基于卫星遥感技术的小麦秸秆焚烧监测与分析

基于卫星遥感技术的小麦秸秆焚烧监测与分析

作为一个全球问题，生物燃烧日益受到重视。农田秸秆焚烧是生物质燃烧的一个重要组成部分。每年我国农作物秸秆产生量约为6.5亿t,其中,50%用作肥料和饲料,30%用作燃料和工业原料,还有20%的秸秆没有得到有效利用。在经济发达地区的农村和大城市郊区,由于燃料结构改变和化肥的广泛使用,秸秆剩余量甚至高达70%～80%。剩余的秸秆大多被焚烧。农作物秸秆燃烧时,会产生大量的CO2、CO、氮氧化物、苯以及多环芳烃等有害气体,不仅危害人体健康,造成环境污染,而且大量的CO2会使地球变暖,导致灾害发生。每年6月是我国小麦收割的主要时节,也是秸秆焚烧发生的严重时期。1999—2005年,原国家环境保护总局采取一系列措施,使秸秆禁烧和综合利用工作取得了较好成效,全国大部分地区秸秆焚烧现象得到了有效控制。但近2a来,若干地方出现了严重反弹。由于秸秆焚烧火点分布在各县、乡,不易查证,难以统计,因此对秸秆焚烧的治理往往无的放矢,难以奏效。卫星遥感技术具有时效性强、资料获取快捷和费用低廉的特点,利用卫星遥感技术可以动态、准确地监测大范围的秸秆焚烧状况。国内外在这方面已开展了较多研究及应用,但主要侧重在获取秸秆焚烧火点位置、数目及火点的分布规律等方面,结合环境空气质量的研究还比较少。笔者在监测我国2007年6月秸秆焚烧结果的基础上,选择某市研究秸秆焚烧对环境空气质量的影响,研究结果将为控制秸秆焚烧并进行相应的环境监察、执法提供依据。1华北平原5-12以2007年6月全国32省(市、自治区)(包括台湾)为研究区域,通过数据提取与信息处理,研究冬小麦收割期全国秸秆焚烧状况。我国小麦种植面积占全国粮食作物总面积1/4,分布遍及全国各省(市、自治区)。根据各地域的气候特征、土壤类型、种植制度以及栽培特点等,将全国小麦种植区划分为东北春麦区、北部春麦区、西北春麦区、新疆冬春麦区、青藏春冬麦区、北部冬麦区、黄淮冬麦区、长江中下游冬麦区、西南冬麦区和华南冬麦区10个主区。华北平原(即黄淮海平原)是本文的重点研究区域。华北平原是中国第2大平原,位于黄河下游。西起太行山脉和豫西山地,东到黄海、渤海和山东丘陵,北起燕山山脉,西南到桐柏山和大别山,东南至苏、皖北部,与长江中下游平原相连。延展至北京市、天津市、河北省、山东省、河南省、安徽省和江苏省7省、市的境域,面积约30万km2。华北平原属暖温带大陆性气候区,四季变化明显。南部淮河流域处于向亚热带过渡地区,气温和降水量比北部高。农作物大多为两年三熟,南部一年两熟。主要粮食作物有小麦、水稻、玉米、高粱、谷子和甘薯等,主要经济作物有棉花、花生、芝麻、大豆和烟草等。华北平原属黄淮冬麦区,是秸秆焚烧污染的严重区域。另外选取某典型城市为重点研究对象,分析秸秆焚烧对该市环境空气质量的影响。2数据和处理方法2.1环境环境监测系统秸秆焚烧的卫星遥感监测传感器是NASA的Terra和Aqua卫星的MODIS,MODIS是NASA的EOS系列卫星的主要探测仪器,探测器每天覆盖全球1次,具有36个光谱通道,分布在0.4～14μm波谱范围内,为反演陆地、云、气溶胶、水汽、臭氧、火点等分布提供了丰富信息。用于秸秆焚烧研究的2007年6月火点数据来自马里兰大学的MODISWebFireMapper网站,该网站以文本或矢量文件的形式提供MODIS1km火点数据。火点文件的属性包括9个字段,依次为经度、纬度、中红外波段亮度温度、扫描方向、沿轨方向像元的大小、获取日期、获取时间、卫星型号(Terra或Aqua)、可信度(0～100)。获取日期是全球标准时(UTC)时间,每颗星每天过境2次。环境空气质量监测数据来自于中国环境监测总站每日公布的城市空气质量日报。根据空气环境质量标准和各项污染物的生态环境效应及其对人体健康的影响程度,将常规监测的几种空气污染物浓度简化为单一的概念性指数值,即空气污染指数(API)。环境空气质量日报所用API的分级标准是:(1)API在50以下对应的污染物浓度为国家空气质量日均值Ⅰ级标准;(2)API为51～100时对应的污染物浓度为国家空气质量日均值Ⅱ级标准;(3)API更高值段的分级对应于各种污染物对人体健康产生不同影响时的浓度限制。可见空气质量在Ⅲ级以上(含Ⅲ级)对人体或环境会产生危害。其他配套数据包括1∶400万中国行政边界图、1∶100万中国土地利用数据、中国小麦区划图及气象资料。2.2处理方法2.2.1火炬点特征的确定秸秆焚烧火点信息提取是在MODIS火点数据基础上利用GIS分析工具进一步分析提取的。MODIS火点数据的算法为“上下文相关探测算法”,其原理是通过计算中心点像元与周围像元温度的统计特征,设置若干判据和阈值来实现热异常探测,主要包括火点确定、耀斑滤除。本研究所指“火点”仅表示MODIS火点像元的中心位置,像元的实际大小则依过境时的扫描角度而异。在统计像元的数目时,像元被抽象为“点”。数据处理时,首先利用ArcMap软件的空间裁剪功能,从全球火点异常数据中提取出中国地区的热异常点。再将“火点”图层叠加中国行政区域,通过比较多天的火点分布情况并叠加土地利用信息、中国小麦区划图,排除一些钢铁厂等典型误探测火点。在非秸秆焚烧固定火点的处理中,部分钢铁厂、火电厂的位置通过网上查寻或已有积累的资料得到。考虑到几何定位的误差,对于1km范围内的簇状点群以其中心点作为1个火点,删除其周边点。其他固定火源的去留通过比较1a时间序列的火点特征来确定。如果同一位置在3个月内都出现火点,则被判断为固定火源而去除。2.2.2秸秆焚烧时间序列及缓冲分析利用2007年6月某市及周边地区MODIS卫星遥感的火点数据与我国环境监测网发布的2007年6月该市环境空气质量日报中的API及等级数据进行时间序列比较,并用GIS缓冲区分析方法,以该市为中心生成600、700、800km的缓冲区,统计落在缓冲区内的火点数,分析秸秆焚烧范围对环境空气质量的影响。3结果与分析3.1秸秆焚烧时间分布6月是我国秸秆焚烧最严重的月份之一,这与我国北方、南方的冬小麦秸秆焚烧密切相关。遥感监测统计分析表明,秸秆焚烧火点主要分布在北方冬小麦生产区的河北、河南、山东、陕西、山西等省,以及南方冬小麦生产区的江苏、四川、安徽、山东、湖北、浙江、福建、广东、广西、云南等地。其中,河南、江苏、安徽、山东、河北、山西、陕西、广东是秸秆焚烧较为严重的8个省份,具体见图1和图2所示。进一步统计分析表明,2007年全国秸秆焚烧时间主要发生在6月上半月。6月上半月秸秆焚烧火点数占全月的87.3%,火点主要集中在华北平原的河南、江苏、安徽、山东、河北5省,南方冬小麦生产区也有少量分布;2007年6月下半月的秸秆焚烧火点数仅占全月的12.7%,具体见图3和图4。2007年6月全国秸秆焚烧火点总数13487个,华北平原河南、江苏、安徽、山东、河北、天津、北京的火点数11716个,占全国火点总数的86.9%,可见华北平原为秸秆焚烧的集中区域。3.2火炬点分布趋势基于地理信息系统工具,以某市为中心,生成600、700、800km范围缓冲区,对2007年6月某市环境空气质量等级数据与缓冲区内秸秆焚烧火点分布情况进行时间序列分析,结果见图5和图6。相关分析表明,某市600、700、800km范围缓冲区内火点数与API的相关系数分别为0.04、0.54、0.54,说明700、800km范围缓冲区内的火点分布趋势与API有较好的一致性。从该市6月API的分布趋势(图5)来看,6月空气污染状况格外严重,50%以上天数的API超过100,空气质量级别不到Ⅱ级。其中,空气污染比较严重的日期主要集中在6月6—13日及17—23日。从700km范围缓冲区内火点的分布趋势(图6)来看,从6月5日开始火点数增多,持续到15日。其中7日、12日火点数较多,12日该市当地也有几处火点出现,13日火点数有所下降,具体见图7。对于6月17—21日的污染高峰,由于受云覆盖影响,遥感监测到的火点数很少,与环境空气质量数据没有可比性。结合密云台站及周边气象台站的气象资料综合分析得知,空气污染比较严重的6月6—13日,该地区大气层稳定,地面温度高,平均气温27℃,平均相对湿度54%,无降水,平均风速小于2m·s-1,不利于污染物扩散。期间,秸秆焚烧火点位置基本位于某市南面,同时周边地区风向以西南、南、东南为主,因此,在不利于污染物扩散的气象条件下,再受6月5—12日较强外来秸秆焚烧烟雾影响,致使该市的空气质量处于较差状况。6月13日火点较少,14—15日,虽然火点较多,但当地天气晴朗,空气质量达到良。可见,气象条件也是影响空气质量的重要因素。4秸秆焚烧火点监测结果分析利用卫星遥感手段对秸秆焚烧火点进行监测,是对地面常规监测方法的有效补充。MODIS数据具有波段多、灵敏度高、时效性强等特点,能够较好地监测与监控地面火点秸秆焚烧现状及发展趋势,对于科学、准确、迅速地了解秸秆焚烧动态变化,提高预警能力和监督检查的效率具有重