基于MODIS數據的河南省秋季作物秸稈焚燒火點監測研究

張 彥,劉 婷*,李 冰，程永政,王來剛,郭 燕,武喜紅,賀 佳

(1.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所,河南 鄭州 450002； 2.鄭州澍青醫學高等?？茖W校，河南 鄭州 450000)

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基于MODIS數據的河南省秋季作物秸稈焚燒火點監測研究

張 彥1,劉 婷1*,李 冰2，程永政1,王來剛1,郭 燕1,武喜紅1,賀 佳1

(1.河南省農業科學院 農業經濟與信息研究所,河南 鄭州 450002； 2.鄭州澍青醫學高等?？茖W校，河南 鄭州 450000)

利用MODIS熱異常產品數據,提取河南省秋季作物收獲期的秸稈焚燒火點信息,經過初步篩選和地面驗證,分析該時段內秸稈焚燒火點數量及時空分布格局,以期對政府為控制秋季秸稈焚燒采取的約談措施進行效果評價。結果表明,利用MODIS熱異常產品數據提取的河南省秋季作物收獲期秸稈焚燒火點的準確度可達86.54%,能準確反映河南省秋季作物秸稈焚燒火點的空間分布與發展態勢。河南省2015年秋季作物秸稈焚燒火點主要集中在豫中、豫東、豫南地區，尤其是周口、駐馬店、南陽、信陽、開封等市,5個地區的秸稈焚燒火點總數占到全省秸稈焚燒火點總數的79.90%。2015年河南省秋季作物秸稈焚燒主要發生于9月27日至10月20日共24 d,整體表現平—增—減—平—增—減的趨勢。河南省政府針對秋季作物秸稈焚燒采取政府約談措施之后,秸稈焚燒火點數量大大減少,整體干預效果明顯。利用遙感監測技術可對作物秸稈焚燒進行動態監測,為各級監管部門及時提供大范圍內的秸稈焚燒信息,也為加強秸稈焚燒監控提供了可靠依據。

秸稈焚燒； 火點； 遙感監測； MODIS數據

河南省是我國重要的農業大省之一,既是糧食生產的第一大省,也是秸稈資源大省。由于農民環保意識淡薄、農村勞動力短缺、綜合利用技術條件差和管理體制不健全等多方面因素[1-2],造成每年夏秋農作物收獲季節,一些地區的秸稈焚燒現象非常嚴重。秸稈焚燒的危害很多,比如:資源的浪費；引發火災事故,對農民的生命財產安全造成威脅；空氣污染；對航空運輸和公路交通造成影響,引發交通事故,大大降低運輸效率等[3]。由于河南省秋季作物的秸稈粗大、量多,機收率低,秸稈粉碎還田成本高等原因,加之人力和物力限制,單純依靠現場執法監查管理效率較低[4]。為了遏制秸稈焚燒現象,河南省政府于2015年9月22日在鄭州市召開電視電話會議,提前安排部署秋季秸稈禁燒和綜合利用工作,并實施了以政府約談為手段的干預管理措施,但由于群眾禁燒意識不夠、監管執行不到位、信息傳達和任務部署上存在時間延遲等多方面原因,秋季秸稈焚燒現象仍有發生。因此,在秸稈禁燒工作中采用遙感技術快速獲取全省范圍內的秸稈焚燒信息,通過分析作物秸稈焚燒火點的時空分布格局及動態變化趨勢,為監管部門提供及時準確的決策依據變得越來越重要[5-6]。秸稈焚燒動態監測對實時性要求較高,需要獲取每日的影像數據進行火點提取和秸稈焚燒專題圖制作[7]。由于MODIS數據具有波段范圍廣、靈敏度高、監測頻率高等特點,能夠識別數量更多的火點[8],滿足了秸稈焚燒突發性、快速變化性的要求,成為監測大范圍秸稈焚燒的理想數據源。因此,在電視電話會議召開之后,選取多天覆蓋河南全省的MODIS熱異常產品數據對秋季作物秸稈焚燒火點進行遙感監測,并根據監測結果對政府針對本季秸稈焚燒采取的政府約談措施的實施效果進行分析。

1 材料和方法

1.1 數據來源

本研究使用NASA官網免費提供的MODIS熱異常產品數據MOD14和MYD14系列,分別是地球觀測系統(EOS)中Terra星和Aqua星的數據,空間分辨率為1 km,每天對同一地方觀測次數最多可達4次,解決了連續觀測要求數據源相對一致性與可參照性問題[9]。所用的MODIS影像獲取時間為2015年9月23日至10月20日(28 d)共244期。

其他配套數據有河南省1︰100 000地市級行政區劃圖和土地利用圖。數據投影均采用雙標準緯線正軸等積圓錐投影,第一條標準緯線為25°N,第二條標準緯線為47°N,中央經線為105°E,采用的橢球體是科拉索夫斯基橢球體(長半軸=6 378 245.0 m,扁率=0.003 352 330)。

1.2 數據處理

由于MODIS數據的經緯度波段信息非常詳細,影像精糾正不必選取多個地面控制點即可進行[10-11]。因此,MODIS數據產品的預處理主要是進行投影轉換。數據處理軟件環境為ENVI 5.1和ArcGIS 10.2,首先利用ENVI軟件對MODIS數據進行讀取,并利用地理定位文件構建地理位置查找表對MOD14和MYD14進行地理定位；而后進行熱異常點提取,并輸出shapefile格式的火點結果；最后進行秸稈焚燒火點提取,利用ArcGIS 10.2裁切功能,提取出河南省內的火點,并與土地利用圖層進行疊置分析,從而排除鋼鐵廠、火電廠和部分林火等其他探測火點,排除固定火源后,位于耕地上的火點即可認為是秸稈焚燒火點。其中,本研究所指的火點僅代表MODIS熱異常點像元的中心位置,實際面積與衛星過境時的掃描角度有關,火點數量與實際過火面積沒有明顯的線性關系[12]。因此,在統計時僅對火點進行數量統計,未涉及秸稈焚燒實際過火面積,火點分布的密集程度僅反映某一地區秸稈焚燒現象的嚴重程度。

1.3 秸稈焚燒火點信息的地面驗證

本研究在利用MODIS熱異常產品數據得到秸稈焚燒火點48 h內,通過GPS野外精準定位火點位置進行地面驗證。

2 結果與分析

2.1 基于MODIS數據的河南省秋季作物秸稈焚燒火點結果的地面驗證

本研究按照MODIS熱異常產品數據獲得的秸稈焚燒火點經緯度信息,現場查驗火點所在地塊的秸稈焚燒情況。共實測了104個火點,其中,有90個火點確定為秸稈焚燒火點,14個火點為溝渠或林地落葉焚燒火點,作物秸稈焚燒火點提取準確度為86.54%。本研究提取的秸稈焚燒火點的準確度較高,火點分布格局也與實際基本吻合,說明提取的火點能準確反映出秋季作物秸稈焚燒現象的地區分布與發展態勢。

2.2 基于MODIS數據的河南省秋季作物秸稈焚燒火點的空間分布

利用2015年9月23日至10月20日的MODIS熱異常產品數據,監測到28 d內河南全省共有秸稈焚燒火點587個,圖1展示了2015年河南省秋季作物秸稈焚燒火點的空間分布情況,表1列出了河南省各地級市秸稈焚燒火點的具體數目。由圖1和表1可以看出,除三門峽、濟源兩市沒有發現秸稈焚燒火點外,其他各地市均有秸稈焚燒火點分布。其中,秸稈焚燒火點主要集中在豫中、豫東、豫南地區,豫北、豫西地區僅有少量分布零散的秸稈焚燒火點出現。在省、市交界處秸稈焚燒火點也比較集中,可能與這些地區的監管力度較薄弱有關。此外,周口、駐馬店、南陽、信陽和開封等5個地市的秸稈焚燒現象比較嚴重,每個市的秸稈焚燒火點數都≥50個,且這5個地市的秸稈焚燒火點數共占全省秸稈焚燒火點總數的79.90%,可能與這些地區的秸稈利用方式發生改變有關,建議加大秸稈禁燒宣傳和監管力度,積極擴展秸稈綜合利用途徑。

黑圓點為秸稈焚燒火點

地級市名稱秸稈焚燒火點數/個地級市名稱秸稈焚燒火點數/個周口市200漯河市17駐馬店市89平頂山市12南陽市67許昌市10信陽市63鄭州市5開封市50焦作市4濮陽市24鶴壁市3商丘市20洛陽市2新鄉市19安陽市2

2.3 基于MODIS數據的河南省秋季作物秸稈焚燒火點的時間分布

由于秋季新增加的秸稈量大、收種管理時間不一致和氣象條件不利等因素,秋季秸稈禁燒工作難度大大增加。因此,為及時遏制秸稈焚燒蔓延勢頭,河南省政府在2015年9月22日召開了秸稈禁燒和綜合利用會議,提前部署秋季秸稈禁燒與綜合利用工作。但在秋季作物集中收獲期間監測到河南省仍然存在較為普遍的秸稈焚燒現象,圖2列出了2015年9月23日至10月20日秸稈焚燒火點每日遙感監測結果。由圖2可以看出,自9月23日開始監測之后,僅監測首日有1個秸稈焚燒火點,之后4 d均無火點,9月27日至29日秸稈焚燒現象較輕微,單日火點數分別為1、12、17個。9月30日則未監測到火點。由于10月1日進入我國的國慶節假期,勞動力充足,作物開始集中收獲,秸稈焚燒火點數增加較多,10月1日、2日火點數分別達224、104個,焚燒火點增多現象僅持續了2 d。10月3日至6日焚燒火點漸減,單日火點數較少,均小于10。10月7日至8日均無火點。10月9日至13日焚燒火點數呈現增多趨勢,除12日火點數為7個外,9日至11日、13日單日火點數均大于20。10月14日至18日進入作物收獲后期,單日火點在10個左右,秸稈焚燒現象較前期減少且趨于平穩。10月19日至20日單日火點數分別為2、4個,火點數進一步減少。10月21日已無火點出現,至此結束2015年秋季作物秸稈焚燒監測?？v觀整個過程,2015年河南省秋季作物秸稈焚燒主要發生于9月27日至10月20日24 d,整體表現平—增—減—平—增—減的趨勢。在作物收獲初期,秸稈總量少,焚燒火點數較少；在作物集中收獲期,由于大面積收獲,秸稈量猛增,加之政策落實滯后性等原因導致秸稈焚燒火點數較多,秸稈焚燒普遍,對環境影響很大,政府禁燒監管和處罰力度隨之加大,其后秸稈焚燒大為減少；在作物收獲后期,完成收獲地區進入翻耕階段,監管力度可能會減弱,其他地區則趁著監管松懈繼續焚燒秸稈,秸稈焚燒火點數又增多。

圖2 2015年河南省秋季作物秸稈焚燒火點監測結果

2.4 河南省秋季作物秸稈焚燒干預措施效果評價

秸稈禁燒事關全省乃至環京津冀周邊地區環境空氣質量的改善,雖然河南省政府針對2015年秋季秸稈禁燒采取了多項干預措施,但由上述結果可知,秸稈焚燒現象仍舊普遍存在,影響較為惡劣。河南省政府具體采取的干預措施及時間見表2。

表2 2015年河南省秋季作物秸稈焚燒干預措施及采取時間

為了探討政府采取的現有干預措施是否有效,本研究對2015年河南省秋季秸稈焚燒火點數量及空間分布與干預措施采取時間之間的關系進行了深入分析。由于秸稈焚燒情況受天氣狀況、收割進度等因素的影響,僅用單日遙感監測結果難以較好地展示秸稈焚燒現象的空間變化趨勢。因此,本研究在分析秸稈焚燒火點變化趨勢時,根據政府約談會議召開時間為節點,對新增秸稈焚燒火點監測結果進行了分段累加制圖。最終得到2015年河南省秋季秸稈焚燒火點累加變化趨勢圖(圖3)。圖3a展示了第一次政府約談之前新增的秸稈焚燒火點累加分布情況,可以看出,本季作物秸稈焚燒現象最先出現在豫東、豫南地區,其中,秸稈焚燒火點主要分布于豫東地區的周口市境內,秸稈焚燒現象比較分散且較輕微。圖3b展示了第一次政府約談之后至第二次政府約談之前新增的秸稈焚燒火點累加分布情況,可以看出,秸稈焚燒現象較上一階段迅速增加,全省大部分地區均有秸稈焚燒火點分布,尤其是在豫東、豫南地區,秸稈焚燒現象非常普遍,其他地區僅有少量且分布零散的秸稈焚燒火點出現。秸稈焚燒現象由豫東擴散到周邊其他地區,此次政府約談效果并不明顯,應與信息傳達和政策落實滯后、作物大面積集中收獲有關。圖3c展示了第二次政府約談之后至第三次政府約談之前新增的秸稈焚燒火點累加分布情況,可以看出,秸稈焚燒現象較上一階段有所減弱,雖然全省大部分地區仍然存在秸稈焚燒火點,但火點數量和空間分布范圍都大大減少。此次政府約談效果比較明顯,應與政策落實到位,各級部門加強秸稈焚燒監管力度有關。圖3d展示了第三次政府約談之后新增的秸稈焚燒火點累加分布情況,可以看出,秸稈焚燒現象較上一階段繼續減弱,僅有個別地區存在少量且分布零散的秸稈焚燒火點,其他大部分地區均未出現秸稈焚燒火點,本次約談會議效果較好,應與全省秋季秸稈焚燒進入尾聲,政府持續加強監管有關。

a.開始監測至第一次政府約談之前新增秸稈焚燒火點累加分布圖； b.第一次政府約談之后至第二次政府約談之前新增秸稈焚燒火點累加分布圖； c.第二次政府約談之后至第三次政府約談之前新增秸稈焚燒火點累加分布圖； d.第三次政府約談之后至監測結束新增秸稈焚燒火點累加分布圖

3 結論與討論

本研究利用MODIS熱異常產品數據對河南省秋季作物秸稈焚燒進行遙感動態監測, 采用野外定位對MODIS識別的秸稈焚燒火點信息加以精度驗證,發現提取的秸稈焚燒火點的準確度較高,達86.54%,說明利用MODIS熱異常產品數據提取的秸稈焚燒火點結果是客觀的,符合實際情況。對河南省2015年秋季作物秸稈焚燒火點進行時空分布研究發現,秸稈焚燒火點主要集中在豫中、豫東、豫南地區,豫北、豫西地區僅有少量分布零散的秸稈焚燒火點出現；在省、市交界處秸稈焚燒火點也比較集中,應加大對秸稈焚燒嚴重地區的禁燒宣傳和監管力度,積極擴展秸稈綜合利用途徑。2015年河南省秋季作物秸稈焚燒主要發生于9月27日至10月20日24 d,整體表現平—增—減—平—增—減的趨勢。在監測后期秸稈焚燒現象出現小幅增加趨勢,說明政府不僅應該在作物集中收獲期加強禁燒監管,更應該把禁燒觀念轉變為保護環境觀念,做到保護環境常態化。對河南省政府針對秋季秸稈焚燒管理采取的約談措施的實施效果進行分析發現,秸稈焚燒整體發展趨勢與政府針對秋季秸稈焚燒采取約談的時間基本吻合,河南省政府針對秋季作物秸稈焚燒采取政府約談措施之后,秸稈焚燒火點數大大減少,整體干預效果較好,對遏制秸稈焚燒起到了非常明顯的作用。利用遙感監測技術對秸稈焚燒進行動態監測可為各級監管部門及時提供大范圍內的秸稈焚燒情況,為加強秸稈焚燒監控提供了可靠依據。由于本研究使用的MODIS熱異常產品數據只能夠確定秸稈焚燒的位置信息,因此未涉及秸稈焚燒過火面積,只分析了秸稈焚燒火點的時空分布格局。此外,秸稈焚燒火點監測會受天氣、衛星過境時間、焚燒持續時間等因素的影響。因此,對秸稈焚燒火點提取準確度、焚燒面積等方面還需要進一步的研究和探討。

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Monitoring of Autumn Crop Straw Burning Fire Points in Henan Province Based on MODIS Data

ZHANG Yan1*,LIU Ting1*,LI Bing2,CHENG Yongzheng1,WANG Laigang1,GUO Yan1,WU Xihong1,HE Jia1

(1.Agricultural Economy and Information Research Institute,Henan Academy of Agricultural Sciences, Zhengzhou 450002,China; 2.Zhengzhou Shuqing Medical College,Zhengzhou 450000,China)

MODIS thermal anomalies data was used to extract fire points information during the autumn harvest in Henan province,and the quantity and space-time distribution of straw burning fire points were analyzed after a preliminary screening and ground validation,so as to evaluate the effect of intervention management measures taken by the government for crop straw burning.The results showed that the accuracy rate of straw burning fire points extracted in this paper could reach 86.54%,which could accurately reflect the spatial distribution and development trend of autumn crop straw burning phenomenon in Henan province.The straw burning fire points mainly concentrated in the centre,east and south of Henan province,especially in the cities of Zhoukou,Zhumadian,Nanyang,Xinyang and Kaifeng,whose straw burning fire points accounted for 79.90% of the province’s total.The autumn crop straw burning lasted for 24 d in Henan province in 2015,which occurred mainly in the September 27th to October 20th, the overall trend was flat—increase—decreases—flat—increase—decreases.Henan government intervention overall effect was obvious,because after the interview measures for crop straw burning which were taken by the government,the number of straw burning fire points greatly reduced.Use of remote sensing technology to dynamically monitor straw burning could timely provide regulatory authorities at all levels with straw burning conditions within a wide range,also provide a reliable basis to strengthen the straw burning monitoring.

straw burning; fire points; remotesensing monitoring; MODIS data

2016-05-20

河南省科技成果轉化項目(142201110033)；河南省超級產糧大省獎勵資金扶持糧油良種培育等項目(豫財貿[2015]131號)

張 彥(1989-)，女，山東臨沂人，碩士，主要從事農業遙感應用研究工作。E-mail：zy12032016@163.com

*通訊作者：劉 婷(1968-)，女，湖北武漢人，研究員，主要從事農業遙感應用研究。E-mail：liuting32002@163.com

S127

A

1004-3268(2016)11-0149-06