基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的小麥秸稈焚燒監(jiān)測與分析

基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的小麥秸稈焚燒監(jiān)測與分析

作為一個全球問題，生物燃燒日益受到重視。農(nóng)田秸稈焚燒是生物質(zhì)燃燒的一個重要組成部分。每年我國農(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%的秸稈沒有得到有效利用。在經(jīng)濟發(fā)達地區(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70%～80%。剩余的秸稈大多被焚燒。農(nóng)作物秸稈燃燒時,會產(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會使地球變暖,導致災害發(fā)生。每年6月是我國小麥收割的主要時節(jié),也是秸稈焚燒發(fā)生的嚴重時期。1999—2005年,原國家環(huán)境保護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,全國大部分地區(qū)秸稈焚燒現(xiàn)象得到了有效控制。但近2a來,若干地方出現(xiàn)了嚴重反彈。由于秸稈焚燒火點分布在各縣、鄉(xiāng),不易查證,難以統(tǒng)計,因此對秸稈焚燒的治理往往無的放矢,難以奏效。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有時效性強、資料獲取快捷和費用低廉的特點,利用衛(wèi)星遙感技術(shù)可以動態(tài)、準確地監(jiān)測大范圍的秸稈焚燒狀況。國內(nèi)外在這方面已開展了較多研究及應用,但主要側(cè)重在獲取秸稈焚燒火點位置、數(shù)目及火點的分布規(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)測我國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行相應的環(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32省(市、自治區(qū))(包括臺灣)為研究區(qū)域,通過數(shù)據(jù)提取與信息處理,研究冬小麥收割期全國秸稈焚燒狀況。我國小麥種植面積占全國糧食作物總面積1/4,分布遍及全國各省(市、自治區(qū))。根據(jù)各地域的氣候特征、土壤類型、種植制度以及栽培特點等,將全國小麥種植區(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)、長江中下游冬麥區(qū)、西南冬麥區(qū)和華南冬麥區(qū)10個主區(qū)。華北平原(即黃淮海平原)是本文的重點研究區(qū)域。華北平原是中國第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重區(qū)域。另外選取某典型城市為重點研究對象,分析秸稈焚燒對該市環(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)測系統(tǒng)秸稈焚燒的衛(wèi)星遙感監(jiān)測傳感器是NASA的Terra和Aqua衛(wèi)星的MODIS,MODIS是NASA的EOS系列衛(wèi)星的主要探測儀器,探測器每天覆蓋全球1次,具有36個光譜通道,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月火點數(shù)據(jù)來自馬里蘭大學的MODISWebFireMapper網(wǎng)站,該網(wǎng)站以文本或矢量文件的形式提供MODIS1km火點數(shù)據(jù)?；瘘c文件的屬性包括9個字段,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、獲取時間、衛(wèi)星型號(Terra或Aqua)、可信度(0～100)。獲取日期是全球標準時(UTC)時間,每顆星每天過境2次。環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來自于中國環(huán)境監(jiān)測總站每日公布的城市空氣質(zhì)量日報。根據(jù)空氣環(huán)境質(zhì)量標準和各項污染物的生態(tài)環(huán)境效應及其對人體健康的影響程度,將常規(guī)監(jiān)測的幾種空氣污染物濃度簡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)量日報所用API的分級標準是:(1)API在50以下對應的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值Ⅰ級標準;(2)API為51～100時對應的污染物濃度為國家空氣質(zhì)量日均值Ⅱ級標準;(3)API更高值段的分級對應于各種污染物對人體健康產(chǎn)生不同影響時的濃度限制?？梢娍諝赓|(zhì)量在Ⅲ級以上(含Ⅲ級)對人體或環(huán)境會產(chǎn)生危害。其他配套數(shù)據(jù)包括1∶400萬中國行政邊界圖、1∶100萬中國土地利用數(shù)據(jù)、中國小麥區(qū)劃圖及氣象資料。2.2處理方法2.2.1火炬點特征的確定秸稈焚燒火點信息提取是在MODIS火點數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上利用GIS分析工具進一步分析提取的。MODIS火點數(shù)據(jù)的算法為“上下文相關(guān)探測算法”,其原理是通過計算中心點像元與周圍像元溫度的統(tǒng)計特征,設(shè)置若干判據(jù)和閾值來實現(xiàn)熱異常探測,主要包括火點確定、耀斑濾除。本研究所指“火點”僅表示MODIS火點像元的中心位置,像元的實際大小則依過境時的掃描角度而異。在統(tǒng)計像元的數(shù)目時,像元被抽象為“點”。數(shù)據(jù)處理時,首先利用ArcMap軟件的空間裁剪功能,從全球火點異常數(shù)據(jù)中提取出中國地區(qū)的熱異常點。再將“火點”圖層疊加中國行政區(qū)域,通過比較多天的火點分布情況并疊加土地利用信息、中國小麥區(qū)劃圖,排除一些鋼鐵廠等典型誤探測火點。在非秸稈焚燒固定火點的處理中,部分鋼鐵廠、火電廠的位置通過網(wǎng)上查尋或已有積累的資料得到?？紤]到幾何定位的誤差,對于1km范圍內(nèi)的簇狀點群以其中心點作為1個火點,刪除其周邊點。其他固定火源的去留通過比較1a時間序列的火點特征來確定。如果同一位置在3個月內(nèi)都出現(xiàn)火點,則被判斷為固定火源而去除。2.2.2秸稈焚燒時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)星遙感的火點數(shù)據(jù)與我國環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)發(fā)布的2007年6月該市環(huán)境空氣質(zhì)量日報中的API及等級數(shù)據(jù)進行時間序列比較,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)計落在緩沖區(qū)內(nèi)的火點數(shù),分析秸稈焚燒范圍對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響。3結(jié)果與分析3.1秸稈焚燒時間分布6月是我國秸稈焚燒最嚴重的月份之一,這與我國北方、南方的冬小麥秸稈焚燒密切相關(guān)。遙感監(jiān)測統(tǒng)計分析表明,秸稈焚燒火點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重的8個省份,具體見圖1和圖2所示。進一步統(tǒng)計分析表明,2007年全國秸稈焚燒時間主要發(fā)生在6月上半月。6月上半月秸稈焚燒火點數(shù)占全月的87.3%,火點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數(shù)僅占全月的12.7%,具體見圖3和圖4。2007年6月全國秸稈焚燒火點總數(shù)13487個,華北平原河南、江蘇、安徽、山東、河北、天津、北京的火點數(shù)11716個,占全國火點總數(shù)的86.9%,可見華北平原為秸稈焚燒的集中區(qū)域。3.2火炬點分布趨勢基于地理信息系統(tǒng)工具,以某市為中心,生成600、700、800km范圍緩沖區(qū),對2007年6月某市環(huán)境空氣質(zhì)量等級數(shù)據(jù)與緩沖區(qū)內(nèi)秸稈焚燒火點分布情況進行時間序列分析,結(jié)果見圖5和圖6。相關(guān)分析表明,某市600、700、800km范圍緩沖區(qū)內(nèi)火點數(shù)與API的相關(guān)系數(shù)分別為0.04、0.54、0.54,說明700、800km范圍緩沖區(qū)內(nèi)的火點分布趨勢與API有較好的一致性。從該市6月API的分布趨勢(圖5)來看,6月空氣污染狀況格外嚴重,50%以上天數(shù)的API超過100,空氣質(zhì)量級別不到Ⅱ級。其中,空氣污染比較嚴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)火點的分布趨勢(圖6)來看,從6月5日開始火點數(shù)增多,持續(xù)到15日。其中7日、12日火點數(shù)較多,12日該市當?shù)匾灿袔滋幓瘘c出現(xiàn),13日火點數(shù)有所下降,具體見圖7。對于6月17—21日的污染高峰,由于受云覆蓋影響,遙感監(jiān)測到的火點數(shù)很少,與環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)沒有可比性。結(jié)合密云臺站及周邊氣象臺站的氣象資料綜合分析得知,空氣污染比較嚴重的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℃,平均相對濕度54%,無降水,平均風速小于2m·s-1,不利于污染物擴散。期間,秸稈焚燒火點位置基本位于某市南面,同時周邊地區(qū)風向以西南、南、東南為主,因此,在不利于污染物擴散的氣象條件下,再受6月5—12日較強外來秸稈焚燒煙霧影響,致使該市的空氣質(zhì)量處于較差狀況。6月13日火點較少,14—15日,雖然火點較多,但當?shù)靥鞖馇缋?空氣質(zhì)量達到良?？梢?氣象條件也是影響空氣質(zhì)量的重要因素。4秸稈焚燒火點監(jiān)測結(jié)果分析利用衛(wèi)星遙感手段對秸稈焚燒火點進行監(jiān)測,是對地面常規(guī)監(jiān)測方法的有效補充。MODIS數(shù)據(jù)具有波段多、靈敏度高、時效性強等特點,能夠較好地監(jiān)測與監(jiān)控地面火點秸稈焚燒現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,對于科學、準確、迅速地了解秸稈焚燒動態(tài)變化,提高預警能力和監(jiān)督檢查的效率具有重