基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的小麥秸稈焚燒監(jiān)測(cè)與分析

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的小麥秸稈焚燒監(jiān)測(cè)與分析

作為一個(gè)全球問(wèn)題，生物燃燒日益受到重視。農(nóng)田秸稈焚燒是生物質(zhì)燃燒的一個(gè)重要組成部分。每年我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量約為6.5億t,其中,50%用作肥料和飼料,30%用作燃料和工業(yè)原料,還有20%的秸稈沒(méi)有得到有效利用。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的農(nóng)村和大城市郊區(qū),由于燃料結(jié)構(gòu)改變和化肥的廣泛使用,秸稈剩余量甚至高達(dá)70%～80%。剩余的秸稈大多被焚燒。農(nóng)作物秸稈燃燒時(shí),會(huì)產(chǎn)生大量的CO2、CO、氮氧化物、苯以及多環(huán)芳烴等有害氣體,不僅危害人體健康,造成環(huán)境污染,而且大量的CO2會(huì)使地球變暖,導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。每年6月是我國(guó)小麥?zhǔn)崭畹闹饕獣r(shí)節(jié),也是秸稈焚燒發(fā)生的嚴(yán)重時(shí)期。1999—2005年,原國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局采取一系列措施,使秸稈禁燒和綜合利用工作取得了較好成效,全國(guó)大部分地區(qū)秸稈焚燒現(xiàn)象得到了有效控制。但近2a來(lái),若干地方出現(xiàn)了嚴(yán)重反彈。由于秸稈焚燒火點(diǎn)分布在各縣、鄉(xiāng),不易查證,難以統(tǒng)計(jì),因此對(duì)秸稈焚燒的治理往往無(wú)的放矢,難以奏效。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)大范圍的秸稈焚燒狀況。國(guó)內(nèi)外在這方面已開(kāi)展了較多研究及應(yīng)用,但主要側(cè)重在獲取秸稈焚燒火點(diǎn)位置、數(shù)目及火點(diǎn)的分布規(guī)律等方面,結(jié)合環(huán)境空氣質(zhì)量的研究還比較少。筆者在監(jiān)測(cè)我國(guó)2007年6月秸稈焚燒結(jié)果的基礎(chǔ)上,選擇某市研究秸稈焚燒對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響,研究結(jié)果將為控制秸稈焚燒并進(jìn)行相應(yīng)的環(huán)境監(jiān)察、執(zhí)法提供依據(jù)。1華北平原5-12以2007年6月全國(guó)32省(市、自治區(qū))(包括臺(tái)灣)為研究區(qū)域,通過(guò)數(shù)據(jù)提取與信息處理,研究冬小麥?zhǔn)崭钇谌珖?guó)秸稈焚燒狀況。我國(guó)小麥種植面積占全國(guó)糧食作物總面積1/4,分布遍及全國(guó)各省(市、自治區(qū))。根據(jù)各地域的氣候特征、土壤類(lèi)型、種植制度以及栽培特點(diǎn)等,將全國(guó)小麥種植區(qū)劃分為東北春麥區(qū)、北部春麥區(qū)、西北春麥區(qū)、新疆冬春麥區(qū)、青藏春冬麥區(qū)、北部冬麥區(qū)、黃淮冬麥區(qū)、長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)、西南冬麥區(qū)和華南冬麥區(qū)10個(gè)主區(qū)。華北平原(即黃淮海平原)是本文的重點(diǎn)研究區(qū)域。華北平原是中國(guó)第2大平原,位于黃河下游。西起太行山脈和豫西山地,東到黃海、渤海和山東丘陵,北起燕山山脈,西南到桐柏山和大別山,東南至蘇、皖北部,與長(zhǎng)江中下游平原相連。延展至北京市、天津市、河北省、山東省、河南省、安徽省和江蘇省7省、市的境域,面積約30萬(wàn)km2。華北平原屬暖溫帶大陸性氣候區(qū),四季變化明顯。南部淮河流域處于向亞熱帶過(guò)渡地區(qū),氣溫和降水量比北部高。農(nóng)作物大多為兩年三熟,南部一年兩熟。主要糧食作物有小麥、水稻、玉米、高粱、谷子和甘薯等,主要經(jīng)濟(jì)作物有棉花、花生、芝麻、大豆和煙草等。華北平原屬黃淮冬麥區(qū),是秸稈焚燒污染的嚴(yán)重區(qū)域。另外選取某典型城市為重點(diǎn)研究對(duì)象,分析秸稈焚燒對(duì)該市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。2數(shù)據(jù)和處理方法2.1環(huán)境環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)秸稈焚燒的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)傳感器是NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星的MODIS,MODIS是NASA的EOS系列衛(wèi)星的主要探測(cè)儀器,探測(cè)器每天覆蓋全球1次,具有36個(gè)光譜通道,分布在0.4～14μm波譜范圍內(nèi),為反演陸地、云、氣溶膠、水汽、臭氧、火點(diǎn)等分布提供了豐富信息。用于秸稈焚燒研究的2007年6月火點(diǎn)數(shù)據(jù)來(lái)自馬里蘭大學(xué)的MODISWebFireMapper網(wǎng)站,該網(wǎng)站以文本或矢量文件的形式提供MODIS1km火點(diǎn)數(shù)據(jù)?；瘘c(diǎn)文件的屬性包括9個(gè)字段,依次為經(jīng)度、緯度、中紅外波段亮度溫度、掃描方向、沿軌方向像元的大小、獲取日期、獲取時(shí)間、衛(wèi)星型號(hào)(Terra或Aqua)、可信度(0～100)。獲取日期是全球標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(UTC)時(shí)間,每顆星每天過(guò)境2次。環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)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)。根據(jù)空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和各項(xiàng)污染物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)及其對(duì)人體健康的影響程度,將常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物濃度簡(jiǎn)化為單一的概念性指數(shù)值,即空氣污染指數(shù)(API)。環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)所用API的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是:(1)API在50以下對(duì)應(yīng)的污染物濃度為國(guó)家空氣質(zhì)量日均值Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);(2)API為51～100時(shí)對(duì)應(yīng)的污染物濃度為國(guó)家空氣質(zhì)量日均值Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn);(3)API更高值段的分級(jí)對(duì)應(yīng)于各種污染物對(duì)人體健康產(chǎn)生不同影響時(shí)的濃度限制?？梢?jiàn)空氣質(zhì)量在Ⅲ級(jí)以上(含Ⅲ級(jí))對(duì)人體或環(huán)境會(huì)產(chǎn)生危害。其他配套數(shù)據(jù)包括1∶400萬(wàn)中國(guó)行政邊界圖、1∶100萬(wàn)中國(guó)土地利用數(shù)據(jù)、中國(guó)小麥區(qū)劃圖及氣象資料。2.2處理方法2.2.1火炬點(diǎn)特征的確定秸稈焚燒火點(diǎn)信息提取是在MODIS火點(diǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用GIS分析工具進(jìn)一步分析提取的。MODIS火點(diǎn)數(shù)據(jù)的算法為“上下文相關(guān)探測(cè)算法”,其原理是通過(guò)計(jì)算中心點(diǎn)像元與周?chē)裨獪囟鹊慕y(tǒng)計(jì)特征,設(shè)置若干判據(jù)和閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)熱異常探測(cè),主要包括火點(diǎn)確定、耀斑濾除。本研究所指“火點(diǎn)”僅表示MODIS火點(diǎn)像元的中心位置,像元的實(shí)際大小則依過(guò)境時(shí)的掃描角度而異。在統(tǒng)計(jì)像元的數(shù)目時(shí),像元被抽象為“點(diǎn)”。數(shù)據(jù)處理時(shí),首先利用ArcMap軟件的空間裁剪功能,從全球火點(diǎn)異常數(shù)據(jù)中提取出中國(guó)地區(qū)的熱異常點(diǎn)。再將“火點(diǎn)”圖層疊加中國(guó)行政區(qū)域,通過(guò)比較多天的火點(diǎn)分布情況并疊加土地利用信息、中國(guó)小麥區(qū)劃圖,排除一些鋼鐵廠等典型誤探測(cè)火點(diǎn)。在非秸稈焚燒固定火點(diǎn)的處理中,部分鋼鐵廠、火電廠的位置通過(guò)網(wǎng)上查尋或已有積累的資料得到?？紤]到幾何定位的誤差,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)。其他固定火源的去留通過(guò)比較1a時(shí)間序列的火點(diǎn)特征來(lái)確定。如果同一位置在3個(gè)月內(nèi)都出現(xiàn)火點(diǎn),則被判斷為固定火源而去除。2.2.2秸稈焚燒時(shí)間序列及緩沖分析利用2007年6月某市及周邊地區(qū)MODIS衛(wèi)星遙感的火點(diǎn)數(shù)據(jù)與我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)發(fā)布的2007年6月該市環(huán)境空氣質(zhì)量日?qǐng)?bào)中的API及等級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間序列比較,并用GIS緩沖區(qū)分析方法,以該市為中心生成600、700、800km的緩沖區(qū),統(tǒng)計(jì)落在緩沖區(qū)內(nèi)的火點(diǎn)數(shù),分析秸稈焚燒范圍對(duì)環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。3結(jié)果與分析3.1秸稈焚燒時(shí)間分布6月是我國(guó)秸稈焚燒最嚴(yán)重的月份之一,這與我國(guó)北方、南方的冬小麥秸稈焚燒密切相關(guān)。遙感監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析表明,秸稈焚燒火點(diǎn)主要分布在北方冬小麥生產(chǎn)區(qū)的河北、河南、山東、陜西、山西等省,以及南方冬小麥生產(chǎn)區(qū)的江蘇、四川、安徽、山東、湖北、浙江、福建、廣東、廣西、云南等地。其中,河南、江蘇、安徽、山東、河北、山西、陜西、廣東是秸稈焚燒較為嚴(yán)重的8個(gè)省份,具體見(jiàn)圖1和圖2所示。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析表明,2007年全國(guó)秸稈焚燒時(shí)間主要發(fā)生在6月上半月。6月上半月秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)占全月的87.3%,火點(diǎn)主要集中在華北平原的河南、江蘇、安徽、山東、河北5省,南方冬小麥生產(chǎn)區(qū)也有少量分布;2007年6月下半月的秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)僅占全月的12.7%,具體見(jiàn)圖3和圖4。2007年6月全國(guó)秸稈焚燒火點(diǎn)總數(shù)13487個(gè),華北平原河南、江蘇、安徽、山東、河北、天津、北京的火點(diǎn)數(shù)11716個(gè),占全國(guó)火點(diǎn)總數(shù)的86.9%,可見(jiàn)華北平原為秸稈焚燒的集中區(qū)域。3.2火炬點(diǎn)分布趨勢(shì)基于地理信息系統(tǒng)工具,以某市為中心,生成600、700、800km范圍緩沖區(qū),對(duì)2007年6月某市環(huán)境空氣質(zhì)量等級(jí)數(shù)據(jù)與緩沖區(qū)內(nèi)秸稈焚燒火點(diǎn)分布情況進(jìn)行時(shí)間序列分析,結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。相關(guān)分析表明,某市600、700、800km范圍緩沖區(qū)內(nèi)火點(diǎn)數(shù)與API的相關(guān)系數(shù)分別為0.04、0.54、0.54,說(shuō)明700、800km范圍緩沖區(qū)內(nèi)的火點(diǎn)分布趨勢(shì)與API有較好的一致性。從該市6月API的分布趨勢(shì)(圖5)來(lái)看,6月空氣污染狀況格外嚴(yán)重,50%以上天數(shù)的API超過(guò)100,空氣質(zhì)量級(jí)別不到Ⅱ級(jí)。其中,空氣污染比較嚴(yán)重的日期主要集中在6月6—13日及17—23日。從700km范圍緩沖區(qū)內(nèi)火點(diǎn)的分布趨勢(shì)(圖6)來(lái)看,從6月5日開(kāi)始火點(diǎn)數(shù)增多,持續(xù)到15日。其中7日、12日火點(diǎn)數(shù)較多,12日該市當(dāng)?shù)匾灿袔滋幓瘘c(diǎn)出現(xiàn),13日火點(diǎn)數(shù)有所下降,具體見(jiàn)圖7。對(duì)于6月17—21日的污染高峰,由于受云覆蓋影響,遙感監(jiān)測(cè)到的火點(diǎn)數(shù)很少,與環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)沒(méi)有可比性。結(jié)合密云臺(tái)站及周邊氣象臺(tái)站的氣象資料綜合分析得知,空氣污染比較嚴(yán)重的6月6—13日,該地區(qū)大氣層穩(wěn)定,地面溫度高,平均氣溫27℃,平均相對(duì)濕度54%,無(wú)降水,平均風(fēng)速小于2m·s-1,不利于污染物擴(kuò)散。期間,秸稈焚燒火點(diǎn)位置基本位于某市南面,同時(shí)周邊地區(qū)風(fēng)向以西南、南、東南為主,因此,在不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件下,再受6月5—12日較強(qiáng)外來(lái)秸稈焚燒煙霧影響,致使該市的空氣質(zhì)量處于較差狀況。6月13日火點(diǎn)較少,14—15日,雖然火點(diǎn)較多,但當(dāng)?shù)靥鞖馇缋?空氣質(zhì)量達(dá)到良?？梢?jiàn),氣象條件也是影響空氣質(zhì)量的重要因素。4秸稈焚燒火點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析利用衛(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