一、引言

秸稈焚燒是大氣中細顆粒物的一個主要來源，不僅能夠惡化區域空氣質量，降低大氣的能見度，而且改變生態系統的循環，產生不利的健康效應。及時準確地監測秸稈焚燒的時間和地點，掌握農民進行秸稈焚燒的地域分布和動態變化，對秸稈焚燒的管控工作和空氣質量的保障起到至關重要的作用。華北平原作為我國重要的糧食生產基地，在每年秋收時節都會出現焚燒秸稈現象，對秸稈焚燒的監測一直是環保部門的重要任務之一。而傳統的火點監測需要花費大量的人力、財力和物力，通過人工定點監測的方式解決。近些來，隨著衛星技術的普及和遙感監控的發展，通過遙感衛星來研究秸稈焚燒火點監測的研究越來越多[1]。高玉宏[2]等以風云三號氣象衛星遙感數據為數據源，對黑龍江省進行火點判識處理。馮登超[3]等人結合資源三號衛星影像對秸稈焚燒點進行監測。武喜紅[4]等以河南省太康縣為區域，基于多源遙感數據對秸稈焚燒過火面積進行估算。本文選擇以石家莊市為研究區，分析2018年10月1日至10日秋收集中期秸稈焚燒情況，及其對空氣質量的影響分析，以期找出規律，為環境保護提出合理化建議。

二、研究區域

河北省是全國糧油集中產區之一，可耕地面積達600多萬公頃，居全國第四位。高產、穩產集中產區在太行山東麓平原。每年農作物夏收、秋收季節，農村和大中城市郊區等地秸稈集中焚燒現象嚴重，大面積秸稈焚燒帶來的煙霧彌漫，嚴重污染大氣環境。

本文以石家莊作為研究區域，進行秸稈焚燒的監測與分析。石家莊主要農作物有優質玉米、小麥、棉花、梨、棗、核桃等，品種多、種植面積大，是河北省糧、棉主產區，現已發展成為中國北方綠色農業基地之一，是中國糧、菜、肉、蛋、果主產區之一，農業集約化和產業化水平較高，生產規模位居中國36個重點城市第一位，被國家確定為優質小麥生產基地，素有中國“北方糧倉”之稱。秋冬季節是秸稈焚燒污染的嚴重區域，本文選取2018年10月1-10日為重點研究時段，通過衛星遙感數據信息處理結合環保部門提供的省級地面監測站每小時城市空氣質量指數、氣象網站發布的每天主要風向、風速數據，分析秸稈焚燒對該市環境空氣質量的影響[5]。

三、數據與火點監測方法

1.數據

可見光紅外成像輻射儀（Visible Infrared Imaging Radiometer VIIRS），是搭載在美國國家極軌業務環境衛星系統計劃衛星（Suomi NPP）上搭載的傳感器，高分辨率輻射儀AVHRR和地球觀測系列中分辨率成像光譜儀MODIS系列的拓展和改進。NPP 是在2011年由美國國家航空航天局（NASA）、美國國家海洋大氣管理局（NOAA）和美國空軍共同研發發射的衛星系統，可用于探測地球環境和大氣。掃描式成像輻射儀，可收集陸地、大氣、冰層和海洋在可見光和紅外波段的輻射圖像[6-8]。VIIRS數據可用來測量云量和氣溶膠特性、海洋水色、海洋和陸地表面溫度、海冰運動和溫度、火災和地球反照率[9]。具體參數見表1。

表1 NPP-VIIRS基本參數

2.監測方法

（1）秸稈焚燒火點監測原理

利用衛星遙感數據的像元過火前后地表輻射特征的變化，以及過火后地表與其他地物輻射特征差異，可以識別過火像元，其主要特征差異為像元的熱異常[10-12]。熱異常火點的一個顯著特征為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即可實現熱異常火點判別。識別出火點后疊加土地利用數據，便可獲得秸稈焚燒火點的分布[13]。

（2）火點監測

可見光紅外成像輻射儀（VIIRS）數據的火點檢測算法是在中分辨率成像光譜儀（MODIS）火點算法的基礎上發展起來的，利用多光譜結合的上下文分析方法[14]，識別亞像元動態火點和其他熱力異常。本文算法利用VIIRS 375m數據的0.65μm 附近的可見光紅波段，0.8μm 附近的近紅外波段，4μm 附近的中紅外波段，11μm、12μm 附近的熱紅外波段通道，探測火點的同時區分圖像中的陸地、水體和云，排除其他可能存在的干擾[15]。監測方法如下：

第一步，提取火點識別所需的可見光、近紅外波段的表觀反射率及中紅外、熱紅外波段的表觀輻射亮度；將中紅外、熱紅外波段的表觀輻射亮度轉換為表觀亮度溫度。

圖1 石家莊市遙感監測火點分布情況

第二步，云檢測及水體像元識別及剔除。火點識別針對的是無云的陸地像元，因此需要嚴格準確的云檢測剔除有云像元和水體像元。當遙感數據具有紅、近紅外波段及熱紅外波段時，如果像元滿足下述條件則被標識為“云”。

第三步，熱異常火點提取。判別潛在火點，去除虛假火點。

第四步，秸稈焚燒火點提取。結合土地分類數據，通過地理信息系統軟件的疊加分析功能，把位于農田范圍內的火點提取出來作為秸稈焚燒火點。

第五步，秸稈焚燒火點信度估算。對最終確定為秸稈焚燒火點的像元可以通過對其溫度特性的統計分析，估算其火點信度[16]。

四、監測結果與分析

1.監測結果

2018年10月1日至10日，基于NPP-VIIRS遙感數據，在石家莊市林地、耕地、草地等非城鎮用地范圍內共監測到157個火點（不包括云覆蓋下的火點信息）。全市遙感監測火點分布情況詳情如下（如圖1、圖2），石家莊市火點數量西多東少，其中平山縣、井陘礦區、鹿泉區最多，分別發現火點36個、31個、22個。

圖2 石家莊市各縣區遙感監測火點分布情況

詳細分析10月1日至10日每天秸稈焚燒狀況（如圖2、圖3），火點分布主要集中在西北部地區。其中，10月1日火點數量最多，從10月4日起，秸稈焚燒火點逐漸減少。由此可以鎖定秋收秸稈焚燒集中期主要在10月1日至4日期間。

圖3 10月1-10日遙感監測火點統計

由于Suomi NPP衛星是午后（12:00-15：00左右）和半夜（1:00-3：00左右）過境，利用VIIRS數據可以對比白天與夜間秸稈焚燒情況。從單日時段來看（如圖4、圖5），火點主要集中在夜間，尤其是凌晨1點與2點秸稈焚燒最為集中，焚燒范圍分布廣，而白天則相對較少。這主要由于白天監察人員巡查頻繁，有效抑制了秸稈焚燒情況，秸稈焚燒發生于夜間人工執法的間歇期。這充分說明了利用衛星遙感手段進行全天時焚燒火點監測，從而代替人工巡查的迫切性。

圖4 10月1-10日遙感監測火點白天與夜間分布情況

圖5 10月1-10日遙感監測火點時段分布統計

2.對空氣質量影響

結合每天地面監測站點空氣質量指數均值數據，分析10月1日至10日每天的秸稈焚燒對空氣質量影響（如圖6），10月1日至10月5日AQI逐漸升高，空氣質量轉差，到10月5日AQI達到峰值，10月5日開始AQI數值降低趨勢明顯，空氣質量轉好。AQI的峰值及變化與秸稈焚燒火點情況不一致，結合氣象網站發布的歷史風向風速數據分析發現，10月1日至4日風速為1級，空氣質量主要考慮本地焚燒煙塵影響，且秸稈焚燒火點較多，大氣污染逐漸累計，空氣質量呈轉差趨勢，10月5日降為微風，導致煙塵更加不宜擴散，AQI達到峰值。其后，火點數量減少，AQI值呈降低趨勢，但10月8日AQI出現凸高值，考慮為外來污染傳輸。

結合10月1日至10日各時段地面監測站點空氣質量指數均值，分析不同時段的秸稈焚燒對空氣質量影響（如圖7），夜間AQI明顯高于白天，且在凌晨2點出現峰值，這一結果與秸稈焚燒火點分布情況一致。

綜上分析，說明秸稈火點數量對于空氣質量AQI有直接的影響：在風速較小不利于擴散的情況下，每天的大氣污染呈累計態勢，從時段變化來看，秸稈焚燒強度和AQI峰值產生的時段基本一致。

圖6 10月1-10日AQI統計

圖7 10月1-10日AQI時段統計

為進一步確定秸稈焚燒火點對空氣質量的影響（如圖8），將西部區縣（井陘礦區、井陘縣、靈壽縣、鹿泉區、平山縣、贊皇縣、橋西區、新華區、行唐縣）的火點數量與10月1日至4日的AQI均值做相關性分析，發現二者具有正相關關系，即火點數量越多，空氣AQI值越高，說明了秸稈焚燒現象確實存在影響空氣質量。但由于NPP-VIIRS每天只過境兩次，數據有限，覆蓋時間范圍較短，故而相關系數不明顯。

圖8 西部區縣火點數量與AQI相關系分析

五、結論

綜合以上分析結果，說明衛星遙感針對秸稈焚燒的環境事件具有較強的應用潛力，可以協助環保人員掌握秸稈焚燒火點的時空分布。結合氣象要素及空氣質量指數等相關環保參數，可精細化地分析秸稈焚燒污染物對城市空氣質量的影響的時間和空間范圍，對此，本文也在一定程度上證明了秸稈焚燒現象與城市空氣質量指數存在正相關性。由此可見，基于遙感秸稈的焚燒火點監測在生態環境保護中具有重要的現實意義，將為相關部門提供科學技術支撐。